Diagnostyka maszyn opiera się na obserwacji oraz analizie sygna

Wstęp
Diagnostyka eksploatacyjna maszyn opiera się na obserwacji oraz analizie sygnału
uzyskiwanego za pomocą systemu pomiarowego. Pomiar sygnału jest więc ważnym,
integralnym jej elementem.
Struktura układu pomiarowego drgań mechanicznych
Uzyskanie dokładnych wyników pomiarów wymaga stosowania czujników o wysokich
parametrach technicznych. Ponadto warunkiem uzyskania wiarygodnych wyników pomiarów
jest jednoczesne zastosowanie technicznie zawansowanego wyposażenia w torze przesyłania
sygnału analogowego w układzie analizy sygnałów, które odznacza się dobrą jakością i
współpracuje z czułymi posiadającymi certyfikat czujnikami.
Poznajmy elementy składowe struktury układu służące do pomiaru drgań mechanicznych.
Podstawową strukturę układu pomiarowego można otrzymać przez odpowiednie połączenie
kilku przyrządów pomiarowych (rys. 1).
RYS. 1. Podstawowa struktura układu pomiarowego
Zasadniczym elementem jest czujnik, który umożliwia określenie przebiegu drgań w
czasie w postaci sygnału analogowego. Obecnie są stosowane do pomiaru drgań różnego typu
przetworniki wielkości mechanicznych na wielkości elektryczne.
Generalnie można wyodrębnić czujniki do pomiarów drgań bezwzględnych oraz drgań
względnych. Do klasy czujników do pomiaru drgań bezwzględnych należą akcelerometry
piezoelektryczne i czujniki elektrodynamiczne z masą sejsmiczną. Natomiast pomiar drgań
względnych wykonuje się najczęściej czujnikami bezstykowymi takimi jak: czujniki
zbliżeniowe elektromagnetyczne i indukcyjne, czujniki zbliżeniowe wiroprądowe, czujniki
zbliżeniowe pojemnościowe. Większość z czujników zbliżeniowych może być stosowana do
pomiaru drgań elementów tylko o własnościach ferromagnetycznych.
1
Uzyskany z czujnika sygnał elektryczny jest sygnałem małej mocy rzędu mikro lub miliwatów
wymagającym dużej oporności wejściowej, aby zapewnić właściwe ich działanie. Napięcie
sygnału osiąga wartość od kilku do kilkudziesięciu mV. Przyrządem, który zapewni właściwe
działanie czujnika i umożliwia zwiększenie napięcia wyjściowego sygnału z czujnika jest
wzmacniacz ładunku (lub napięcia) sygnału elektrycznego. W najnowszych rozwiązaniach są
stosowane wzmacniacze zintegrowane z czujnikiem, które umożliwiają znaczne zwiększenie
stosunku poziomu sygnału pomiarowego do poziomu zakłóceń. Nie wyklucza to jednak
stosowania w połączeniu kaskadowym wzmacniacza końcowego sygnału. W układzie
pomiarowym stosowanym do monitorowania maszyn wirnikowych włącza się dodatkowo
moduł znacznika fazy, który umożliwia zidentyfikowanie fazy drgań w odniesieniu do
położenia kątowego wału, a także może posłużyć do śledzenia obrotów wału i zmian
prędkości obrotowej wału. Bardzo ważnym elementem układu pomiarowego jest zespół
filtrów sygnału analogowego. Filtr umożliwia eliminowanie składowych harmonicznych z
widma amplitudowego sygnału w wybranym zakresie częstotliwości. Ma to duże znaczenie w
badaniach spektralnych i minimalizowaniu zakłóceń. Wzmacniacze, filtry i zasilacze
połączone szeregowo tworzą układ kondycjonowania sygnałów. Analogowe sygnały
elektryczne z tego układu są przesyłane do elektronicznego układu przetwarzającego sygnał
analogowy w dyskretny sygnał cyfrowy. Układ ten jest zwany przetwornikiem analogowocyfrowym (konwerterem AC). Zespół, najczęściej kilkunastu przetworników mogących
obsługiwać kilka kanałów analogowych, tworzy kartę analogowo-cyfrową. Możliwość, a
także i potrzeba stosowania przetworników AC pojawiła się wraz z powszechną dostępnością
przenośnych komputerów. Karta analogowo-cyfrowa bardzo często jest tak konstruowana aby
mogła być bezpośrednio podłączona do magistrali komputera (BUS). Jest ona umieszczana w
16-bitowych złączach (ISA lub PCI) płyty głównej komputera. Najważniejszymi parametrami
kart analogowo – cyfrowych są częstotliwość próbkowania i szybkość transmisji danych do
pamięci operacyjnej. Parametry te mają zasadnicze znaczenie przy wyborze filtrów w układzie
kondycjonowania sygnału analogowego.
Kryteria doboru typu przetwornika, sposobu oraz miejsca jego mocowania
określenie wielkości mierzonej.
określenie miejsca mocowania przetwornika.
przyjęcie typu przetwornika.
określenie sposobu mocowania przetwornika.
Pomiar przemieszczeń
Pomiar amplitudy przemieszczeń jest stosowany dla maszyn o częstotliwości ruchu
podstawowego 0 <f< (10 - 30) Hz (dla pomiarów drgań bezwzględnych);
2
RYS 2. Przykładowe określenie przemieszczeń bezwzględnych wału i łożyska oraz przemieszczeń względnych
wału względem łożyska.
RYS. 3. Sposoby rozmieszczenia przetworników (czujników) drgań względnych
3
Pomiar prędkości
Pomiar amplitudy prędkości stosuje się dla maszyn o częstotliwości ruchu
podstawowego (10 - 30) < f <(1000 -1500) Hz;
RYS. 4. Sposoby rozmieszczenia przetworników (czujników) drgań bezwzględnych
Dla pomiaru prędkości wykorzystuje się pomiar prędkości skutecznych drgań elementów,
gdyż prędkości są proporcjonalne do strumieni energii mechanicznej przepływającej przez
elementy układu. Rezultatem przepływu energii są zmienne odkształcenia, powodujące
naprężenia zmęczeniowe w materiale.
4
RYS 5. Wartość szczytowa, średnia, skuteczna oraz wartość szczyt-szczyt dla drgania
sinusoidalnego i złożonego.
Pomiar przyspieszeń
Pomiar amplitudy przyśpieszeń stosuje się dla maszyn o częstotliwości ruchu podstawowego f
> 1500 Hz.
Wyboru wielkości mierzonej dokonuje użytkownik maszyny (układu do monitorowania) w zależności
od własności dynamicznych monitorowanej maszyny i typu przetwornika.
5
TYP
MASZYNY
Wentylatory
Sprężarki
Wirówki
Pompy
Prądnice
Przekładnie
Silniki elektr.
Turbiny parowe
Turbiny wodne
Turbiny gazowe
WIELKOŚĆ MIERZONA
Bezwzględne
drgania
łożyska
*
Względne
drgania
wałów
Osiowe
przesunięcia wału
X
*
X
*
*
*
X
X
*
*
*
X
X
X
*
*
*
*
*
*
*
X
*
*
*
Prędkość
obrotowa
Wydłużenie
wału i
korpusu
Temperatura
X
*
X
*
* - standardowa wielkość mierzona;
x - wielkość mierzona dodatkowo lub alternatywnie
6
Informacje zawarte na stronie www
RYS. 6 Strona główna
Opis sygnałów monitorowanych na stronie WWW:
DW – Drgania względne
Drgania względne: drgania elementu w ruchu (np. wału maszyny wirnikowej), mierzone względem
nieruchomego punktu odniesienia (np. panewki lub oprawy łożyska).
Ponieważ bezdotykowe przetworniki (czujniki) drgań względnych mierzą wielkość szczeliny między
ich
powierzchnią czołową a powierzchnią wału, wielkością fizyczną opisując, wielkością fizyczną
opisującą te
drgania jest przemieszczenie (droga) wyrażone w mikrometrach [μm]
DB – Drgania bezwzględne
Drgania bezwzględne: drgania elementu maszyny będącej w ruchu (np. oprawy łożyska, korpusu,
fundamentu).
Ponieważ przetworniki (czujniki) drgań bezwzględnych zamocowane są bezpośrednio na drgającym
elemencie (drgają razem z przetwornikiem), drgania mierzone przez te przetworniki są identyczne jak
drgania elementu.
W omawianym przypadku przetworniki drgań bezwzględnych mierzą amplitudę prędkości drgań - „v”
[mm/s].
POx – Przesuw osiowy
Istota działania większości maszyn wirnikowych powoduje, że podczas pracy pojawia się na wirniku
obciążenie osiowe (siła), które przemieszcza wirnik równolegle do osi w kierunku swego działania.
Obciążenie to przenoszone jest przez łożysko oporowe (toczne lub ślizgowe). Ponieważ wartość
obciążenia
osiowego może przyjmować bardzo duże wartości, łożyska oporowe są jednym z najbardziej
obciążonych
7
podzespołów maszyn wirnikowych.
Dodatkowym „zagrożeniem” wynikającym z wystąpienia ewentualnej awarii łożyska oporowego
(czas
awarii łożyska oporowego ślizgowego, ocenia się praktycznie na kilkanaście do kilkudziesięciu
sekund), jest
możliwość przemieszczenia wirnika w kierunku działania obciążenia osiowego o wielkość większą
niż
istniejące luzy między wirującym wirnikiem a nieruchomymi elementami kadłuba maszyny
wirnikowej.
Z powyższych powodów większość maszyn wirnikowych (szczególnie łożyska ślizgowe) wyposażona
jest w
układ do bezdotykowego pomiaru przesuwu osiowego wirnika.Układ ten współpracuje z systemem
automatycznych zabezpieczeń, a jego działanie polega na natychmiastowym wyłączeniu maszyny z
ruchu w
przypadku, gdy wirnik przemieści się o wartość większą niż przyjęta wartość progowa.
Ponadto chwilowa wartość położenia wirnika względem kadłuba maszyny podczas pracy (szczególnie
podczas rozruchu i odstawienia) jest istotną informacją procesowo – diagnostyczną dla użytkownika.
Z powyższych powodów przesuw osiowy (przemieszczenie osiowe wirnika) [μm], jest jednym z
monitorowanych sygnałów dynamicznych.
WT – Wydłużenie całkowite turbiny
Istotą działania cieplnych maszyn wirnikowych jest fakt, że elementy maszyny działają w wysokich
temperaturach, w związku z czym ulegają wydłużeniom. Inaczej jednak wydłuża się wirnik maszyny a
inaczej jej kadłub, skąd konieczność ustabilizowania termicznego maszyny przed jej normalną
eksploatacją.
Wielkość wydłużenia się wirnika maszyny względem jej kadłuba oraz/lub wielkość wydłużenia się
całej
maszyny względem jej fundamentu jest więc istotną informacją o stanie termicznym maszyny,
szczególnie
w warunkach rozruchu.
Z powyższych powodów wydłużenie całkowite [mm], jest jednym z monitorowanych sygnałów
diagnostycznych.
Znacznik fazy
Sygnał ten jest informacją o chwilowej prędkości obrotowej maszyny oraz co ważniejsze, jest
impulsem do
rozpoczęcia równoczesnego cyklu pomiaru wszystkich pozostałych sygnałów układu monitorowania.
Istnienie impulsów znacznika fazy (standardowo jeden impuls na jeden obrót wirnika), umożliwia
poza
określeniem chwilowej wartości prędkości obrotowej wirnika, wyznaczenie kąta fazowego
wszystkich
składowych drgań monitorowanych przez układ.
Moc czynna
Stan obciążenia maszyny wirnikowej ma wpływ na jej stan dynamiczny. Inne pod względem
ilościowym i
jakościowym są drgania maszyny działającej „na biegu luzem”, a inne po jej obciążeniu.
Stąd dla możliwości oceny wpływu nominalnego stanu obciążenia na dynamikę maszyny wirnikowej,
jednym z monitorowanych sygnałów jest moc czynna [MW] na zaciskach generatora.
8