Műszaki állapotjellemzők meghatározása rezgésdiagnosztikával

Átírás

1 Készítette: Deákvári József, intézeti mérnök 1. A rezgésmérésről általában A rezgésdiagnosztikai eljárások kiválóan alkalmasak egyszerű gépek vizsgálatára (ventilátorok, motorok, szivattyúk). A méréstechnikai eljárások kiforrottak, a minősítés viszonylag egyszerű. Intézetünkben 2000 óta foglalkozunk rezgésdiagnosztikával, e sorok írója VAT-II rezgéselemző anyagvizsgáló (OKJ: ) végzettséggel is rendelkezik. A hagyományos rezgésdiagnosztika mellett a villamos motorok áramanalízise került az elmúlt években a kutatás középpontjába és jelentős eredmények mutatkoznak ezen a területen. Intézetünkben mind a mechanikai, mind az áramanalízis módszere alapján foglalkozunk gépek vizsgálatával és minősítésével. A gépek állapotát a rezgések szintjével lehet jellemezni. Természetesen a gépek rezgése normális jelenség. A legjobb műszaki állapotban lévő berendezéseknek is van némi rezgésük, elsősorban a jelentéktelen hibák miatt, emiatt minden gépnek van egy elfogadható mértékű rezgésszintje, amit normálisnak tekinthetünk. Amikor a gépek rezgése megnövekszik, vagy túlzottan nagy lesz, akkor ennek legtöbb esetben mechanikai hiba az oka pl. kiegyensúlyozatlanság, egytengelyűségi hiba, elhasználódott fogaskerekek, vagy csapágyak, lazaság, stb. A legegyszerűbb okok, amelyek rezgéseket okoznak: -tengelykapcsolók, csapágyak, fogaskerekek egytengelyűségi hibája; -mozgó alkatrészek egyensúlyozatlansága; -csapágy gördülőtesteinek romlása/hibája; -fogaskerekek elhasználódása; -aerodinamikai vagy hidraulikai problémák ventilátoroknál és szivattyúknál; -elektromos problémák (egyensúlyozatlan mágneses erők) a villamos motorban, -rezonancia; a forgó alkatrészek excentricitása. Nagyon fontos a gép rezgését minimálisra csökkenteni, mert: -a növekedő dinamikus terhek csökkentik a gép élettartamát, -a géprezgés amplitúdója egyenesen arányos a dinamikus terheléssel, ha az erő megkétszereződik, akkor a rezgés is kétszeres lesz, -csökkentve a dinamikus terheléseket a rezgésszintek is csökkennek, és hosszabb üzemidőre számíthatunk. A rezgésszint meghatározásához szükség van a következő jellemzők leírására: frekvencia, elmozdulás, sebesség, gyorsulás és fázis A golyóscsapágyak jellegzetes hibafrekvenciái A mérések során általában forgógépekről beszélünk és golyóscsapágyakkal ellátott tengelyeken mérünk. A golyóscsapágy jellegzetes hibái és a hozzá tartozó hibafrekvenciák (1.ábra): -hiba a külső gyűrűn,

2 hiba a belső gyűrűn, -hiba a gördülőelemen, -kosárhiba. Külső gyűrű Gördülőelem Belső gyűrű 1. ábra A golyóscsapágy főbb részegységei A csapágyhibák frekvenciája a mechanikai méretekből számíthatók: Hiba a külső gyűrűn: n Bd BPFO = fr 1 cosβ, 2 Pd Hiba a belső gyűrűn n Bd BPFI = fr 1+ cosβ, 2 Pd Gördülőelem hiba: [ Hz] [ Hz] Kosár hiba: Ahol: Bd Pd f r n β BSF Pd = f r 2 Bd 1+ Bd Pd fr Bd FTF = 1 cosβ, 2 Pd a gördülőelem átmérője mm-ben, középátmérő mm-ben a belső gyűrű fordulatszáma Hz-ben, a gördülőelemek száma, hatásszög [ Hz] 2 cos 2, β [ Hz]

3 - 3 - Sajnos a különböző gyártók ugyanazon típusú csapágyait összehasonlítva megállapítható, hogy a csapágyak nevezetes frekvenciái az eltérő méretek miatt nem egyformák (1 táblázat). A táblázatban a fordulatszámhoz tartozó frekvencia szorzóértékeit adtuk meg. 1. táblázat Az SKF és FAG által gyártott 6226 típusú csapágy nevezetes frekvenciái 6226 csapágy SKF FAG BPFO 3,706 4,116 BPFI 5,294 5,88 BSF 2,746 2,748 FTF 0,412 0, A villamos motorok hibáinak és diagnosztikai módszereinek áttekintése 2.1. Villamos gépek hibáinak bontás nélküli hibafelderítő módszerei A forgórész és állórész hibáinak méréstechnikai (bontás nélküli) felderítésére a rezgésmérésen, spektrumanalízisen, burkológörbe-analízisen túl alkalmazható a tápáramok (generátor esetén: leadott áram) és az elektromágneses tér vizsgálata, valamint a termográfiai állapotfelmérés is. Tápáram mérése és spektrumanalízise: A legrészletesebb hibaanalízisre a felvett tápáram-spektrum ad módot. A motorok szinte minden villamos hibája a tápáramok spektrumaiban tükröződik jól körülírható jellegzetességekkel. 3. A mérések leírása A méréseket egy SKF gyártmányú rezgésdiagnosztikai mérőrendszerrel végeztük. Az eszközrendszer legfontosabb eleme a Microlog CMVA60 mérésadatgyűjtő- és analizátor, mely lehetővé teszi a helyszíni méréseket és az adatok kiértékelését. A műszer könnyen kezelhető, többféle mérési módszer elvégzését teszi lehetővé, sokféle kiegészítő érzékelővel és mérési lehetőséggel rendelkezik. A mérőrendszer része a PRISM4 szoftver, mely a különböző gépek adatainak tárolására és ezen adatok különböző szempontok szerinti feldolgozására alkalmas. A beépített alkalmazások lehetővé teszik a gépiparban leggyakrabban használt mérések gyors elvégzését: - forgó gépek kiegyensúlyozása, - ciklus elemzés, - motoráram elemzés, - ütésteszt elemzés, - felfutás/ leállás elemzés. Az Microlog közvetlenül alkalmas más érzékelők fogadására is, így árammérő lakatfogó, nyomásmérő és fordulatszámmérő stb. csatlakoztatására.

4 - 4 - A mérések során a Microlog CMVA 60 rezgésmérőt használtunk, a fordulatszámot CMSS-6165 StobeLite stroboszkóppal, a gyorsulást CMSS-2200 típusú gyorsulásérzékelővel mértük. A piezoelektromos elven működő gyorsulásérzékelő főbb műszaki adatai: - érzékenység: 100mV/g - frekvenciatartomány: 0,8 10kHz - sajátfrekvencia: 22kHz 3.1. A mérési összeállítás A mérés során egy 45kW névleges teljesítményű hajtóműves háromfázisú, aszinkron villamos motort a tengelyen keresztül fékeztünk egy villamos fékpaddal. A méréseket üresjárásban, 5kW, 10kW, 15kW, 20kW, 25kW, 30kW, 35kW, 40kW, 45kW terhelésnél végeztük. Minden terhelési szintnél CHB-48 típusú lakatfogóval megmértük a motor áramfelvételét, a fázisfeszültséget, a felvett teljesítményt és a cosinus ϕ-t. A következőkben az SKF cég CMVA 60 mérésadatgyűjtő CMSS-2200 gyorsulásérzékelőjével a főbb mérési pontokon végigmértük a mechanikai rezgéseket, majd a CMSS-6187 árammérő lakatfogóval vizsgáltuk a fázisáram spektrumát. A mérési összeállítás a 2. ábrán látható. Az áramanalizis mérését árammérő lakatfogóval végeztük (3. ábra). 2. ábra A villamos motor mérési összeállítása

5 - 5 - A hajtóműves motor műszaki adatai: -gyártó: LENZE -típus: GST 11-2 N VBR 2K DERA kimenő fordulatszám: 557RPM Az elektromos fékpad jellemzői: Gyártó: FROMENT TRAKTOR TEST CENTRE, STAMFORD, UK Tipus: Sigma-5 Teljesítmény: 300kW 3. ábra Az áramanalízis mérése lakatfogóval 3.2. A mérések során mért paraméterek A villamos szekrényben mértük a motor által felvett áramot, a hálózati vonali feszültséget, és a cosinus φ-t, a fázisonkénti felvett hatásos és látszólagos villamos teljesítményt. A mechanikai rezgésmérés során rezgéssebességet, rezgésgyorsulást és ún. envelope rezgésgyorsulást mértünk.

6 - 6 - Rezgéssebesség:5Hz-1600Hz-ig mértünk 1 Hz-es felbontásban két helyen (horizontálisan és vertikálisan) valamint axiális irányban, ugyanezt megmértük nagyobb felbontásban is 5-160Hz, 0,1 Hz felbontásban. Envelope rezgésgyorsulás mérés (burkológörbe módszer): A rezgésjelek burkológörbéje elnevezés tulajdonképpen egy többszörösen szűrt jelet takar. (Frekvenciatartományban valóban burkolja az eredeti jelet, innen származik az elnevezés). A leggyakrabban használt módszert a gyorsulásjel szűrésével kapjuk. Ennek mértékegysége a ge, ami a nehézségi gyorsulás (g=9,81m/s 2 ) szűrt értékére utal A módszer elsősorban az ismétlődő jelenségek kimutatására szolgál [2] Az adatfeldolgozást a frekvenciatartományban végeztük. Elvégeztük a frekvenciatartományban a megfelelő műszaki állapothoz tartozó spektrumvonalak frekvenciáinak és amplitúdóinak meghatározását. A méréseket statisztikai módszerekkel és szabványértékek alapján értékeltük. A mérések tervezésekor PRISM4 szoftver útvonaltervezőjét használtuk. Ennek segítségével lehető vált egyrészt a megfelelő mérési sorrend és az adatok strukturális kezelése, másrészt a szellőzőventilátoroknál a két különböző időpontban végzett méréssorozatból trend készítése (4. ábra). 4. ábra A mérési útvonal megtervezése, valamint az egyik mérési pont paraméter beállítása a PRISM 4 szoftver segítségével A rezgéssebesség mérése során a készülék beállítása a következő volt:

7 - méréshatár: 10mm/s - frekvenciamérés tartománya: Hz - vágási frekvencia: 5Hz - spektrumvonalak száma: mérési módszer: RMS - átlagolások száma: A nagyfelbontású rezgéssebesség mérése során a készülék beállítása a következő volt: - méréshatár: 10mm/s - frekvenciamérés tartománya: Hz - vágási frekvencia: 5Hz - spektrumvonalak száma: mérési módszer: RMS - átlagolások száma: 2 A rezgésgyorsulás mérése során a készülék beállítása a következő volt: - méréshatár: 5Gs - frekvenciamérés tartománya: Hz - vágási frekvencia: 5Hz - spektrumvonalak száma: mérési módszer: Peak - átlagolások száma: 2 Az envelope rezgésgyorsulás mérése során a készülék beállítása a következő volt: - méréshatár: 250gE - frekvenciamérés tartománya: Hz - vágási frekvencia: 0Hz - spektrumvonalak száma: mérési módszer: Peak-to-Peak - átlagolások száma: 2 -bemeneti szűrő sáváteresztő tartománya: Hz Meghatároztuk minden spektrum OVELALL értékét. Az overall értékét a következőképpen számolja az analizátor: max 2 Fi i= min OA = N BF Ahol: OA a rezgés overall szintje, Fi: az i-edik FFT vonal amplitúdója, N BF : a választott ablak zajsávszélessége, (a méréseket Hanning beállításnál végeztük ebben az esetben N BF = 1,499) min: a sáv első FFT vonalának indexe max: a sáv utolsó FFT vonalának indexe

8 - 8 - Az OVERALL érték a mért spektrális sáv energiatartalmát jelzi. A motoráramanalizis során a CMSS-6187 árammérő lakatfogót 600A-es méréshatárban használtuk. A méréskor és kiértékeléskor CMVA60 analizátor motorárammérés-varászlóját használtuk. 4. A mérés eredményei 4.1. A villamos motor által felvett áram mérése A CHB-48 lakatfogóval mért értékek a 2. táblázatban találhatók, az eredményeket az 5. ábrán mutatjuk. A motor a névleges terhelés közelében ahogy várható volt- jó hatásfokkal és cosinus ϕ-vel rendelkezik. 2. táblázat A villamos motor mért adatai a tengelyen leadott terhelések függvényében Tengelyterhelés U f I f P f cosinus ϕ P vö [kw] [V] [A] [kw] [kw] 0,6 229,8 18,6 1,5 0,43 5, ,7 3,1 0,67 10, ,6 28,9 5 0,82 16, ,5 36,1 6,7 0,87 21, ,1 43,4 8,6 0,91 27, ,5 10,4 0,92 32, ,4 59,7 12,2 0,93 37, ,5 68,1 14,2 0,93 43, ,9 16 0,94 49, ,3 86,4 17,9 0,94 54,65 5. ábra

9 - 9 - A villamos motor jelleggörbéi a tengelyen leadott teljesítmény függvényében 4.2. A villamos motor és a hajtómű mért rezgésértékei A permetező laboratóriumban végzett hajtóműves villamos motor és hajtómű különböző mérési pontjain mért Overall értékeket a 3. táblázatban láthatjuk. A villamos motor rezgésszintjeinek alakulását a terhelés függvényében a 6. ábra, míg a hajtómű rezgésszintjeinek alakulását a 7. ábrán láthatjuk.

10 - 10- Mérési hely 3. táblázat A villamos motoron és a hajtóművön mért rezgésértékek különböző terhelési viszonyok mellett OA rezgéserősség üresjárás 5 kw 10 kw 15 kw 20 kw 25 kw 30 kw 35 kw 40 kw 45 kw Villanymotor Nondrive horizontal [mm/s] 1,294 1,534 1,781 2,004 2,001 2,08 2,18 2,005 2,193 2,599 Nondrive vertikal [mm/s] 2,172 3,268 3,772 4,086 4,144 5,294 5,493 5,321 5,735 5,903 Drive horizontal [mm/s] 1,271 2,47 2,537 2,404 2,659 2,471 2,145 3,059 3,341 3,102 Drive vertical [mm/s] 1,098 1,211 0,829 1,403 1,762 1,585 2,24 1,669 2,547 2,985 Drive axial [mm/s] 3,071 7,046 7,974 5,441 5,395 5,834 5,816 5,65 5,707 5,983 Hajtómű indrive horizontal [mm/s] 1,542 1,388 1,57 1,576 1,542 1,863 1,842 1,978 2,364 2,412 indrive vertikal [mm/s] 1,774 2,678 2,505 2,416 2,469 2,374 2,526 2,502 2,963 3,08 outdrive horizontal [mm/s] 2,195 1,699 1,824 1,848 1,893 2,156 2,121 2,4 2,566 2,813 outdrive vertical [mm/s] 2,54 2,473 2,383 2,276 2,246 1,176 1,894 2,017 2,016 2,128 indrive axial [mm/s] 2,747 7,467 6,999 5,612 5,495 6,07 5,485 6,16 6,242 6,328

11 - 11- A villanymotor mért rezgésszintjei a terhelés függvényében 9 8 rezgéssebesség, [mm/s] üresjárás 5 kw 10 kw 15 kw 20 kw 25 kw 30 kw 35 kw 40 kw 45 kw mechanikai terhelés, [kw] Nondrive horizontal [mm/s] Nondrive vertikal [mm/s] Drive horizontal [mm/s] Drive vertical [mm/s] Drive axial [mm/s] 6. ábra A villanymotor rezgésértékeinek alakulása a tengelyen leadott terhelés függvényében.

12 - 12- A hajtómű mért rezgésszintjei a terhelés függvényében 8 7 rezgéssebesség, [mm/s] üresjárás 5 kw 10 kw 15 kw 20 kw 25 kw 30 kw 35 kw 40 kw 45 kw mechanikai terhelés, [kw] indrive horizontal indrive vertikal outdrive horizontal outdrive vertical indrive axial 7. ábra A hajtóműházon mért rezgéssebességértékek a terhelés függvényében

13 A villamos motor árammérése és analízise A CMSS-6187 árammérő lakatfogót 600A-es méréshatárban használtuk. Az üresjárásban működő gép áramanalízise a 10. ábrán látható. 10. ábra Az üresjárásban működő motor áramspektruma A névleges terheléskor mért áramspektrum a 13. ábrán látható.

14 ábra A villamos motor fázisáramának spektruma névleges (45kW) terheléskor A névleges terheléskori áramspektrum alapján a gépet jó minőségi osztályba lehet sorolni. 5. Irodalomjegyzék [1] Rezgésmérések Brüel & Kjaer kiadvány, Naerum [2] A rezgésdiagnosztika elemei Szerkesztette: Dr. Dömötör Ferenc SKF Svéd Golyóscsapágy Rt., Budaörs, 1996 [3] Hungarian Costumer Training 2000 nov , Zaltbommel, SKF Condition Monitoring Training Center, Zaltbommel [4] Zaj- és rezgésmérés Ctirad Smetana Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975 [5] Villamos gépek zaja és rezgése Szerkesztette: Dr. Timár Peregrin László Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1986 [6] ISO Mechanical vibration Evalution of machine vibration by measurements on non-rataring parts- Part 1: General guidelines