Két még nem elterjedt technika: időjel elemzés és ütésimpulzus vizsgálat dr. Péczely György A.A. Stádium Kft H-6701 Magyarország, Szeged, pf.

Átírás

1 A.A. Stádium Kft..aastadium.hu Két még nem elterjedt technika: időjel elemzés és ütésimpulzus vizsgálat dr. Péczely György A.A. Stádium Kft H-6701 Magyarrszág, Szeged, pf.: 1181 Bevezetés A műszaki rezgésvizsgálatk közel hat évtizedes múltja egyes technikákat felemelt, máskat elfeledtetett. Létezik néhány lyan vizsgálati módszer is, amelyek elméletben már régóta a rendelkezésünkre álltak, de a beszerezhető műszerezettség alkalmazásukat nem segítette. A műszeres rezgésvizsgálatk egyik jelentős lépése az vlt, amikr a rezgésnagyság-idő síkból sikerült átjutni a rezgésnagyság-frekvencia síkba. Az összetettségük miatt nehezen értelmezhető rezgési időjelek (time avefrms) a frekvencia-magitúdó síkn tisztán/világsan elemezetők. Évtizedekig száms tankönyv az időjel megjelenési frmát, mint rsszul kezelhető, gyakrlatilag értékelhetetlen és ezért értéktelen infrmációt kezelte. A valóságban száms lyan esettel találkzik a gyakrló rezgésdiagnszta, ahl az időjel elemzésének fntssága messze meghaladja a spektrumét. Különféle szerkezetek sajátfrekvenciáinak megállapítása több szempntból is fnts. Segíthet a kialakuló hibák időbeni felismerésében, útmutatót adhat a vizsgált rendszer átalakításáhz, pntsíthatja a rezgésvizsgálat alapján kialakíttt diagnózist. Frgó gépeknél gyakri reznancia frekvencia megállapítási módszer a felfutás-leállás vizsgálat, míg a tartályk, csővezetékek mechanikai elemzését a külső gejesztéses eljárásk segítik. Ez utóbbiak közül a legegyszerűbb és a legkönnyebben elvégezhető az ütésimpulzussal történő gerjesztés. Ez a vizsgálat igen gyrs műszerezettséget és biznys elméleti megfntlásk meglétét igényli. E módszer egzakt elvégzéséhez szükséges a vizsgált rendszerben levő nem-linearitásk és zavark felismerése. Az időjelek vizsgálatáról A rezgési időjel és a spektrum: a harmnikus rezgőmzgás a kitérés, a sebesség vagy a gyrsulás legnagybb értékével és a körfrekvenciával (illetve a rezgésszámmal vagy a rezgési ciklus idejével) egyértelműen megadható. Ha a rezgés nem tiszta szinuszs, akkr valamivel többet jelent az effektív érték. y = A * sin α * t, ahl y a tömegpnt t időpntbani kitérése A a legnagybb kitérés, azaz a harmnikus rezgés elmzdulás amplitúdója α a lengőrendszer saját lengésének a körfrekvenciája A harmnikus rezgőmzgás y = A * sin α * t kitérésének a sebesség az első, a gyrsulás pedig a másdik idő szerinti differenciálhányadsa:

2 v = dy/dt = α A cs α t a = d 2 y/dt 2 = - α 2 A sin α t Az 1. ábra a kitérés, sebesség és gyrsulás visznyát mutatja. 1 amplitúdó kitérés sebesség idő gyrsulás 1. ábra A kitérés, a sebesség és a gyrsulás időbeni kapcslata Az effektív érték gyrsulás esetén a következő: A valóságban igen ritka az, hgy csak egyetlen szinuszs jellegű rezgés jelentkezzen a vizsgált bjektumn. Több rezgésösszetevő együttese már vizuálisan nehezen értelmezhető időjelet eredményez, mint azt a 2. ábra mutatja (f 0,A) (4f 0,A/4) a. ábra Két tisztán szinuszs jellegű rezgés és összege (y 1 = A * sin α * t és y 2 =A/4 * sin α*4 *t) A vizuálisan nehezen elemezhető időjelből Furier analízissel állíthatjuk elő a rezgési spektrumt, amelynek interpretálhatósága lényegesen egyszerűbb.

3 1.5 1 (f,a) (8f,0,5A) b. ábra Két tisztán szinuszs jellegű rezgés és összege (y 1 = A * sin α * t és y 2 =A/2 * sin α*8 *t) Időjelből spektrum: a Furier analízis segítségével a tetszőleges y(t) peridikus rezgés harmnikus összetevőkre bntható: y(t) = y 0 + Σy i sin(2π i f 0 t + φ i ) i=1,ahl y 0 a jel aritmetikai középértéke (többnyire zérus) y i a harmnikus összetevő amplitúdója φ i a t=0 pillanathz tartzó fázishelyzet f 0 a peridikus jel alapfrekvenciája A többi összetevő frekvenciája az alapharmnikus frekvenciájának egészszámú többszöröse. A peridikus jelet rendszerint véges (n) számú összetevővel közelítik meg. Az öszszetett peridikus rezgés tehát összetevőkkel is megadható, ami a frekvenciaspektrummal ábrázlható. Spektrum: rezgési flyamat különböző frekvenciájú összetevőinek összes-sége. A spektrumban a derékszögű krdinátarendszer abszcisszájára a frekvenciát (vagy a percenkénti ciklusszámt), rdinátájára pedig az összetevők amplitúdóját vagy effektív értékét mérik. Peridikus jel esetén vnalas színképet kapunk. Sk esetben a mért jel nem peridikus. Ha az összetevők száma n, akkr n y(t) = Σy i sin(2π i f i t + φ i ) i=1 Az f i a rezgéskeverék egyes összetevőinek frekvenciája. Sztchasztikus rezgéskeverékek frekvenciaspektruma többnyire flytns. A frekvenciaanalízis a diagnsztikai rezgésvizsgálat fnts eszköze, ugyanis ezzel a módszerrel lehet felismerni a különféle frekvenciájú rezgésfrráskból származó jeleket.

4 A 3. ábra a 2. ábrán bemutattt két időjel keverék rezgési spektrumát mutatja be. amplitudó frekvencia 3.a. ábra Két szinuszs jellegű rezgés spektruma (y 1 = A sin α t és y 2 =A/2 sin α 8 t) Amplitúdó frekvencia 3. b. ábra Két tisztán szinuszs jellegű rezgés spektruma (y 1 = A sin α t és y 2 =A/4 sin α 4 t) A hagymánys felfgás szerint a rezgési spektrum frekvenciái segíteneik a hiba aznsításában, míg az amplitúdók annak súlysságáról adnak infrmációt, az időjel csak "feldlgzandó nyersanyag". A valóság ezzel szemben az, hgy ez a felfgás csak az lyan eseményeknél alkalmazható megbízhatóan, ahl a rezgés a mérés alatt nem váltzik. 1. példa: fgaskerekes hajtómű Vegyünk példának egy fgaskerekes hajtást. A hajtó keréken legyen 19 fg, percenkénti frdulatszáma 1440, a hajtttkerék 47 fgú és 582/perc a frdulatszáma. Tételezzük fel, hgy a hajttt kerék egy fga sérült, tvábbá mindkét keréken található egy "magas pnt", amelyek találkzásakr kárs mértékű túlterhelés lép fel. A hajtóműről a rezgési spektrum felvétele tartsn 1,6 s-ig. A mérés ideje alatt mindkét tengely több frdulatt tesz meg (a gyrs tengely 38,4-et, a lassú 15,5-öt). A hajttt kerék fgkapcslódási frekvenciáján a hibás fg hatása csak 2 %-ban érvényesül az össz mért értékben (1/47). A "magas pntk" találkzása csak 82%-s valószínű-

5 séggel következik be a mérés ideje alatt.. Bekövetkező találkzás esetén is a gerjesztett magasabb rezgésszint hatása csak 1/730-ad arányban jelenik meg az összképben. Egyik hiba sem jelenik meg tehát a rezgési spektrumban, ugyanakkr bármelyik súlys havária frrása lehet. 2. példa: lazaság vagy egytengelyűségi hiba A spektrumban mindkét prbléma a frdulatszám (f 0 ) és első felharmnikusai (2f 0, 3f 0,...) frekvenciáján jelentkezik megnövekedett amplitúdóval. A tengelykapcslat hibánál az időjelben a 2f 0, 3f 0 frgási frekvencinak megfelelő csúcsk egymáshz képest szabálys távlságkra helyezkednek el. A hullámk alakja és magassága is közel teljesen megegyező (pl. a hárm csúcs közül az egyik rendre magasabb a többinél). Nincs kiemelkedően magas csúcs. A fellazulás esetében a fő csúcsk távlsága kevésbé meghatárztt. A hullámk alakja eltérő és egyes csúcsk akár 5-8 g magasságt is elérhetnek. 3. példa: lebegés A lebegést közel azns frekvenciájú hullámk egymásra hatása kzza. Amikr a jelek fázisban közel kerülnek egymáshz, akkr erősítés, ellenkező esetben gyengítés lép. Felismerése a spektrumból megldatlan. 4. ábra Ha két harmnikus összetevő körfrekvenciája csak kevéssé tér el egymástól lebegés jön létre Egy 1460/perc (f 0,1 = 24,33. Hz) és egy 1480/perc (f 0,2 =24,66. Hz) frdulatszámú berendezésnél a lebegési idő (T= 1/Δf) 3 s. A gyakrlatban a jelenség 3 másdpercenként érezhető rezgés felerősödésként/gyengülésként jelentkezik. A legnagybb létrejövő amplitúdó az egyes amplitúdók számtani összege. A rezgési spektrumban f 0 -n látható magnitúdó nagysága alapján a diagnszta téves következtetésre jut, hiszen a mért érték nincs lieáris kapcslatban a gépben keletkező gerjesztő erőkkel. A lebegés mindezeken túl a berendezések fkztt igénybevételét is eredményezi, tehát felismerése mindenképp kívánats.

6 4. példa: dugattyús (reciprkáló) berendezések állaptértékelése A körflyamat egyes pillanataiban a dugattyús berendezések egyes elemei működnek, másk nem, illetve hgy a működő elemek terhelése is váltzik a ciklus alatt. Mindezeket a megfntláskat figyelembe véve könnyen belátható, hgy a dugattyús berendezés állaptértékelése pusztán a rezgési spektrum alapján nehéz. 5. példa: Az időjel analízis jelentősége gördülőcsapágy hibák kimutatásában Egyes gördülőcsapágy hibák felismeréséhez szükséges az időjel vizsgálata. Ha a csapágy terhelt zónájában egy gördülőelem futófelületi hibán halad keresztül, vagy egy gördülőelem hiba érintkezik a futófelülettel impulzus keletkezik. Ez aznban nem feltétlenül eredményezi spektrumcsúcs megjelenését a csapágytípus ismeretében kiszámítható frekvenciákn. A csapágy terhelt zónájának nagysága jelentős mértékben függ a csapágy típusától, elrendezésétől, terhelési visznyaitól. Tisztán radiális terhelés esetén a terhelt zóna szűk szögtartmányba esik, míg nagy aiális terhelésnél ez 360 is lehet. Ha a csapágy külső futópályáján, a terhelt zónában sérülés van (ez a gyakri eset álló külső gyűrű esetén), azn minden gördülő elem áthaladásakr impulzus jön létre, ami a jellemző csapágyfrekvencián (BPFO) gerjeszt, tehát a spektrumban általában jól észrevehető. Ezzel szemben egy kisebb kiterjedésű belső gyűrű hiba, például repedés csak akkr hz létre impulzust, ha a terhelt zónában gördülőelemmel találkzik, így szűk terhelt zóna esetén sk esetben csak frdulatnként egyszer. Ilyenkr nem jelenik meg a hibára jellemző csapágyfrekvencia (BPFI), az alapfrdulati spektrumcsúcs pedig nem nő meg számttevően (ha meg is nőne, sem gndlnánk csapágyhibára, hisz ez a frekvencia száms más gyakri hiba megjelenési helye). A gördülőelem frekvenciák (BSF) megjelenése is ritka. Ennek hárm fő ka: 1. Gyakran a teljes gördülőelem felülete sérült (hengergörgős csapágyak), ilyenkr csak az általáns zajszint emelkedik a spektrumban. 2. A gördülőelem hiba csak akkr kelt impulzust, ha a terhelt zónában a futófelülettel érintkezik, ez skszr csak frdulatnként egyszer következik be. 3. Glyóscsapágy esetén a glyó több frdulatn keresztül is frghat úgy, hgy a hiba nem is érintkezik a futófelületekkel. Az időjel alkalmazásának még sk egyéb példája ismert. Gépi megmunkáláskr a szerszám rendellenes ütődéses mzgása a munkadarabn, gyrsan váltzó frdulatszámú berendezésnél a helyi reznancia prblémák felismerése, időszaks ütődések, súrlódásk felismerése mind e módszerrel ismerhetők fel. Az időjel elemzése mindezeken túl sk esetben segít a spektum megfelelő értelmezésében.

7 Az ábrán egy belsõ gyûrû repedéses csapágy frekvencia spektruma és idõjele látható. A frdulatszám 2 Hz a BPFI 17.6 Hz. Megfigyelhetõ, hgy frdulatnként csak egy impulzuskeletkezik, és a spektrumban nincs jelen a BPFI. 5. ábra Gördülőcsapágyról felvett időjel és spektrum Az ütésvizsgálatkról A rezgésdiagnszta eszköztárának másik, még nem kellően alkalmaztt lehetősége a külső gerjesztéses vizsgálatk közé tartzó ütésvizsgálat. A frgógépek, szerkezetek rezgésvizsgálatánál gyakri jelenség a reznancia kialakulása. Szerencsés esetben a gerjesztő erőt adó gép a reznanciapntn csak áthalad felfutás vagy leállás közben, rsszabb esetben annak közelében vagy épp azn üzemel. A reznanciapntn való áthaladás a frgórészre, az egész berendezésre és a környezetre is veszélyes lehet. A szükséges óvintézkedések megtételéhez mindenképpen szükséges tudni, hgy a frgórész mikr, milyen módn halad át a reznanciapntn vagy pntkn. Más esetben a reznanciapnt eltlódása adhat arról infrmációt, hgy a vizsgált egység mechanikai állapta megváltztt. Előfrdulhat az is, hgy a berendezésen vagy annak egy részén, átalakítást kívánnak végrehajtani (pl. az alapzás tömegét növelni). Mivel az átalakítás a reznanciapntt becsülhető irányban eltlja, ezért szükséges tudni, hgy a reznanciapnt és a főbb ger-

8 jesztési frekvenciák hgyan helyezkednek el egymáshz képest. Ebben az esetben az átalakítás veszélytelenségének vagy épp veszélyességének előrejelzése a cél. A reznanciafrekvenciák megállapítására több eljárás is elterjedt: - a számításs módszerek közül a legismertebb a végeselemes mdellezés; - a kísérleti eljárásk közül egyszerűbb esetben impulzusszerű gerjesztésnek (pl. kalapácsütés) teszik ki a rendszert és a válaszfüggvényből következtetnek a reznanciafrekvenciákra; - bnylultabb eset, amikr a bemenő jelet pl. egy erőmérő szndával, a válaszfüggvényt gyrsulásérzékelővel mérik és a két jel hányadsából határzzák meg akár a mbilitás (rendszer válasz/input erő), akár pedig a mechanikai impedancia (input erő/rendszer válasz) függvényt; - lehetséges külön e célra kifejlesztett rezgéskeltővel is gerjeszteni a vizsgált tárgyat, amelyre szinte tetszés szerinti bemenő jelet vihetünk fel. Míg a számításs módszer igen nagy munkaigénnyel jár és sk a tévesztési lehetőség, a bnylultabb módszerek esetén a műszerezettség erőteljes kiterjesztése szükséges; az ütésimpulzuss módszerrel pedig egy nagytömegű és bnylult gemetriájú berendezés hatéknyan nem gerjeszthető, ráadásul nagysebességű valós idejű analizátrt igényel. Statikus és dinamikus merevség A rendszer merevségét vagy statikus merevségét az egységnyi elmzduláshz szükséges erő mértékével határzhatjuk meg: K = F/X,ahl K = merevség (N/m) F = erő (N) X = elmzdulás (m) A szerkezetek dinamikus dinamikus válasza nagyn alacsny frekvenciás terhelés esetén megegyezik a statikus válasszal. Amennyiben a terhelés frekvenciája növekszik, a merevség megváltzhat a statikus állapthz képest. A viselkedést ebben az állaptban a dinamikus merevség írja le: Kd(f) = F(f)/A(f),ahl Kd(f) = dinamikus merevség egy adtt frekvencián (N/m) F(f) = erő ugyanazn a frekvencián (N) A(f) = elmzdulás ugyanazn a frekvencián (m) Attól függően, hgy a választ elmzdulásban vagy sebességben vagy gyrsulásban mérjük és a válaszhz visznyítjuk e a gerjesztést vagy frdítva a dinamikus viselkedést hat frmában írhatjuk le: Gyrsuléknyság (g/n) = gyrsulás/erő Hatékny tömeg (N/g) = erő/gyrsulás Mbilitás (m/ns) = sebesség/erő Mechanikai impedancia Ns/m) = erő/sebesség

9 Dinamikus engedékenység (m/n) = elmzdulás/erő Dinamikus merevség (N/m) = erő/elmzdulás A felsrlt tényezőket gyűjtő néven Frekvencia Válasz Függvénynek nevezzük, angl utáni rövidítésük FRF. Hat megjelenési frmáját az 1. táblázat fglalja össze. 1. táblázat A frekvencia válasz függvény hat frmája Válasz jellemző Válasz/Bemenő erő Bemenő erő/válasz Gyrsulás Gyrsuléknyság Hatékny tömeg Sebesség Mbilitás Mechanikai impedancia Elmzdulás Dinamikus engedékenység Dinamikus merevség Az FRF jellemző a lineáris dinamikai rendszerben független a gerjesztés típusától. Az idő szempntjából a gerjesztés lehet harmnikus, véletlenszerű vagy tranziens. A gerjesztéssel elért vizsgálati eredményekből megbecsülhetjük azkat a válaszkat, amelyeket a rendszer más gerjesztés esetén eredményez. Az impulzus kalapáccsal végzett gerjesztés a tranziens gerjesztések sztályába srlható. A frekvencia válasz infrmációt ez a vizsgálat adja meg a leggyrsabban és legegyszerűbben, ugyanakkr a kaptt eredmények megbízhatóak. Más ldalról az ütéssel gerjesztési technika nem való a nemlineáris rendszerek vizsgálatáhz mivel a gerjesztési csúcsérték aránya az összes bevitt energiáhz visznyítva nagyn magas. A szerkezeti nem-linearitásra tipikus példa a részek közötti hézag vagy fellazulás, nemlineáris a csillapítás a mechanikus kötéseknél és terhelésfüggő a merevség. Azk a rendszerek, amelyekről tudtt a nem-linearitás nem tesztelhetők eredményesen ütésimpulzus módszerrel. Az ütésimpulzs vizsgálat módszere értelemszerűen a kevés összetevőt tartalmazó, egyszerűbb rendszereknél terjedt el, frgógépeknél kevésbé. A diagnszta gyakran kerül szembe lyan prblémával, amikr egy csővezetés, tartály, tartó, befgtt szerszám rezgési, fáradáss törési prblémáját kell megldania. Az ilyen esetek leggyakrabban reznanciával kapcslatsak, aminek a frekvenciáit a helyes prblémamegldáshz feltétlenül ismerni kell. 6. példa: gyakri szerszámtörés Egy gépi megmunkáló rendszerben a munkadarab mzgási irányáhz képest az rsó 45 fks helyzetű és hátsó részén rögzített. Az rsónál gyakran eltört a szerszám. Az ellenőrző dinamikus merevségvizsgálat kimutatta, hgy a gyakri szerszámtörés ka a nem megfelelő rsó rögzítési megldás. A megmunkálás srán fellépő ütődések és egyéb zavar hatásk reznanciát gerjesztettek, ami a szerszám csekély csillapítttságú rezgési mzgását eredményezte, a munkadarabt befgása visznt megfelelő dinamikai merevségű vlt. A befgó rendszer módsítása drasztikusan csökkentette a szerszámtörések számát.

10 7. példa: szerszám átvétel Egy cég nagy mennyiségben vásárlt rsókat, amelyek élettartama igen eltérő vlt. Amikr a beérkező rsókat dinamikusan ellenőrizték kiderült, hgy a terhelés hatására mért statikus behajlásuk meglehetősen egységes mértékű. A látszólag teljesen egyfrma rsók azns mérési körülmények között aznban eltérő viselkedést mutattak a dinamikai merevség tekintetében. Az rsók üzemi életének figyelemmel kísérése bebiznyíttta, hgy a csekélyebb merevségű rsóknál több vlt az idő előtti tönkremenetel. E felismerés alapján történt a jövőben a szerszámk átvétele, ami a cégnek jelentős megtakarítást eredményezett. 8. példa: összetett rendszer részleges reznanciája Reznancia vizsgálatk esetében skszr nem elég a reznanciában való üzemelés tényét megállapítani, hanem fel kell ismerni azt az elemet, amely sajátfrekvenciája megegyezik a gerjesztő frekvencával. Prblémát ez akkr kz, ha a gerjesztőt nem lehet elhanglni. (Pl.: Egy mtr frdulatszámának megfelelő frekvencián gerjeszt, de a technlógia nem engedi meg ennek a frdulatszámnak a csökkentését illetve növelését.) Egy palackzóüzem egyik zárógépén működés közben kárs rezgések léptek fel, amelyek a termelést közvetlenül nem beflyáslták, de félő vlt, hgy a fkztt dinamikus génybevétel géptörést kzhat. A rendszer felfutás-leállás vizsgálata kimutatta, hgy reznanciában üzemel a gép. A frdulatszám elhanglása a gép hajtásának bnylultsága miatt nem jöhetett szóba. A feladat ezért a reználó elem felismerése és javaslat adás a szerkezet módsítására. A reználó elem aznsításáhz ütésimpulzus tesztet végeztünk. A gerjesztést (az ütéseket) gumikalapáccsal hztuk létre. A vizsgálatt minden statikailag különálló darabn elvégeztük a tér hárm irányában. A többirányú gerjesztést az indklja, hgy a testeknek egymásra merőleges iránykban más-más lehet a sajátfrekvenciája, ("más mangn szólalnak meg"). A vizsgálatk kimutatták, hgy a kupaklófej tartószerkezetének a sajátfrekvenciája az ütésimpulzus teszt szerint 13,7 Hz. A prbléma érdekessége, hgy mivel ez a tartó nagyn merev senki sem gyanakdtt rá a vizsgálatk előtt. A mérés kétséget kizáróan a valós tényeket rögzítette. Javasltuk a tartó szabad végének egy fi részhez történő rögzítését, ami kellően elhanglta a frdulatszám közeléből a tartó sajátfrekvenciáját. A 6. ábra a leállásvizsgálat és az ütésgerjesztéses vizsgálatk eredményét mutatja Összefglalás Az előadás két általánsságban nem elterjedt diagnsztikai segédeszközt mutattt be néhány kapcslódó példával. E módszerek nem helyettesítik, hanem az esetek többségében kiegészítik a spektrumanalízises rezgésvizsgálatkat. Egyes prblémák aznban a spektrumanalízissel egyáltalán nem mutatható ki, míg e módszerekkel könnyen felismerhetők.

11 6. ábra Palackzógép vizsgálatának néhány spektruma A.A. Stádium Kft..aastadium.hu