Laboratorium POMIAR DRGAŃ MASZYN W ZASTOSOWANIU DO OCENY OGÓLNEGO STANU DYNAMICZNEGO

Transkrypt

1 INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN Laboratorium POMIAR DRGAŃ MASZYN W ZASTOSOWANIU DO OCENY OGÓLNEGO STANU DYNAMICZNEGO Measurement of vibrations in assessment of dynamic state of the machine Zakres ćwiczenia: 1. Podstawowe wielkości charakteryzujące drgania 2. Kryteria oceny drgań maszyn i urządzeń 3. Ocena stanu dynamicznego maszyn wg PN. 4. Ocena stanu dynamicznego maszyn wg IRD oraz VCI. 5. Pomiary drgań wybranych maszyn i urządzeń oraz ocena ich stanu dynamicznego. Do wykonania przez studentów: 1. Zapoznać się z kryteriami oceny stanu dynamicznego maszyn wg PN, VCI oraz IRD. 2. Wykonać pomiary drgań wybranych maszyn i urządzeń.. 3. Wykonać ocenę ich stanu dynamicznego. 4. Opracować wyniki pomiarów. 5. Zaliczyć ćwiczenie.

2 1. DRGANIA Drgania mogą być rozpatrywane jako oscylacyjny ruch cząstki lub ciała względem punktu odniesienia. Na rys.1 przedstawiono wszystkie wielkości charakteryzujące sygnał drganiowy: amplitudę, okres drgań, wartość szczytową, średnią i wartością skuteczną (RMS), oraz wartością szczyt-szczyt. Wartość szczyt-szczyt jest szczególnie uŝyteczna przy ocenie wibracji ze względu na krytyczne maksymalne napręŝenia. Wartość szczytowa, zawiera w sobie informacje wskazujące poziom krótkich przebiegów udarowych, nie biorą pod uwagę historii czasowej przebiegu. Wartość średnia zawiera informację o przebiegu czasowym, ma ograniczone zastosowanie, poniewaŝ nie wykazuje prostej zaleŝności z jakąkolwiek uŝyteczną wielkością fizyczną. Wartość skuteczna RMS - najlepiej charakteryzuje drgania, poniewaŝ uwzględnia ona zarówno historię czasową przebiegu, jak i zawiera informację o wielkości amplitudy. Rys.1. Parametry charakteryzujące sygnał drganiowy. Drgania moŝna określić za pomocą jednej z wielkości: przyspieszenia, prędkości oraz przemieszczenia moŝna. Dla przebiegów harmonicznych wszystkie te wielkości są ze sobą matematycznie ściśle powiązane w funkcji częstotliwości i czasu. Ta zaleŝność przedstawiona jest na rys.2: 2

3 Rys.2. ZaleŜności pomiędzy sygnałami przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia Najbardziej obecnie rozpowszechnionym przetwornikiem do pomiaru drgań jest akcelerometr piezoelektryczny. Posiada on szeroki zakres częstotliwości i zakres dynamiczny oraz wykazuje dobrą liniowość w całym zakresie pomiarowym. Jest stosunkowo wytrzymały i charakteryzuje się doskonałą stabilnością czasową charakterystyk. Przetwornik nie wymaga zewnętrznego zasilania, poniewaŝ sam generuje sygnał wyjściowy. Jego sygnał wyjściowy proporcjonalny jest do przyspieszenia i moŝe zostać łatwo przetworzony na sygnał prędkości i przesunięcia przy pomocy elektronicznych wzmacniaczy całkujących. Zasadę działania akcelerometru piezoelektrycznego pokazuje rysunek 3. Najistotniejszą częścią piezoelektrycznego czujnika przyspieszeń jest płytka materiału piezoelektrycznego. Zwykle jest to sztucznie spolaryzowany ferroelektryk materiał, który przejawia właściwości piezoelektryczne. Poddany działaniu sił mechanicznych rozciągających, ściskających czy teŝ tnących generuje on na płaszczyznach polaryzacji ładunek elektryczny proporcjonalny do działających sił. Rys.3. Zasada działania piezoelektrycznego przetwornika drgań NajwaŜniejszymi parametrami akcelerometrów są: czułość, zakres częstotliwościowy (częstotliwość rezonansu), poziom szumów własnych,, maksymalny (szczytowy) zakres przetwarzania masa własna. 2. KRYTERIA OCENY DRGAŃ MASZYN I URZĄDZEŃ Kryteria oceny drgań maszyn i urządzeń są ustalone w normach, które moŝna podzielić na cztery następujące rodzaje: normy odbiorcze określające dla obiektu technicznego dopuszczalny stan wibracyjny, który jest jednym z mierników dokładności wykonania i montaŝu; normy eksploatacyjne określające dopuszczalny stan wibracyjny pracującego mechanizmu; normy sanitarne ograniczające szkodliwy wpływ drgań maszyn na fizjologiczne i psychologiczne stany człowieka; normy odporności wibracyjnej określające dopuszczalny poziom drgań pochodzących ze źródeł zewnętrznych, jakie mogą działać w sposób szkodliwy na określoną maszynę lub urządzenie. 3

4 3. OCENA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN WG PN-ISO ORAZ PN- 90 N Wstęp. Norma PN-ISO podaje ogólne warunki i procedury pomiaru i oceny drgań na podstawie pomiarów przeprowadzonych na nie wirujących częściach maszyn. Kryteria oceny dotyczą zarówno intensywności drgań jak i jej zmiany w czasie eksploatacji Zakres częstotliwości Zgodnie z normą PN-ISO drgania maszyny powinny być mierzone w szerokim paśmie częstotliwości, obejmującym zakres widma częstotliwościowego maszyny. Według normy PN-90 N ocenę drgań maszyn wykonuje się w zakresie Hz Podział maszyn. Tabela.1. Podział maszyn na grupy ze względu na ich wielkość i moc oraz sposób posadowienia Klasa I II III IV Moc i sposób posadowienia maszyny, w tym silniki o mocy do 15 kw maszyny średniej wielkości, w tym silnik o mocy kw bez specjalnych fundamentów oraz maszyny o mocy do 300 kw ustawione na fundamentach maszyny o mocy powyŝej 300 kw, w tym silniki o mocy powyŝej 75 kw, posadowione na fundamentach spełniających warunki ustawienia sztywnego maszyny o mocy powyŝej 300 kw, w tym silnik o mocy powyŝej 75 kw, posadowione na fundamentach, spełniających warunki ustawienia spręŝystego (elastycznego) 3.4. Metody pomiarów Postanowienia ogólne Parametr mierzony i zakres częstotliwości. W badaniach drgań maszyn naleŝy mierzyć wartość skuteczną prędkości drgań V c w zakresie częstotliwości od 10 do 1000 Hz. Układ odniesienia. Prędkość drgań naleŝy mierzyć w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach. Warunki wykonania pomiarów Miejsce pomiarów. Pomiary prędkości drgań naleŝy przeprowadzić w miejscu eksploatacji badanej maszyny. Warunki pracy maszyny podczas pomiarów. Pomiary prędkości drgań naleŝy przeprowadzić podczas normalnej eksploatacji badanej maszyny. Przyrząd pomiarowy. Wymagania ogólne. Przyrząd zastosowany do badań powinien umoŝliwiać pomiar prędkości drgań. Charakterystyka częstotliwości przyrządu pomiarowego powinna mieścić się w przedziale ustalonych w normie odchyłek. Zakres częstotliwości. Przyrząd pomiarowy powinien zapewniać pomiar wartości skutecznej prędkości drgań w paśmie częstotliwości od 10 do 1000 Hz. Dopuszczalny błąd toru pomiarowego. Do pomiaru prędkości drgań naleŝy stosować taki przyrząd aby błąd toru pomiarowego nie przekroczył 10%. Wykonanie pomiarów. Lokalizacja punktów pomiarowych. Pomiar prędkości drgań naleŝy wykonać na obudowach wszystkich łoŝysk, na wysokości wału maszyny Mocowanie przetworników drgań. Sposób mocowania powinien zapewnić liniowe przetwarzanie badanego sygnału w zakresie 10 do 1000 Hz. Wynik pomiaru. Jako wynik pomiaru naleŝy przyjąć największą spośród odczytywanych wartości prędkości drgań. 4

5 Ocena drgań. Kryteria oceny stanu pracy maszyn ze względu na wytwarzane drgania wg tabl. Tabela.2. Kryteria oceny stanu pracy maszyn ze względu na wytwarzane drgania Wartość skuteczna prędkości V c, w mm/s, Klasa I II III IV 0,28 0,45 0,71 1,12 1,8 2,8 4,5 7,1 11, A stan dobry B stan zadowalający C stan przejściowo dopuszczalny D stan niedopuszczalny A B C D A B C D A B C D A B C D 5

6 4. OCENA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN WEDŁUG IRD ORAZ VCI. Wpływ szkodliwości drgań na maszyny w oparciu o wartości szczytowe amplitudy prędkości drgań. Rys.4. Wykres ogólny szkodliwości drgań maszyn wg IRD Mechanalysis. 6

7 Drganiowe stany graniczne opracowane przez VCI Ltd na podstawie pomiarów drgań korpusów i łoŝysk. Rys.5. Drganiowe stany graniczne maszyn wg. VCI Ltd. 7

8 Drganiowa klasyfikacja stanu maszyn. Rys.6. Drganiowa klasyfikacja stanu maszyn na podstawie pomiarów drgań korpusu lub obudowy łoŝyska. Drganiowa klasyfikacja uszkodzeń: AA katastrofalne; Wyłącz natychmiast!, A groźne; Napraw w ciągu 48 h!, B częściowe; Napraw w ciągu 21 dni!, C niewielkie; Nie naprawiaj!, D bez uszkodzeń; Nie naprawiaj! Amplituda efektywna liczona jest jako amplituda zmierzona współczynnik dyspozycyjności. Wartość współczynnika dyspozycyjności zaleŝy od typu maszyny i wynosi odpowiednio: Silnik elektryczny, jednostopniowa pompa wirowa, wentylator 1,0 Typowe nieelektryczne maszyny 1,0 Turbina, generator, spręŝarka radialna, wielostopniowa pompa 2,0 Przekładnia zębata, pomiar na korpusie ŁoŜyska toczne 0,5 Urządzenia o nieznanych charakterystykach 2,0 8

9 5. WYKONANIE ĆWICZENIA Szkic badanej maszyny... (z zaznaczeniem punktów pomiarowych i kierunków). Pomiary drgań maszyny Rys.7. Schemat układu pomiarowego (1-enkoder, 2-akcelerometr, 3-miernik drgań, 4-przetwornik A/C, 5-komputer) 9

10 Rysunki 8 i 9 przedstawiają przykładowy zapis jednego cyklu pracy badanej maszyny L [mm] n onr [Hz] v drgan t [s] Rys.8. Rejestracja czasowa przemieszczenia, obrotów oraz prędkości drgań (skuteczniej i szczytowej) w wybranym węźle łoŝyskowym układu napędowego v drgan zakłócenia L[mm] Rys.9. ZaleŜność prędkości drgań wybranego węzła łoŝyskowego podczas pełnego cyklu pracy 10

11 Na podstawie analizy zarejestrowanych sygnałów naleŝy wykonać następujące czynności: narysować wykresy zmian rejestrowanych parametrów w funkcji czasu patrz rys. 8, narysować wykresy zmian wartości skutecznej i szczytowej prędkości drgań podczas pełnego cyklu pracy zaznaczyć zakresy brane pod uwagę do dalszej analizy, określić parametry podane w tabelach 3-5, dla kaŝdego przypadku pomiarowego, dokonać oceny stanu dynamicznego maszyny wg wszystkich podanych kryteriów, porównać oceny, wyciągnąć wnioski. Tabela.3. Wyniki analizy Kierunek pomiaru n [obr/min] v RMS Punkt nr... v peak CRF [-] śred: śred: max: śred: Tabela.4. Wyniki analizy Kierunek pomiaru n [obr/min] v RMS Punkt nr... v peak CRF [-] śred: śred: max: śred: Tabela.5. Wyniki analizy Kierunek pomiaru n [obr/min] v RMS Punkt nr... v peak CRF [-] śred: śred: max: śred: Ocena stanu dynamicznego wg IRD, VCI oraz PN. Tabela.6. Ocena stanu dynamicznego Lp Punkt pomiarowy Kierunek f n [Hz] Ocena stanu dynamicznego wg IRD (rys.3) Ocena stanu dynamiczne go wg VCI (rys.2) Klasyfikacja stanu dynamicznego wg rys.4 Klasyfikacja stanu dynamiczneg o wg PN 1 Wnioski 11

12 6. LITERATURA [1] Cempel Cz. Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa [2] Engel Z. Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem PWN Warszawa [3] Łączkowski R. Wibroakustyka maszyn i urządzeń WNT, Warszawa [4] PN-ISO Ocena drgań maszyn na podstawie pomiarów na częściach niewirujących. wytyczne ogólne. [5] PN-90/N Drgania. Metody pomiarów i oceny drgań maszyn 12