Podstawy pomiaru drgań i analizy wyników

 POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ TRANSPORTU
KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO
LABORATORIUM DIAGNOSTYKI POJAZDÓW SZYNOWYCH
ĆWICZENIE 3
Podstawy pomiaru drgań i analizy wyników
Katowice, 2009.10.01
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie studentów z podstawową metodyką
przygotowania i prowadzenia pomiarów drgań elementów pojazdów szynowych. Istotnym
elementem prowadzonych zajęć jest przedstawienie metod analizy uzyskanych wyników
pomiaru drgań.
Stanowisko laboratoryjne umożliwia dokonanie pomiaru i rejestracji drgań maszyn i
urządzeń w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach. Podstawowym elementem
stanowiska jest silnik zasilany prądem stałym o napięciu znamionowym 12 [V]. Zasilanie
układu napędowego odbywa się poprzez zasilacz laboratoryjny z regulowanym napięciem od
0 do 30 [V] i regulacji prądu od 0 do 2.5 [A]. Obciążenie silnika na danym stanowisku jest
znikome i wynika jedynie z konieczności pokonania momentu bezwładności mas
umieszczonych na jego osi i oporu powietrza wirujących elementów. Dlatego też możliwa
jest płynna regulacja prędkości obrotowej silnika poprzez regulację napięciem zasilania.
Stanowisko to umożliwia zamodelowanie pracy silnika jako niewyważonej maszyny z
mechanizmami wirującymi. W tym celu na osi silnika umieszczono dwie wywarzone tarcze.
Na osi umieszczono również tarczę z naciętymi rowkami i sprzężono ją z czujnikiem fotorezystancyjnym w celu umożliwienia precyzyjnego pomiaru przemieszczeń kątowych
wirnika wraz z tarczami. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiony został na rys. 1.
Prowadzący ćwiczenie laboratoryjne prezentuje działanie wyważonego układu w czasie
pracy przy różnych prędkościach obrotowych, rejestrując jednocześnie przy pomocy
oscyloskopu cyfrowego drgania i przemieszczenie kątowe wirnika. Następnie celowo
wprowadza niesymetryczne obciążenie na jednej z wirujących tarcz. Tarczę tą zamyka w
obudowie z tworzywa sztucznego uniemożliwiając tym samym wzrokową lokalizację
miejsca wyważenia. Zadaniem studentów jest korzystając z możliwości pomiaru drgań w
funkcji czasu i przemieszczenia kątowego rejestrowanych na oscyloskopie cyfrowym,
wyznaczyć miejsce na drugiej równoległej tarczy, w którym dodanie tej samej masy,
spowoduje wyważenie układu. Wyważenie to można potwierdzić poprzez rejestrację drgań
na oscyloskopie.
Wykonane ćwiczenie laboratoryjne pozwoli zapoznać studentów z możliwościami
diagnostyki technicznej opartej o pomiar drgań i możliwości eliminacji jej niekorzystnych
skutków. Pozwoli to również przybliżyć studentom teoretyczne i praktyczne informacje w
zakresie drgań, wyważania statycznego i dynamicznego maszyn wirujących.
4 3 2
5
5
6
1
8
9
10
RS 232
LPT
7
Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 - silnik prądu stałego, 2 – tarcza do zadawania niewyważenia, 3 –
tarcza do wyważania, 4 – tarcza czujnika przemieszczeń kątowych, 5 – czujnik drgań względnych ADXL, 6 – czujnik drgań
bezwzględnych, 7 – fotorezystancyjny czujnik przemieszczeń kątowych wirnika, 8 – rejestrator drgań MRP, 9 – oscyloskop
cyfrowy, 10 – komputer PC
2
2. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA
Diagnostyka techniczna - dziedzina wiedzy (dział teorii niezawodności), zajmująca
się zagadnieniami kontroli stanu złożonych obiektów technicznych i lokalizacji
(wykrywania) uszkodzonych elementów tych obiektów złożonych (wg. Encyklopedii
Techniki).
Diagnostyka techniczna, to technika badawcza pozwalająca na określenie stanu
technicznego urządzeń oraz lokalizacji ewentualnych nieprawidłowości dokonywana
najczęściej w trakcie pracy urządzenia bez konieczności demontażu jego zespołów. Bazuje
ona na wykorzystaniu różnych zjawisk zachodzących w technice (magnetyzm, drgania, hałas,
optyka, zmiany pola elektrycznego, zmiany pojemności, zmiany indukcyjności), pomiarze
tych wielkości i analizie uzyskanych wyników. Dziedzina ta jest silnie powiązana z teorią
pomiaru i analizy uzyskanych wyników. Uzyskane wyniki pozwalają niejednokrotnie, oprócz
informacji o stanie technicznym maszyn i urządzeń, na podjęcie automatycznych działań
korygujących prawidłowość ich funkcjonowania, a coraz częściej przy wykorzystaniu
zaawansowanych technik i metod sztucznej inteligencji.
Istnieje kilka ogólnych podziałów diagnostyki technicznej. Pierwszy podział zależy od
stanu technicznego eksploatowanych maszyn:
- diagnostyka profilaktyczna maszyn,
- diagnostyka przedremontowa maszyn ,
- diagnostyka poremontowa maszyn.
Często stosuje się również podział diagnostyki ze względu na rodzaj zjawisk
wykorzystywanych do pomiarów, zjawisk mierzonych oraz rodzaju stosowanych czujników.
Podział ten wyróżnia diagnostykę:
- cieplną,
- emisyjną,
- rentgenotelewizyjną,
- ultradźwiękową,
- magnetyczną,
- wibroakustyczną,
- magnetyczną.
Diagnostyka profilaktyczna maszyn wykonywana jest w celu poznania aktualnego
stanu technicznego maszyny lub urządzenia i szacowania jego zmian w najbliższym okresie
pracy. Posiadana wiedza stanu technicznego maszyn pozwala na bardziej racjonalne ich
wykorzystanie, zaplanowanie niezbędnych remontów i postojów na konserwacje a także
pozwala zrezygnować z planowych, corocznych i nie zawsze skutecznych remontów czy
przeglądów zalecanych przez producenta. Współczesne techniki pomiarowe pozwalają na
takie oprzyrządowanie maszyn, które umożliwiają śledzenie ich parametrów w czasie niemal
rzeczywistym. Wymaga to jednak podjęcia szeregu przedsięwzięć mających na celu
przygotowanie maszyn, kadry pracowniczej zajmującej się eksploatacją, opracowanie
instrukcji i procedur.
Głównym zadaniem diagnostyki przedremontowej maszyn jest kwalifikacja i
weryfikacja zakresu remontu. Zadaniem tej diagnostyki jest określenie stopnia zużycia
elementów maszyn, określenie przyczyn pogorszonej ich pracy oraz nadmiernego zużycia.
Wiedza ta stanowi podstawę dobrze przeprowadzonego remontu, bowiem umożliwia
wytypowanie i realizację tylko niezbędnych i koniecznych prac. Dobrze przeprowadzona
3
diagnostyka przedremontowa maszyn pozwala na obniżenie kosztów remontów, a w
konsekwencji kosztów eksploatacji i wytwarzania.
Pomiary diagnostyki poremontowej pozwalają na dokonanie oceny skuteczności prac
remontowych i stanowią podstawę do dopuszczenia maszyny do ruchu próbnego i orzeczenia
czasu gwarancji.
W zakresie tych pomiarów szczególnie ważne jest uzyskanie niskiej intensywności
drgań w całym zakresie pracy maszyny, po to, aby uzyskać jak najwyższą jej trwałość
eksploatacyjną w okresie jej pracy. Z praktyki wynika, że to samo nowe łożysko toczne,
zamontowane podczas remontu może pracować kilka dni w warunkach dużych wymuszeń
dynamicznych, lub kilka lat, gdy te wymuszenia są na niskim poziomie. W okresie pomiarów
poremontowych, dla obniżenia drgań wykonuje się wyważanie wirników - najczęściej
metodą "w łożyskach własnych".
Wyważanie (wyrównoważanie) dotyczyć może elementu wirującego, maszyny lub
całego zespołu i polega na korekcji rozkładu masy wirującej w celu uzyskania najmniejszego
obciążenia dynamicznego łożysk zespołu, a także wyeliminowania drgań maszyn.
Metody wyważania:
• statyczna,
• dynamiczna.
W praktyce wyważanie przeprowadza się metodami:
• wyważanie jednopłaszczyznowe (metodą amplitudową lub amplitudowo - fazową),
• wyważanie dwu lub wielopłaszczyznowe (metodami amplitudowo - fazowymi),
• wyważanie wirników metodą "na gumach" (metoda rezonansowa realizowana na
wyważarce).
Wyważanie statyczne polega na takim rozmieszczeniu mas zespołu wirującego, aby ich
środek ciężkości znajdował się na osi obrotu. Wyważanie dynamiczne polega na takim
rozmieszczeniu mas zespołu wirującego, aby ich główna oś bezwładności pokrywała się z
osią obrotu.
Dynamiczne wyważanie wirników maszyn przeprowadza się najczęściej w łożyskach
własnych wykorzystując jej rodzimy napęd. W stosunku do wyważania wirnika na
wyważarce, metoda ta pozwala na obniżenie kosztów związanych z demontażem wirnika,
jego transportem na wyważarkę i ponownym montażem. Jedynym warunkiem niezbędnym
do wyważanie metodą w łożyskach własnych jest odpowiedni dostęp do wirnika w celu
montażu mas próbnych i korekcyjnych.
Diagnostykę silników elektrycznych wykonuje się najczęściej bezpośrednio w
warunkach pracy z maszyną napędzana, bądź na stanowisku badawczym w zakładzie
remontowym lub laboratorium. Silniki diagnozuje się wykorzystując metody diagnostyki
wibracyjnej do określenia takich parametrów jak: niewyważenie wirnika silnika, poprawność
centrowania osi obrotu wału silnika i urządzenia napędzającego, stopnia zużycia łożysk
tocznych itd. Wykonuje się także, analizy częstotliwościowe prądów zasilania silnika do
określenia ewentualnych wad typu pęknięcia prętów wirnika silnika zwartego lub jego
pierścieni, wykrywanie zbyt dużych oporów ruchu wywołanych np. nieprawidłowym
montażem łożysk. Wykonuje się także charakterystyki czasowe prądów zasilania zdjęte
podczas rozruchu silnika – określa się w ten sposób chwilowe prądy rozruchu i czasy ich
trwania.
Diagnostyka wibracyjna opiera się głównie na pomiarach i interpretacji drgań będących
dobrym nośnikiem informacji o stanie technicznym urządzeń.
4
Diagnostykę wibracyjną opiera się o trzy podstawowe zasady :
- wszystkie maszyny drgają,
- energia drgań rośnie, gdy stan techniczny maszyny pogarsza się,
- realizacja dokładnie zmierzonych i zinterpretowanych drgań, sposobu obróbki
sygnałów i skojarzenie z warunkami pracy pozwala na określenie stopnia i przyczyn
zużycia eksploatacyjnego maszyn lub jej elementów.
Znajomość aktualnego stanu technicznego maszyny pozwala na ekonomiczne jej
wykorzystanie, poprawienie jakości jej działania, zaplanowanie remontu, uniknięcie
katastroficznych awarii.
Przyczyny drgań, jakie można wykryć stosując pomiary dynamiczne to przyczyny
konstrukcyjne, montażowe i eksploatacyjne tj.: niewyważenie wirników, wady sprzęgnięcia
wałów ( centrowanie osi obrotów i "korby"), stan zużycia łożysk, przekładni pasowych i
zębatych, jakość fundamentowania i elementów podparć (częstości krytyczne i
rezonansowe), przytarcie wirnika, jakość pracy łożysk ślizgowych, wady w pracy urządzeń
elektrycznych (pęknięcia prętów i uzwojeń), pęknięcia wałów, zaburzenia hydrauliczne w
pompach i rurociągach (kawitacja) i inne procesy techniczne generujące drgania.
Diagnostyka wibracyjna ma największe zastosowanie do urządzeń takich jak:
turbozespoły prądotwórcze i maszyny cieplne, silniki elektryczne, wentylatory i dmuchawy,
pompy, przekładnie zębate, obrabiarki, silniki tłokowe, sprężarki wirnikowe i tłokowe,
przenośniki i przekładnie pasowe, młyny, konstrukcje wsporcze (fundamenty), rurociągi i
elementy stałe związane z maszynami.
Gałęzie przemysłu, gdzie diagnostyka wibracyjna jest szeroko stosowana to przemysł:
energetyczny, petrochemiczny, wydobywczy, włókienniczy, ceramiczny, chemia,
papierniczy, hutnictwo, wydobywczy, transportowy, itp.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Opisane doświadczenie przewidziane jest na dwa zajęcia laboratoryjne. Na pierwszych
zajęciach, studenci zapoznają się z metodologią pomiarów drgań, wyważania maszyn oraz
urządzeniami pomiarowymi na stanowisku. Wykonają również szereg pomiarów drgań dla
różnych prędkości kątowych wirnika, różnych obciążeń jednocześnie dwoma przyrządami.
Pomiary te pozwolą wywzorcować czujnik ADXL podłączony do oscyloskopu cyfrowego.
Na następnych zajęciach laboratoryjnych studenci wyznaczą, przy pomocy
wywzorcowanego wcześniej urządzenia pomiarowego, wartość i miejsce niewyważenia.
Otrzymane wyniki pozwolą zredukować wartość niewyważenia poprzez dołączenie masy w
odpowiednim miejscu na tarczy. Po zredukowaniu niewyważenia wirnika należy wykonać
kolejną serię pomiarów drgań w celu potwierdzenia poprawności wykonania wyważania.
4.1. Przebieg ćwiczenia – wzorcowanie wyjścia analogowego przetwornika drgań ADXL.
W trakcie trwania laboratorium należy wykonać szereg pomiarów drgań przy
jednoczesnej rejestracji drgań zarówno przyrządem pomiarowym MRP, oraz czujnikiem
ADXL podłączonym do oscyloskopu. Pomiary należy wykonać dla kilku prędkości kątowych
wirnika oraz dla kilku różnych ustawień niewyważeń wirnika. Na podstawie otrzymanych
wyników należy wywzorcować czujnik ADXL. W tym celu należy narysować wykresy drgań
uzyskane za pomocą przyrządu MRP oraz wykresy wartości napięcia wyjściowego z czujnika
ADXL. W celu dokładnego wzorcowania należy wyznaczyć wzór aproksymacji uzyskanych
wykresów oraz wzór pozwalający na przeliczenie wartości napięcia uzyskanego na wyjściu
czujnika ADXL na mierzone przyspieszenie. Wyniki wykonanych pomiarów należy wpisać
5
do arkusza pomiarowego 1 (tablica 1). Przed przystąpieniem do pomiarów, należy uprzednio
zapoznać się z działaniem stanowiska, metodyką pomiaru oraz instrukcją BHP.
4.2. Przebieg ćwiczenia – drgania maszyn i ich wyważanie.
Właściwa interpretacja wyników, uzyskanych w trakcie laboratorium, wymaga od
ćwiczącego posiadania podstawowych wiadomości o przebiegu ćwiczenia laboratoryjnego i
budowy stanowiska pomiarowego oraz na temat drgań mechanicznych i teorii wywarzania
elementów wirujących maszyn. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy zidentyfikować i
zredukować niewyważenie układu wirnika ze znajdującymi się na nim tarczami. W tym celu
należy wykonać szereg pomiarów drgań układu w funkcji przemieszczeń kątowych wirnika.
Pomiary należy wykonać kilkakrotnie dla różnych prędkości kątowych i zanotować w
arkuszu pomiarowym 2. Dodatkowo, należy zbadać opory ruchu układu dla różnych
prędkości kątowych przy różnych dokładnościach montażu łożyska tocznego. Zarówno
wyniki amplitud i częstości drgań, uzyskane przed wyważeniem jak i po wyważeniu układu
należy przedstawić w formie graficznej. Wyniki uzyskane przy badaniu oporów ruchu należy
wpisać do arkusza pomiarowego 3 oraz przedstawić w formie wykresu i szkicu
wyjaśniającego przyczyny zmian wartości prądu zasilania silnika przy różnych montażach
łożyska tocznego silnika.
5. ZAKRES SPRAWOZDANIA
1. Wstęp teoretyczny poszerzający zakres poruszanych zagadnień.
2. Opis metodyki pomiarowej i sposobu działania urządzeń pomiarowych
wykorzystywanych w trakcie laboratorium.
3. Opis możliwości pomiarowych badanych zjawisk przy wykorzystaniu innych
przyrządów pomiarowych.
4. Uzupełnić podpisane przez prowadzącego tablice pomiarowe otrzymanymi w trakcie
zajęć wynikami pomiarów.
5. Prezentację graficzną otrzymanych wyników.
6. Szczegółowe wnioski i spostrzeżenia dotyczące wykonanego ćwiczenia
laboratoryjnego.
6. LITERATURA
1. B. Żółtowski: Podstawy diagnostyki maszyn. Bydgoszcz: Wydawnictwo Uczelniane
Akademi Techniczno – Rolniczej w Bydgoszczy, 1996.
2. B. Żółtowski, Z. Ćwik: Leksykon diagnostyki technicznej. Bydgoszcz: Wydawnictwo
Uczelniane Akademi Techniczno – Rolniczej w Bydgoszczy, 1996.
3. B. Szumielewicz, B. Słomski, W. Styburski: Pomiary elektroniczne w technice.
Warszawa: WNT, 1982.
4. P. Lesiak: Laboratorium aparatury pomiarowo – diagnostycznej. Część 1 – Aparatura
w transporcie kolejowym. Radom: Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, 2002.
5. P. Lesiak, D. Świsulski: Komputerowa technika pomiarowa. Pomiary Automatyka
Kontrola – Miesięcznik Naukowo – Techniczny, Radom: Instytut Technologii i
Eksploatacji, Agenda Wydawnicza PAK, 2002.
6. PN-57/MPM-07588-Tabor kolejowy. Montaż zestawów kołowych, warunki
techniczne.
7. PN-61/R-91045-Tabor kolejowy. Zestawy kołowe wagonów, wymagania i badaniatechniczne.
Tablica 1
6
Lp.
7
Wzór
aproksymacji
Nr wykresu
Nazwa pliku
z danymi
Średnia
amplituda
drgań [m/s2]
Napięcie
zasilania
silnika [v]
Prąd
pobierany
przez silnik
[A]
Maksymalna
amplituda
drgań [m/s2]
Prędkość
kątowa[s-1]
Odległość
środka osi
obrotu od
środka masy
[m]
Okres
pełnego
obrotu tarczy
czujnika [s]
Okres
drgań[s]
Masa
obciążenia
[kg]
Arkusz pomiarowy 1 - do ćwiczenia: Metody pomiaru charakterystyk amplitudowo –
częstotliwościowych, wzorcowanie wyjścia analogowego przetwornika drgań ADXL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Podpis prowadzącego ćwiczenie laboratoryjne:
...................... .
Maksymalna
amplituda
drgań [m/s2]
Średnia
amplituda
drgań [m/s2]
Nr wykresu
Nazwa pliku
z danymi
Prędkość
kątowa[s-1]
Okres
drgań[s]
Okres
pełnego
obrotu tarczy
czujnika [s]
Nr otworu z
dodaną masą
Prąd
pobierany
przez silnik
[A]
Napięcie
zasilania
silnika [v]
Ramie środka
masy [m]
Lp.
Masa
dokładanego
obciążenia
[kg]
Tablica 2
Arkusz pomiarowy 2 - do ćwiczenia: drgania maszyn i ich wyważanie – wyważanie.
1
Przed wyważeniem
2
3
4
5
6
7
8
9
Po wyważeniu
10
11
12
13
14
15
Tablica 3
Arkusz pomiarowy 3 - do ćwiczenia: drgania maszyn i ich wyważanie – opory ruchu.
Prędkość Maksymalna
Średnia
Ustawienie
Wartość prądu
Lp.
kątowa
amplituda
amplituda
Nr wykresu
łożyska
zasilania [A]
[s-1]
drgań [m/s2] drgań [m/s2]
1
2
3
4
5
6
7
Podpis prowadzącego ćwiczenie laboratoryjne:
...................... .
8