2009/09: Géphibák felismerése rezgésspektrumban: siklócsapágy-analízis mérési és kiértékelési módszerei (folytatás)

GyártásTrend 2009/09, Műszaki diagnosztika rovat

 “Tűzoltás és nagyjavítás helyett”

A relatív tengelyrezgést minden esetben két, általában egymásra merőleges – V alakban vagy vízszintesen és függőlegesen elhelyezett – távolságérzékelővel (örvényáramú elmozdulásérzékelővel) mérik. Ezzel az érzékelőelrendezéssel biztosítható, hogy a csap csapágyon belüli mozgása is leképezhető legyen. Megjeleníthető tehát az úgynevezett kinetikus pályagörbe vagy más néven orbit, a relatív tengelycsap-pozíció, valamint az alakhiba, illetve a teljes spektrum (full spectrum) is. A következőkben ezeket az alapfogalmakat magyarázzuk el.

Megjelenítési lehetőségek

Kinetikus pályagörbe vagy orbit A kinetikus pályagörbe (orbit) kiszámítása két, egymásra merőlegesen (általában vízszintesen és függőlegesen) elhelyezett) távolságérzékelő egyidőben (szimultán) rögzített időjeléből történik a ábrán részletezett módon.
Érzékelők tipikus elhelyezése (forrás: PIM) s1, s2 = pillanatnyi értékek
s01, s02 = legkisebb értékek
su1, su2 = legnagyobb értékek
sm1, sm2 = maximum értékek
spp1, spp2 = rezgésamplitúdók
sk = pillanatnyi tengelyelmozdulás
smax = maximális tengelyelmozdulás
K = kinetikus pályagörbe
t = idő

A pályagörbe előállítható teljes, szűretlen időjelből (hullámforma) és szűrt, vektoriális értékekből. A vektoriális leképzésnél lehetőség van a forgási, kétszeres forgási és háromszoros forgási összetevők ábrázolására külön-külön és egyben is . A szűretlen és az összevont vektoriális pályagörbének általában már erős hasonlóságot kell mutatnia. Ha ez nem így van, akkor vagy törtharmonikus rezgésösszetevők vannak jelen, vagy a vizsgált tengelyfelület erősen egyenetlen.

Vektoriális pályagörbék (kölönböző szűréssel) (forrás: Energopenta)

Tengelycsap-pozíció, tengelyfelúszás A tengelycsap-pozíció a tengelycsap mindenkori átlagos (elméleti) forgástengelyének relatív helyzetét mutatja. Rendkívül sok diagnosztikai információt nyújt a tengelycsap-pozíció felfutás, illetve annak üzem közbeni változása a gép állapotáról.

Alakhiba (slow roll) A slow roll az alacsony fordulatszámon – turbináknál akár tengelyforgatós üzemben – mért pályagörbe, amelyet szintén képezhetünk szűretlen időjelből, illetve szűrt, vektoriális tengelyrezgési adatokból. A slow roll gyakorlatilag megmutatja a mért felület egyenetlenségeit, a tengely geometriai (alak-) hibáját, valamint következtetni lehet tengelygörbeségre, tengelyvonal-beállítási hibára, tengelyrepedésre stb.

Rendkívül nagy szerepe van az üzemi tengelyrezgésadatok kiértékelésében is, jelentősen befolyásolhatja ugyanis az adott gép állapotáról alkotott véleményünket, ha az üzemi tengelyrezgésadatokat kompenzáljuk a slow roll vektorral. Nem ritkán kiemelkedően magas tengelyrezgésértékeket mérünk üzemi fordulatszámon, vagy erős torzulást tapasztalunk a pályagörbékben, így jelentős – akár a gép leállítását követelő – hibára gondolunk. A mért tengelyfelület nagy geometriai hibájának (például ovalitás) slow rollal történő kompenzálását követően azonban a tengelyrezgések már elfogadható (akár jó) szintre csökkennek, és a pályagörbe erős torzulása megszűnik.

Megengedhető relatív tengelyrezgésértékek

Az orbit alakjából fontos diagnosztikai információk nyerhetők, kimutatható az egyensúlyhiba, a csapágykenés problémája, a besúrolás, a tengely radiális előterhelése (tengelyvonalhiba), a megnövekedett csapágyhézag és egyéb fellazulás, a tengelyrepedés stb.

A relatív tengelyrezgésmérés az analízisen, a diagnosztikai információkon túlmenően a gép védelme szempontjából is döntő jelentőségű lehet. A csap mozgásának szélső határhelyzete természetesen a csapágyhézag, a megengedhető maximális relatív tengelyrezgésnek ennél kisebbnek kell lenni. Szabványok rögzítik a relatív tengelyrezgések megengedhető szintjeit. A szabványok bizonyos típusai a két érzékelő jelének vektoros összegét, az úgynevezett smax-ot értékelik, míg más (amerikai) szabványok szerint a két jel közül a nagyobbat kell a diagramokban megadott értékekhez hasonlítani. E szabványokban „jó”, „megfelelő ”, „javítani szükséges” és „megengedhetetlen” kategóriát különböztetnek meg, de a gépek típusának és teljesítményének megfelelően külön-külön adják meg a megengedhető szinteket. Természetesen a fordulatszám függvényében is más-más szint a normális.

Különböző pályagörbék felfutás közben (forrás: Energopenta)

Mint jeleztük, a megengedhető tengelyrezgésértékeket– az effektív rezgéssebességhez hasonlóan – az egyes géptípusokra vonatkozó szabványok rögzítik. Például a gőzturbinák megengedhető tengelyrezgésértékeire a következő kategóriák léteznek: “A” folyamatosan, korlátozás nélkül üzemben tartható, “B” elfogadható rezgések, egyelőre a javítás nem indokolt, “C” folyamatos üzem nem javasolt, fel kell készülni a gép javítására.

Tengelyrezgésméréssel kimutatható hibák

Kiegyensúlyozatlanság Az egyensúlyhiba minden esetben a belső erők (a forgórészt kimozdítani igyekvő centrifugális erő) növekedésévél jár. A forgórészt minél nagyobb erő igyekszik a forgástengelyéből kimozdítani, a csapközép a siklócsapágyban annál nagyobb (forgási frekvenciájú) pályagörbét ír le. Tehát minél nagyobb az egyensúlyhiba, annál nagyobb – általában „szép” kerek – orbitot kapunk. Ha lehetőség van változó fordulatszámú tengelyrezgésmérésekre is, és van referenciaadatunk a gép állapotáról, akkor a felfutások (vagy kifutások) összehasonlításával is következtethetünk egyensúlyhiba kialakulására.

Pályagörbe kiegyensúlyozatlanság esetén (forrás: Energopenta)
Alacsony-fordulatszámú tengelyrezgések görbe tengely esetén (forrás: Energopenta)

Tengelygörbeség Görbe tengely esetében üzem közben az egyensúlyhibánál látott nagy és kerek pályagörbét kapunk, tehát lényeges különbség nem mutatkozik. Ha azonban van lehetőségünk leállás- vagy felfutásvizsgálatra, úgy tengelygörbeség esetén alacsony fordulatszámon is nagy tengelyrezgéseket (igazából alakhibát) fogunk mérni.

Egytengelyűségi hiba Egytengelyűségi hiba esetén a tengely a csapágyban elő van feszítve, ezért mind a felfutás során mért relatív tengelycsap-pozíció változása, mind a tengelycsap üzemi pályagörbéje eltér a normálistól. Felfutáskor a tengelycsap valamelyik (esetenként mindkét) irányban túl keveset, vagy túl sokat mozdul el. Normális esetben a függőleges irányú emelkedés a csapágyhézag mintegy 30–40 százaléka. Üzem közben a kialakult pályagörbében is erős torzulások mutatkoznak. (Figyelem, a torzulások pontos értékeléséhez az alakhibával – a slow roll vektorral – kompenzálni kell az üzemi méréseket. ) Ha van referenciaadatunk (mennyi ebből a tengely tényleges alakhibája), akkor a számszerű értékekből meg tudjuk pontosan határozni a szükséges korrekció mértékét.

Megfeszített ill. normál tengely felemelkedése felfutás közben (forrás: Energopenta)

Megfeszített és normál tengely orbitgörbéje (forrás: Energopenta)

Rezonancia A rezonanciakeresést pont ugyanolyan módon kell elvégezni, mint ahogy ezt a „hagyományos” (csapágybakon történő) rezgésmérés fejezetében tárgyaltuk. A rezonancián való áthaladáskor kiugróan nagy amplitúdóérték mellett közel 180°-os fázisváltozás következik be.

 

Besúrolás A forgórész és az állórész érintkezése lehet pontszerű és körkörös. Pontszerű érintkezés esetén az állórész és a forgórész összeérintkezésekor keletkező ütés kimozdítja a forgórészt a normális pályájáról, majd újabb érintkezés következik, de ekkor már máshol, és így tovább. Mindezek következménye akkora tengelyrezgés, amely kitölti a rendelkezésre álló teret (csapágyhézagot) és egy kesze-kusza pályagörbét eredményez. Körkörös érintkezés esetén a forgórész egy pontja egyensúlyhiba miatt az állórészbe körkörösen besúrol. A besúrolás miatt a tengely melegedni kezd, ezáltal meggörbül. A meggörbült tengelynek megváltozik az egyensúlyállapota, másik pontja fog érintkezni az állórésszel, ezáltal máshol melegszik és görbül. A leírt folyamat miatt a mért tengelyrezgésvektor végpontjának helye üzem közben folyamatosan változik az idő függvényében, polár koordinátarendszerben ábrázolva akár körbe is járhat.

Gépalaphibák Ha a forgásfrekvenciájú slow roll vektorral kompenzált mérési adatokat tekintve mind a rezonanciafrekvencia, mind a maximális rezonanciaamplitúdó változik, akkor elsősorban a gépalaprendszer gyengülését, a felfüggesztés lazulását, esetleg – egyéb jelekkel együtt – a tengely repedését lehet feltételezni. Általában a gépek indulása és leállása nem teljesen azonos módon megy végbe, de az indulást az indulással, a kifutást a kifutással feltétlenül érdemes összehasonlítani. Ha a forgógépen belül nincs szerkezeti változás vagy belsőerő-változás, a dinamikus rezgési viselkedésnek (úgymint a rezonanciafrekvenciák értékei és a csillapítások) a fordulatszám függvényében azonosnak kell lennie. A dinamikus viselkedés változásait a legérzékenyebben és legpontosabban a tengelyrezgésméréssel, ezen adatok Bode- és polárdiagramjain keresztül lehet nyomon követni.

Olajörvénylés Az olajfilm hibáinak kimutatására a tengelyrezgésmérés a legalkalmasabb módszer. A tengely fel- és kifutása során, valamint az üzem közben mért mozgásából egyértelműen kiszűrhető a hiba és annak természete.

A többletráfordítás megtérül

A hazai rezgésdiagnosztikai gyakorlatban a relatív tengelyrezgésmérés nem terjedt még el igazán, általános alkalmazásától még messze vagyunk. Az okok eléggé nyilvánvalóak: egyrészt a tengelyrezgésmérés minimális műszerigénye is lényegesen magasabb (legalább szimultán kétcsatornás, de inkább 8–16 csatornás műszer szükséges), másrészt a mérés kivitelezése sem olyan egyszerű. Nem elegendő az érzékelők rögzítése a csapágyházra, hanem az érzékelők felszereléséhez alkalmas tartókat kell gyártani és rögzíteni, és precízen be kell állítani a tengely és az érzékelő közötti viszonylag kicsi távolságot. E többletmunka azonban nagyon sok esetben megéri a fáradozást, mivel a méréssel olyan biztos diagnosztikai információ nyerhető, amely más módon nem szerezhető meg. Tipikusan ilyen alkalmazási terület a siklócsapágyakkal ágyazott nagy forgógépek (gőz- és gázturbinák, szivattyúk). A gyors fordulatú gépek esetében például a tengelyrezgésmérés azért egészíti ki jól a csapágyrezgésmérést, azaz azért juttat többletinformációhoz, mert a forgórészen bekövetkező belsőerő-változások rugalmas tengely és merev csapágyazás esetén a csapágyazáson csak kis mértékben láthatók.

 

Szűcs András, Rahne Eric  (PIM Kft.)
pim-kft.hu
gepszakerto.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.