2. DRGANIA W ZGLĘDNE WAŁÓW
2.5. Techniki pomiaru promieniowych przemieszczeń względnych wałów
2.5.1. Czujniki bezdotykowe
Ze względu na duże prędkości liniowe powierzchni czopa obserwacja przemieszczeń względnych realizowana jest za pomocą czujników bezdotykowych. We współczesnych układach pomiarowych najczęściej stosowanymi czujnikami do pomiaru promieniowych przemieszczeń wału są bezdotykowe czujniki, działające na zasadzie prądów wirowych. Dalszy opis będzie ograniczony do zastosowań takich czujników.
Czujnik przemieszczeń względnych [31, 9], działający na zasadzie prądów wirowych, jest układem złożonym z właściwego czujnika oraz bloku oscylatora-modulatora. Właściwy czujnik jest złożony z cewki z uzwojeniem nawiniętym na izolatorze ceramicznym lub z tworzywa sztucznego. Prąd generatora wysokiej częstotliwości przepływa przez uzwojenie cewki i wytwarza szybkozmienne pole magnetyczne. W polu znajduje się powierzchnia wału, wykonana z materiału przewodzącego, w której indukowane są prądy wirowe. Zmiany wielkości szczeliny między czołem czujnika i wałem powodują zmiany amplitudy i fazy prądu
3 3
-płynącego w układzie czujnika i generatora. Układ demodulatora przekształca te zmiany w niskoczęstotliwościowe zmiany napięcia wyjściowego zależnego od wielkości szczeliny.
Układ pomiarowy wykorzystujący czujnik działający na zasadzie prądów wirowych ma charakterystykę liniową w szerokim zakresie mierzonych odległości. W zależności od średnicy czołowej czujnika stosowane są znormalizowane czułości takich czujników: 4, 8 ,16 [mV/pm]
oraz zakresy mierzonych wartości międzyszczytowych dla pomiarów dynamicznych odpowiednio 250, 500 i 1000 [pm] [9, 85], Czujniki te charakteryzują się pasmem przenoszonych częstotliwości od 0 do 5 (10) kHz.
Napięcie wyjściowe z czujnika zawiera składową stałą (najczęściej ujemną o dużej wartości średniej) oraz składową zmienną ( o relatywnie małym zakresie zmian). Składowa stała jest proporcjonalna do odległości od czoła czujnika do powierzchni wału, składowa zmienna jest proporcjonalna do chwilowych zmian tej odległości.
Zaletami bezstykowych czujników wykorzystujących prądy wirowe są: niewielkie rozmiary, szeroki zakres temperatur, w których mogą być stosowane oraz brak wpływu olejów pokrywających wał na działanie czujnika.
Głównymi wadami bezstykowych czujników są:
• zależność charakterystyki od przenikalności magnetycznej i przewodności tworzywa wału (wymagana jest indywidualna kalibracja dla każdego rodzaju tworzywa wału);
• stan (falistość i chropowatość) oraz niejednorodności elektryczne i magnetyczne powierzchni wału współpracującej z czujnikiem są źródłem zakłóceń zwanych „runout” ;
• instalacja czujnika wymaga wielu zabiegów, co powoduje że czujniki mogą być stosowane przede wszystkim jako układy stacjonarne.
2.5.2. L o kalizacja i m ontaż czujników bezstykowych
Mocując czujnik do nie wirującej części maszyny wirnikowej w taki sposób, że oś czujnika leży w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału, mamy możliwość obserwacji przemieszczeń wału względem obudowy czujnika w kierunku promieniowym. Zadania realizowane za pomocą pomiarów promieniowych przemieszczeń względnych wałów można podzielić na trzy grupy.
Pierwsze zadanie polega na śledzeniu promieniowych luzów pomiędzy wirnikiem i pozostałymi elementami maszyny, np. luzu występującego w uszczelnieniach [82], Wówczas czujnik lokalizowany jest jak najbliżej kontrolowanych miejsc, np. uszczelnień.
Drugie zadanie polega na zastosowaniu czujników przemieszczeń względnych do identyfikacji postaci ugięć wału [62]. Wirniki współczesnych turbozespołów są wirnikami elastycznymi, a więc działają ugięte odpowiednio do złożonej postaci drgań własnych. Węzły takich drgań mogą występować w miejscach łożyskowania wału, co powoduje, że amplitudy przemieszczeń
-34-względnych mierzone w łożyskach ( pomiar w łożyskach opisano jako zadanie trzecie) są niewielkie mimo znacznych ugięć wału. W takich przypadkach zaleca się stosowanie dodatkowych układów czujników (najczęściej między łożyskiem a sprzęgłem).
Trzecie zadanie ( uważane za najważniejsze ) polega na obserwacji ruchu czopa w łożysku hydrodynamicznym [15], Obserwacja jest prowadzona dla celów diagnostyki układu wimik- Jożysko-podpora łożyskowa. Wówczas czujnik lokalizowany jest jak najbliżej łożyska.
Omawiane poniżej zasady lokalizacji i montażu czujników odnoszą się głównie do realizacji zadania związanego z obserwacją ruchu czopa w łożysku hydrodynamicznym.
W maszynach małych i średniej wielkości czujniki przemieszczeń względnych wsuwa się w otwory wykonane w obudowie łożyska ślizgowego lub w korpusie maszyny, a następnie przymocowuje obudowy czujników do tych elementów [57], Wówczas obserwowane są przemieszczenia czopa względem obudowy łożyska lub korpusu maszyny. W dużych maszynach (np. turbozespołów) najczęściej istnieje możliwość instalacji czujnika wewnątrz łożyska. Wówczas czujnik mocowany jest najczęściej do panewki łożyska i obserwowane są przemieszczenia czopa względem panewki łożyska.
W dalszej części pracy najczęściej używane będzie określenie „przemieszczenia czopa względem panewki łożyska", ale rozważania będą dotyczyły obydwu przypadków mocowania czujnika, opisanych wyżej.
W celu obserwacji trajektorii ruchu czopa należy zastosować dwa czujniki o osiach wzajemnie prostopadłych, zawartych w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału. Wymaga to prowadzenia pomiaru w dwu wzajemnie prostopadłych kierunkach, umownie nazywanych kierunkiem pionowym oraz poziomym [4]. Kierunki te w starszych stacjonarnych układach do pomiaru przemieszczeń względnych odpowiadały rzeczywistym kierunkom : pionowemu i poziomemu (rys. 2.3).
Rys. 2.3. Dwa sposoby doboru kierunków pomiarowych promieniowych przemieszczeń względnych wałów
Fig. 2.3. Two principles o f measure directions selection o f radial relative displacements o f rotor shaft
3 5
-Ponieważ sztywność podpory łożyskowej w kierunku pionowym jest zazwyczaj inna niż sztywność w kierunku poziomym, a także ze względów montażowych (płaszczyzna podziału podpór jest najczęściej pozioma), zaleca się [18] wybór kierunków w taki sposób, by tworzyły one z poziomą płaszczyzną podziału korpusu maszyny kąt 45°, będąc do siebie prostopadłe.
Wówczas przyjmuje się konwencję [4], że czujnik po lewej stronie (patrząc od strony napędu - np. w przypadku turbozespołu od strony turbiny ) nazywany jest czujnikiem pionowym, a czujnik po prawej - poziomym.
Przyjęto, że sygnał zarejestrowany czujnikiem poziomym oznaczany jest x(t), natomiast czujnikiem pionowym y(t). Podczas wizualizacji trajektorii oraz wyników jej analiz należy uwzględniać położenie kierunków pomiarowych poprzez odpowiednią korektę kierunków, stosując obrót o odpowiedni kąt. Dopuszcza się tolerancję kąta prostego między osiami czujników ± 5° [4], W przypadku większej odchyłki należy stosować korekcję [13],