Lab. 7 - wnioski.doc

12.            AGREGATY MASZYNOWE

12.1.           WPROWADZENIE

Jak wiadomo, w równaniu ruchu układu drgającego po jednej stronie występuje suma iloczynów masy i przyspieszenia, współczynnika tłumienia i prędkości oraz sztywności i przemieszczenia. Po drugiej stronie równania może wystąpić zero - wtedy mamy do czynienia z drganiami swobodnymi, albo zmienną siłą wymuszającą, wtedy i drgania są wymuszone. Rozpatrując model

mx" + cx' + kx = Fo cos 2 π fo t

i uwzględniając:

-          wpływ masy na wartość częstotliwości rezonansowej drgań własnych

-          wpływ współczynnika tłumienia na wielkość amplitudy drgań w rezonansie oraz

-          wpływ sztywności mocowania maszyny do jej fundamentów,

dojdziemy do niezbyt pocieszającego wniosku, że w warunkach przemysłowych, w celu zmniejszenia nadmiernego poziomu występujących drgań, nie jesteśmy w stanie w istotny sposób zmienić takich cech konstrukcyjnych maszyny jak masa układu drgającego, wielkość współczynnika tłumienia czy też sztywność układu wirnik (zespół wirników) - podpory łożyskowe.

Masa i sztywność.

Czynione próby zwiększenia masy układu drgającego (obłożenie korpusu turbiny workami z balastem) potwierdziły zależności fizyczne rządzące tym zjawiskiem, jednakże nie mogą i nie powinny być one stosowane w praktyce, podczas normalnej eksploatacji (np. wylewanie podstawy korpusu silnika wentylatora zaprawą cementową przy braku utwierdzenia śrub kotwowych, o czym poniżej). Każda z maszyn pracuje stojąc na odpowiednim fundamencie, tworząc wraz z nim całość układu drgającego. Stąd wynika sprawa właściwego połączenia korpusu maszyny z jej fundamentem, wszelkie zakłócenia sztywności w tym węźle/węzłach odbijają się niekorzystnie na stanie dynamicznym pracującego układu.

Współczynnik tłumienia.

Zależy od wielu parametrów technicznych samej konstrukcji, użytych materiałów konstrukcyjnych, eksploatacyjnych itp., czego też bardzo łatwo zmienić nie można.

Eksploatacyjna prędkość obrotowa.

Ewentualne próby jej zmiany (odejście od właściwych układowi wirnik-podpory łożyskowe zakresów częstotliwości rezonansowych) są najczęściej również niemożliwe - np. konieczność pracy przy częstotliwości 50Hz.

Siła wymuszająca - niewyważenie.

Tak więc z występujących w równaniu ruchu parametrów możemy mieć wpływ tylko na wielkość siły wymuszającej, a w naszym przypadku wielkość siły odśrodkowej, czyli (stałą roboczą prędkość obrotową) niewyważenia.

Właściwa geometria wirującego układu drgającego.

To niezwykle ważna domena ekip remontowych - nawet gdyby zastosować zwiększenie masy układu drgającego czy też niemalże idealnie wyważyć wirniki, to i tak nie usuniemy w ten sposób skutków niedbale przeprowadzonego remontu. Próbując taką metodą obniżyć poziom drgań, nie usuniemy właściwej przyczyny pogorszonego stanu technicznego maszyny (spotyka się nieraz pogląd, że wyważanie można zaaplikować niemalże przy każdej okazji podwyższonego stanu dynamicznego maszyny jako panaceum na wszelkie dolegliwości - np. na kategoryczne życzenie właściciela maszyny podjęto beznadziejną próbę wyważenia wirnika w celu obniżenia temperatury grzejącego się łożyska o zbyt małych luzach).

12.2.           FUNDAMENTY

12.2.1.      Analiza amplitudowo-fazowa śrub kotwowych i płyt fundamentowych, diagnoza.

Jak już wyżej wspomniano, bardzo ważnym elementem maszyny jako układu drgającego jest jej powiązanie z fundamentem. Podczas eksploatacji różne maszyny są otaczane opieką na różnym, niestety, poziomie technicznym; nierzadko można się spotkać w praktyce, że maszyny mniej odpowiedzialne są mocno zaniedbane. Zdarza się też, że od diagnostyka żąda się przeprowadzenia wyważenia wirnika, mimo, że obraz drgań wyraźnie na to nie wskazuje. Mając pewność co do prawidłowego osiowania wirników warto się wtedy przyjrzeć dokładnie, jak maszyna połączona jest z jej fundamentem (często należy te miejsca samemu dokładnie oczyścić); powierzchowne oględziny mogą dać od razu pogląd co do stanu utwierdzenia śrub kotwowych, dbałości właściciela itp. Dla pewności można (a nawet należy) przeprowadzić analizę amplitudową (zaś dysponując odpowiednią aparaturą również i analizę fazową) drgań śrub kotwowych. Mierzy się w tym przypadku drgania pionowe (oraz kąty fazowe w kierunku pionowym) elementów poszczególnych węzłów mocowania z fundamentem - śrub, korpusu lub łap fundamentowych maszyny oraz samego fundamentu w bezpośrednim sąsiedztwie każdego z nich (prawidłowo prowadzona dokumentacja w trakcie takich pomiarów ma kapitalne znaczenie dla ich poglądowości, co sprzyja wnioskowaniu diagnostycznemu). Drgania pionowe dobrze utwierdzonej w fundamencie śruby, napiętej ponadto nakrętką, nie powinny różnić się istotnie od drgań fundamentu. Korpus czy łapy fundamentowe maszyny "mają prawo" do nieco wyższego, np. o 30%, poziomu drgań w stosunku do fundamentu. Wynik pomiaru kąta fazowego pomiędzy poszczególnymi węzłami mocowania maszyny z fundamentem rozwiewa w zasadzie wszelkie wątpliwości.

Generalnie można tu wyodrębnić trzy podstawowe przypadki uszkodzeń, choć życie bywa bardziej skomplikowane i mamy najczęściej do czynienia z ich superpozycją:

1.       Poziom drgań śruby kotwowej i fundamentu, jak i kąty fazowe tych drgań, można przyjąć za takie same, różnią się od nich istotnie parametry drgań korpusu/łapy, poziom drgań jest wyższy (nieraz dwukrotnie i więcej) - prawdopodobnie występuje brak naciągu na śrubie (czasem pomiędzy śrubę i korpus wchodzą "wyższe numery" szczelinomierza).

2.       Poziom drgań śruby kotwowej i korpusu maszyny, jak i kąty fazowe tych drgań, można przyjąć za takie same, różnią się od nich istotnie parametry drgań fundamentu, poziom drgań korpusu i śruby jest wyższy - prawdopodobnie śruba straciła utwierdzenie w fundamencie, przywarła do korpusu i drga razem z nim.

3.       Poziomy drgań śruby kotwowej, korpusu maszyny i fundamentu są podwyższone, często różne, kąty fazowe tych drgań różnią się od siebie w sposób przypadkowy - prawdopodobnie śruba utraciła utwierdzenie, nie trzyma się korpusu i każdy z tych elementów drga niezależnie od innych.

Należy też mieć tu na uwadze wzajemny wpływ sąsiadujących ze sobą węzłów mocowania korpusu z fundamentem; każdy z nich może być w rożnym stopniu uszkodzony, jak i też w różnym stopniu obciążony, przenosząc część obciążenia sąsiada.

Zdarza się czasem, ze pęknie płyta fundamentowa. Przy podejrzeniu takiego rodzaju uszkodzenia należy wykonać pomiary amplitudowo-fazowe drgań pionowych płyty fundamentowej przy dość gęstej sieci pomiarowej; w oparciu o dokumentację techniczną punkty pomiarowe należy rozmieszczać w węzłach maszyna-fundament, jak również i pomiędzy nimi. Jeśli maszyna stoi na słupach, należy również je przebadać (na słupach oczywiście poziomy kierunek pomiaru drgań). Nieciągłość materiału płyty objawia się albo dużą różnicą poziomu drgań, albo kąta fazowego, albo jednoczesną różnicą obu tych parametrów w punktach pomiarowych położonych bezpośrednio przy krawędzi pęknięcia - stosując powyższą analizę można wyznaczyć jej przebieg.

12.2.2.      Wpływ nierównomiernego osiadania fundamentów na stan dynamiczny maszyny, pomiary geodezyjne.

Wspomniano powyżej, jak istotna jest prawidłowa geometria wirującego układu drgającego na poziom drgań. Ustalona w trakcie remontu optymalna linia wałów może ulec zakłóceniu m.in. poprzez nierównomierne osiadanie fundamentów maszyny (wymywanie przez wody gruntowe, znikoma dystrybucja wielkości ziaren piasku itp.). Dlatego też wielce pomocne są okresowe pomiary geodezyjne, mające na celu wykrycie i obserwację różnic niwelacyjnych poszczególnych podparć maszyny (dużej i odpowiedzialnej). Porównując je z okresowymi pomiarami drgań oraz nowymi wartościami optymalnej linii wałów można wykryć powolne, nierównomierne osiadanie fundamentów, odróżnić je od wpływów termicznych i odpowiednio wcześnie mu zapobiegać (zastrzyki scalające grunt, ekrany zmieniające kierunek napływu wód gruntowych itd.) - aby się ustrzec przed nieoczekiwanym, gwałtownym, nierównomiernym i dość dużym przemieszczeniem płyty fundamentowej (jakie się zdarzyły).

12.3.           WYWAŻANIE

Podstawową pozycją książkową w tej dziedzinie jest "Wyważanie elementów wirujących" ŁĄCZKOWSKI R. WNT W-wa 1979 [2].

12.3.1.      Typowy obraz drgań - symptomy w widmie wibracyjnym - przy znacznym niewyważeniu wirnika/wirników maszyny.

Ze względu na konstrukcję podpór łożyskowych, tzn. na ich najmniejszą sztywność w kierunku poziomym, prostopadłym do osi wirowania wirnika, ten kierunek najczęściej wybiera się jako punkt pomiarowy, w którym niewyważenie objawia się najszybciej i najsilniej. Niewyważenie wirnika/wirników maszyny objawia się przede wszystkim bardzo wyraźnym wzrostem wielkości pierwszej harmonicznej w widmie wibracyjnym tego kierunku. Z natury rzeczy niewyważenie nie wpływa na poziom drgań osiowych, należy jednakże pamiętać, ze przy znacznej wielkości niewyważenia pogarsza się wydatnie ogólny stan dynamiczny maszyny, następują duże odkształcenia elementów, naruszona zostaje prawidłowa geometria itd., stąd też możliwość podniesienia się poziomu drgań, mierzonych w kierunkach innych niż radialny (np. sztywność łożysk wirników generatorów jest stosunkowo mała w kierunku osiowym). Ponieważ wielkość siły odśrodkowej zależna jest od drugiej potęgi prędkości obrotowej niewyważonego wirnika, bardzo łatwo jest potwierdzić podejrzenie o niewyważenie wirnika badając stan dynamiczny maszyny podczas jej rozbiegu i wybiegu. Okresowe badania stanu dynamicznego wraz z zarejestrowanymi widmami oraz kątami fazowymi pozwalają na wczesne rozpoznanie i obserwacje wzrastającego niewyważenia - teoretycznie kąty fazowe dla kierunku poziomego na obu podporach tego samego wirnika nie powinny się różnić miedzy sobą. Rozważając to zjawisko należy jednak mieć na uwadze niekoniecznie liniowe zależności wielkości mierzonych drgań od wielkości niewyważenia wirnika. Prowadzone były próby prowadzenia trendów zmian kąta fazowego w celu określenia zmian kierunku wektora niewyważenia. Nie zdały jednak one egzaminu, bowiem na kąt fazowy wpływ ma wiele czynników, z reguły też zmienia się on po każdym remoncie.

12.3.2.      Wyważanie jedno- i dwupłaszczyznowe.

Ogólna tendencja i polityka remontowa nakazują, aby możliwie jak największą ilość wirników wyważać na miejscu ich eksploatacji (skrócenie czasu przestoju, uniknięcie kosztów i ryzyka transportu itd.). Niemniej jednak, jeśli zachodzi konieczność wyważenia wyższych postaci drgań własnych wirnika albo konieczność jego odwirowania (np. po przełopatkowaniu - wymianie części lub wszystkich łopatek w jednym lub wielu stopniach wirnika turbiny, po wymianie uzwojenia), dokonuje się tego na specjalnych stanowiskach i przy zachowaniu odpowiednich parametrów technicznych - najczęściej u producenta wirnika. Przystępując do wyważania należy zdać sobie sprawę z przydatności danego wirnika do wyważania statycznego czy też dynamicznego (wirniki sztywne i wirniki gibkie) oraz konieczności stosowania jednej czy też dwu płaszczyzn korekcji (czasem wirniki dużych turbin mają dodatkową płaszczyznę do zamocowania ciężarka wyważającego niewyważenie statyczne, usytuowaną w połowie wirnika) [2] str. 124.

Jeśli chodzi o ilość płaszczyzn korekcji, to w praktyce wyważania wirników na miejscu ich eksploatacji spotkać się można z dwoma płaszczyznami korekcji w przypadku wirników gibkich (turbin i generatorów, czasem trudny przypadek wentylatora) - inne wirniki wyważa się jednopłaszczyznowo. W łożyskach własnych i przy prędkości eksploatacyjnej z zastosowaniem dwu płaszczyzn korekcji dwupłaszczyznowo wyważa się w zasadzie tylko gibkie wirniki generatorów.

Spotyka się też czasem tzw. "doważanie". Polega to na świadomym (mam nadzieję) "wyważaniu" wirnika bez odkrywania korpusu maszyny. Przeprowadza się zwykły cykl wyważania mocując ciężarki w płaszczyźnie położonej np. w pobliżu sprzęgła głównego (czasem na nim samym) zamiast w płaszczyźnie korekcji przewidzianej przez konstruktora (najczęściej niedostępnej podczas eksploatacji wirnika). Chodzi tu o pewną poprawę stanu dynamicznego maszyny na danym łożysku (amplitudy drgań na tym łożysku wprowadza się do obliczeń) kosztem powiększenia niewyważenia quasi-statycznego "wyważanego" wirnika i pogorszenia stanu dynamicznego na łożyskach sąsiednich - stosuje się to w przypadku, gdy "ze względów ruchowych" nie można odstawić maszyny do remontu przed zaplanowanym dalszym terminem.

12.3.3.      Stosowane metody wyważania wirników na miejscu ich eksploatacji.

12.3.3.1. Wyważanie jednopłaszczyznowe.

A więc, poza wyważaniem statycznym (na pryzmach - jawne, ukryte - wykonywane przez brygady remontowe wyważanie wirników pomp), w większości przypadków mamy do czynienia z wyważaniem jednopłaszczyznowym w zastosowaniu do wirników sztywnych, np. wirników wentylatorów, wyważanych w łożyskach własnych przy prędkościach eksploatacyjnych. Dla wirników gibkich stosuje się na niskoobrotowych wyważarkach rezonansowych (tzw. wyważanie na gumach) wyważanie jednopłaszczyznowe-wahadłowe z korekcją mas. Polega ono na zakleszczaniu każdego z łożysk wyważarki osobno i zastosowaniu do każdej płaszczyzny korekcji niżej opisanej metody trzech uruchomień. Dla każdej płaszczyzny wyznacza się masę ciężarka wyważającego, a następnie dodatkowo dla pierwszej z nich masę ciężarka dodatkowego, uwzględniającego wzajemny wpływ płaszczyzn korekcji [2] str. 224.

Metoda amplitudowa trzech uruchomień próbnych.

Zakłada się, ze amplituda drgań łożyska jest wprost proporcjonalna do wartości niewyważenia zlokalizowanego w płaszczyźnie korekcji położonej bliżej tego łożyska. Najczęściej stosowana - jedno uruchomienie wstępne (wirnik w stanie zastanym, niewyważenie początkowe), trzy uruchomienia z ciężarkiem próbnym, po czym z wykresu kołowego (trójkąty wektorów niewyważeń [2] str. 231) wyznacza się masę ciężarka wyważającego, mocuje się ten ciężarek i przeprowadza uruchomienie sprawdzające. Nierzadko się zdarza, że z powodu nieliniowej zależności amplitudy mierzonych drgań od wielkości niewyważenia, całą procedurę należy parokrotnie powtórzyć - dotyczy to zarówno sztywnych wirników wentylatorów, wyważanych w łożyskach własnych i przy prędkościach eksploatacyjnych, jak i gibkich wirników turbin czy generatorów, wyważanych na niskoobrotowych wyważarkach rezonansowych.

Dla wyważania wirników wentylatorów w łożyskach własnych i przy prędkościach eksploatacyjnych stosuje się proste mierniki drgań. W konstrukcjach wentylatorów występują różne układy wirnik-wał, jak np. wirnik obustronnie podparty - wał podparty na dwóch łożyskach, wirnik umieszczony jest pomiędzy łożyskami; wirnik jednostronnie przewieszony - wał podparty jw., wirnik "zwisa" z jednej strony wału poza łożyskami, czy też wirniki dwustronnie przewieszone - jw., lecz dwa wirniki "zwisają" poza łożyskami po każdej stronie wału. Z reguły przy każdym uruchomieniu mierzy się poziom drgań na wszystkich łożyskach i we wszystkich kierunkach (jak dla pomiarów okresowych), do obliczeń i wykresów brane są wielkości drgań z kierunku poziomego łożyska wentylatora o wyższym poziomie drgań; nie od rzeczy jest sprawdzić całą procedurę dysponując wynikami pomiarów z łożyska drugiego. Ciężarki próbne i wyważające umieszcza się na śrubach (masa śruby wchodzi w skład masy ciężarka) w otworach wykonanych (często palnikiem) pomiędzy łopatkami wentylatora na tym samym promieniu. Różnie jest z dostępem i wygodą pracy, tym bardziej ważne jest tu absolutne zabezpieczenie przed przypadkowym i niezamierzonym uruchomieniem maszyny.

Metoda amplitudowo-fazowa.

Zakłada się dodatkowo, że wartość opóźnienia fazowego, tj. kąta fazowego pomiędzy wektorem niewyważenia a maksimum amplitudy drgań wywołanych tym niewyważeniem, dla danej prędkości obrotowej jest stała i nie zależy od wielkości niewyważenia. Dla wentylatorów - wymaga zastosowania analizatora drgań dla filtracji pierwszej harmonicznej celem pomiaru opóźnienia fazowego, amplituda drgań reprezentuje wielkość niewyważenia (założenie liniowości). Dokonuje się pomiaru drgań i kąta fazowego przy zastanym niewyważeniu początkowym (najlepiej jak dla pomiarów okresowych, z uwagami jak dla metody amplitudowej), następnie z ciężarkiem próbnym, wyznacza się masę ciężarka wyważającego z wykresu kołowego i po zamocowaniu tego ciężarka przeprowadza się uruchomienie sprawdzające. Metoda ciekawa i ekonomiczna - znając po pewnym czasie charakterystyczną dla danej maszyny lub grupy maszyn zależność wielkości niewyważenia od masy ciężarka wyważającego oraz stałą wartość opóźnienia fazowego, można się pokusić o wykonanie wyważania bez ruchu z ciężarkiem próbnym. Niestety, metoda ta jest mało popularna wśród techników wyważających wentylatory, może ze względu na konieczność prowadzenia dokumentacji z pomiarów itp.; występują też na pewno ograniczenia możliwości sprzętowych.

12.3.3.2. Wyważanie dwupłaszczyznowe.

Metoda translacyjno-rotacyjna.

Opiera się na założeniach metody trzech uruchomień i wykorzystuje zjawisko rezonansów układu wirnik-podpory łożyskowe (wirnik podparty elastycznie), zachodzących zazwyczaj poniżej 300 obr/min, a wiec przy stosunkowo niskich prędkościach obrotowych. Ruch translacyjny wirnika zachodzi przy rezonansie statycznym, a ruch rotacyjny przy rezonansie momentowym (przy prędkości obrotowej około dwukrotnie wyższej od prędkości obrotowej rezonansu statycznego). (Rezonans wywołany ciężarem własnym wirnika - rezonans statyczny; rezonans wywołany giętnymi drganiami własnymi układu wirnik-podpory łożyskowe - rezonans momentowy [1] str. 66). Jest to wykorzystanie metody trzech uruchomień próbnych do wyważania wirników gibkich na gumach, z tym, że wszystkie ciężarki rozkłada się odpowiednio na dwie płaszczyzny korekcji z uwzględnieniem różnicy promieni ich mocowania (np. wirniki turbin). Bardzo często stosowana.

Metoda amplitudowo-fazowa.

Założenia liniowości jak w metodach powyższych (liniowa zależność amplitudy drgań łożyska od wartości niewyważenia zlokalizowanego w płaszczyźnie korekcji położonej bliżej tego łożyska; wartość opóźnienia fazowego, tj. kąta fazowego pomiędzy wektorem niewyważenia a maksimum amplitudy drgań wywołanych tym niewyważeniem, dla danej prędkości obrotowej jest stała i nie zależy od wielkości niewyważenia). W zastosowaniu do wirników generatorów wyważanie tą metodą wykonuje się bez demontażu wirnika z maszyny. Istnieje cała skomplikowana procedura przeprowadzenia takiego wyważania, konieczna jest też tu koordynacja ze służbami ruchu elektrowni. Przy pomocy analizatora drgań mierzy się odfiltrowaną pierwszą harmoniczną drgań łożysk generatora, mierzonych w kierunku poziomym (a przy okazji poziom drgań we wszystkich innych kierunkach) oraz kąty fazowe. Przeprowadza się trzy uruchomienia, jedno z zastanym na wirniku niewyważeniem początkowym i dwa z tym samym ciężarkiem próbnym, umieszczonym za każdym razem na tej samej tworzącej walca wirnika, lecz w dwóch różnych płaszczyznach korekcji. Następnie przy pomocy obliczeń i wykresu kołowego wyznacza się masę ciężarka wyważającego i przeprowadza się uruchomienie sprawdzające. Istnieją skomputeryzowane systemy pomiaru i analizy drgań z oprogramowaniem na wyważanie wielopłaszczyznowe.

12.3.4.      Klasy wirników i związane z tym dokładności ich wyważania.

W praktyce mamy do czynienia z różnorodną konstrukcją i przeznaczeniem maszy...