dtmlab_1.
Transkrypt
dtmlab_1.
2 1. METODYKA POMIARU DRGAŃ 1.1 . Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z podstawowymi wielkościami charakteryzującymi ruch drganiowy. Na przykładzie sygnału harmonicznego zapoznają się oni z wzajemnymi zależnościami występującymi pomiędzy przemieszczeniem, prędkością i przyśpieszeniem ruchu drgającego. W ramach zajęć praktycznych zaprezentowana zostanie metodyka pomiaru drgań przy pomocy czujników wiroprądowych, elektrodynamicznych i piezoelektrycznych. 1.2. Wprowadzenie Drgania to powszechnie występujące zjawisko fizyczne, w którym następuje ruch ciała względem pewnego stałego punktu odniesienia. Rys.1.1. Zagrożenia wynikające ze zbyt wysokiego poziomu drgań Drgania wywołują w elementach maszyn cyklicznie zmienne naprężenia i odkształcenia. Długotrwałe oddziaływanie naprężeń powoduje przekroczenie granicy zmęczenia materiału i w konsekwencji doprowadza do uszkodzenia drgającego elementu. Powstałe w wyniku ruchu drgającego silne odkształcenia części maszyn mogą doprowadzić do przytarć pomiędzy wirującymi i nieruchomymi elementami maszyny. Powyższe zjawiska są przyczyną różnego rodzaju uszkodzeń maszyny takich jak: uszkodzenia wirników, łożysk, uszczelnień, przekładni zębatych, sprzęgieł, połączeń śrubowych itp. Obserwuje się również negatywne oddziaływanie drgań na otoczenie pracującego urządzenia. Drgania maszyny powodują w szczególności uszkodzenia fundamentów, pękanie ścian i stropów maszynowni. Zauważa się również szkodliwe oddziaływanie drgań i towarzyszących im hałasów na system nerwowy człowieka, które powodują obniżanie wydajności jego pracy, zwiększając zmęczenie i w krańcowych wypadkach są przyczyną różnego rodzaju chorób. Wysoki poziom drgań maszyny wirującej zależy z jednej strony od siły wymuszającej a z drugiej od podatności konstrukcyjnej maszyny. Jedną z bardziej sprzyjających okoliczności powstawania wysokich amplitud drgań i w konsekwencji poważnych uszkodzeń maszyny jest zjawisko rezonansu. Rezonans to pokrycie się częstotliwości siły wymuszającej z tzw. częstotliwością własną urządzenia, maszyny czy konstrukcji budowlanej. 3 1.3 Podstawy drgań Najbardziej podstawową formą drgań są drgania okresowe, dla których wszystkie charakterystyczne wielkości, takie jak amplituda przemieszczenia, prędkości i przyśpieszenia, są okresowymi funkcjami czasu. Graficzną reprezentacją ruchu okresowego, zwanego też ruchem harmonicznym jest krzywa sinusoidana przedstawiona na Rys. 1.2. Rysunek ten pokazuje również związek ruchu obwodowego wału z drganiami okresowymi. okres T ϕ X t ϕ 2Π Rys. 1.2. Graficzna prezentacja ruchu okresowego Chwilowy ruch drgającego ciała wokół punktu odniesienia może więc być w tym przypadku opisany równaniem: x( t ) = X p sin( ωt + ϕ 0 ) (1.1) gdzie Xp – amplituda szczytowa - największą wartością wychylenia w trakcie okresu T, ω - prędkość kątowa wyrażona w radianach na sekundę ϕ0 - faza początkowa Prędkość kątowa ω związana jest z okresem T oraz z częstotliwością f ruchu drgającego zależnością 2Π ω= = 2Π f T Przy założonej wartości fazy początkowej ϕ0=0 (tj. na rys.1.2) wielkość ϕ=ω t jest chwilowym przesunięciem fazowym (fazą) chwilowego wektora drgań względem początku układu. Spośród innych często wykorzystywanych miar amplitudowych wyróżnić jeszcze można (patrz rys.1.3): amplitudę międzyszczytową Xp-p , która jest różnicą pomiędzy maksymalnym dodatnim i ujemnym wychyleniem, wartość średnia absolutna (bez uwzględnienia znaku) T 1 (1.2) X av = ∫ x ( t ) dt T0 wartość skuteczna (średniokwadratowa) T X RMS = 4 1 x 2 ( t )dt T ∫0 (1.3) x(t) Xav XRMS Xp Xp-p Rys. 1.3. Miary amplitudy sygnału harmonicznego Graficzna reprezentacja miar amplitudowych została przedstawiona na rys. 1.3, a ich wzajemne zależności, obowiązujące tylko dla ruchu harmonicznego przedstawiają się następująco: X p− p = 2 X p X av = 0.9 X RMS = 0.637 X p (1.4) X RMS = 0.707 X p = 1.11 X av Sygnał drganiowy występujący w rzeczywistych maszynach rzadko jest sygnałem czysto harmonicznym. Drgania maszyn są zwykle kombinacją sygnałów okresowych o różnej amplitudzie i częstotliwości, oraz szumu losowego. Przykładowy przebieg takiego sygnału przedstawiono na rys. 1.4. v(t) t Rys. 1.4. Przykładowy przebieg czasowy rzeczywistego sygnału drganiowego Drgania mogą być opisane poprzez przemieszczenie, prędkość i przyśpieszenie. Dla ruchu harmonicznego wielkości te związane są następującymi zależnościami: - przemieszczenie x ( t ) = X p sin ωt - prędkość v( t ) = dx( t ) • Π = x( t ) = ωX p cos ωt = V p sin( ωt + ) dt 2 (1.6) - przyśpieszenie a( t ) = d 2 x ( t ) •• = x( t ) = −ω 2 X p sinωt = Ap sin( ωt + Π ) 2 dt (1.7) (1.5) Jak widać prędkość v(t) jest pierwszą pochodną przemieszczenia x(t) po czasie i jest przesunięta względem przemieszczenia o kąt Π/2. Przyśpieszenie a(t) z kolei jest drugą pochodną przemieszczenia x(t) po czasie i jest przesunięte względem przemieszczenia o kąt Π. Zależności te zostały w postaci graficznej przedstawione na rys. 1.5. 5 okres T Xp przyśpieszenie prędkość przemieszczenie Rys. 1.5. Związek fazowy pomiędzy przemieszczeniem, prędkością i przyśpieszeniem. Dla ruchu harmonicznego, jak wynika to ze wzorów 4-6, amplitudy przemieszczenia, prędkości i przyśpieszenia są ściśle ze sobą związane co zostało podsumowane w Tabeli 1.1. Tabela 1.1 Konwersja wartości amplitudy szczytowej Przemieszczenie drgań Xp [µm] Prędkość drgań Przyśpieszenie drgań ap [m/s2] Vp [mm/s] Przemieszczenie drgań Xp [µm] 1 Vp/ω - ap/ω2 Prędkość drgań Vp [mm/s] Xp/ω 1 ap/ω Przyśpieszenie drgań ap [m/s2] - X/ω2 ap/ω 1 Analizując zamieszczone w tabeli wielkości należy zwrócić uwagę na zmianę znaku przy przeliczaniu przemieszczenia na przyśpieszenie i odwrotnie. Szereg norm i kryteriów drganiowych np. ISO 2372 wykorzystuje te zależności do przeliczania poziomów granicznych przy założeniu, że w rejestrowanym sygnale drganiowym dominująca jest składowa podstawowa. Należy jednak pamiętać, ze dla złożonych sygnałów składających się z wielu składowych częstotliwościowych taka metoda przeliczania obarczona jest dużym błędem. Kolejną istotną własnością wielkości charakteryzujących ruch drganiowy jest zależność ich amplitudy od częstotliwości. Dla stałej wartości amplitudy prędkości amplituda przemieszczenia zmniejsza się natomiast amplituda przyśpieszenia rośnie w funkcji częstotliwości (patrz rys. 1.6). Znajomość tych zależności jest bardzo ważna w diagnostyce drganiowej gdyż niewłaściwy wybór nadzorowanego parametru, przemieszczenia, prędkości czy przyśpieszenia, może być przyczyną zbyt późnego wykrycia rozwijającego się w maszynie uszkodzenia. Analizując wykresy na rys. 1.6 widać, że przemieszczenie ma dużą czułość dla niskich częstotliwości, rzędu kilku do kilkuset Hz. Dlatego też parametr ten stosuje się w nadzorze maszyn wolnoobrotowych oraz do wykrywania niesprawności, które objawiają się wzrostem energii w dolnym zakresie częstotliwości takich jak: niewyważenie, rozosiowanie. Z kolei przyśpieszenie (rys. 1.6) ma największą czułość dla wysokich częstotliwości rzędu od kilku do kilkudziesięciu kHz. Parametr ten znajduje więc zastosowanie w diagnostyce maszyn szybkoobrotowych, oraz uszkodzeń charakteryzujących się wysokoczęstotliwościowymi udarami (łożyska toczne, przekładnie zębate) czy 6 zawirowaniami (wlotowe i wylotowe zawory parowe). Natomiast prędkość drgań jest wielkością nadającą się do identyfikacji uszkodzeń objawiających się w średnim paśmie częstotliwości. zakres predkosci obrotowej typowy dla wiekszosci maszyn 1000 przemieszczenie odpowiadajace 10 mm/s Amplituda drgan 2 [um, mm/s, mm/s ] 100 10 1 predkosc = 10 mm/s przyspieszenie odpowiadajace 10 mm/s 0.1 0.1 1 10 100 1000 10000 Czestotliwosc [Hz] Rys. 1.6. Zależność pomiędzy amplitudą przemieszczenia, prędkości i przyśpieszenia w funkcji częstotliwości 1.4 Typy i budowa czujników Czujnik drgań jest urządzeniem przekształcającym ruch mechaniczny na sygnał elektryczny proporcjonalny do mierzonej wielkości fizycznej. Ze względu na mierzoną wielkość czujniki drgań dzielimy na: czujnik przemieszczeń (np. przetwornik wiroprądowy), czujnik prędkości (np. przetwornik elektrodynamiczny), czujnik przyśpieszenia (przetwornik piezoelektryczny). Czujniki te różnią się miedzy sobą zarówno konstrukcyjnie jak i ze względu na zasadę działania. Pierwszy typ przetwornika jest czujnikiem bezkontaktowym przeznaczonym do pomiaru drgań względnych (wału względem obudowy) natomiast dwa pozostałe są czujnikami sejsmicznymi przeznaczonymi do pomiaru drgań bezwzględnych. Czujnik jest jednym z podstawowych elementów toru pomiarowego, gdyż od jakości przetwarzania wielkości mechanicznej na sygnał elektryczny zależy poprawna interpretacji zjawisk zachodzących w monitorowanej maszynie. Sygnał taki zanim trafi do urządzenia kontrolnego musi być jednak wcześniej odpowiednio przetworzony. Dlatego też tor pomiarowy składa się z szeregu dodatkowych układów, z których do najważniejszych można zaliczyć (patrz rys. 7): filtry górno- i dolno-przepustowe, wzmacniacze, przetworniki analogowo-cyfrowe. A/D vibration probe Rys. 1.7 low pass filter amplifier converter Tor pomiarowy 7 1.4.1 Czujnik wiroprądowy Bezkontaktowy czujnik wiroprądowy jest układem pracującym na zasadzie zmiany indukcyjności cewki pomiarowej w wyniku oddziaływania prądów wirowych generowanych w obracającym się wale. Czujnik taki składa się (rys. 1.8) z cewki nawiniętej na pręt wykonany z nieprzewodzącego materiału, ceramicznego lub plastikowego, oraz z układu oscylatora demodulatora. Prąd o wysokiej częstotliwości ok. 1.5 MHz dostarczony do cewki wywołuje szybkozmienne pole magnetyczne generujące pod powierzchnią wału prądy wirowe. Amplituda oscylacji maleje gdy zmniejsza się odległość pomiędzy cewką pomiarową a wałem w wyniku zwiększania się prądu wirowego. Jakakolwiek więc zmiana odległości czujnika od obiektu powoduje więc proporcjonalną zmianę amplitudy sygnału wysokoczęstotliwościowego. Układ demodulatora przekształca następnie modulowaną falę nośną na sygnał niskoczęstotliwościowy zależny liniowo od odległości czujnika od wału. Jak wynika z opisanej powyżej zasady działania zastosowanie czujników wiroprądowych jest możliwe jedynie do pomiarów drgań wałów wykonanych z materiałów przewodzących, do których zaliczamy min. stal, miedź, aluminium. Użyteczny zakres częstotliwości tego typu czujników to 0-5kHz. fala modulowana Sygnał dźwiękowy czujnik oscylator-demodulator Rys. 1.8 Schemat pomiarowy z wykorzystaniem czujnika wiroprądowego 1.4.2 Czujnik elektrodynamiczny Czujnik jest najbardziej rozpowszechnionym układem służącym do pomiaru prędkości drgań. Ze względu na swoją budowę nazywany jest często czujnikiem z masą sejsmiczną. Czujnik ten składa się z kilku podstawowych elementów (rys. 1.9): sztywnego układ mocującego (czujnik musi drgać dokładnie z punktem pomiarowym), cewki przymocowanej do wewnętrznej obudowy czujnika, magnesu stałego zamocowanego na miękkiej sprężynie o niskiej częstotliwości drgań własnych (5-10 Hz), układu tłumiącego mającego na celu obniżenie amplitudy częstości własnych układu (poniżej 10 Hz). Jako układ tłumiący stosuje się najczęściej dwa rozwiązania: mechaniczny - olej syntetyczny oraz elektryczny - cewka korygująca. Drgania badanego elementu maszyny przenoszone są na drgania obudowy i cewki. Natomiast miękka sprężyna, na której zawieszony jest magnes stały powoduje, że jest on praktycznie nieruchomy. Powstały w efekcie ruch względny pomiędzy magnesem stałym i cewką powoduje, że linie pola magnetycznego magnesu przecinają cewkę generując w niej napięcie proporcjonalne do prędkości drgań obudowy. Czujnik prędkościowy jest układem nie wymagającym zasilania gdyż generuje sygnał o odpowiednio wysokim napięciu, który może być bezpośrednio podany do układu pomiarowego. Czujnik tego typu pracuje w zakresie powyżej pierwszej częstotliwości drgań własnych, wyznaczonej sztywnością sprężyny, zwykle ok. 10-15 Hz. Górny zakres pracy 8 czujnika ograniczony jest z kolei bezwładnością masy sejsmicznej oraz częstotliwościami drgań własnych wyższego rzędu. Tak zwane pasmo przenoszenia czujnika prędkościowego to zazwyczaj 10-1000 Hz. sprężyna 1.4.3. Czujnik piezoelektryczny. Czujnik piezoelektryczny (rys. 1.10) jest czujnikiem przyśpieszenia pozwalającym na Magnes pomiar drgań bezwzględnych. Czujnik cewka przyśpieszenia, nazywany również akcelerometrem, jest tak samo jak czujnik prędkości czujnikiem sejsmicznym. Materiał piezoelektryczny służy jako liniowa sprężyna o dużej stałej sprężystości co daje szeroki i płaski obudowa zakres charakterystyki amplitudowej i fazowej. Element ten służy również jako zawieszenie masy sejsmicznej. Zasada działania tego typu czujnika polega na wykorzystaniu efektu wytwarzania ładunków elektrycznych na Rys. 1.9 Schemat budowy czujnika powierzchni kryształu piezoelektryka pod wpływem działających na niego sił ściskających lub ścinających. Drgania podłoża przenoszone na obudowę czujnika powodują, że na element piezoelektryczny oddziaływuje siła wynikająca z przyśpieszenia i masy sejsmicznej. Ściskany z różną siłą element piezoelektryczny generuje ładunek elektryczny mierzony w pC, który jest proporcjonalny do przyśpieszenia drgań. Ponieważ większość czujników ma już wbudowany wewnątrz układ wzmacniający, to na wyjściu otrzymuje się zwykle sygnał napięciowy. Ze względu na swoje małe wymiary i dużą sztywność elementów mocujących masę, akcelerometr, przeciwnie do czujnika prędkości drgań, pracuje poniżej swojej częstotliwości własnej. Częstotliwość ta zwykle rzędu kilkudziesięciu kHz pozwala na uzyskanie liniowej charakterystyki czujnika w paśmie od 0-kilkunasu kHz. 1- obudowa 2 – sprężyna 3 – masa sejsmiczna 4 – element piezoelektryczny 5 – podstawa 6 - wyjście Rys. 1.10 Schemat budowy czujnika przyśpieszenia 9 1. 5. Opis stanowiska Ćwiczenie przeprowadzone będzie przy wykorzystaniu modelu maszyny wirującej (Rotor-Kit), który służyć będzie jako generator drgań. zestawu oraz dwóch układów pomiarowych układu ADRE firmy Bently-Nevada oraz analizatora sygnałów HP 3567A. Rotor Kit jest układem pozwalającym na demonstrację typowych nieprawidłowości występujących w pracy maszyn wirujących. Składa on się z napędzanego silnikiem prądu stałego wałka podpartego na dwóch łożyskach ślizgowych (rys.1.11). Na wałku mocowane są opcjonalnie jedna lub dwie masy wirujące w postaci tarcz. Stan dynamiczny maszyny kontrolowany jest poprzez zestaw czujników wiroprądowych mocowanych w dwóch płaszczyznach na specjalnie do tego celu przeznaczonych wspornikach. Dodatkowo w płaszczyźnie tuż za silnikiem mocowane są: czujnik do pomiaru prędkości obrotowej oraz czujnik znacznika fazy do kontroli przesunięcia fazowego. Wszystkie czujniki podłączone są do układu akwizycji sygnałów DAIU 208P będącego interfejsem systemu monitorowania ADRE. Przetworzone już na postać cyfrową dane są następnie przesyłane łączem równoległym do komputera. Dalsza obróbka i prezentacja danych odbywa się tu przy wykorzystaniu oprogramowania ADRE. Program ten oprócz wizualizacji realizuje zadania związane z archiwizacją danych oraz konfigurowaniem i sterowaniem pracą systemu. Wszystkie szczegółowe informacje dotyczące budowy układu Rotor Kit i systemu ADRE oraz sposobów ich obsługi zostały zawarte w Instrukcji obsługi Systemu Bentley Nevada [5]. Rys. 1.11. Model maszyny wirującej Rotor Kit Analizator HP3567A firmy Hewlett Packard jest wielofunkcyjnym modułowym analizatorem sygnałów umożliwiającym jednoczesną akwizycję do 16 wielkości pomiarowych, przy czym ilość torów przetwarzania danych zależy od liczby i rodzaju zainstalowanych modułów sygnałowych. Umożliwia on pomiar sygnałów napięciowych oraz sygnałów ładunkowych w bardzo szerokim paśmie częstotliwości do 102.4 kHz. Analizator podłączony jest do komputera łączem HP-IB, który służy jako interfejs do prezentacji i wizualizacji danych. Oprogramowanie tam zainstalowane pozwala na prezentację wyników min. w postaci szeregu czasowego, widma, histogramu, auto- i kros-korelacji, funkcji odpowiedzi częstotliwościowej (FRQ) i funkcji koherencji. 10 1.6. Przebieg ćwiczenia W trakcie ćwiczenia przeprowadzony zostanie pomiar drgań bezwzględnych modelu maszyny wirującej przy pomocy trzech czujników, czujnika przemieszczenia podłączonego do układu ADRE oraz czujnika prędkości i czujnika piezoelektrycznego podłączonego do analizatora HP 3567A. Układ Rotor Kit został tak skonfigurowany (wprowadzono niewyważenie wirnika), że drgania przez niego generowane mają charakter drgań prawie harmonicznych. Po uruchomieniu modelu maszyny wirnikowej i ustaleniu prędkości obrotowej należy uaktywnić tryb akwizycji układu ADRE i analizatora HP 3567A. Tryb wizualizacji należy ustawić na analizę szeregu czasowego. ¾ Należy dokonać wizualnej oceny kształtu sygnałów: przemieszczenia, prędkości i przyśpieszenia i sformułować wnioski dotyczące zaobserwowanych różnic, ¾ Należy odczytać amplitudy szczytowe dla poszczególnych wielkości Xp, Vp, ap i wpisać je do tabeli 1.2 (kolumna 2) oraz do tabeli 1.3, Następnie należy dokonać zmiany trybu wizualizacji na LINEAR SPECTRUM. ¾ Należy dokonać wizualnej oceny kształtu widm z sygnałów: przemieszczenia, prędkości i przyśpieszenia i sformułować wnioski dotyczące zaobserwowanych różnic, ¾ Należy odczytać amplitudy pierwszej harmonicznej dla poszczególnych wielkości IXp, IVp, Iap i wpisać je do tabeli 1.2 (kolumna 5) oraz do tabeli 1.4, ¾ Należy odczytać RMS całkowitego sygnału dla poszczególnych wielkości XRMS, VRMS, aRMS i wpisać je do tabeli 1.2 (kolumna 6). Na podstawie odczytanych wartości należy: ¾ Dokonać porównania odczytanych amplitud szczytowych z odczytanymi amplitudami I składowej harmonicznej, ¾ Dla każdego sygnału korzystając z zależności (4) policzyć pozostałe miary amplitudowe: tj. wartość średnią i wartość średniokwadratową ¾ Dokonać porównania odczytanych wartości RMS z wartościami wyznaczonymi ¾ Korzystając z zależności zawartych w tabeli 1.1 przeliczyć z amplitudy przemieszczenia Xp amplitudę prędkości i przyśpieszenia, porównać ją z amplitudami zmierzonymi i policzyć błąd względny, ¾ Korzystając z zależności zawartych w tabeli 1.1 przeliczyć z amplitudy prędkości Vp amplitudę przemieszczenia i przyśpieszenia, porównać ją z amplitudami zmierzonymi i policzyć błąd względny, ¾ Korzystając z zależności zawartych w tabeli 1.1 przeliczyć z amplitudy przyśpieszenia ap amplitudę przemieszczenia i prędkości, porównać ją z amplitudami zmierzonymi i policzyć błąd względny, ¾ Korzystając z zależności zawartych w tabeli 1.1 przeliczyć z amplitudy przemieszczenia XRMS amplitudę prędkości i przyśpieszenia, porównać ją z amplitudami zmierzonymi i policzyć błąd względny, ¾ Korzystając z zależności zawartych w tabeli 1.1 przeliczyć z amplitudy prędkości VRMS amplitudę przemieszczenia i przyśpieszenia, porównać ją z amplitudami zmierzonymi i policzyć błąd względny, ¾ Korzystając z zależności zawartych w tabeli 1.1 przeliczyć z amplitudy przyśpieszenia aRMS amplitudę przemieszczenia i prędkości, porównać ją z amplitudami zmierzonymi i policzyć błąd względny, 11 Literatura: 1. Mitchell J.S.: An introduction to machinery analysis and monitoring Penn Well Books, 1993 2. Morel J.: Drgania maszyn i diagnostyka ich stanu technicznego PTDT, 1992 3. Eisemmann R., Eisemmann R.: Machinery malfunction diagnosis and correction, Hewlett Packard Company, 1998 4. Cholewa W., Moczulski W.: Diagnostyka techniczna maszyn, Pomiary i analiza sygnałów. Skrypt Pol. Sląskiej Nr 1758, Gliwice, 1993 5. Elsner W., Piątkowski J.: Instrukcja obsługi układu Rotor Kit oraz systemu ADRE, Opracowanie wew. Instytut Maszyn Cieplnych PCz, 2001 Tabela 1.2 Miara amplitudy Wartość szczytowa Wartość średnia Wartość RMS Wartość I składowej Wartość RMS sygnału 2 3 4 5 6 Parametr Drganiowy 1 Przemieszczenie Prędkość Przyśpieszenie Tabela 1.3 1 Xp Vp ap 2 3 4 δVX= Pomiar Xp Pomiar Vp δXV= Pomiar ap δXa= 12 δaX= δaV= δVa= Tabela 1.4 1 XRMS VRMS aRMS 2 3 4 δVX= Pomiar XRMS Pomiar VRMS δXV= Pomiar aRMS δXa= δaX= δaV= δVa= 13