Pomiar drgań maszyn w zastosowaniu do oceny ogólnego stanu dynamicznego

(1)

INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN

Laboratorium

POMIAR DRGAŃ MASZYN W

ZASTOSOWANIU DO OCENY

OGÓLNEGO STANU DYNAMICZNEGO

Measurement of vibrations in assessment of dynamic state

of the machine

Zakres

ć

wiczenia:

1. Podstawowe wielko

ś

ci charakteryzuj

ą

ce drgania

2. Kryteria oceny drga

ń

maszyn i urz

ą

dze

ń

3. Ocena stanu dynamicznego maszyn wg PN.

4. Ocena stanu dynamicznego maszyn wg IRD oraz VCI.

5. Pomiary drga

ń

wybranych maszyn i urz

ą

dze

ń

oraz ocena ich stanu dynamicznego.

Do wykonania przez studentów:

1. Zapozna

ć

si

ę

z kryteriami oceny stanu dynamicznego maszyn wg PN, VCI oraz

IRD.

2. Wykona

ć

pomiary drga

ń

wybranych maszyn i urz

ą

dze

ń

..

3. Wykona

ć

ocen

ę

ich stanu dynamicznego.

4. Opracowa

ć

wyniki pomiarów.

5. Zaliczy

ć

wiczenie.

(2)

1. DRGANIA

Drgania mogą być rozpatrywane jako oscylacyjny ruch cząstki lub ciała względem punktu odniesienia. Na rys.1 przedstawiono wszystkie wielkości charakteryzujące sygnał drganiowy: amplitudę, okres drgań, wartość szczytową, średnią i wartością skuteczną (RMS), oraz wartością

szczyt-szczyt.

Wartość szczyt-szczyt jest szczególnie uŜyteczna przy ocenie wibracji ze względu na krytyczne – maksymalne napręŜenia.

Wartość szczytowa, zawiera w sobie informacje wskazujące poziom krótkich przebiegów udarowych, nie biorą pod uwagę historii czasowej przebiegu.

Wartość średnia zawiera informację o przebiegu czasowym, ma ograniczone zastosowanie, poniewaŜ nie wykazuje prostej zaleŜności z jakąkolwiek uŜyteczną wielkością fizyczną.

Wartość skuteczna RMS - najlepiej charakteryzuje drgania, poniewaŜ uwzględnia ona zarówno historię czasową przebiegu, jak i zawiera informację o wielkości amplitudy.

Rys.1. Parametry charakteryzujące sygnał drganiowy.

Drgania moŜna określić za pomocą jednej z wielkości: przyspieszenia, prędkości oraz przemieszczenia moŜna. Dla przebiegów harmonicznych wszystkie te wielkości są ze sobą

matematycznie ściśle powiązane w funkcji częstotliwości i czasu. Ta zaleŜność przedstawiona jest na rys.2:

(3)

Rys.2. ZaleŜności pomiędzy sygnałami przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia

Najbardziej obecnie rozpowszechnionym przetwornikiem do pomiaru drgań jest akcelerometr piezoelektryczny. Posiada on szeroki zakres częstotliwości i zakres dynamiczny oraz wykazuje dobrą

liniowość w całym zakresie pomiarowym. Jest stosunkowo wytrzymały i charakteryzuje się doskonałą

stabilnością czasową charakterystyk. Przetwornik nie wymaga zewnętrznego zasilania, poniewaŜ sam generuje sygnał wyjściowy. Jego sygnał wyjściowy proporcjonalny jest do przyspieszenia i moŜe zostać łatwo przetworzony na sygnał prędkości i przesunięcia przy pomocy elektronicznych wzmacniaczy całkujących. Zasadę działania akcelerometru piezoelektrycznego pokazuje rysunek 3. Najistotniejszą częścią piezoelektrycznego czujnika przyspieszeń jest płytka materiału piezoelektrycznego. Zwykle jest to sztucznie spolaryzowany ferroelektryk – materiał, który przejawia właściwości piezoelektryczne. Poddany działaniu sił mechanicznych – rozciągających, ściskających czy teŜ tnących – generuje on na płaszczyznach polaryzacji ładunek elektryczny proporcjonalny do działających sił.

Rys.3. Zasada działania piezoelektrycznego przetwornika drgań

NajwaŜniejszymi parametrami akcelerometrów są:

czułość,

zakres częstotliwościowy (częstotliwość rezonansu),

poziom szumów własnych,,

maksymalny (szczytowy) zakres przetwarzania

masa własna.

2. KRYTERIA OCENY DRGAŃ MASZYN I URZĄDZEŃ

Kryteria oceny drgań maszyn i urządzeń są ustalone w normach, które moŜna podzielić na cztery następujące rodzaje:

• normy odbiorcze określające dla obiektu technicznego dopuszczalny stan wibracyjny, który jest jednym z mierników dokładności wykonania i montaŜu;

• normy eksploatacyjne określające dopuszczalny stan wibracyjny pracującego mechanizmu;

• normy sanitarne ograniczające szkodliwy wpływ drgań maszyn na fizjologiczne i psychologiczne stany człowieka;

• normy odporności wibracyjnej określające dopuszczalny poziom drgań pochodzących ze

źródeł zewnętrznych, jakie mogą działać w sposób szkodliwy na określoną maszynę lub urządzenie.

(4)

3. OCENA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN WG ISO 10816-1 ORAZ

PN-90 N-01358.

3.1. Wstęp.

Norma PN-ISO 10816-1 podaje ogólne warunki i procedury pomiaru i oceny drgań na podstawie pomiarów przeprowadzonych na nie wirujących częściach maszyn. Kryteria oceny dotyczą

zarówno intensywności drgań jak i jej zmiany w czasie eksploatacji.

3.2. Zakres częstotliwości

Zgodnie z normą PN-ISO 10816-1 drgania maszyny powinny być mierzone w szerokim paśmie częstotliwości, obejmującym zakres widma częstotliwościowego maszyny. Według normy PN-90 N-01358 ocenę drgań maszyn wykonuje się w zakresie 10 – 1000 Hz..

3.3. Podział maszyn.

Tabela.1. Podział maszyn na grupy ze względu na ich wielkość i moc oraz sposób posadowienia

Klasa Moc i sposób posadowienia I maszyny, w tym silniki o mocy do 15 kW

II maszyny średniej wielkości, w tym silnik o mocy 15÷75 kW bez specjalnych fundamentów oraz maszyny o mocy do 300 kW ustawione na fundamentach III maszyny o mocy powyŜej 300 kW, w tym silniki o mocy powyŜej 75 kW,

posadowione na fundamentach spełniających warunki ustawienia sztywnego IV

maszyny o mocy powyŜej 300 kW, w tym silnik o mocy powyŜej 75 kW, posadowione na fundamentach, spełniających warunki ustawienia spręŜystego

(elastycznego)

3.4. Metody pomiarów

• Postanowienia ogólne

Parametr mierzony i zakres częstotliwości. W badaniach drgań maszyn naleŜy mierzyć wartość skuteczną prędkości drgań Vc w zakresie częstotliwości od 10 do 1000 Hz.

Układ odniesienia. Prędkość drgań naleŜy mierzyć w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach.

• Warunki wykonania pomiarów

Miejsce pomiarów. Pomiary prędkości drgań naleŜy przeprowadzić w miejscu eksploatacji badanej maszyny.

Warunki pracy maszyny podczas pomiarów. Pomiary prędkości drgań naleŜy przeprowadzić podczas normalnej eksploatacji badanej maszyny.

• Przyrząd pomiarowy.

Wymagania ogólne. Przyrząd zastosowany do badań powinien umoŜliwiać pomiar prędkości drgań. Charakterystyka częstotliwości przyrządu pomiarowego powinna mieścić się w przedziale ustalonych w normie odchyłek.

Zakres częstotliwości. Przyrząd pomiarowy powinien zapewniać pomiar wartości skutecznej prędkości drgań w paśmie częstotliwości od 10 do 1000 Hz.

Dopuszczalny błąd toru pomiarowego. Do pomiaru prędkości drgań naleŜy stosować

taki przyrząd aby błąd toru pomiarowego nie przekroczył 10%.

• Wykonanie pomiarów.

Lokalizacja punktów pomiarowych. Pomiar prędkości drgań naleŜy wykonać na obudowach wszystkich łoŜysk, na wysokości wału maszyny

Mocowanie przetworników drgań. Sposób mocowania powinien zapewnić liniowe przetwarzanie badanego sygnału w zakresie 10 do 1000 Hz.

Wynik pomiaru. Jako wynik pomiaru naleŜy przyjąć największą spośród odczytywanych wartości prędkości drgań.

(5)

• Ocena drgań.

Kryteria oceny stanu pracy maszyn ze względu na wytwarzane drgania – wg tabl.

Tabela.2. Kryteria oceny stanu pracy maszyn ze względu na wytwarzane drgania

Klasa Wartość skuteczna prędkości Vc,

w mm/s , I II III IV 0,28 0,45 0,71 A 1,12 A 1,8 B A 2,8 B A 4,5 C B 7,1 C B 11,2 C 18 C 28 45 D D D D A – stan dobry B – stan zadowalający C – stan przejściowo dopuszczalny

(6)

4. OCENA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN WEDŁUG IRD ORAZ VCI.

• Wpływ szkodliwości drgań na maszyny w oparciu o wartości szczytowe amplitudy prędkości drgań.

(7)

• Drganiowe stany graniczne opracowane przez VCI Ltd na podstawie pomiarów drgań

korpusów i łoŜysk.

(8)

• Drganiowa klasyfikacja stanu maszyn.

Rys.6. Drganiowa klasyfikacja stanu maszyn na podstawie pomiarów drgań korpusu lub obudowy łoŜyska.

• Drganiowa klasyfikacja uszkodzeń:

AA – katastrofalne; Wyłącz natychmiast! , A – groźne; Napraw w ciągu 48 h!, B – częściowe; Napraw w ciągu 21 dni!, C – niewielkie; Nie naprawiaj!, D – bez uszkodzeń; Nie naprawiaj!

• Amplituda efektywna liczona jest jako amplituda zmierzona × współczynnik dyspozycyjności. Wartość współczynnika dyspozycyjności zaleŜy od typu maszyny i wynosi odpowiednio:

Silnik elektryczny, jednostopniowa pompa wirowa, wentylator – 1,0

Typowe nieelektryczne maszyny – 1,0

Turbina, generator, spręŜarka radialna, wielostopniowa pompa – 2,0

Przekładnia zębata, pomiar na korpusie - 2÷3

ŁoŜyska toczne – 0,5

(9)

5. WYKONANIE ĆWICZENIA

• Szkic badanej maszyny ... (z zaznaczeniem punktów pomiarowych i kierunków).

• Pomiary drgań maszyny.

1

4

5

2

3

Rys.7. Schemat układu pomiarowego (1-enkoder, 2-akcelerometr, 3-miernik drgań, 4-przetwornik A/C, 5-komputer)

(10)

Rysunki 8 i 9 przedstawiają przykładowy zapis jednego cyklu pracy badanej maszyny. 0 5 10 15 20 25 t [s] 0 500 1000 1500 2000 2500 L [ m m ] 0 4 8 12 non r [ H z ] 0 5 10 15 vdrg a n [ m m /s ]

Rys.8. Rejestracja czasowa przemieszczenia, obrotów oraz prędkości drgań (skuteczniej i szczytowej) w wybranym węźle łoŜyskowym układu napędowego

0 500 1000 1500 2000 2500 L[mm] 0 4 8 12 16 vdrg a n [ m m /s ] zakłócenia

(11)

Na podstawie analizy zarejestrowanych sygnałów naleŜy wykonać następujące czynności:

• narysować wykresy zmian rejestrowanych parametrów w funkcji czasu – patrz rys. 8,

• narysować wykresy zmian wartości skutecznej i szczytowej prędkości drgań podczas pełnego cyklu pracy – zaznaczyć zakresy brane pod uwagę do dalszej analizy,

• określić parametry podane w tabelach 3-5, dla kaŜdego przypadku pomiarowego,

• dokonać oceny stanu dynamicznego maszyny wg wszystkich podanych kryteriów,

• porównać oceny, wyciągnąć wnioski.

Tabela.3. Wyniki analizy

Punkt nr... Kierunek pomiaru n [obr/min] vRMS [mm/s] vpeak [mm/s] CRF [-]

śred: śred: max: śred:

• Ocena stanu dynamicznego wg IRD, VCI oraz PN.

Tabela.6. Ocena stanu dynamicznego

Lp Punkt pomiarowy Kierunek fn [Hz] Ocena stanu dynamicznego wg IRD (rys.3) Ocena stanu dynamiczne go wg VCI (rys.2) Klasyfikacja stanu dynamicznego wg rys.4 Klasyfikacja stanu dynamiczneg o wg PN 1 • Wnioski

(12)

6. LITERATURA

[1] Cempel Cz. „Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn”, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa 1982.

[2] Engel Z. „Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem” PWN Warszawa 2001. [3] Łączkowski R. „Wibroakustyka maszyn i urządzeń” WNT, Warszawa 1982.

[4] PN-ISO 10816-1 Ocena drgań maszyn na podstawie pomiarów na częściach niewirujących. wytyczne ogólne.