Lab. 4. Pomiar drgań maszyn PDF

Preview

Summary

Download Lab. 4. Pomiar drgań maszyn PDF

Description

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 ćwiczenia: 1. Podstawowe wielkości charakteryzujące drgania 2. Kryteria oceny drgań maszyn i urządzeń 3. Ocena stanu dynamicznego maszyn wg PN. 4. Ocena stanu dynamicznego maszyn wg IRD oraz VCI. 5. Pomiary drgań wybranych maszyn i urządzeń oraz ocena ich stanu dynamicznego. Do wykonania przez studentów: 1. Zapoznać się z kryteriami oceny stanu dynamicznego maszyn wg PN, VCI oraz IRD. 2. Wykonać pomiary drgań wybranych maszyn i urządzeń.. 3. Wykonać ocenę ich stanu dynamicznego. 4. Opracować wyniki pomiarów. 5. Zaliczyć ćwiczenie.

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 informacj ę 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 histori ę 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:

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 – rozciągaj ących, 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 psychologiczne stany człowieka;

szkodliwy

wpływ

drgań

maszyn

na

fizjologiczne

i

normy odporności wibracyjnej określające dopuszczalny poziom drgań pochodzących ze źródeł zewnętrznych, jakie mogą działać w sposób szkodliwy na określoną maszynę lub urządzenie.

3. OCENA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN WG PN-ISO 10816-1 ORAZ PN90 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 maszyny średniej wielkości, w tym silnik o mocy 15 75 kW bez specjalnych fundamentów oraz maszyny o mocy do 300 kW ustawione na fundamentach maszyny o mocy powyŜej 300 kW, w tym silniki o mocy powyŜej 75 kW, posadowione na fundamentach spełniaj ących warunki ustawienia sztywnego maszyny o mocy powyŜej 300 kW, w tym silnik o mocy powyŜej 75 kW, posadowione na fundamentach, spełniających warunki ustawienia spręŜystego (elastycznego)

II III IV

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 nale Ŝy 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 nale Ŝy 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 nale Ŝy przyjąć największą spośród odczytywanych wartości prędkości drgań.

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

Wartość skuteczna prędkości Vc, w mm/s , 0,28 0,45 0,71 1,12 1,8 2,8 4,5 7,1 11,2 18 28 45

Klasa I

A

II

A

III

A

IV

A

B B C

B C

B C

D

A – stan dobry B – stan zadowalający C – stan przejściowo dopuszczalny D – stan niedopuszczalny

C D

D

D

4. OCENA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN WEDŁUG IRD ORAZ VCI. Wpływ szkodliwości drgań na maszyny w oparciu o wartości szczytowe amplitudy pr ędkości drgań.

Rys.4. Wykres ogólny szkodliwości drgań maszyn wg IRD Mechanalysis.

Drganiowe stany graniczne opracowane przez VCI Ltd na podstawie pomiarów drgań korpusów i łoŜysk.

Rys.5. Drganiowe stany graniczne maszyn wg. VCI Ltd.

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  Urządzenia o nieznanych charakterystykach – 2,0

5. WYKONANIE ĆWICZENIA Szkic badanej maszyny .......................... (z zaznaczeniem punktów pomiarowych i kierunków).

Pomiary drgań maszyny.

1

3

4

5

2

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

Rysunki 8 i 9 przedstawiaj ą przykładowy zapis jednego cyklu pracy badanej maszyny. 2500 2000 L [mm]

1500 1000 500 0 12

nonr [Hz]

8

4

0

vdrgan [mm/s]

15

10

5

0 0

5

10

15

20

25

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

16

vdrgan [mm/s]

zakłócenia 12 8 4 0 0

500

1000

1500

2000

2500

L[mm] Rys.9. ZaleŜność prędkości drgań wybranego węzła łoŜyskowego podczas pełnego cyklu pracy

Na podstawie analizy zarejestrowanych sygnałów nale Ŝy wykonać następujące czynności: narysować wykresy zmian rejestrowanych parametrów w funkcji czasu – patrz rys. 8, narysować wykresy zmian wartości skutecznej i szczytowej pr ędkości 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

Kierunek pomiaru

n [obr/min]

Punkt nr.................. vRMS [mm/s]

vpeak [mm/s]

śred:

śred:

max:

CRF [-]

śred:

Tabela.4. Wyniki analizy

Kierunek pomiaru

n [obr/min]

Punkt nr.................. vpeak [mm/s]

vRMS [mm/s]

śred:

śred:

max:

CRF [-]

śred:

Tabela.5. Wyniki analizy

Kierunek pomiaru

n [obr/min]

Punkt nr.................. vRMS [mm/s]

vpeak [mm/s]

śred:

śred:

max:

CRF [-]

śred:

Ocena stanu dynamicznego wg IRD, VCI oraz PN. Tabela.6. Ocena stanu dynamicznego

Lp

Punkt pomiarowy

1

Wnioski

Kierunek

fn [Hz]

Ocena stanu dynamicznego wg IRD (rys.3)

Klasyfikacja Ocena stanu Klasyfikacja stanu dynamiczne stanu dynamiczneg go dynamicznego o wg VCI wg rys.4 wg PN (rys.2)

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. [5] PN-90/N-01358 Drgania. Metody pomiarów i oceny drgań maszyn...