pdt_i07_ver_01 1/9

1

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

LABORATORIUM DIAGNOSTYKI SYSTEMÓW

Instrukcja do ćwiczenia

07

Temat:

Diagnozowanie wałów i zjawisk w łożyskach 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 dużych maszynach obrotowych. Symulacja defektów i zjawisk dokonywana jest
przez zmianę prędkości obrotowej , dokładanie niewyważenia lub przez zmianę kąta jego położenia,
rozstawienia mas na wale, wygięcie wału, zmianę warunków tarcia oraz zmianę rozstawienia
łożysk. Obserwacja zmiany zachowania wału może być dokonywana zasadniczo przez czujniki
drgań względnych lub czujniki prędkości przyspieszeń drgań. Wyposażenie dodatkowe stanowią:
kompresor, moduł do symulacji wiru olejowego, moduł do symulacji wpływu zaburzeń przepływu
gazów, moduły proximitorów, a także zasobnik z dodatkowymi śrubkami do symulowania
niewyważenia.

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 800 i oprogramowania
systemowego DasyLab – wirtualnego środowiska pomiarowo-analizującego umożliwiającego
postprocesing, wizualizacje i raportowanie wyników,

Rys 1. Część mechaniczna stanowiska Rotorkit

pdt_i07_ver_01 2/9

2

4.

Przebieg ćwiczenia

a)

Zapoznaj się z budową stanowiska badawczego oraz sposobem sterowania prędkością
obrotową. Przed uruchomieniem należy uruchomić pompę olejowa zasilającą łożysko
ś

lizgowe.

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 możesz 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 100).

c)

W panelu sterowania prędkością ustaw przełącznik w połażenie (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 łożysku 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 spostrzeżenia. Zamieść je w raporcie.

4.

Wymogi bezpieczeństwa:

•

Podczas doświadczenia zachować szczególną ostrożność.

•

Ze względu na wysokie prędkości obrotowe, przed każdym uruchomieniem
sprawdzić dokładnie wszelkie połączenia śrubowe.

•

Przed uruchomieniem stanowiska włączyć pompę olejową zasilająca łożysko
ś

lizgowe.

pdt_i07_ver_01 3/9

3

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_i07_ver_01 4/9

4

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. Niewyrównoważenie 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 obciążenia. Szczególnie dobrze niewyrównoważenie 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.

Rys.1 Przykład rozruchu niewyrównoważonego wirnika

1

W. MOCZULSKI: Typowe relacje diagnostyczne; Instytut Mechaniki i PKM Politechnika Sląska-Gliwice;

a

m

p

lit

u

d

a

[

m

m

]

0

1

0

2

0

3

0

4

0

5

0

6

0

7

0

8

0

9

0

1

0

0

1

1

0

1

2

0

1

3

0

1

4

0

1

5

0

1

6

0

1

7

0

1

8

0

1

9

0

2

0

0

0

7.2

14.4

21.6

28.8

36

43.2

50.4

57.6

64.8

72

79.2

86.4

93.6

100.8

108

115.2

cz

ę

stotliwo

ść

[Hz]

c

z

a

s

[

s

]

pdt_i07_ver_01 5/9

5

Jeśli drgania łożyska są pomijalnie małe wówczas trajektoria ruchu środka wału
przybiera kształt eliptyczny lub kołowy.

Rys.2 Przykładowe trajektorie niewyrównoważonego wirnika

2 NADMIERNE PRZECIĄśENIA

Przeciążenie może być wywołane oddziaływaniem składowych obciążenia o promieniowym

lub/i osiowym kierunku działania. Źródłem przeciążenia mogą być przyczyny zewnętrzne (
nadmierna niewspółosiowość, rozszerzalność termiczna maszyny ) jak i wewnętrzne ( ugięcie
poziomo ułożyskowanego wirnika, przeciążenie łożysk hydrodynamicznych, niewspółosiowość
gniazd łożysk w korpusie ). Symptomami niesprawności w tym przypadku są: nieprawidłowa
trajektoria środka czopa wału względem panewki łożyska, niewłaściwe położenie statyczne wału
lub niewłaściwy kąt wzniesienia wału w panwi. Znaczne przeciążenia powodują wydłużanie się
trajektorii środka wału a także wzrostem składowej 2X w widmie drgań.

-1.6

-1.1

-0.6

-0.1

0.4

0.9

1.4

-1.6

-0.6

0.4

1.4

pr ze m ie s zcze nie x [m m ]

p

r

z

e

m

ie

s

z

c

z

e

n

ie

y

[

m

m

]

y

ś

r

x

ś

r.

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

pr ze m ie s z cz e n ie x [m m ]

p

r

z

e

m

ie

s

z

c

z

e

n

ie

y

[

m

m

]

y

ś

r

x

ś

r.

pdt_i07_ver_01 6/9

6

Rys.4.5.3 Eliptyczne trajektorie czopa wału w nadmiernie przeciążonym wirniku

oraz zmiana statycznego położenia wału

Rys.4 Zmiany trajektorii środka wału wraz ze wzrostem przeciążenia.

Aby odróżnić 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 najniższa częstotliwość
rezonansowa jest wyższa od najwyższej użytecznej prędkości obrotowej. Jeśli w takim układzie
występuje niewspółosiowość to różnica między fazami obu końców wałów zbliżona jest do 180

0

.

pdt_i07_ver_01 7/9

7

3 NIESTABILNOŚĆ ŁOśYSK ŚLIZGOWYCH

Niestabilność łożysk 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 może 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
( 0.38

÷

0.49)* f

n

. Rząd ten uzależniony jest od konstrukcji łożyska. Niekiedy obok drgań warstwy

olejowej w widmach widoczne są składowe harmoniczne wyższych rzędów, jednak ich amplitudy
nie są znaczące i świadczyć jedynie mogą o niekołowości trajektorii czopa wału. Amplituda drgań
zmienia się w

zależności od obciążenia i prędkości obrotowej wału.

Utrata stabilności następuje

przy prędkości granicznej uzależnionej od warunków działania maszyny, a przede wszystkim
obciążenia i warunków działania łożysk. 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

wyższej

od

prędkości

krytycznej,

w widmie zaczyna dominować składowa nie będąca proporcjonalną do chwilowej prędkości
obrotowej wału maszyny. Jest to tzw. bicz olejowy. Zjawisko niestabilności łożysk ślizgowych
może być skutecznie obserwowane na wykresach kaskadowych podczas rozruchu maszyny.

Rys.4.4.5 Wykres kaskadowy drgań wirnika z zaznaczonymi wirem i biczem olejowym

pdt_i07_ver_01 8/9

8

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 położenie wewnątrz łożyska. Kontakt elementów ruchomych z obudową prowadzi do
zmiany (wzrostu) sztywności elementów konstrukcyjnych co powoduje wzrost prędkości
krytycznych maszyny. Istnieje zagrożenie, że zwiększona prędkość krytyczna znajdzie się
w zakresie prędkości użytkowych co może stanowić poważny problem eksploatacyjny. Ciągły
kontakt z elementami nieruchomymi (np. uszczelnienie) może doprowadzić do powstania
samowzbudnych drgań wirnika połączonych z rezonansową precesją przeciwbieżną.

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

p r z e m ie s z cz e n ie x [m m ]

p

r

z

e

m

ie

s

z

c

z

e

n

ie

y

[

m

m

]

y

ś

r

x

ś

r.

Tys. 7. Przykład trajektorii czopa wału podczas przycierania wirnika o obudowę

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

p r z e m ie s z cz e nie x [m m ]

p

r

z

e

m

ie

s

z

c

z

e

n

ie

y

[

m

m

]

y

ś

r

x

ś

r.

pdt_i07_ver_01 9/9

9

a

m

p

lit

u

d

a

[

m

m

]

0

1

2

2

4

3

6

4

8

6

0

7

2

8

4

9

6

1

0

8

1

2

0

1

3

2

1

4

4

1

5

6

1

6

8

1

8

0

1

9

2

0

8.4

16.8

25.2

33.6

42

50.4

58.8

67.2

75.6

84

92.4

100.8

109.2

117.6

cz

ę

s to tliw o

ś ć

[Hz ]

c

z

a

s

[

s

]

Rys.8 Przykład wykresu kaskadowego drgań wirnika maszyny przycieranego w poziomie podczas rozruchu

5 PĘKNIĘCIE WAŁU

Najważniejszymi symptomami rozpoczynającego się pękania wału są oceny amplitud 1X

oraz 2X. Szczególnie przydatna jest ocena składowej 1X, obserwowanej dla prędkości obrotowych
dużo niższych 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 wyrównoważeniem wału.