W 6. DIAGNOZOWANIE WAŁÓW I WIRNIKÓW

NIEWYRÓWNOWAśENIE (NIEWYWAśENIE)
W 6. DIAGNOZOWANIE WAŁÓW I WIRNIKÓW
Ogólna charakterystyka zjawiska
Wspólna cecha wszystkich elementów wirujących:
maszyny wirnikowe - niewywaŜenie jest niepoŜądane,
efekt uboczny wynikający z:
• niedoskonałości materiału,
• procesu wytwarzania,
• zuŜycia eksploatacyjnego,
WAŁ: element maszynowy o stosunkowo znacznej długości w
porównaniu z wymiarami poprzecznymi, obracający się wokół osi
podłuŜnej i przenoszący moment obrotowy między osadzonymi na nim
elementami.
maszyny tłokowe (w przypadku wałów wykorbionych)
• niewywaŜenie jest dobrane przez konstruktora;
• najlepiej aby było niezmienne w czasie eksploatacji.
WIRNIK - ciało zdolne do wykonywania ruchu obrotowego i mające czopy
podpierane przez łoŜyska.
NIEWYRÓWNOWAśENIE - SKUTKI)
Podstawowe typy zjawisk, niesprawności i uszkodzeń wałów:
• niewyrównowaŜenie (niewywaŜenie - PN)
• zgięcie
• niewspółosiowość elementów wirnika
• luzy posadowienia
• pękniecie
•
•
•
•
•
•
•
Diagnozowanie wirników wałów
NIEWYRÓWNOWAśENIE (NIEWYWAśENIE)
Optymalne miejsce obserwacji drgań
dla detekcji zjawiska :
• węzły łoŜyskowe w kierunku
promieniowym najlepiej H
(poziomo); jest to zazwyczaj kierunek
ocieranie o uszczelnienia,
ocieranie wirnika o obudowę ,
przytarcia w łoŜyskach ślizgowych,
zmęczenie materiału wirnika (pękanie),
duŜe obciąŜenia dynamiczne łoŜysk tocznych w konsekwencji zmniejszenie
ich trwałości lub zniszczenie,
drgania rezonansowe maszyny,
zwiększenie luzów mechanicznych
Diagnozowanie wirników wałów
NIEWYRÓWNOWAśENIE (NIEWYWAśENIE)
F=mω2R
Identyfikacja niewywaŜenia w widmie drgań:
Związane jest ze składową o częstotliwości obrotowej wirnika (1 x fo).
Amplituda składowej 1 x fo w duŜym zakresie jest
proporcjonalna do wielkości niewyrównowaŜenia, (nie jest jednak
to zaleŜności liniowa)
większej podatności węzła łoŜyskowego
(dla wałów poziomych).
Składowa obrotowa
• wirniki wspornikowe
(przewieszone) mogą równieŜ
doznawać znacznych drgań w
kierunku osiowym A.
A
H
H
H
Przykładowe widmo drgań węzła łoŜyskowego
maszyny wirnikowej. JeŜeli np. prędkość
obrotowa wirnika n= 750 obr/min to częstotliwość
obrotowa fo= 12.5 Hz . Wysokość tej składowej
świadczy o niewywaŜeniu wirnika
Diagnozowanie wirników wałów
Diagnozowanie wirników wałów
NIEWYRÓWNOWAśENIE - przyczyny
NIEWYRÓWNOWAśENIE - przyczyny
WADY MONTAśOWE mogą powodować:
ZUśYCIE CIERNE . Np.. ycieranie się materiału elementów wirnika na
skutek realizacji procesu technologicznego, zuŜywanie się ściernicy w
procesie szlifowania
ZUśYCIE EROZYJNE
• erozja chemiczna (korozja),
• elektrochemiczna (elektroerozja),
• o charakterze mechanicznym np. kawitacja - generacja
OSADZANIE (PRZYKLEJANIE) SIĘ ZANIECZYSZCZEŃ na wirniku
przyczyna (wilgoć+ pył; efekt nieszczelności instalacji, niesprawność
układów filtrujących). Nagłe oderwanie się osadu będzie widoczne w
trendzie drgań jako nieciągłość (spadek lub wzrost).
OSADZANIE SIĘ ZANIECZYSZCZEŃ W PROFILACH ZAMKNIĘTYCH
Osadzanie się pyłu wewnątrz łopatek o przekroju lotniczego (nieszczelność,
pęknięcia , przetarcie). Wraz ze wzrostem grubości (masy) osadu rośnie
niewyrównowaŜenie.
•
•
deformacje ( wygięcie) wirnika
przykoszenie tarczy łopatkowej itp.
Typowe wady montaŜowe:
•
nierównomierne dokręcanie śrub - powoduje asymetryczne odkształcenie złącza.
Stosowanie śrub o róŜnych długościach , podkładek itp. Źle dobrane połączenia
skurczowe - mogą powodować duŜe jednostronne napręŜenia ściskające wzdłuŜne i
w konsekwencji wygięcie wału. Nie usunięcie napręŜeń spawalniczych (poprzez
np. wyŜarzanie , odpręŜanie wibracyjne)
WADY MATERIAŁOWE
(rzadzizny, niedolania, niejednorodność materiału - nierównomierny rozkład gęstości
materiału , jamy skurczowe w duŜych elementach odlewanych). W kołach samochodowych
- wady opon, bieŜnikowanie, nadmierne zuŜycie (po np. awaryjnym hamowaniu)
WADY OBRÓBCZE (błędy kształtu)
Wyjątkowo duŜe niewywaŜenie dla elementów spawanych i odlewanych.
Znacznie mniejsze niewywaŜenie dla elementów wykonanych obróbką skrawaniem (wynikają z błędów mocowania elementów w obrabiarce)
DEFORMACJE TERMICZNE (np. wygięcie wału, tarcz, wieńców łopatkowych)
Mogą być powodowane przez niejednorodność materiału, nierównomierny rozkład
temperatur na wirniku.
1
Diagnozowanie wirników wałów
Diagnozowanie wirników wałów
RODZAJE NIEWYRÓWNOWAśENIA
NIEWYRÓWNOWAśENIE - przyczyny
OBLUZOWANIE I
PRZEMIESZCZANIE się elementów
wirnika (na skutek np. pęknięcia i
utraty łopatki w turbinie; obluzowanie
pręta klatki silnika asynchronicznego;
przemieszczenie się uzwojeń w
silnikach generatorach itp.)
NIEWYWAśENIE HYDRAULICZNE jest efektem asymetrii rozkładu ciśnień
cieczy przepływającej przez wirnik
(pierwotną przyczyną jest asymetria
osiowa wirnika lub niedokładności
obróbki wirnika).
BŁĘDY KONSTRUKCYJNE projektowanie osiowo niesymetrycznych
elementów wirujących Prawidłowo
skonstruowany element wirujący
powinien mieć kształt bryły obrotowej. W
przypadku odstępstwa od tej zasady
(jeśli są konieczne np. otwory, wpusty,
kliny) konstruktor musi przewidzieć
zrównowaŜenie wszystkich wirujących
mas
PEŁZANIE (zmiana kształtu na
skutek płynięcia materiału) nie ma
charakteru zuŜyciowego. Występuje w
napręŜonych elementach maszyn
poddanych wpływowi wysokich
temperatur (kilkuset oC) lub/i drgań .
Przyczyną pełzania jest obniŜenie
granicy plastyczności ze wzrostem
temperatury.
NIEWYWAśENIE
STATYCZNE
MoŜe oznaczać wielkość równoległego przesunięcia e głównej
centralnej osi bezwładności względem osi obrotu.
Reakcje łoŜysk i drgania w węzłach łoŜyskowych są współfazowe
(przesunięcie fazowe =0o). Wartości reakcji są takie same. Przy załoŜeniu
Ŝe podpory łoŜyskowe są identyczne, podobne zaleŜności dotyczą faz i
amplitud drgań na podporach.
• KaŜde niewyrównowaŜenie mas w ruchu obrotowym jest źródłem
wirujących sił lub momentów sił bezwładności.
• Przenoszą się one przez łoŜyska na korpus i pobudzają cały układ do
drgań.
RODZAJE NIEWYWAśENIA:
• statyczne
• quasistatyczne
• momentowe
• dynamiczne
Identyfikacja
rodzaju niewywaŜenia poprzez:
• pomiar amplitudy składowej
obrotowej
• pomiar fazy na węzłach
łoŜyskowych
NIEWYWAśENIE
QUASISTATYCZNE
Powstaje gdy niezrównowaŜona masa leŜy poza płaszczyzną
środka cięŜkości.
Główna oś bezwładności przecina oś obrotu poza środkiem
cięŜkości S dając niewyrównowaŜenie właściwe e.
Reakcje łoŜysk (i drgania na sąsiednich podporach) są
współfazowe, ale mają róŜne wartości.
5.0
5.0
2.5
2.5
0.0
0.0
-2.5
-2.5
-5.0
5.0
-5.0
5.0
2.5
2.5
0.0
0.0
-2.5
-2.5
-5.0
25
Y/t Chart 0
50
75
100 125 150 175
200 225 250 275 300
Y/t Chart 1
325 350
-5.0
ms
25
Y/t Chart 0
NIEWYWAśENIE MOMENTOWE
Powstaje gdy masy rozłoŜone są
symetrycznie i przemiennie względem środka
masy.
Główna oś bezwładności przecina oś obrotu w
środku cięŜkości.
Reakcje łoŜysk (i drgania na sąsiednich
podporach) są równe i przeciwnego znaku ( są
w przeciwfazie o 180o)
5.0
NIEWYWAśENI
E DYNAMICZNE
50
75
100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350
Y/t Chart 1
ms
Najogólniejszy stan niewyrównowaŜenia
Główna oś bezwładności wirnika jest wichrowata od osi obrotu
Przypadek ten moŜna zredukować do wypadkowego wektora siły
przyłoŜonego w środku cięŜkości i pary sił równej sumie
momentów bezwładności niewyrównowaŜenia.
Kąt przesunięcia fazowego reakcji i drgań na sąsiednich
podprach jest róŜny od 0 i 180 o , róŜne są równieŜ wartości
reakcji (i amplitud drgań) .
5.0
2.5
2.5
0.0
0.0
-2.5
-2.5
-5.0
5.0
-5.0
5.0
2.5
2.5
0.0
0.0
-2.5
-2.5
-5.0
-5.0
25
Y/t Chart 0
50
75
25
100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350
Y/t Chart 1
ms
Y/t Chart 0
50
75
100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350
Y/t Chart 1
ms
2