DIAGNOSTYKA TECHNICZNA MASZYN. Rozdział 8 Typowe uszkodzenia. Wprowadzenie

Transkrypt

1 Wprowadzenie 99 Właściwa ocean stanu maszyny wymaga analizy róŝnorodnych parametrów (temperatura metalu, temperatura oleju smarnego, poziom drgań) Trudności związane z identyfikacją uszkodzeń: Wiele z parametrów jest wzajemnie powiązanych (zmiana poziomu jednego powoduje zmianę poziomu drugiego parametru) Często kilka defektów występuje jednocześnie NiewywaŜenie - Najczęściej spotykany typ synchronicznego wzbudzenia maszyny wirującej NiewywaŜenie moŝe być spowodowane przez: - Przesunięcie środka masy względem osi obrotów, - Wygięty lub skrzywiony wał (wywołane np. nierównomiernym nagrzewaniem w trakcie uruchamiania maszyny) NiewywaŜenie właściwie bardzo elementarny przypadek wywołany przez asymetrię wirującego elementu co w efekcie daje przesunięcie środka masy względem osi obrotów Czujnik drgań high spot a High spot- punkt w którym niewywaŝony wirnik jest najdalej odsunięty od osi obrotów

2 100 Symptomy: wysokie drgania promieniowe przy częstotliwości obrotowej, amplituda drgań jest większa w kierunku najmniejszej sztywności (typowo w płaszczyźnie poziomej) osiowa amplituda drgań jest mniejsza niŝ amplituda promieniowa zmiana w odpowiedzi na prędkość krytyczną - wysoka amplituda drgań przy przejściu przez prędkość krytyczną, - przesunięcie krytycznej częstotliwości (w wyniku nieliniowej odpowiedzi układu wirującego) Odpowiedź niewywaŝonego wirnika Odpowiedź wywaŝonego wirnika

3 101 zmiana fazy w płaszczyźnie promieniowej Ten typ niewywaŝenia moŝe być identyfikowany poprzez analizę zmian fazy: - w fazie niewywaŝenie statyczne, - przesunięcie fazy o 180 o niewywaŝenie momentowe, - zmiana pomiędzy 0 i 180 o niewywaŝenie dynamiczne, - przesunięcie fazy o 180 o drgań osiowych pomiędzy oboma łoŝyskami skrzywiony lub wygięty wał Środek cięŝkości a) niewywaŝenie statyczne b) niewywaŝenie dynamiczne NiewywaŜenie statyczne typ niewywaŝenia kiedy siły statyczne działają w kierunku poprzecznym do osi obrotu NiewywaŜenie momentowe typ niewywaŝenia kiedy siła po jednym końcu wału jest przesunięta względem siły po drugiej o 180 o NiewywaŜenie dynamiczne ogólna forma niewywaŝenia kiedy wirnik jest niewywaŝony statycznie i momentowo

4 PrzeciąŜenie wału - Rozosiowanie 102 NiewywaŜenie resztkowe i skrzywienie wału są wewnętrznymi uszkodzeniami nieodłącznie związanymi z maszynami wirującymi natomiast przeciąŝenie wału jest efektem wymuszeń zewnętrznych Przyczyny przeciąŝenia: pochodzące od wymuszeń wewnętrznych, - przeciąŝenie grawitacyjne, - przeciąŝenie łoŝysk, - siły zazębienia w przekładniach zębatych, - przeciąŝenia od czynnika roboczego (np. częściowe zasilanie w pierwszym stopniu turbiny) Początkowe odkształcenie Całkowite odkształcenie wału Po obrocie o 180 Przykład rozosiowania powstałego w wyniku osiadania fundamentu (łoŝyska są przesunięte w poziomie względem siebie)

5 103 pochodzące od wymuszeń zewnętrznych - rozosiowanie na sprzęgle - zakleszczenie sprzęgła (w przypadku sprzęgieł zębatych) - deformacje termiczne ŁoŜysko przeciąŝone ŁoŜysko odciąŝone rozosiowanie i jego wpływ na obciąŝenie łoŝysk rozosiowanie moŝe być wywołane przez: - niewłaściwe oszacowanie termicznego podniesienia stojaka łoŝyskowego - siły wywołane napręŝeniami w rurociągach, - nierówne osiadanie fundamentów dwa podstawowe typy rozosiowania osie skośne osie równoległe

6 104 Objawy: wysokie drgania promieniowe dla drugiej częstotliwości harmonicznej (2X), wysoki poziom drgań osiowych dla częstotliwości podstawowej, 180 o przesunięcie fazy dla I harmonicznej w poprzek sprzęgła, ściśnięta lub zniekształcona trajektoria, Bez przeciąŝenia Małe przeciąŝenie Średnie przeciąŝenie Silne przeciąŝenie zmiana kształtu trajektorii wraz ze wzrostem obciąŝenia Obserwacja I i II harmonicznej: JeŜeli II harmoniczna jest: % I harmonicznej rozosiowanie moŝe być tolerowane przez sprzęgło, % I harmonicznej prawdopodobieństwo uszkodzenia sprzęgła, - ponad 150% I harmonicznej silne siły działające na sprzęgło mogą wywołać jego przyśpieszone zniszczenie

7 Przycieranie wirnika 105 Przycieranie jest efektem fizycznego kontaktu pomiędzy ruchomymi (obracającymi się) a stacjonarnymi częściami maszyny W maszynach wirujących przycieranie występuje przede wszystkim: - pomiędzy wałem a uszczelnieniami labiryntowymi, - wewnątrz łoŝysk (często w wyniku ciasnych pasowań) Symptomy: spłaszczony przebieg czasowy i trajektoria, Kierunek pionowy Kierunek poziomy trajektoria podwyŝszone składowe harmoniczne.5x, 1.5X, 2.5X itd.,

8 106 przeciwny kierunek trajektorii dla częstotliwości podharmonicznej (kiedy czop uderzy w panew łoŝyska wirnik jest jakby kopnięty w tył przeciwnie do kierunku obrotu) niefiltrowana 1X Filtr X/4 Filtr Obrót CCW Obrót CCW Obrót CW Prędkość = 5,760 obr/min Skala 10 µm / działkę Uwaga: Warunki przycierania są zmienne w czasie i wywołują róŝną odpowiedź wirnika więc: częstotliwość podharmoniczne moŝe dryfować (nie jest stałą częścią składowej obrotowej), kierunek trajektorii podharmonicznej moŝe oscylować pomiędzy kierunkiem zgodnym i przeciwnym do kierunku obrotu wału!!! Wszystkie obserwowane symptomy są chwilowe, poniewaŝ przycieranie jest typowym zjawiskiem przejściowym trudno je zidentyfikować.

9 Niestabilność olejowa 107 Niestabilność filmu olejowego w łoŝyskach hydrodynamicznych jest jednym z najczęściej spotykanych przyczyn niestabilności podharmonicznej. Siły styczne płynu Siły osiowe płynu Siła grawitacyjna Profil prędkości Panew łoŝyska Przy wirującym wale występuje minimalny luz pomiędzy wałem a częścią stacjonarną łoŝyska dla łoŝysk ślizgowych ta odległość to minimalna grubość filmu. Przy kierunku obrotowym zgodnym z ruchem wskazówek zegara wał się podnosi a minimalna grubość filmu występuje w dolnej lewej ćwiartce łoŝyska Siły działające w punkcie minimalnej grubości filmu składają się z składowej osiowej i stycznej co powinno być równowaŝone (wektorowo) siłą grawitacyjną wału. JeŜeli istnieje równowaga sił system jest stabilny, W przeciwnym wypadku film olejowy krąŝy w łoŝysku w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów z prędkością pomiędzy 35 49% prędkości obrotowej wału zjawisko to jest znane jako wir olejowy.

10 Model oddziaływania płynu 108 Model oddziaływania płynu bazuje na analizie związanych z ruchem obrotowym wału poprzecznych (???) napręŝeń w oleju smarującym Średnia prędkość kątowa λ ruchu płynu jest częścią prędkości obrotowej wirnika. Fizykalne znaczenie λ - prędkość kątowa przy której wirują siły tłumiące płynu. W tym przypadku tłumik ( dashpot ) nie jest stacjonarny w łoŝysku, lecz wiruje! Średnia prędkość kątowa płynu Panew łoŝyska λω x Y Siła styczna D λ Ω r Współczynnik promieniowego tłumienia płynu X D Ω Wirnik y Układ spręŝyna-tłumik wirujący z prędkością kątową λω K B Współczynnik promieniowej sztywności płynu Siły styczne destabilizujące pracę łoŝyska noszą nazwę Alford forces. Powstają one w wyniku niesymetrycznych luzów wywołanych ekscentrycznym ruchem wirnika λ jest malejącą funkcją ekscentryczności wału.

11 109 Mechanizm oddziaływania wirnik-olej Rotor lateral vibrations Driving torque Rotative speed Rotor Fluid circumferential flow in clearance Fluid forces Moment obrotowy i ekscentryczność wirnika powoduje rotację płynu powstają siły styczne siły styczne oddziaływują z wirnikiem w wyniku tych oddziaływań powstają podharmoniczne drgania wirnika (drgania olejowe i bicie olejowe) Niestabilność olejowa moŝe być wywołana przez: - zmianę obciąŝenia łoŝyska (zwłaszcza jego obciąŝenia), - małe zmiany osiowania, - zmiana temperatury, lub ciśnienia oleju, - nieprawidłowa konstrukcja łoŝyska Drania Olejowe charakteryzują się częstotliwością, która jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wirnika i odpowiada częstotliwości własnej układu smarującego. Symptomy drgań olejowych: nieregularny przebieg czasowy wewnętrzne pętle na trajektorii i dwa znaczniki fazy na jeden obrót, drgania promieniowe dla 35 49% częstotliwości podstawowej,

12 110 Kiedy niestabilność podharmoiczna osiągnie prędkość krytyczną wału pojawia się tzw. bicie olejowe Bicie olejowe charakteryzuje się stałą częstotliwością odpowiadającą częstotliwości własnej układu (najczęściej jest to I mod drgań giętnych wału)

13 111 Małe drgania olejowe i bicie olejowe jest łatwo identyfikowane!!! Małe drgania olejowe widoczne są dla stałej frakcji prędkości obrotowej. Bicie olejowe ma stałą częstotliwość niezaleŝnie od prędkości obrotowej. PoniewaŜ bicie olejowe związane jest ze wzrostem drgań rezonansowych moŝe być to bardzo niebezpieczne dla stanu technicznego i bezpieczeństwa maszyny Małe drgania olejowe są na ogół dobrze tolerowane przez maszynę Suchy wir tarciowy Niestabilność podharmoniczna moŝe oprócz drgań olejowych być dodatkowo wywołana poprzez siły tarcia w łoŝysku promieniowym powstające w wyniku zbyt ciasnych lub nierównych luzów łoŝyskowych. W przypadku suchego wiru tarciowego przy częstotliwości około ½ prędkości obrotowej pojawia się wsteczna precesja wału przeciwna do kierunku obrotu wału.

14 Luzy mechaniczne 112 Ten typ uszkodzenia opisywany jest jako luźne lub niedokładnie połączone elementy maszyny jest to jeszcze jeden nieharmoniczny mechanizm występujący w maszynach przepływowych. Symptomy: szereg harmonicznych o nienormalnie wysokich amplitudach wstępujących w widmie drgań bezwzględnych, obecność składowej podharmonicznej związanej z prędkością obrotową wału Wyjaśnienie: PoniewaŜ Drgania = Siły wymuszające Sztywność układu Dla luźnych elementów (np. luzy mocowania łoŝyska) sztywność podpory jest zmniejszona prędkość krytyczna wirnika będzie przesunięta (frakcja prędkości obrotowej, lub wielokrotność prędkości obrotowej). Uwaga: Podobny kształt widma moŝna uzyskać przy analizie sygnału pochodzącego z czujnika wiroprądowego jzko rezultat run-out -u.

15 Pęknięcie wału 113 Przy spotykanych w maszynach wysokich prędkościach obrotowych oraz duŝych momentach odśrodkowych pęknięcie wału jest jednym z najbardziej niebezpiecznych uszkodzeń. Pęknięcie włu moŝe być spowodowane: - duŝą liczbą przejść przez prędkości rezonansowe, - duŝą liczbą cykli podgrzewania i chłodzenia, - silnymi napręŝeniami wywołanymi siłami odśrodkowymi, - napręŝeniami powstałymi w wyniku korozji Wewnętrzne pęknięcie Podstawowym objawem pozwalającym na identyfikację pękniętego wału jest zmiana sztywności wału. Objawy: wyraźny wzrost pierwszej harmonicznej (pierwsza oznaka pęknięcia wału) konieczne jest więc szczegółowe monitorowanie trendów zmian I harmonicznej, czasami wzrost drugiej harmonicznej (przy zaawansowanym pęknięciu), powolny obrót wektora I i II harmonicznej, Obszar akceptacji

16 114 niewytłumaczalne duŝe zmiany połoŝenia i amplitudy wektora 1X przy małych zmianach parametrów procesowych, nietypowa (niezrozumiała) odpowiedź maszyny na wywaŝanie, zmiany częstotliwości rezonansowych i tłumienia (konieczność śledzenia wykresów Bodego), Kontrola zmian na wykresie Bodego w oparciu o przyjęty obszar tolerancji (obwiednia) Amplituda Poziom graniczny Obszar akceptacji Typowa odpowiedź amplitudowa Prędkość Nadzór stanów nieustalonych (uruchomienie, odstawienie) pozwala na łatwiejszą identyfikację pęknięcia niŝ nawet ciągłe monitorowanie wektora niewywaŝenia. Inne typowe uszkodzenia i niesprawności: pęknięcia fundamentów, uszkodzenia uzwojeń w silnikach i generatorach, uszkodzenia łopatek, kawitacja, uszkodzenia przekładni zębatych, uszkodzenia łoŝysk tocznych, rezonans przekładni (np. pasowych)