ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ¿LASKIEJ
S e r i a : ELEKTRYKA z . 128 1992
"NFkoi. i i 74
Andrzej LEBIEDZKI
CZTEROKANALOWY AKCELEROMETR DO BADAŃ DIAGNOSTYCZNYCH ŁOŻYSK TOCZNYCH WENTYLATORÓW KOPALNIANYCH
S tr e s z c z e n ie . W artykule opisano układ pomiarowy czterokanałowego akcelerom etru do badah diagnostycznych łożysk tocznych dwóch wenty
latorów głównego przew ietrzan ia kopalni. Umieszczenie na s t a ł e pie
zoelektrycznych przetworników drgaii na obudowach łożysk tocznych w entylatora w połączeniu z c z t e r o kanałowym akcelerometi-em pozwala na b ieżącą kontrolę wibroakustyczną łożysk.
FOUR-CHANNELS ACCELEROMETER FOR MINE DIAGNOSTIC TESTING OF EXHAUSTERS ROLLING BEARINGS
Summary. In th e paper, measurement sy stem o f four-channels acce
lerom eter f o r mine d iagn ostic t e s t in g o f two e x h a u ste rs rolling b earin gs in th e main ven tilation system is described. On th e casing o f th e e x h a u ste r rolling bearin gs p ie z o e le ctric vibration co nverter i s mounted; which, to g e th e r with fo u r channels accelerom eter, makes p o ssib le c u rre n t vib ro accou stic control of th e bearings.
HETüPEXKAHAJIbHhlPï AKUEJIEPOMETP iUIH UMArHOCTHHECKHX HCnUTAHMfl nonniMriHHKGB kahehhe roPHux 3Kcrayctepob.
r e s i o M e . B c T a T t H H 3 o 6 p a s e H O H S M e p H T e j r b H y i o C H C T e M y «ao
¿ w a r H O C T H M e c K H X H c r i b i T a H H M n o n n i H n H H K O B K a n e H H « a j i b A B y x 3 K c r a y c T e p o B O C H O B H O t i B e H T H J I f l U H H M â X T b l . Î l p H K p e n J i e H H e n t e 3 0 3 J i e K T p H Ht ?C K H X
np e o6p a3 0B aTe jieH x.ojieBaHHW Ha K op n ycax no2minriHHKOB KaneHHS 3 K c ra y c T e p a
b c b h s hcneTbipëXKaHa JitHbiM axcejiepoM eTpoM n o 3B ajia eTb Ha
TeKynwH BHSpoaKycTHHecKHH KOHTpojn> no^amnHHKOB KaneHHS.
1. Wstęp
Łożyska toczne współczesnych maszyn jako precyzyjne elementy konstruk
cyjne urządzert s ą bardzo wrażliwe na p rzeciążen ia mechaniczne, warunki smarowania i te m p eratu rę pracv. Działanie zw łaszcza s ił dynamicznych na łożysko ClJ wynikających z ni e wyważenia dynamicznego dużych mas wirujących
w przypadku wentylatorów glownego p rzew ie trze n ia kopalni je s t, przyczyny przyspieszonego zużycia łożysk, konieczności kosztownych przyspieszonych napraw i p r z e s to ju w pracy wentylatora.
Umieszczenie na s t a ł e przetworników drgań na obudowach łożysk wentyla- t o r a w połączeniu z kilkukanałowym akcelerom etrem pozwala na bieżący kon
tro le wibroaknstyczn^ łożysk i o s tr z e g a n ie dozoru techriicznego szybu wen
tylacyjnego o przekroczeniu ustalonych poziomów drgali.
Poniżej opisany z o s t a ł układ czterokanałow ego akcelerom etru, przezn a
czonego do badah diagnostycznych łożysk dwóch wentylatorów szybu wentyla
cyjnego kopalni napędzanych silnikami synchronicznymi o mocy 1 MW i prędkości obrotow ej 500 obrotów na minutą.
Do pomiaru drgań zastosow an e z o s ta ły przetw orniki piezoelektryczne przyspieszeń typu PPVa-22PN, produkcji P rze d się b io rstw a Wdrażania Postępu Naukowo-Technicznego EKCEL w Katowicach. Przetwornik te g o typu posiada wbudowany przed wzmacniacz napięciowy, co umożliwia stosow an ie kabli pomia
rowych o długości do 100 metrów łączących przetw ornik z układem pomiarowym przyrządu umieszczonego na stanow isku kontrolno-pomiarowym. C h arak tery sty ka częstotliw ościow a przetworników j e s t płaska w z a k r e s ie c z ę sto tliw o ści od 0,5 Hz do 5 kHz, a c z ę sto tliw o ść rezonansowa wynosi około 12 kHz. S t a ła
lJ —2 —4 2
napięciowa przetw ornika z przedwzmacniaczem wynosi około 10 V*m * s i j e s t po da w aria p rz ez producenta z dokładnością do ± I X dla każdego egzem
plarza.
2. Układ pomiarowy akcelerom etru
Schemat blokowy akcelerom etru p rzed staw ia rys. 1. Sygnały pomiarowe z cz tere ch przetworników zamocowanych na obiektach drgających przesyłane s ą ekranowanymi kablami do gniazd wejściowych G1 do G4 układu wejściowego UW przyrządu. W akcelerom etrze zastosow an o cyfrowy układ s t e r u ją c y US automa
tycznego p rzełączen ia c z te re c h kanałów, p racu jący w cyklu zamkniętym, który włącza kolejne kanały od 1 do 4 do układu pomiarowego UP. Czas włączania każdego kanału w cyklu normalnym wynosi 70 sekund, a w cyklu przyspieszonym 4 sekundy. Do zmiany cz a su p rzełączan ia kanałów z 70 s na 4 s służv przełącznik na płycie czołowej przyrządu (ry s. 2>. Numer włączonego kanału do układu pomiarowego UP wyświetlany j e s t na diodowym wyświetlaczu siedmiosegmentowym na s tr o n ie lewej płyty czołowej przyrządu.
V ra z ie konieczności is t n i e j e możliwość zatrzym ania automatycznego przetaczania kanałów na wybranym numerze wyświetlanym na wyświetlaczu. V t.vm celu należy włączyć przełącznik ''STOP“ .
W układzie wejściowym UW zastosow an o c z t e r y klucze elektroniczne CMOS do przesyłan ia zmiennych sygnałów pomiarowych z przetworników do układu pomiarowego. sterowanych układem ste ru jący m US R ez y sta n cja w s ta n ie
wyłączonym dla każdego klucza CMOS wynosi 10^ ft, a w s ta n ie włączonym oko
ło 150 O. Układ wejściowy d o s ta r c z a również stabilizowanych prądów o war
to ś c i 3 mA do z a sila n ia każdego przetw ornika piezoelektrycznego.
Zmienny sygnał pomiarowy z danego przetwornika przez włączony klucz elektroniczny CMOS podawany j e s t do układu pomiarowego UP, którego schemat blokowy p rzedstaw ia rys. 3. W układzie pomiarowym zastosow ano na wejściu wtórnik napięciowy WN o re z y sta n c ji wejściow ej 10' O, a następn ie wzma
cniacz pomiarowy WP o wzmocnieniach napięciowych k = 100; 10; 1 przełącza
nych przełącznikiem na płycie czołowej przyrządu,odpowiednio dla trzech zakresów pomiaru amplitud p rzy sp ieszeń , t j . 2 m «s'2, 20 200 m *s”2
6 i 6 4 S i 6 1
Rys.l. Schemat blokowy akcelerom etru; UW - układ wejściowy, UP - układ pomiarowy, US - układ s t e r u ją c y , WD - wyświetlacz diodowy, VC - - woltomierz cyfrowy, ZS - z a sila c z e stabilizow ane
Fig.l. Block accelerom eter diagram; UW- en try system , UP - measurement system , US - s te e r in g system , WD diode display, VC - dig ital volt
m eter, ZS - sta b iliz e d fe ed e r
K A N >
t c ' - O i T " 0 / S 3 9 P i 0 0 5
O ^ c p Q [ C 2 0 P2 aD2 20C-Q 20c Q ¿ s i <a V1 n D 1
I o o c h i H i S IE C
o
v c
t n s
~2
O 2
O f t
02 :
Rvs.2. Płyta czołowa przyrządu Fig 2. Accelerom eter cup plate
Przyrząd z o s t a ł zaprojektow any jako akceierom etr uniwersalny do badania różnych obiektów drgających. Wzmocniony sygnał pomiarowy podawany j e s t na w ejścia dwóch filtró w pasmowych o zak resach czę sto tliw o ści 1-200 Hz dla l i l t r u Fl i 200—1000 Hz dla f i l t r u F2. F iltry z o sta ły wykonane z wykorzys
taniem wzmacniaczy operacyjnych £23 i p o sia d a ją wzmocnienie napięciowe k - 1 Wyboru ro d z a ju f i l t r u dokonuje użytkownik przyrządu za pomocą przełącznika na płycie czołowej. Wzmocniony zmienny sygnał napięciowy ze wzmacniacza pomiarowego VP z o s t a ł wyprowadzony również do gniazda wyjściowego przyrządu i może być re je stro w an y za pomocą zew nętrznego r e j e s t r a t o r a analogowego lub cyf rowego.
Rvs.3. Schemat układu pomiarowego UP; WN - wtórnik napięciowy, WP - wzma- cniacz pomiarowy, DS — d e te k to r szczytowy, WK — wzmacniacz końcowy.
K1...K3 - komparatory, P1...P3 - potencjom etry
Fig.3. UP measuring sy stem diagram; WN - loaded am pliiier. WP - measuring am plifier, DS - peak d e te c to r . WK - fin a ł am pliiier, K1...K3 - com- p a r a t o r s , P1...P3 - potent.iomet.ers
Po p r z e jśc iu prz ez jeden z filtró w sygnał pomiarowy podlega d e te k cji szczyto w ej w d e te k to rz e DS. Po d e te k cji napiecie s t a l e podawane je s t. na w ejście wzmacniacza końcowego dopasowującego poziom napięcia mierzonego do z a k resu woltomierza cyfrowego typu CWN-2 o z a k re s ie nominalnym 1,999 V.
Naplecie z w yjścia wzmacniacza końcowego doprowadzane j e s t również do w ejsc nieodwracających tr z e c h komparatorów KI, K2, K3. Na w ejScia odwraca
ją ce tvch komparatorów podawane s ą napięcia z suwaków trze ch potencjom et
rów PI, P2. P3 dostępnych na płycie czołowej przyrządu Crys. 2>. Za pomocą tych potencjometrów użytkownik przyrządu może dobrać t r z y poziomy w artoSci p rz y sp iesz e ń , których przekroczenie bedzie sygnalizowane optycznie z a po
mocą lampek sygnalizacyjnych LSI do LS3 na płycie czołowej przyrządu w trz e c h kolorach Czielonym, Żółtym i czerwonymi.
Regulacji w artości napięć progowych komparatorów można dokonać w przy
padku, gdy wyświetlana j e s t c y tra zero na wyświetlaczu numeru kanału w cy
klu 70-sekundowym przełączan ia kanałów, gdy przy danym potencjom etrze zaświeci s i e dioda świecąca w kolorze lampki sygnalizacyjne j. W tym cz a sie w artość progowa napięcia wyświetlana j e s t na wyświetlaczu woltomierza cy
frowego CWN-2. Czas re g u la c ji w artości progowej kaZdego kom paratora wynosi około 15 sekund.
Zastosow anie lampek sygnalizacyjnych LS w przyrządzie pozwala na o b se r
wacje przyrządu przez obsługę techniczną z odległości 20-30 metrów od m iejsca zainstalow ania przyrządu.
3. Badania eksploatacyjn e akcelerom etru
Badania wykonanego akcelerom etru przeprowadzone z o sta ły w warunkach ru
chowych na dwóch w entylatorach szybu wentylacyjnego kopalni. C ztery prze
tworniki piezoelektryczne typu PPWa-22PN, o stały ch napięciowych nie różniących s ie w iecej niZ 5% od w arto ści śre d n ie j, umieszczone zo sta ły po dwie sztu k i na kaZdym z wentylatorów (r y s 4>.
Rys.4. Zamocowanie przetworników piezoelektrycznych na obudowie łoZysk tocznych w entylatora; PPlf PP2 - przetworniki piezoelektryczne.
01 - obudowa górna łożyska od stro n y w entylatora, 02 - obudowa górna łoZyska od stro n y silnika, T - w entylator, S - silnik syn
chroniczny, G1...G3 - gniazda wejściowe akcelerom etru
Fig.4. Mounting p ie z o e le ctric c o n v e rte rs on casing o f e xh au ster rolling b e a rin g s; PP1JPP2 - p ie z o e le ctric c o n v e rte rs Ol - top casing o f the bearing e x h a u ste r sid e , 02 — to p casing of th e bearing motor side.
T - e x h a u ste r, S - synchronous motor, G1...G2 - accelerom eter plug in s o c k e t.
KaZdy z przetworników z o s t a ł zamocowany z a pomocą Śruby M5 do górn ej połowy obudowy ło2vska bocznego w m iejsce mocowania ucha montażowego obu
dowy. W te n sposób uniknięto wiercenia dodatkowych Ob worów w obudowie łożyska mogących osłabić j e j wybrzymałość mechaniczną. Długość ekranowa
nych kabli pomiarowych od przebworników do sbanowiska konbrolno- -pomiai*owego dozoru szybu nie p rz ek rac za 80 mebrów. Kable pomiarowe popro
wadzono w znacznej odległości od kabli wysokiego napięcia z asilający c h silniki napędowe wentylaborów. Po zainstalow aniu przyrządu sbwierdzono, Ze warbości mierzonych p rzy sp iesz e ń na obudowie łoZyska od sbrony wenbylabora wynoszą 1,4 - 1,6 m *s 2, podczas gdy od sbrony silnika napędzającego wen- bvlabor warbości p rzy sp iesz e ń s ą m n iejsze i wynoszą 0,8 - 1,0 m *s 2.
Wartości tych p rzy sp iesze ń pomierzono przy włączonym f i l t r z e F-2 o pozio
mie cz ę sto tliw o śc i 200-1000 Hz. Aby ułatwić ob serw ację akceleromebru przez dozór, dobrane z o s ta ły 3 poziomy sy g n aliz acji optyczn ej przekroczenia amplitudy p rzy sp iesze ń w skali wyrażonej w decybelach. Dla warbości O dB p rz y ję to w artość amplitudy p rz y sp iesze ń 1 ms 2, a sygnalizowane s ą przy
r o s t y drgań:
o 2 dB, bj. 1,26 m»s 2 lampka sygnalizacyjna zielona LSI, o 4 dB, bj. 1,58 m *s 2 lampka sygnalizacyjna Żółta LS2, o 6 dB, bj. 1,99 m• s 2 lampka sygnalizacyjna czerwona LS3.
Sy gn alizacja lampki czerw onej LS3 połączona z o s t a ł a z sy g n a liz a cją akusty
czną inform ującą dozór szybu o s ta n ie podwyższonego poziomu drgań p rz y ję te g o jako s t a n awaryjny. W c z a sie półrocznej nieprzerw anej pracy ak- celerom etru stw ierdzono przydatność te g o typu sy g n a liz a c ji szczególn ie w warunkach zimowych przy zaistniałym oblodzeniu łopatek w entylatora dającym dodatkowe nie wywaZenie dynamiczne wirujących mas. Zaobserwowano również w zrost amplitudy p rz y sp iesze ń przy poluzowaniu s i ę śru b mocujących górną połowę obudowy łoZyska do podstawy.
4. Analiza dokładności pomiarów
Dokładność pomiaru amplitud p rzy sp iesze ń wykonanego akceleromebru zale- Zy od sta b iln o śc i prądu z a sila ją c e g o przetw orniki piezoelektryczne £33, długoczasowej n ie sta b iln o ści s t a ł e j napięciowej stosowanych przetworników, n ie stab iln o ści długoczasowej współczynnika wzmocnienia zastosow anych wzma
cniaczy pomiarowych i niedokładności woltomierza cyfrowego. Długoczasowa n iestabiln ość prądu z a sila ją c e g o przetw orniki piezoelektryczne nie p rz e b a c z a t 0.2%. a sumaryczna n ie sta b iln o ść współczynnika wzmocnienia z a s t o sowanych scalonych wzmacmaczv pomiarowych nie p rzek rac za ± 0,5%. Nie
dokładność pomiarów napięcia s ta łe g o przez zastosow an y woltomierz cyl rowy
CWN-2, 3,5 cyfry m e przek racza ± 0,1% zak resu pomiarowego. Wypadkowa nie
dokładność wykonanego przyrządu nie przek racza i 1% w artości nominalnej każdego za k resu pomiarowego. Różnice w artości stały ch napięciowych z a s t o sowanych przetworników piezoelektrycznych s ą uwzględnione przez dobór od
powiednich dzielników wejściowych napięcia dla trz e c h przetworników, których w arto ści stały ch s ą wieksze od n a jm n ie jsze j s t a ł e j napięciowej czw artego przetwornika. Po zastosow an iu dzielników napięcia zredukowane s t a łe wszystkich przetworników s a równe w artości s t a ł e j o n a jm n iejszej w artości z niedokładnością ± 1% .
Producent przetworników przysp ieszeń zakłada, że is t n i e je możliwość zmiany w artości sta ły ch napięciowych, produkowanych przez sie b ie przetw or
ników w ciągu roku o ± 5% w artości s t a ł e j wyznaczonej dla przetwornika no
wego S tą d w ystępuję konieczność przeprowadzenia u producenta kontroli stałych użytych przetworników po ok resie roczn ej eksploatacji.
Uwzględniając błąd wyznaczania s t a ł e j napięciowej i błędy układu pomiaro
wego, pomiaru amplitudy przy sp ieszeń można dokonać z dokładnością ± 2%
w artości nominalnej dla każdego za k resu przyrządu
5. W m o s K j
Przedstawiony czterokanałowy akcelerom etr pozwala na ciągłe monitorowa
nie wibroakustyczne sta n u łożysk tocznych wentylatorów głównego przewie
tr z a n ia kopalni na szybie wentylacyjnym. Zastosow ana sy g n alizacja optyczna umożliwia obsłudze szybu obserw acje przyrządu ze znacznej odległości.
V przypadku występowania przyrostów drgań powyżej w artości przyjętych jako awaryjne włączana j e s t również sy g n a liz a cja akustyczna. W przypadku w iększej liczby obiektów badanych i s t n i e je możliwość wykonania akcele- rom etru o w iekszej liczbie kanałów Cup. 6 lub 8>. Przedstawiony przyrząd posiadający t r z y zak resy pomiaru przyspieszeń może być również stosowany do badań wibroakustycznych kombajnów górniczych, silników spalinowych i innych układów drgających.
LITERATURA
Cli Gieroń S.: Kontrolna diagnostyka wibroakustyczna łożysk tocznych.
Materiały Konferencyjne DLAG, Kielce 1986.
[23 Kulka Z., Nadachowski M.: Zastosow anie wzmacniaczy operacyjnych. WNT, Warszawa 1986.
[33 Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne. WNT, Warszawa 1984.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Danuta Turzeniecka
Wpłynęło do Redakcji dnia 2 grudnia 1991 r.
FOUR-CHANNELS ACCELEROMETER FOR MINE DIAGNOSTIC TESTING OF EXHAUSTERS ROLLING BEARINGS
A b s t r a c t
In th e paper measurement sy stem o f four-ch annels accelerom eter f o r mine diagnostic t e s t i n g o f two e x h a u s te r s rolling b e a rin g s in th e main v e n tila tion sy stem i s described. On th e casin g o f th e e x h a u ste r rolling bearings p ie z o e le ctric v ib ratio n co n v e rte r i s mounted Cfig.4); which to g e th e r with four channels acce le ro m e te r, makes p o ssib le c u rre n t v ib ro acco u stic control o f th e bearin gs. Technical in s p e c to r s a r e signalled th a t perm issible vibration lev els have been exceeded when 3 lamps placed on th e device a re switched on <.fig.2>. The a ccelerom eter m easures a c c e le ra tio n amplitude in th re e m easuring ra n g e s 0-2, 0-20, 0-200 m.s 2. Values o f th e measured a cce le ra tio n a r e displayed on 3 1 / 2 d ig ital voltm eter. In th e a r t ic le an an aly sis o f th e a ccelero m eter measurement p recisio n was perform ed using type PPWa-22PN p ie z o e le c tric c o n v e rte rs. A cceleration amplitude can be measured with th e accuracy ± 2% o f nominal value of every measurement, range, taking in to account e r r o r s while determ inig v o ltag e c o n sta n t of p ie z o e le ctric c o n v e rte r s and m easuring sy stem e r ro r . The designed accele
rom eter may a lso be applied f o r v ib ro aco u stic t e s t in g o f mineg heading machines, I. C. engines and o th e r v ib ratin g sy stem s.
