ep052010, AUTA NAPRAWA, TURBOSPRĘŻARKA, wyważanie turbiny
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Sprzęt
Kręcenie bez bicia –
Od jakości wyważenia
elementów wirujących maszyn
i urządzeń zależy poziom
emitowanego hałasu, zużycie
energii i trwałość łożysk.
Niewykryte w porę wibracje
mogą być przyczyną groźnych
i kosztownych w naprawie
uszkodzeń. Stan maszyn, tak
jak nasze własne zdrowie, musi
być systematycznie kontrolowany,
a do tego są potrzebne
specjalizowane przyrządy.
Jednym z nich jest VibroDAQ2.
W EP 4/2010 przedstawiliśmy Czytel-
nikom teorię wyważania elementów ob-
rotowych maszyn, pojazdów itp. Wiedza
ta została umiejętnie wykorzystana przez
konstruktorów irmy RK-System do budo-
wy uniwersalnego urządzenia VibroDAQ2,
służącego do jedno- i dwupłaszczyznowego
wyważania elementów wirujących. Zanim
zaznajomimy się z samym przyrządem, przy-
pomnimy sobie najważniejsze zagadnienia
i wnioski wynikające z teorii.
samochodowych podczas wyważania kół.
Pamiętajmy jednak, że rozkład masy ele-
mentu wirującego powinien być w jak naj-
większym stopniu jednorodny. Kompensacja
niewyważenia za pomocą jednej masy może
oznaczać, że układ będzie charakteryzował
się równowagą chwiejną, a więc w pew-
nym sensie nadal pozostanie niewyważony.
Znacznie lepsze wyniki uzyska się, przepro-
wadzając tzw. doważanie, czyli dokładanie
(zdejmowanie) kolejnych mas korekcyjnych,
stopniowo przybliżających efekt końcowy
do ideału. Nie łudźmy się jednak - ideał nie
istnieje, a o zakończeniu pomiarów decyduje
uzyskanie wyników mieszczących się w za-
łożonej granicy błędu.
Z praktycznego punktu widzenia istotne
jest to, że wyważanie może być prowadzone
na specjalnie skonstruowanym stanowisku
albo bezpośrednio w pracującym urządze-
niu. Przeniesienie elementu wirującego na
stanowisko pomiarowe wymaga wymon-
towania go z urządzenia, co może być źró-
dłem błędu nieuwzględnianego w pomiarze.
Dodatkowo, ten błąd może być zwiększony
przez inne, niż oryginalne, łożyskowanie.
Zdecydowanie lepsze wyniki uzyskuje się
więc, gdy wyważanie jest przeprowadzane
bezpośrednio w urządzeniu, nie zawsze jest
to jednak możliwe.
Wyróżniamy wyważanie jednopłaszczy-
znowe, dwupłaszczyznowe i wielopłasz-
czyznowe. W największym skrócie można
powiedzieć, że wyważanie jednopłaszczy-
znowe występuje wtedy, gdy mamy do czy-
nienia na przykład z pojedynczą tarczą o re-
gularnych kształtach. Gdy przekrój tarczy
w płaszczyźnie przechodzącej przez oś ob-
rotu jest znacząco inny niż prostokątny lub
gdy występują dwie tarcze umieszczone na
wspólnej osi obrotu, mówimy o wyważaniu
dwupłaszczyznowym (
rys. 1
). Wyważanie
Resume
O danym elemencie wirującym mówimy
w największym uproszczeniu, że jest niewy-
ważony, jeżeli jego środek masy nie jest usy-
tuowany w osi obrotu. Niewyważenie jest
spowodowane najczęściej niejednorodnością
materiału, z którego jest zbudowany element
wirujący, może również wynikać z niepra-
widłowego zawieszenia tego elementu. Nie-
wyważenie może być kompensowane przez
dokładanie lub zdejmowanie odpowiednio
dobranych mas w ściśle określonych punk-
tach wału zależnych od tzw. wektora niewy-
ważenia. W wielu przypadkach zadowalają-
ce wyniki można osiągnąć, dokładając lub
ujmując tylko jedną masę. Jest to na przy-
kład powszechna praktyka w warsztatach
rys. 1. przykładowy kształt elementów wirujących do wyważania a) jednopłaszczyznowego, b) dwupłaszczyznowego, c) wielopłasz-
czyznowego
118
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
Sprzęt
System wyważania VibroDAQ2
System wyważania VibroDAQ2
Tab. 1. Oferta czujników współpracujących z systemem VibroDAQ2
Model
Czułość
Zakres często-
tliwości pracy
Położenie
gniazda
Tempera-
tura max.
Waga
Fot. 2. Czujnik laserowy na statywie
Czujniki drgań ogólnego zastosowania
101.01-6-3 100 mV/g ±5% 0,5 Hz...14 kHz góra 120°C 85 g
101.21-6-3 100 mV/g ±10% 0,5 Hz...14 kHz góra 120°C 85 g
103.02-6-2 100 mV/g ±5% 0,5 Hz...10 kHz bok 120°C 130 g
103.22-6-2 100 mV/g ±10% 0,5 Hz...12 kHz bok 120°C 130 g
Czujniki drgań o niskich częstotliwościach
101.01.-9-3 500 mV/g ±5% 0,2 Hz...3,7 kHz góra 90°C 90 g
103.02.-9-2 500 mV/g ±5% 0,2 Hz...3,7 kHz bok 90°C 140 g
Czujniki drgań o wysokich częstotliwościach
101.01-3-3 10 mV/g ±5% 0,5 Hz...16 kHz góra 120°C 80 g
101.21-3-3 10 mV/g ±10% 0,5 Hz...16 kHz góra 120°C 75 g
103.02-3-2 10 mV/g ±5% 0,5 Hz...13 kHz bok 120°C 130 g
103.22-3-2 10 mV/g ±10% 0,5 Hz...13 kHz bok 120°C 125 g
Cz
ujniki prędkości
111.01-6-3 100 mV/in/s ±5% 1,9 Hz...7 kHz góra 120°C 90 g
113.01-6-2 100 mV/in/s ±5% 1,9 Hz...7 kHz bok 120°C 140 g
4-20 mA (brak opcji pomiaru temperatury)
125.01-VR10-3 10 mm/s RMS 3...1000 Hz góra 90°C 85 g
125.01-AR20-3 20 g RMS 3...1000 Hz góra 90°C 85 g
wielopłaszczyznowe jest natomiast stosowa-
ne dla wałów giętkich.
Jeszcze jednym, istotnym z praktycznego
punktu widzenia pojęciem jest rodzaj niewy-
ważenia. Wyróżniamy tu m.in. niewyważe-
nie statyczne, gdy centralna oś bezwładności
jest przesunięta równolegle do osi wału i nie-
wyważenie dynamiczne, w którym centralna
oś bezwładności jest przesunięta nierówno-
legle do osi wału i jej nie przecina (w obsza-
rze ograniczonym rozmiarami wału).
niu, należy jednak liczyć się z nieco bardziej
skomplikowanym cyklem pomiarowym.
Zasada działania systemu VibroDAQ2
jest oparta na pomiarze drgań. Wykorzysty-
wane są do tego czujniki przyspieszeń, pręd-
kości lub przesunięcia. W razie potrzeby
mogą być uzupełnione o opcjonalne akceso-
ria dostępne w ofercie producenta. Przyrząd
pozwala na zastosowanie praktycznie do-
wolnych czujników drgań, również takich,
które są zabudowane fabrycznie na istnieją-
cym stanowisku pomiarowym. W standardo-
wym zestawie systemu VibroDAQ2 znajdują
się czujniki drgań 100 mV/g sprawdzające się
w przypadku 95% klientów. W stałej ofercie
jest natomiast szeroka gama czujników, na-
wet 500 mV/g. Na zamówienie użytkowni-
ka mogą być dostarczone czujniki o jeszcze
wyższych czułościach. Pełną ofertę przedsta-
wiono w
tab.
1
.
Fabryczna koniguracja systemu obejmu-
je komponenty niezbędne do przeprowadze-
nia podstawowych pomiarów. Umieszczono
je w aluminiowej walizce gwarantującej
bezpieczny transport zestawu. Znajdujemy
w niej:
– przystawkę VibroDAQ2,
– dwa czujniki akcelerometryczne z gwin-
tem M5 służącym do umocowania na sta-
nowisku pomiarowym,
– dwa adaptery z końcówką magnetyczną
umożliwiającą montaż czujników w do-
godnym miejscu, bez konieczności stoso-
wania połączenia śrubowego,
– czujnik laserowy z detektorem,
– statyw do mocowania czujnika laserowego,
– folię releksyjną dla czujnika laserowego,
– kable czujników i kabel USB służący do
połączenia przystawki z komputerem.
Czujnik laserowy jest niezbędny do po-
miaru prędkości obrotowej wału podczas
wyważania. Nie jest on używany w bada-
niach wibracji. Aby z niego skorzystać, na-
leży go umieścić na statywie (
fot. 2
) w okoli-
VibroDAQ2 w praktyce
System pomiarowo-diagnostyczny Vi-
broDAQ2 umożliwia wykonywanie dyna-
micznego wyważania jedno- i dwupłaszczy-
znowego wirników sztywnych, zarówno na
stanowisku pomiarowym, jak i w łożyskach
własnych. Stanowisko pomiarowe jest wyko-
rzystywane najczęściej na etapie produkcji
urządzeń. Później, w trakcie ich eksploatacji
raczej nie wymontowuje się z nich wirników,
gdyż generowałoby to dodatkowe koszty
przy jednoczesnym zmniejszeniu dokładno-
ści pomiaru. Wykonując badania w urządze-
rys. 3. podstawowe okno programu aktywne w trakcie wyważania rys. 4. Okno deiniowania wirników
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
119
Sprzęt
rys. 5. raport z pomiarów
jest proporcjonalna do niewyważenia (rys.
3).
Niewyważenie wstępne jest przyjmowane jako
punkt odniesienia do kolejnych pomiarów, stąd
jego wartość zawsze jest równa 100%. Na ekra-
nie są podane również inne parametry, takie jak
amplituda i faza drgań oraz prędkość obrotowa
wirnika.
Kolejne cykle wyważania są uruchamia-
ne/wstrzymywane przyciskami ekranowymi
Dalej
,
Start
. Po wstępnym oszacowaniu nie-
wyważenia można przystąpić do zasadniczej
fazy pomiaru, którą rozpoczyna pomiar z masą
kontrolną. W tym celu należy zatrzymać obroty
wału i umieścić na nim dokładnie znaną masę
w dowolnym położeniu, które będzie stanowiło
punkt odniesienie w kolejnych cyklach. Jest to
bardzo istotne ze względu na charakter czynno-
ści wykonywanych w dalszej części pomiarów.
Następnie ponownie uruchamiamy obroty wału
i przechodzimy do kolejnego cyklu, naciskając
przycisk
Dalej
. Po ustabilizowaniu się warun-
ków, na ekranie uzyskujemy parametry obcią-
żenia korygującego: jego masę wyrażoną w jed-
nostkach bezwzględnych lub odniesioną do
masy kontrolnej i położenie względem punktu
referencyjnego. Nie zawsze jednak umieszcze-
nie masy korygującej w określonym położeniu
jest możliwe. Może to wynikać z budowy me-
chanicznej wyważanego elementu. Co zrobić
na przykład, gdy program nakaże umieszczenie
masy korygującej w miejscu, w którym znajdu-
je się przerwa między łopatkami wentylatora?
Rozwiązaniem jest rozłożenie masy korygują-
cej na kilka, umieszczonych we wskazanych
położeniach. W programie obsługi VibroDAQ2
przewidziano taki przypadek i w razie potrzeby
można korzystać z odpowiedniej opcji. Oblicze-
nie i wprowadzanie masy korygującej może być
realizowane poprzez jej dodawanie lub zdej-
mowanie. Zależy to od odpowiednio zdeinio-
wanego parametru programu. Po zaaplikowa-
niu masy korygującej, jeśli rezultat wyważanie
uznajemy za niewystarczający (np. niewyważe-
nie przekracza założenia norm), można wyko-
nać doważanie. Postępowanie w tym wypadku
sprowadza się do wykonania dodatkowego po-
cach wirującego elementu. Pomiar polega na
analizie wiązki odbitej od tarczy releksyjnej
przyklejonej do wału. Przed rozpoczęciem
pomiarów elementy te należy skalibrować,
co polega na takim ustawieniu czujnika,
aby odbity od tarczy sygnał był prawidłowo
rozpoznawany. Dla ułatwienia wykonania
tej operacji, na płycie czołowej urządzenia
umieszczono diodę informującą o odebraniu
sygnału z czujnika.
System VibroDAQ2 składa się z przystawki
i komputera, na którym jest zainstalowany spe-
cjalny program. Obsługa przyrządu, mimo wie-
lu czynności, które trzeba wykonać w trakcie
wyważania, jest dość prosta i intuicyjna. Zacho-
wano charakterystyczny dla programów irmy
RK-System interfejs graiczny (
rys.
3
), który od-
biega nieco od większości programów okienko-
wych, ale też nie stanowi utrudnienia w pracy.
Procedura wyważania składa się z dwóch
lub trzech kroków pomiarowych. Dwa kroki
są stosowane dla obiektów jednopłaszczyzno-
wych, trzy kroki dla obiektów dwupłaszczyzno-
wych. W większości przypadków kompensacja
niewyważenia wykonana zgodnie z otrzyma-
nymi wskazaniami przyrządu, skutkuje wła-
ściwym wyważeniem detalu. W sytuacji, gdy
rezultaty z jakichś względów okażą się niewy-
starczające, w kolejnym kroku pomiarowym
można dokonać tzw. doważenia. Nie jest przy
tym konieczne przeprowadzenie całej procedu-
ry od początku. Podczas doważania wykonuje
się jeden dodatkowy pomiar (niezależnie od
tego czy detal jest jedno- czy dwupłaszczyzno-
wy). W zależności od potrzeb doważanie moż-
na powtarzać. Przed rozpoczęciem pracy warto
ocenić ogólny stan techniczny urządzenia. Do-
skonale nadaje się do tego analiza widmowa –
odpowiednia opcja jest dostępna w programie
systemu VibroDAQ2. Pomiar taki pozwala dość
precyzyjnie wskazać elementy wymagające
wyważenia oraz zdiagnozować ewentualne
inne usterki. W zależności od przyjętej metody
wyważania (jedno- lub dwupłaszczyznowej)
do przystawki należy dołączyć jeden lub dwa
czujniki wibracji. W przypadku wyważania
dwupłaszczyznowego konieczne są dwa po-
miary. Istotne jest optymalne dobranie parame-
trów pracy przystawki, takich jak częstotliwość
próbkowania i rozmiar bufora próbek. Będą one
wpływały na dokładność pomiarów oraz na
czas ich wykonywania. Błędy przypadkowe są
skutecznie eliminowane przez włączenie uśred-
niania, ale opcja ta również wpływa znacząco
na czas pomiaru.
Mając zebrane informacje o ogólnym sta-
nie urządzenia, rozpoczynamy od oszacowania
niewyważenia wstępnego badanego elementu
wirującego. W każdym etapie wyniki są prezen-
towane na ekranie komputera w postaci tabela-
rycznej oraz graicznej. Stopień niewyważenia
jest przedstawiony w postaci wektora niewywa-
żenia wrysowanego w okrąg symbolizujący ele-
ment wirujący. Parametr ten można łatwo zin-
terpretować „wzrokowo”, gdyż długość wektora
rys. 6. Okno analizy widmowej
120
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
System wyważania VibroDAQ2
rys. 7. Okno oscyloskopu
Rozszerzenie możliwości
VibroDAQ2
System VibroDAQ2 został skonstruowany
do wyważania elementów wirujących. Zastoso-
wano w nim nowoczesne rozwiązania elektro-
niczne oparte na układach FPGA, 16-bitowym
przetworniku A/C i technice DSP. Uzyskano
dzięki temu bardzo dobre parametry pomiaro-
we: zakres mierzonych prędkości obrotowych
0,1...10000 obr/s, zakres częstotliwości próbko-
wania 10 Hz...200 kHz. Interfejs USB pracujący
w trybach
High Speed
i
Full Speed
zapewnia
szybki transfer danych do komputera. Dwie
opcje oprogramowania umożliwiają wyko-
rzystanie przystawki jako analizatora widma
i oscyloskopu. Tryby te mogą być stosowane
do badania maszyn mechanicznych, w których
nie muszą znajdować się elementy wirujące.
Na podstawie poziomu i kształtu wibracji daje
się dużo powiedzieć o stanie poszczególnych
mechanizmów. Szczególnie przydatna jest tu
analiza widmowa, którą jak w większości cyfro-
wych przyrządów pomiarowych wykonuje się
w oparciu o szybką transformatę Fouriera (FFT).
Można też opcjonalnie wykorzystać algorytm
DFT (dyskretna transformata Fouriera), jednak
czas obliczeń w tym przypadku drastycznie się
wydłuża. Na
rys.
6
przedstawiono przykładowy
oscylogram uzyskany z czujników drgań, a na
rys. 7
widmo tego sygnału. Oscyloskop ponad-
to jest przydatny we wstępnej fazie pomiarów
do oceny sygnału otrzymywanego z czujnika
wibracji.
Spośród wielu zastosowań systemu Vibro-
DAQ2 jednym z częściej używanych jest wy-
ważanie tarcz szliierskich. Jest to możliwe po
zastosowaniu specjalnej głowicy z jedną lub
z dwoma przesuwanymi masami. Sama proce-
dura pomiarowa jest bardzo podobna do stan-
dardowej.
VibroDAQ2 jest doskonałym przykładem
umiejętnego zastosowania wiedzy teoretycznej
(mechaniki ciała stałego) w praktyce. Dzięki
niemu Polak nie zawsze musi być mądry dopie-
ro po szkodzie.
miaru drgań, w wyniku którego otrzymujemy
odpowiednio skorygowane wartości masy kom-
pensującej oraz kąta jej umieszczenia (dodania
lub odjęcia). Doważanie może być powtarzane.
Pojawia się zatem pytanie – kiedy zakończyć
procedurę wyważania? Pierwsza odpowiedź,
dość oczywista, jest taka, że wyważanie kończy-
my wtedy, gdy stopień niewyważenia mieści się
w granicach stosowanej w danym przypadku
normy. Powróćmy jednak do istoty przeprowa-
dzanej operacji. Wyważanie stosujemy po to,
by w jak największym stopniu zminimalizo-
wać wszelkie „bicia” i wibracje. Jeśli więc cała
procedura przebiega pomyślnie, to w kolejnych
cyklach uzyskujemy coraz mniejsze sygnały
z czujników. Może się więc okazać, że od pew-
nego momentu wyniki pomiarów, szczególnie
kąta, stają się niestabilne, charakteryzują się
dużą przypadkowością. Jest to zjawisko normal-
ne i świadczy o tym, że detal jest już właściwie
wyważony. Kontynuowanie takich pomiarów
nie ma więc większego sensu.
nieczne jest odpowiednie zdeiniowanie pa-
rametrów wirnika, co jest możliwe w oknach
ustawień. Prezentowane są w nich rysunki
poglądowe ułatwiające tę czynność. Przykład
przedstawiono na
rys. 4
. Poszczególne typy
wirników są pogrupowane według klasy jako-
ści wyważenia: od wolnoobrotowych silników
okrętowych do wrzecion, tarcz i tworników
precyzyjnych szliierek. Sama procedura wy-
ważania przebiega analogicznie, jak to opisano
wyżej. Ułatwieniem jest wyświetlenie wyniku
końcowego w kolorze zielonym, jeśli spełnia
on wymagania normy i w kolorze czerwonym,
jeśli norma nie jest spełniona.
Wyważane elementy, szczególnie te, które
są wykorzystywane w przemyśle, energety-
ce itp., mają często atesty potwierdzające ich
przydatność w konkretnych zastosowaniach.
Musi być ona zachowana również po wykona-
niu wszelkich napraw i rutynowych przeglą-
dów. W tym kontekście procedura wyważania
nie jest więc zwykłą czynnością serwisową,
a po jej zakończeniu powinien powstać stosow-
ny dokument. System VibroDAQ2 umożliwia
automatyczne generowanie raportu potwier-
dzającego uzyskanie określonych wyników.
Są na nim dodatkowo umieszczone wszystkie
parametry pomiarów (
rys.
5
).
Normy, przepisy
System VibroDAQ2 jest dostosowany do
przepisów i norm przemysłowych obowiązu-
jących w tym zakresie. Przed rozpoczęciem
wyważania zgodnego z normą ISO 1940 ko-
Jarosław Doliński, Ep
jaroslaw.dolinski@ep.com.pl
R
E
K
L
A
M
A
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
121
[ Pobierz całość w formacie PDF ]