POLITECHNIKA POZNAŃSKA LABORATORIUM DIAGNOSTYKI SYSTEMÓW Instrukcja do ćwiczenia 7 Temat: Diagnozowanie wałów i zjawisk w łoŝyskach ślizgowych na podstawie analizy drgań względnych Opracowanie: Roman Barczewski 1. Cel i zakres ćwiczenia Doskonalenie umiejętności w zakresie identyfikacji zjawisk i defektów występujących w wałach na podstawie analizy drgań względnych. Zapoznanie się z metodami analizy drgań względnych : widmem kaskadowym i wykresem kinetycznej orbity wału. 2. Obiekt badań Model maszyny wirnikowej Rotorkit jest przeznaczony do demonstracji promieniowych drgań wału w warunkach laboratoryjnych. Konstrukcja modelu pozwala na obserwację zjawisk występujących w duŝych maszynach obrotowych. Symulacja defektów i zjawisk dokonywana jest przez zmianę prędkości obrotowej, dokładanie niewywaŝenia lub przez zmianę kąta jego połoŝenia, rozstawienia mas na wale, wygięcie wału, zmianę warunków tarcia oraz zmianę rozstawienia łoŝysk. Obserwacja zmiany zachowania wału moŝe być dokonywana zasadniczo przez czujniki drgań względnych lub czujniki prędkości przyspieszeń drgań. WyposaŜenie dodatkowe stanowią: kompresor, moduł do symulacji wiru olejowego, moduł do symulacji wpływu zaburzeń przepływu gazów, moduły proximitorów, a takŝe zasobnik z dodatkowymi śrubkami do symulowania niewywaŝenia. Stanowisko badawcze składała się z czterech zasadniczych elementów: modelu szybkoobrotowej maszyny wirnikowej Rotorkit części elektronicznej: czujniki, proximitory, sterowanie i stabilizacja obrotów, komputera z zainstalowanym procesorem sygnałowym DAP 8 i oprogramowania systemowego DasyLab wirtualnego środowiska pomiarowo-analizującego umoŝliwiającego postprocesing, wizualizacje i raportowanie wyników, Rys 1. Część mechaniczna stanowiska Rotorkit pdt_i7_ver_1 1/9 1
4. Przebieg ćwiczenia a) Zapoznaj się z budową stanowiska badawczego oraz sposobem sterowania prędkością obrotową. Przed uruchomieniem naleŝy uruchomić pompę olejowa zasilającą łoŝysko ślizgowe. b) Zapoznaj się z torem pomiaru drgań względnych połączeń aparatury. c) Uruchom komputer i oprogramowanie DASY LAB, przeanalizuj konfigurację wirtualnego toru pomiarowego, zapoznaj się z jego elementami i ustawieniami. Jest to przykład toru moŝesz go zmodyfikować. d) Naszkicuj w raporcie tor pomiarowy zarówno ten rzeczywisty jak i wirtualny Fot.2. Panel sterowania prędkością obrotowa stanowiska Rotorkit a) Uruchom stanowisko ON (przełącznik w pozycji SLOW ROLL wolne obroty ), ustaw prędkość obrotową (MAX RMP SET) oraz szybkość zmian obrotów (RAMP RATE). b) w środowisku DasyLAb (w opcji widma kaskadowego ustaw liczbę zapamiętywanych widm na 1). c) W panelu sterowania prędkością ustaw przełącznik w połaŝenie (RAMP UP). Dokonaj rozruchu (RAMP) i jednocześnie uruchom eksperyment w środowisku DasyLab obserwuj widmo kaskadowe i kształt kinetycznej orbity wału. d) Dokonaj serię eksperymentów podczas rozruchu i wybiegu. Obserwuj zjawiska występujące w łoŝysku o jaki obraz temu odpowiada w widmie kaskadowym i kształcie orbity. e) Jeśli twoim zdaniem widmo kaskadowe dobrze odwzorowuje zjawiska zatrzymaj eksperyment w DasyLab. Wsuń kartkę raportu w drukarkę u uruchom wydruk. f) Opisz wydruk zaznacz regiony występowania poszczególnych zjawisk (np. prędkości krytycznej- rezonansowej wału, występowanie wiru olejowego) narysuj kształty orbit jakie odpowiadają poszczególnym zjawiskom (regionom w widmie kaskadowym). g) Sprecyzuj wnioski i spostrzeŝenia. Zamieść je w raporcie. 4. Wymogi bezpieczeństwa: Podczas doświadczenia zachować szczególną ostroŝność. Ze względu na wysokie prędkości obrotowe, przed kaŝdym uruchomieniem sprawdzić dokładnie wszelkie połączenia śrubowe. Przed uruchomieniem stanowiska włączyć pompę olejową zasilająca łoŝysko ślizgowe. pdt_i7_ver_1 2/9 2
6. Zagadnienia kontrolne. Drgania względne a drgania bezwzględne. Przetworniki do pomiaru drgań względnych. Zjawisko runoutu. Kinetyczna orbita wału opis i charakterystyki Identyfikacja zjawisk na podstawie analizy drgań wzgędnych. 7. Literatura uzupełniająca [1] Cempel C., Tomaszewski F., Diagnostyka Maszyn Zasady ogólne przykłady zastosowań rozdz. 11.4. pdt_i7_ver_1 3/9 3
ZJAWISKA I DEFEKTY WYSTEPUJĄCE W WAŁACH OBSERWOWANE W ANALIZACH DRGAŃ WZGLEDNYCH 1 1 NIEWYRÓWNOWAśENIE Jest ono uznawane za jedna z najczęściej występujących niesprawności maszyn wirnikowych. NiewyrównowaŜenie masą znajdująca się pomiędzy podporami wywołuje precesję zgodną z ruchem obrotowym wału ( precesja postępowa ). Za pomocą czujników drgań bezwzględnych obserwowane są drgania o charakterze harmonicznym i częstotliwości równej częstotliwości obrotowej wirnika maszyny. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnika obserwowalny jest wzrost amplitudy drgań. Zmienność amplitudy drgań nie jest bezpośrednio powiązana ze zmianami obciąŝenia. Szczególnie dobrze niewyrównowaŝenie jest obserwowalne podczas rozruchu lub wybiegu maszyny. W tej sytuacji składowa 1X drgań spowoduje rezonansowe drgania wirnika dla częstotliwości krytycznej. Jednocześnie nastąpi zmiana fazy składowej 1X. amplituda [mm] 115.2 18 1.8 93.6 86.4 79.2 72 64.8 57.6 5.4 43.2 36 28.8 21.6 14.4 7.2 czas [s] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 częstotliwość [Hz] 14 15 16 17 18 19 2 Rys.1 Przykład rozruchu niewyrównowaŝonego wirnika 1 W. MOCZULSKI: Typowe relacje diagnostyczne; Instytut Mechaniki i PKM Politechnika Sląska-Gliwice; pdt_i7_ver_1 4/9 4
Jeśli drgania łoŝyska są pomijalnie małe wówczas trajektoria ruchu środka wału przybiera kształt eliptyczny lub kołowy. 1.4 x śr. prze m ie s zcze nie y [m m ].9.4 -.1 -.6-1.1 y śr -1.6-1.6 -.6.4 1.4 prze m ie szcze nie x [m m ].3 x śr. prze m ie s zcze nie y [m m ].2.1 -.1 -.2 y śr -.3 -.3 -.2 -.1.1.2.3 pr ze m ie s zcze nie x [m m ] Rys.2 Przykładowe trajektorie niewyrównowaŝonego wirnika 2 NADMIERNE PRZECIĄśENIA PrzeciąŜenie moŝe być wywołane oddziaływaniem składowych obciąŝenia o promieniowym lub/i osiowym kierunku działania. Źródłem przeciąŝenia mogą być przyczyny zewnętrzne ( nadmierna niewspółosiowość, rozszerzalność termiczna maszyny ) jak i wewnętrzne ( ugięcie poziomo ułoŝyskowanego wirnika, przeciąŝenie łoŝysk hydrodynamicznych, niewspółosiowość gniazd łoŝysk w korpusie ). Symptomami niesprawności w tym przypadku są: nieprawidłowa trajektoria środka czopa wału względem panewki łoŝyska, niewłaściwe połoŝenie statyczne wału lub niewłaściwy kąt wzniesienia wału w panwi. Znaczne przeciąŝenia powodują wydłuŝanie się trajektorii środka wału a takŝe wzrostem składowej 2X w widmie drgań. pdt_i7_ver_1 5/9 5
Rys.4.5.3 Eliptyczne trajektorie czopa wału w nadmiernie przeciąŝonym wirniku oraz zmiana statycznego połoŝenia wału Rys.4 Zmiany trajektorii środka wału wraz ze wzrostem przeciąŝenia. Aby odróŝnić niewspółosiowość od innych symptomów zaleca się przeprowadzić pomiaru względnych faz między przeciwległymi końcami wału lub między obiema połówkami sprzęgła. Dotyczy to wyłącznie maszyn posiadających wał sztywny, których najniŝsza częstotliwość rezonansowa jest wyŝsza od najwyŝszej uŝytecznej prędkości obrotowej. Jeśli w takim układzie występuje niewspółosiowość to róŝnica między fazami obu końców wałów zbliŝona jest do 18. pdt_i7_ver_1 6/9 6
3 NIESTABILNOŚĆ ŁOśYSK ŚLIZGOWYCH Niestabilność łoŝysk ślizgowych objawia się drganiami warstwy olejowej o charakterze samo wzbudnym. Drgania te nazywane są wir (oil whirl) oraz bicz (oil whip) olejowy. Pojawieniu się tych drgań towarzyszy precesja postępowa. Trajektoria linii centralnej wału ma kształt kołowy lub eliptyczny. Ten rodzaj precesji moŝe objawiać się przez wewnętrzne pętle w trajektoriach. Niestabilność warstwy olejowej posiada wyraźną składową okresową w widmie drgań wirnika. Częstotliwość tej składowej zawiera się w przedziale (.38.49)* f n. Rząd ten uzaleŝniony jest od konstrukcji łoŝyska. Niekiedy obok drgań warstwy olejowej w widmach widoczne są składowe harmoniczne wyŝszych rzędów, jednak ich amplitudy nie są znaczące i świadczyć jedynie mogą o niekołowości trajektorii czopa wału. Amplituda drgań zmienia się w zaleŝności od obciąŝenia i prędkości obrotowej wału. Utrata stabilności następuje przy prędkości granicznej uzaleŝnionej od warunków działania maszyny, a przede wszystkim obciąŝenia i warunków działania łoŝysk. Przejście ze stanu stabilnego do drgań olejowych następuje w ciągu kilku obrotów wału. Podczas rozruchu maszyny obserwowane są małe drgania warstwy olejowej, których składowa w widmie narasta proporcjonalnie do prędkości obrotowej wału. Jest to tzw wir olejowy. W momencie prędkości obrotowej dwukrotnie wyŝszej od prędkości krytycznej, w widmie zaczyna dominować składowa nie będąca proporcjonalną do chwilowej prędkości obrotowej wału maszyny. Jest to tzw. bicz olejowy. Zjawisko niestabilności łoŝysk ślizgowych moŝe być skutecznie obserwowane na wykresach kaskadowych podczas rozruchu maszyny. Rys.4.4.5 Wykres kaskadowy drgań wirnika z zaznaczonymi wirem i biczem olejowym pdt_i7_ver_1 7/9 7
1 x śr. przem ieszczenie y [m m ].8.6.4.2 -.2 -.4 -.6 -.8 y śr -1 -.8 -.6 -.4 -.2.2.4.6.8 prze m ie s z cze nie x [m m ] Rys.6 Przykład trajektorii czopa wału podczas drgań warstwy olejowej 4.5.4 OCIERANIE CZĘŚCI WIRNIKA O KORPUS Przyczyną niesprawności tego typu mogą być wygięcie wału, nadmierne drgania, niewłaściwe połoŝenie wewnątrz łoŝyska. Kontakt elementów ruchomych z obudową prowadzi do zmiany (wzrostu) sztywności elementów konstrukcyjnych co powoduje wzrost prędkości krytycznych maszyny. Istnieje zagroŝenie, Ŝe zwiększona prędkość krytyczna znajdzie się w zakresie prędkości uŝytkowych co moŝe stanowić powaŝny problem eksploatacyjny. Ciągły kontakt z elementami nieruchomymi (np. uszczelnienie) moŝe doprowadzić do powstania samowzbudnych drgań wirnika połączonych z rezonansową precesją przeciwbieŝną..8 x śr..6 prze m ie s zcze nie y [m m ].4.2 -.2 -.4 -.6 y śr -.8 -.8 -.6 -.4 -.2.2.4.6.8 prze m ie s zcze nie x [m m ] Tys. 7. Przykład trajektorii czopa wału podczas przycierania wirnika o obudowę pdt_i7_ver_1 8/9 8
117.6 19.2 1.8 92.4 84 75.6 amplituda [mm] 67.2 58.8 5.4 42 33.6 25.2 czas [s ] 16.8 8.4 12 24 36 48 6 72 84 96 18 12 132 czę s totliw ość [Hz] 144 156 168 18 192 Rys.8 Przykład wykresu kaskadowego drgań wirnika maszyny przycieranego w poziomie podczas rozruchu 5 PĘKNIĘCIE WAŁU NajwaŜniejszymi symptomami rozpoczynającego się pękania wału są oceny amplitud 1X oraz 2X. Szczególnie przydatna jest ocena składowej 1X, obserwowanej dla prędkości obrotowych duŝo niŝszych od prędkości roboczych. Za podstawowe symptomy wystąpienia pęknięcia uznaje się: - wzrost poziomu drgań sygnału wibroakustycznego, rozpatrywanego jako przebieg szerokopasmowy, - trudne do wyjaśnienia zmiany amplitud i fazy składowej 1X w warunkach nominalnej pracy urządzenia, - zmiany właściwości dynamicznych w zakresie niskich prędkości obrotowych, - pojawienie się podczas rozruchu maszyny składowej 2X będącej wynikiem asymetrycznego rozkładu sztywności Innym symptomem pęknięcia wału są problemy z dokładnym wyrównowaŝeniem wału. pdt_i7_ver_1 9/9 9