pdt_i07_ver_01 1/9
1
POLITECHNIKA POZNAŃSKA
LABORATORIUM DIAGNOSTYKI SYSTEMÓW
Instrukcja do ćwiczenia
07
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 800 i oprogramowania
systemowego DasyLab – wirtualnego środowiska pomiarowo-analizującego umoŜliwiającego
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 naleŜy uruchomić pompę olejowa zasilającą łoŜysko
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 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 100).
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
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. 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.
Rys.1 Przykład rozruchu niewyrównowaŜonego 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 łoŜyska są pomijalnie małe wówczas trajektoria ruchu środka wału
przybiera kształt eliptyczny lub kołowy.
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.
-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 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 180
0
.
pdt_i07_ver_01 7/9
7
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
( 0.38
÷
0.49)* 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_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 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.
-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
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.