„ŚCIEśKI POMIAROWE” DO POMIARU DRGAŃ WZGLĘDNYCH ??ŚCIEśKI POMIAROWE” DO POMIARU DRGAŃ WZGLĘDNYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH ... Dalsze przetwarzanie sygnału to ... dzielić sygnałw pochodzących od

  • Published on
    08-Feb-2018

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

<ul><li><p>Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 81/2009 55</p><p>Sawomir Szymaniec Politechnika Opolska, Opole </p><p> CIEKI POMIAROWE DO POMIARU DRGA WZGLDNYCH </p><p>W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH </p><p>MEASUREMENT PATHS USED TO MEASURE RELATIVE VIBRATIONS IN ELECTRIC MACHINES </p><p> Abstract: The article presents the problem of preparing measurement surfaces, the so-called measurement paths of electric machine rotors to measure relative vibrations. Measurement of relative vibrations of the rotor shaft is recognised as the most diagnostically useful measurement of machines on slide bearings. Contactless eddy-current sensors used to the measurements are sensible to local mechanical, physiochemical and mag-netic anomalies of surface layer of the shaft. The sensors can result in serious interference in measurement of relative vibrations referred to as the runout. Because the runout has two principal sources: the magnetic and the electromagnetic source, there is the mechanical runout and electrical runout. The author carried out own tests to reduce the runout. Reduction of the mechanical and the electric runout suc-ceeded as a result of the following actions: 1. On the shaft of the motor, one has to precisely determine the location of the so-called measurement paths, </p><p>i.e. places that will be visible to relative vibration sensors; beforehand, the place of eddy-current sensors in the motor needs to be anticipated very precisely. The places should be metrologically correct. For ex-ample, these should not be nodal points of the rotor; they have to be freely accessible during motor opera-tion, etc. </p><p>2. Initially deviations in shape of the shaft should be reduce, eliminating burrs, roughness, scratches, indenta-tions, whipping in places expected as measurement paths. It is worth bringing about reduction of shaft whipping while it is rotating in a turning lath to the level of 0.5/1001/100 mm. Further reduction of the mechanical runout, reduction of residual stresses, heterogeneity of the structure of shaft surface layer, reduction of the electrical runout, i.e. reduction of residual magnetic field is obtained by successive surface roller burnishing. It is done using a diamond burnisher during slow shaft rotations on a turning lathe. </p><p>1. Wstp W oparciu o wieloletnie dowiadczenie prak-tyczne w eksploatacji i diagnostyce maszyn elektrycznych autor stwierdza, e do najwa-niejszym rde informacji o ich stanie dyna-micznym naley obserwacja zachowania si wirnika maszyn bezporednio w wzach oys-kowych lub w pobliu wzw. Najczciej wy-stpujce niedomagania maszyn wirujcych na oyskach lizgowych to niewyrwnowaenie, luzy, nieosiowo, przycieranie. Niedomagania te wpywaj bezporednio na dynamik wirnika i na pooenie czopa wau w oysku [4, 7, 8, 12, 13, 14]. Do pomiaru drga maszyn wiru-jcych w tym elektrycznych dla celw diagno-stycznych najczciej stosuje si: czujniki drga bezwzgldnych (piezoelektryczne, elektrody-namiczne) oraz czujniki drga wzgldnych (wi-roprdowe, wiatowodowe). Czujnikami drga bezwzgldnych mierzy si najczciej szybkie ruchy obudowy oyska lub innego elementu drgajcego maszyny wzgldem nieruchomego </p><p>punktu odniesienia. Pomiary mona wykony-wa w rnych kierunkach. Czujniki drga bezwzgldnych s czujnikami stykowymi. Czujnikami drga wzgldnych, ktre s bez-stykowe mierzy si ruchy wau wirnika wzgl-dem panewki oyska. Pomiary wykonuje si najczciej przy pomocy dwch czujnikw umieszczonych tak, e pomidzy nimi jest kt 90o. Pomidzy czujnikami i paszczyzn piono-w podziau oyska jest kt 45o. Standardowy pomiar drga bezwzgldnych maszyny jest sto-sunkowo atwy do realizacji. Pomiar poprzedza najczciej prosty i szybki monta (w zaleno-ci od konstrukcji maszyny) czujnikw do obu-dowy oysk, do stojakw oyskowych, bd do korpusu maszyny. Drgania bezwzgldne s obciane swoist skaz. Uwzgldniaj one drog przejcia sygnau drganiowego od wau przez warstw oleju na obudow. Sygna drga bezwzgldnych zawiera informacje o stumio-nym przez film olejowy sygnale drga wau sil-</p></li><li><p>Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 81/2009 56</p><p>nika. Oznacza to, e dla diagnostyki silnikw na oyskach lizgowych, korzystniejsze jest dla wikszoci przypadkw anomalii pracy, anali-zowanie drga wzgldnych wau anieli drga bezwzgldnych obudw oysk. </p><p>2. Wiroprdowe czujniki drga wzgld-nych czujniki zblieniowe Ukad czujnika wiroprdowego rys. 1 tworz: czujnik waciwy oraz przetwornik [13, 5]. Czujnikiem waciwym jest cewka indukcyjna osadzona w tulei stalowej tak aby w prosty spo-sb mona byo j zamontowa na badanej ma-szynie. Cewk umieszcza si w osonie nie przewodzcej prdu. Przetwornik pomiarowy tworz oscylator w.cz. i detektor rys. 2. Po-jemno kabla koncentrycznego C oraz induk-cyjno cewki czujnika L tworz obwd rezo-nansowy oscylatora. Elektronik przetwornika umieszcza si w metalowej ekranowanej obu-dowie, ktr umieszcza si w niewielkiej odle-goci od miejsca pomiaru. Czujnik umieszcza si w odlegoci kilku mm od wau maszyny ktrej drgania wzgldne mierzymy. Wraz z przemieszczaniem si wau (wa wiruje) zmia-nie si szczelina powietrzna, co skutkuje zmia-n dobroci Q obwodu rezonansowego. Propor-cjonalnie do Q zmienia si amplituda napicia </p><p> Rys. 1. Zasada dziaania czujnika wiroprdo-</p><p>wego schemat pogldowy [13] </p><p> Rys. 2. Schemat blok. czujnika wiroprdowego </p><p>w.cz. oscylatora w przetworniku. Mamy modu-lacj amplitudy sygnau nonego, sygnaem proporcjonalnym do szerokoci szczeliny. Os-cylator przetwornika ma czstotliwo okoo 0,5 MHz, co umoliwia dokadne uwidocznie-</p><p>nie skadowej modulujcej w zakresie 010 kHz. Dalsze przetwarzanie sygnau to demodulacja, filtracja i normalizowanie syg-nau. W efekcie kocowym otrzymujemy syg-na proporcjonalny do zmian w czasie chwilowej szerokoci szczeliny pomidzy wa-em a czujnikiem. </p><p>3. Runout </p><p>Czujniki drga wzgldnych wiroprdowe o kt-rym bya mowa w pkt. 2 nie s pozbawione wad [15, 13, 14]. Podstawowa wada, bdca gw-nym ograniczeniem w ich stosowaniu wynika z zasady ich dziaania. Wspomniane czujniki zbli-eniowe mierz odlego od wau bezpored-nio obserwujc powierzchni drgajcego wau. Uwarunkowaniem jego pracy jest jako tej powierzchni, oraz magnetyczne otoczenie czujnika. Wiroprdowy czujnik zblieniowy mierzc drgania wzgldne nie jest w stanie roz-dzieli sygnaw pochodzcych od rzeczywis-tych drga wzgldnych wau od sygnaw po-chodzcych od mechanicznej nierwnomierno-ci powierzchni wau, jego geometrycznych uchybie i ewentualnego namagnesowania. Wszelkie zakcenia towarzyszce niekorzys-tnie jego pracy nosz nazw RUNOUT lub GLITCH [13,]. Glitch to okrelenie wprowa-dzone przez amerykask firm Bently Nevada Corporation i stosowane gwnie w USA. W Europie stosuje si okrelenie runout. Na ca-kowity runout skadaj si [15, 13, 14]: </p><p>1. Runout geometryczny, zwany czsto mecha-nicznym (niejednorodno geometryczna po-wierzchni wau, chropowato, wklsoci wy-pukoci). 2. Runout elektryczny (pochodzcy od zmian rezystancji materiau z ktrego wykonana jest powierzchnia wau). 3. Runout magnetyczny (pochodzcy od nama-gnesowania powierzchni wau). </p><p>Runout jest czynnikiem niekorzystnym i niepo-danym. Obarcza wiarygodno pomiaru drga wzgldnych wau maszyny. Wpywa nie-korzystnie na ocen stanu dynamicznego wir-nika maszyny. Naley go w miar moliwoci eliminowa lub ogranicza. Bardzo czsto w praktyce przemysowej runout elektryczny i magnetyczny s traktowane cznie i nazy-wane zamiennie runout magnetyczny lub elektryczny. Do identyfikacji runoutu suy taki sam ukad pomiarowy jaki jest nastpnie wykorzystywany do pomiaru drga wzgl-</p></li><li><p>Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 81/2009 57</p><p>dnych. Naley zwrci uwag na prdko wau podczas pomiaru. Prdko nie powinna przekracza 600 obr/min [15]. W literaturze mona te spotka informacj, e zalecany jest pomiar przy prdkoci 200 obr/min lub rwnej 10% pierwszej prdkoci krytycznej [15]. </p><p>4. Wymagania wobec cieek Obecnie w kraju, w Europie i w USA obowi-zuj nastpujce zalecenia i normy w stosunku do wymaga na przygotowanie powierzchni waw maszyn do pomiaru drga wzgldnych czujnikami wiroprdowymi: I. W kraju: Wytyczne ABB Zamech Ltd Elblg (Przygotowanie powierzchni wau turbiny do pomiaru drga wzgldnych czujnikami wiro-prdowymi), wytyczne ALSTOM, (Przygoto-wanie powierzchni wau do pomiarw czujni-kami wiroprdowym), ktre s tosame z wy-maganiami normy europejskiej ISO 7919 Me-chanical vibration of nonreciprocating machines - Measurements on rotating shafts and evalu-ation criteria [9]. Wymagania te s nastpujce: </p><p>1. Indukcja magnetyczna w miejscu cieki czyli tzw. namagnesowanie, nie moe przekra-cza 5 Gs ( Gausw), czyli 0,5 mT (miliTesli). 2. Dopuszczalna warto runoutu cakowitego, odczytana w m jako warto peak-to-peak (warto midzyszczytowa odczytana z wy-kresu runoutu) jak w tabeli 1 </p><p>II. Norma API 670, Second edition, Section 4.1.2: Machine Shaft Requirements for Electri-cal and Mechanical Runout [11], ktra </p><p>obowizuje w USA, dopuszczaln warto ru-noutu cakowitego, odczytan w m jako war-to peak-to-peak (warto midzyszczytowa odczytana z wykresu runoutu) okrela jako mniejsz od 6 m dla maszyn szybkoobro-wych. Wymg ten jest niekiedy okrelany jako </p><p>25% maksymalnej wartoci drga dopuszczal-nych dla danego typu maszyny. </p><p>5. Badania wasne Autor w ramach bada wasnych wraz z zes-poem podj si przygotowania kilku waw do pomiarw drga wzgldnych, ograniczajc wczeniej ich runout mechaniczny i elektryczny na drodze zastosowania odpowiedniej techno-logii obrbki waw [13, 68, 10, 14] - rys.3. Z waami eksperymentowano, poddajc je coraz dokadniejszej obrbce mechanicznej (toczenie, szlifowanie, polerowanie, nagniatanie). Wszystkie te zabiegi prowadzono kontrolujc jako powierzchni waw czujnikami do po-miarw drga wzgldnych w ukadzie pomia-rowym przedstawionym na rys. 3. Ograniczenie runoutu mechanicznego i elek-trycznego udao si uzyska drog nastpuj-cych dziaa [12] rys. 46: </p><p>1. Trzeba precyzyjnie okreli na wale silnika pooenie tzw. cieek pomiarowych czyli miejsc, ktre bd widziane przez czujniki drga wzgldnych, naley wczeniej bardzo dokadnie przewidzie miejsca montau czujni-kw wiroprdowych w silniku. Miejsca te po-winny by metrologicznie poprawne. Przy-kadowo nie powinny to by punkty wzowe wirnika, musi by do nich swobodny dostp w czasie pracy silnika, itp. </p><p>2. Naley wstpnie ograniczy bdy ksztatu wau, eliminujc zadziory, chropowato, rysy, wgniecenia, bicie w miejscach przewidzianych na cieki pomiarowe. Korzystnie jest dopro-wadzi do ograniczenia bicia wau w czasie jego obrotw w tokarce do poziomu 0,5/1001/100 mm. </p><p>3. Dalsze ograniczenie runoutu mechanicznego, ograniczenie napre szcztkowych, niejedno-rodnoci struktury wierzchniej warstwy wau, ograniczenie runoutu elektrycznego, ogranicze-czenie resztkowego pola magnetycznego uzys-kuje si przez kolejne nagniatanie powierz-chniowe toczne [6, 10]. Przeprowadza si to dogniatakiem diamentowym w czasie wolnych obrotw wau na tokarce [13]. Wyniki pomia-rw nierwnomiernoci powierzchni cieek pomiarowych runoutu mechanicznego i runo-utu elektrycznego czyli runoutu cakowitego widziane przez czujnik drga wzgldnych dla kolejnych etapw przygotowania powierzchni wau przedstawiono na rys. 7. Efektem koco-wym tego przygotowania byo uzyskanie </p></li><li><p>Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 81/2009 58</p><p> Rys. 3. Przygotowanie wau do pomiarw drga </p><p>wzgldnych, szkic ukadu do wykonywania i ko-</p><p>ntroli jakoci cieek pomiarowych </p><p>Rys. 4. Przygotowanie wau silnika do pomia-</p><p>rw drga wzgldnych, strona napdowa, wy-</p><p>konywanie cieek pomiarowych </p><p> Rys. 5. Przygotowanie wau silnika do pomia-</p><p>rw drga wzgldnych, strona napdowa, wy-</p><p>konywanie cieek pomiarowych, widok na do-</p><p>gniatak diamentowy </p><p>po dokadnej obrbce mechanicznej na tokarce i po trzykrotnym przejciu dogniataka diamen-</p><p>towego (zmniejsza runout mechaniczny i ru-nout elektryczny), powierzchni wau o runoucie cakowitym 4 m wartoci midzyszczytowej i namagnesowaniu 5 Gs. Takie wartoci kwali-fikuj wg wiedzy autora powierzchni wau do pomiarw jego drga wzgldnych wg najbar-dziej wymagajcych standardw. W ocenie wasnej autora przygotowanie po-wierzchni waw silnikw elektrycznych do ewentualnych pomiarw ich drga wzgldnych w warunkach krajowych jest moliwe. Wymaga szeregu dziaa logistycznych i technologicz-nych wspartych dobr znajomoci aparatury pomiarowej i rozwiza szczegowych samego napdu. </p><p> Rys. 6. Przygotowanie wau silnika do pomia-</p><p>rw drga wzgldnych, strona napdowa, wy-</p><p>konywanie cieek pomiarowych, widok na wir-</p><p>nik </p><p> Rys. 7. Wynik pomiaru runoutu cakowitego </p><p>przykadowej cieki pomiarowej na wale po </p><p>kolejnych operacjach technologicznych, pomiar </p><p>w rodku cieki o szerokoci 32 mm w funkcji </p><p>kta obrotu wau </p><p>Ograniczenie czy likwidacj runoutu na waach w obrbie cieek pomiarowych mona wyko-na rwnie innymi metodami. Informacje na ten temat podano w literaturze [2]. Kolejna </p><p>cieka pomiarowa </p><p>oyska lizgowe </p><p>dogniatak diamentowy </p><p>czujnik czujnik dogniatak diamentowy </p><p>cieka pomiarowa </p><p>TOKARKA </p><p>PRZETWORNIK PRZETWORNIK </p><p>ANALIZATOR dwukanaowy </p><p> w czasie rzeczywistym </p><p>REJESTRATOR XY </p><p>KOMPUTER </p><p>Warto midzyszczytowa 14m, </p><p>po 1 przejciu dogniataka </p><p>Warto midzyszczytowa 6m, </p><p>po 2 przejciu dogniataka </p><p>Warto midzyszczytowa 4m, </p><p>po 3 przejciu dogniataka </p><p>1 obrt wau 1 dziaka = 1m </p></li><li><p>Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 81/2009 59</p><p>metoda to pokrycie wau na caym obwodzie specjalnym stopem miedzi co zdaniem autora stanowi powan trudno. Moliwe jest rw-nie ograniczenie runoutu przez specjaln ob-rbk sygnau pochodzcego z czujnikw drga wzgldnych. W tym celu, w czasie obracania wau maszyny (np. w obracarce) wyznacza si tak zwany wektor znieksztace wau dla kadego pooenia ktowego wau. Wektor ten jest na bieco odejmowany od sygnau pochodzcego z czujnikw drga wzgldnych podczas pracy maszyny. Metoda ta zdaniem autora wymaga ogromnego dowiadczenia praktycznego, a przy braku takowego prowadzi do bdnej interpretacji wynikw pomiarw. Ilustracj wykorzystania do pomiarw wiro-prdowych, bezstykowych, zblieniowych czuj-nikw drga wzgldnych z jakimi w praktyce mia do czynienia autor niech bd dwa nast-pujce ciekawe przykady: 1. Silnik o mocy 3,6 MW, 3000 obr/min, na o-yskach lizgowych poddano kapitalnemu re-montowi. Remont obejmowa midzy innymi wymian stojakw oyskowych oraz powane prace remontowe fundamentu i konstrukcji wsporczej pod silnikiem. Remont zakoczono, napd uruchomiono. Ju w trakcie pierwszego uruchomienia w czasie rozruchu, w czasie ob-ciania, a w szczeglnoci w trakcie wybiegu okazao si, e silnik intensywnie drga. Wyniki pomiarw drga bezwzgldnych w czasie wy-biegu przedstawiono na rys. 8. Trajektorie rod-ka wau wirnika uzyskane w wyniku pomiaru drga wzgldnych od strony napdowej i prze-ciwnapdowej przedstawiono na rys. 9 10. </p><p>Rys. 8. Wybieg silnika o mocy 3,6 MW, </p><p>3000 obr/min, na oyskach lizgowych, pomiar </p><p>drga bezwzgldnych na oysku od strony </p><p>przeciwnapdowej </p><p>Rys. 9. Silnik o mocy 3,6 MW, 3000 obr/min, na </p><p>oyskach lizgowych, pomiar drga wzgld-</p><p>nych na oysku od strony przeciwnapdowej, </p><p>trajektoria rodka wau, wartoci maksymalne </p><p>Rys. 10. Silnik o mocy 3,6 MW, 3000 obr/min, </p><p>na oyskach lizgowych, pomiar drga wzgld-</p><p>nych na oysku od strony napdowej, trajekto-</p><p>ria rodka wau, wartoci maksymalne </p><p>Analiza wynikw pomiarw wskazaa na wy-stp...</p></li></ul>