ep052010.pdf

Sprzęt

Kręcenie bez bicia –

Od jakości wyważenia

elementów wirujących maszyn

i urządzeń zależy poziom

emitowanego hałasu, zużycie

energii i trwałość łożysk.

Niewykryte w porę wibracje

mogą być przyczyną groźnych

i kosztownych w naprawie

uszkodzeń. Stan maszyn, tak

jak nasze własne zdrowie, musi

być systematycznie kontrolowany,

a do tego są potrzebne

specjalizowane przyrządy.

Jednym z nich jest VibroDAQ2.

W EP 4/2010 przedstawiliśmy Czytel-

nikom teorię wyważania elementów ob-

rotowych maszyn, pojazdów itp. Wiedza

ta została umiejętnie wykorzystana przez

konstruktorów irmy RK-System do budo-

wy uniwersalnego urządzenia VibroDAQ2,

służącego do jedno- i dwupłaszczyznowego

wyważania elementów wirujących. Zanim

zaznajomimy się z samym przyrządem, przy-

pomnimy sobie najważniejsze zagadnienia

i wnioski wynikające z teorii.

samochodowych podczas wyważania kół.

Pamiętajmy jednak, że rozkład masy ele-

mentu wirującego powinien być w jak naj-

większym stopniu jednorodny. Kompensacja

niewyważenia za pomocą jednej masy może

oznaczać, że układ będzie charakteryzował

się równowagą chwiejną, a więc w pew-

nym sensie nadal pozostanie niewyważony.

Znacznie lepsze wyniki uzyska się, przepro-

wadzając tzw. doważanie, czyli dokładanie

(zdejmowanie) kolejnych mas korekcyjnych,

stopniowo przybliżających efekt końcowy

do ideału. Nie łudźmy się jednak - ideał nie

istnieje, a o zakończeniu pomiarów decyduje

uzyskanie wyników mieszczących się w za-

łożonej granicy błędu.

Z praktycznego punktu widzenia istotne

jest to, że wyważanie może być prowadzone

na specjalnie skonstruowanym stanowisku

albo bezpośrednio w pracującym urządze-

niu. Przeniesienie elementu wirującego na

stanowisko pomiarowe wymaga wymon-

towania go z urządzenia, co może być źró-

dłem błędu nieuwzględnianego w pomiarze.

Dodatkowo, ten błąd może być zwiększony

przez inne, niż oryginalne, łożyskowanie.

Zdecydowanie lepsze wyniki uzyskuje się

więc, gdy wyważanie jest przeprowadzane

bezpośrednio w urządzeniu, nie zawsze jest

to jednak możliwe.

Wyróżniamy wyważanie jednopłaszczy-

znowe, dwupłaszczyznowe i wielopłasz-

czyznowe. W największym skrócie można

powiedzieć, że wyważanie jednopłaszczy-

znowe występuje wtedy, gdy mamy do czy-

nienia na przykład z pojedynczą tarczą o re-

gularnych kształtach. Gdy przekrój tarczy

w płaszczyźnie przechodzącej przez oś ob-

rotu jest znacząco inny niż prostokątny lub

gdy występują dwie tarcze umieszczone na

wspólnej osi obrotu, mówimy o wyważaniu

dwupłaszczyznowym ( rys. 1 ). Wyważanie

Resume

O danym elemencie wirującym mówimy

w największym uproszczeniu, że jest niewy-

ważony, jeżeli jego środek masy nie jest usy-

tuowany w osi obrotu. Niewyważenie jest

spowodowane najczęściej niejednorodnością

materiału, z którego jest zbudowany element

wirujący, może również wynikać z niepra-

widłowego zawieszenia tego elementu. Nie-

wyważenie może być kompensowane przez

dokładanie lub zdejmowanie odpowiednio

dobranych mas w ściśle określonych punk-

tach wału zależnych od tzw. wektora niewy-

ważenia. W wielu przypadkach zadowalają-

ce wyniki można osiągnąć, dokładając lub

ujmując tylko jedną masę. Jest to na przy-

kład powszechna praktyka w warsztatach

rys. 1. przykładowy kształt elementów wirujących do wyważania a) jednopłaszczyznowego, b) dwupłaszczyznowego, c) wielopłasz-

czyznowego

118

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010

Sprzęt

System wyważania VibroDAQ2

System wyważania VibroDAQ2

Tab. 1. Oferta czujników współpracujących z systemem VibroDAQ2

Model

Czułość

Zakres często-

tliwości pracy

Położenie

gniazda

Tempera-

tura max.

Waga

Fot. 2. Czujnik laserowy na statywie

Czujniki drgań ogólnego zastosowania

101.01-6-3 100 mV/g ±5% 0,5 Hz...14 kHz góra 120°C 85 g

101.21-6-3 100 mV/g ±10% 0,5 Hz...14 kHz góra 120°C 85 g

103.02-6-2 100 mV/g ±5% 0,5 Hz...10 kHz bok 120°C 130 g

103.22-6-2 100 mV/g ±10% 0,5 Hz...12 kHz bok 120°C 130 g

Czujniki drgań o niskich częstotliwościach

101.01.-9-3 500 mV/g ±5% 0,2 Hz...3,7 kHz góra 90°C 90 g

103.02.-9-2 500 mV/g ±5% 0,2 Hz...3,7 kHz bok 90°C 140 g

Czujniki drgań o wysokich częstotliwościach

101.01-3-3 10 mV/g ±5% 0,5 Hz...16 kHz góra 120°C 80 g

101.21-3-3 10 mV/g ±10% 0,5 Hz...16 kHz góra 120°C 75 g

103.02-3-2 10 mV/g ±5% 0,5 Hz...13 kHz bok 120°C 130 g

103.22-3-2 10 mV/g ±10% 0,5 Hz...13 kHz bok 120°C 125 g

Cz ujniki prędkości

111.01-6-3 100 mV/in/s ±5% 1,9 Hz...7 kHz góra 120°C 90 g

113.01-6-2 100 mV/in/s ±5% 1,9 Hz...7 kHz bok 120°C 140 g

4-20 mA (brak opcji pomiaru temperatury)

125.01-VR10-3 10 mm/s RMS 3...1000 Hz góra 90°C 85 g

125.01-AR20-3 20 g RMS 3...1000 Hz góra 90°C 85 g

wielopłaszczyznowe jest natomiast stosowa-

ne dla wałów giętkich.

Jeszcze jednym, istotnym z praktycznego

punktu widzenia pojęciem jest rodzaj niewy-

ważenia. Wyróżniamy tu m.in. niewyważe-

nie statyczne, gdy centralna oś bezwładności

jest przesunięta równolegle do osi wału i nie-

wyważenie dynamiczne, w którym centralna

oś bezwładności jest przesunięta nierówno-

legle do osi wału i jej nie przecina (w obsza-

rze ograniczonym rozmiarami wału).

niu, należy jednak liczyć się z nieco bardziej

skomplikowanym cyklem pomiarowym.

Zasada działania systemu VibroDAQ2

jest oparta na pomiarze drgań. Wykorzysty-

wane są do tego czujniki przyspieszeń, pręd-

kości lub przesunięcia. W razie potrzeby

mogą być uzupełnione o opcjonalne akceso-

ria dostępne w ofercie producenta. Przyrząd

pozwala na zastosowanie praktycznie do-

wolnych czujników drgań, również takich,

które są zabudowane fabrycznie na istnieją-

cym stanowisku pomiarowym. W standardo-

wym zestawie systemu VibroDAQ2 znajdują

się czujniki drgań 100 mV/g sprawdzające się

w przypadku 95% klientów. W stałej ofercie

jest natomiast szeroka gama czujników, na-

wet 500 mV/g. Na zamówienie użytkowni-

ka mogą być dostarczone czujniki o jeszcze

wyższych czułościach. Pełną ofertę przedsta-

wiono w tab. 1 .

Fabryczna koniguracja systemu obejmu-

je komponenty niezbędne do przeprowadze-

nia podstawowych pomiarów. Umieszczono

je w aluminiowej walizce gwarantującej

bezpieczny transport zestawu. Znajdujemy

w niej:

– przystawkę VibroDAQ2,

– dwa czujniki akcelerometryczne z gwin-

tem M5 służącym do umocowania na sta-

nowisku pomiarowym,

– dwa adaptery z końcówką magnetyczną

umożliwiającą montaż czujników w do-

godnym miejscu, bez konieczności stoso-

wania połączenia śrubowego,

– czujnik laserowy z detektorem,

– statyw do mocowania czujnika laserowego,

– folię releksyjną dla czujnika laserowego,

– kable czujników i kabel USB służący do

połączenia przystawki z komputerem.

Czujnik laserowy jest niezbędny do po-

miaru prędkości obrotowej wału podczas

wyważania. Nie jest on używany w bada-

niach wibracji. Aby z niego skorzystać, na-

leży go umieścić na statywie ( fot. 2 ) w okoli-

VibroDAQ2 w praktyce

System pomiarowo-diagnostyczny Vi-

broDAQ2 umożliwia wykonywanie dyna-

micznego wyważania jedno- i dwupłaszczy-

znowego wirników sztywnych, zarówno na

stanowisku pomiarowym, jak i w łożyskach

własnych. Stanowisko pomiarowe jest wyko-

rzystywane najczęściej na etapie produkcji

urządzeń. Później, w trakcie ich eksploatacji

raczej nie wymontowuje się z nich wirników,

gdyż generowałoby to dodatkowe koszty

przy jednoczesnym zmniejszeniu dokładno-

ści pomiaru. Wykonując badania w urządze-

rys. 3. podstawowe okno programu aktywne w trakcie wyważania rys. 4. Okno deiniowania wirników

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010

119

Sprzęt

rys. 5. raport z pomiarów

jest proporcjonalna do niewyważenia (rys. 3).

Niewyważenie wstępne jest przyjmowane jako

punkt odniesienia do kolejnych pomiarów, stąd

jego wartość zawsze jest równa 100%. Na ekra-

nie są podane również inne parametry, takie jak

amplituda i faza drgań oraz prędkość obrotowa

wirnika.

Kolejne cykle wyważania są uruchamia-

ne/wstrzymywane przyciskami ekranowymi

Dalej , Start . Po wstępnym oszacowaniu nie-

wyważenia można przystąpić do zasadniczej

fazy pomiaru, którą rozpoczyna pomiar z masą

kontrolną. W tym celu należy zatrzymać obroty

wału i umieścić na nim dokładnie znaną masę

w dowolnym położeniu, które będzie stanowiło

punkt odniesienie w kolejnych cyklach. Jest to

bardzo istotne ze względu na charakter czynno-

ści wykonywanych w dalszej części pomiarów.

Następnie ponownie uruchamiamy obroty wału

i przechodzimy do kolejnego cyklu, naciskając

przycisk Dalej . Po ustabilizowaniu się warun-

ków, na ekranie uzyskujemy parametry obcią-

żenia korygującego: jego masę wyrażoną w jed-

nostkach bezwzględnych lub odniesioną do

masy kontrolnej i położenie względem punktu

referencyjnego. Nie zawsze jednak umieszcze-

nie masy korygującej w określonym położeniu

jest możliwe. Może to wynikać z budowy me-

chanicznej wyważanego elementu. Co zrobić

na przykład, gdy program nakaże umieszczenie

masy korygującej w miejscu, w którym znajdu-

je się przerwa między łopatkami wentylatora?

Rozwiązaniem jest rozłożenie masy korygują-

cej na kilka, umieszczonych we wskazanych

położeniach. W programie obsługi VibroDAQ2

przewidziano taki przypadek i w razie potrzeby

można korzystać z odpowiedniej opcji. Oblicze-

nie i wprowadzanie masy korygującej może być

realizowane poprzez jej dodawanie lub zdej-

mowanie. Zależy to od odpowiednio zdeinio-

wanego parametru programu. Po zaaplikowa-

niu masy korygującej, jeśli rezultat wyważanie

uznajemy za niewystarczający (np. niewyważe-

nie przekracza założenia norm), można wyko-

nać doważanie. Postępowanie w tym wypadku

sprowadza się do wykonania dodatkowego po-

cach wirującego elementu. Pomiar polega na

analizie wiązki odbitej od tarczy releksyjnej

przyklejonej do wału. Przed rozpoczęciem

pomiarów elementy te należy skalibrować,

co polega na takim ustawieniu czujnika,

aby odbity od tarczy sygnał był prawidłowo

rozpoznawany. Dla ułatwienia wykonania

tej operacji, na płycie czołowej urządzenia

umieszczono diodę informującą o odebraniu

sygnału z czujnika.

System VibroDAQ2 składa się z przystawki

i komputera, na którym jest zainstalowany spe-

cjalny program. Obsługa przyrządu, mimo wie-

lu czynności, które trzeba wykonać w trakcie

wyważania, jest dość prosta i intuicyjna. Zacho-

wano charakterystyczny dla programów irmy

RK-System interfejs graiczny ( rys. 3 ), który od-

biega nieco od większości programów okienko-

wych, ale też nie stanowi utrudnienia w pracy.

Procedura wyważania składa się z dwóch

lub trzech kroków pomiarowych. Dwa kroki

są stosowane dla obiektów jednopłaszczyzno-

wych, trzy kroki dla obiektów dwupłaszczyzno-

wych. W większości przypadków kompensacja

niewyważenia wykonana zgodnie z otrzyma-

nymi wskazaniami przyrządu, skutkuje wła-

ściwym wyważeniem detalu. W sytuacji, gdy

rezultaty z jakichś względów okażą się niewy-

starczające, w kolejnym kroku pomiarowym

można dokonać tzw. doważenia. Nie jest przy

tym konieczne przeprowadzenie całej procedu-

ry od początku. Podczas doważania wykonuje

się jeden dodatkowy pomiar (niezależnie od

tego czy detal jest jedno- czy dwupłaszczyzno-

wy). W zależności od potrzeb doważanie moż-

na powtarzać. Przed rozpoczęciem pracy warto

ocenić ogólny stan techniczny urządzenia. Do-

skonale nadaje się do tego analiza widmowa –

odpowiednia opcja jest dostępna w programie

systemu VibroDAQ2. Pomiar taki pozwala dość

precyzyjnie wskazać elementy wymagające

wyważenia oraz zdiagnozować ewentualne

inne usterki. W zależności od przyjętej metody

wyważania (jedno- lub dwupłaszczyznowej)

do przystawki należy dołączyć jeden lub dwa

czujniki wibracji. W przypadku wyważania

dwupłaszczyznowego konieczne są dwa po-

miary. Istotne jest optymalne dobranie parame-

trów pracy przystawki, takich jak częstotliwość

próbkowania i rozmiar bufora próbek. Będą one

wpływały na dokładność pomiarów oraz na

czas ich wykonywania. Błędy przypadkowe są

skutecznie eliminowane przez włączenie uśred-

niania, ale opcja ta również wpływa znacząco

na czas pomiaru.

Mając zebrane informacje o ogólnym sta-

nie urządzenia, rozpoczynamy od oszacowania

niewyważenia wstępnego badanego elementu

wirującego. W każdym etapie wyniki są prezen-

towane na ekranie komputera w postaci tabela-

rycznej oraz graicznej. Stopień niewyważenia

jest przedstawiony w postaci wektora niewywa-

żenia wrysowanego w okrąg symbolizujący ele-

ment wirujący. Parametr ten można łatwo zin-

terpretować „wzrokowo”, gdyż długość wektora

rys. 6. Okno analizy widmowej

120

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010

System wyważania VibroDAQ2

rys. 7. Okno oscyloskopu

Rozszerzenie możliwości

VibroDAQ2

System VibroDAQ2 został skonstruowany

do wyważania elementów wirujących. Zastoso-

wano w nim nowoczesne rozwiązania elektro-

niczne oparte na układach FPGA, 16-bitowym

przetworniku A/C i technice DSP. Uzyskano

dzięki temu bardzo dobre parametry pomiaro-

we: zakres mierzonych prędkości obrotowych

0,1...10000 obr/s, zakres częstotliwości próbko-

wania 10 Hz...200 kHz. Interfejs USB pracujący

w trybach High Speed i Full Speed zapewnia

szybki transfer danych do komputera. Dwie

opcje oprogramowania umożliwiają wyko-

rzystanie przystawki jako analizatora widma

i oscyloskopu. Tryby te mogą być stosowane

do badania maszyn mechanicznych, w których

nie muszą znajdować się elementy wirujące.

Na podstawie poziomu i kształtu wibracji daje

się dużo powiedzieć o stanie poszczególnych

mechanizmów. Szczególnie przydatna jest tu

analiza widmowa, którą jak w większości cyfro-

wych przyrządów pomiarowych wykonuje się

w oparciu o szybką transformatę Fouriera (FFT).

Można też opcjonalnie wykorzystać algorytm

DFT (dyskretna transformata Fouriera), jednak

czas obliczeń w tym przypadku drastycznie się

wydłuża. Na rys. 6 przedstawiono przykładowy

oscylogram uzyskany z czujników drgań, a na

rys. 7 widmo tego sygnału. Oscyloskop ponad-

to jest przydatny we wstępnej fazie pomiarów

do oceny sygnału otrzymywanego z czujnika

wibracji.

Spośród wielu zastosowań systemu Vibro-

DAQ2 jednym z częściej używanych jest wy-

ważanie tarcz szliierskich. Jest to możliwe po

zastosowaniu specjalnej głowicy z jedną lub

z dwoma przesuwanymi masami. Sama proce-

dura pomiarowa jest bardzo podobna do stan-

dardowej.

VibroDAQ2 jest doskonałym przykładem

umiejętnego zastosowania wiedzy teoretycznej

(mechaniki ciała stałego) w praktyce. Dzięki

niemu Polak nie zawsze musi być mądry dopie-

ro po szkodzie.

miaru drgań, w wyniku którego otrzymujemy

odpowiednio skorygowane wartości masy kom-

pensującej oraz kąta jej umieszczenia (dodania

lub odjęcia). Doważanie może być powtarzane.

Pojawia się zatem pytanie – kiedy zakończyć

procedurę wyważania? Pierwsza odpowiedź,

dość oczywista, jest taka, że wyważanie kończy-

my wtedy, gdy stopień niewyważenia mieści się

w granicach stosowanej w danym przypadku

normy. Powróćmy jednak do istoty przeprowa-

dzanej operacji. Wyważanie stosujemy po to,

by w jak największym stopniu zminimalizo-

wać wszelkie „bicia” i wibracje. Jeśli więc cała

procedura przebiega pomyślnie, to w kolejnych

cyklach uzyskujemy coraz mniejsze sygnały

z czujników. Może się więc okazać, że od pew-

nego momentu wyniki pomiarów, szczególnie

kąta, stają się niestabilne, charakteryzują się

dużą przypadkowością. Jest to zjawisko normal-

ne i świadczy o tym, że detal jest już właściwie

wyważony. Kontynuowanie takich pomiarów

nie ma więc większego sensu.

nieczne jest odpowiednie zdeiniowanie pa-

rametrów wirnika, co jest możliwe w oknach

ustawień. Prezentowane są w nich rysunki

poglądowe ułatwiające tę czynność. Przykład

przedstawiono na rys. 4 . Poszczególne typy

wirników są pogrupowane według klasy jako-

ści wyważenia: od wolnoobrotowych silników

okrętowych do wrzecion, tarcz i tworników

precyzyjnych szliierek. Sama procedura wy-

ważania przebiega analogicznie, jak to opisano

wyżej. Ułatwieniem jest wyświetlenie wyniku

końcowego w kolorze zielonym, jeśli spełnia

on wymagania normy i w kolorze czerwonym,

jeśli norma nie jest spełniona.

Wyważane elementy, szczególnie te, które

są wykorzystywane w przemyśle, energety-

ce itp., mają często atesty potwierdzające ich

przydatność w konkretnych zastosowaniach.

Musi być ona zachowana również po wykona-

niu wszelkich napraw i rutynowych przeglą-

dów. W tym kontekście procedura wyważania

nie jest więc zwykłą czynnością serwisową,

a po jej zakończeniu powinien powstać stosow-

ny dokument. System VibroDAQ2 umożliwia

automatyczne generowanie raportu potwier-

dzającego uzyskanie określonych wyników.

Są na nim dodatkowo umieszczone wszystkie

parametry pomiarów ( rys. 5 ).

Normy, przepisy

System VibroDAQ2 jest dostosowany do

przepisów i norm przemysłowych obowiązu-

jących w tym zakresie. Przed rozpoczęciem

wyważania zgodnego z normą ISO 1940 ko-

Jarosław Doliński, Ep

jaroslaw.dolinski@ep.com.pl

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010

121

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: