ELEKTROnet 2002/4: Gépállapot-felmérés és -figyelés rezgésmérés alapján
Rahne Eric, okl. villamosmérnök, a PIM Professzionális Ipari Méréstechnika Kft. alapítója, rezgésdiagnosztikai szakértő
1. Bevezetés
Elsősorban a forgógépek megelőző karbantartásához ill. a mindennapos javítási munkákhoz szükséges egy egyszerűen kezelhető, de egyértelmű eredményt szolgáltató, megbízhatóbb kéziműszer alkalmazása, hogy a beavatkozások időben, megfelelő helyen és módon történjenek a gépek állagának megfelelően. Lehetőleg olyan legyen a mérési eljárás, hogy rezgésdiagnosztikai tapasztalatok és mérnöki képzés nélkül is könnyen el lehessen végezni.
Egy elterjedt módszer rezgéssebesség-effektívérték mérésén alapszik. Az erre szolgáló kéziműszerek a rezgéssebesség effektívértékét (RMS-érték) mérik a 10-től 1000 Hz-ig ill. 10 Hz-től 2000 Hz-ig terjedő frekvenciatartományban. Ezek a tartományok átölelik a leggyakoribb frekvenciákat, melyek a forgógépek mechanikus hibáinak és problémáinak többségére jellemzők. Példaként említjük a kiegyensúlyozatlanságot, a tengelyek ill. áttételek beállítási hibáit, valamint a kavitációt és más, folyadékáramlásból eredő rezgéseket.
A rezgésszint és az aktuális gépállapot ill. gépészeti problémák között megfigyelhető összefüggések alapján maga a felhasználó gyorsan kialakíthatja az általa megvizsgált gépekre vonatkozó géptipikus ismeretrendszerét. A mért rezgésszintek értelmezését ezen túl különböző rezgésszint-értelmező szabványok is segítik. Ilyen például az ISO2372 (ill. ISO 3945) nevű szabvány, amely már több évtizede van használatban és a legtöbb esetben jó értelmezés gépek folyamatos továbbüzemeltetése szempontjából. Természetesen a szabványt mellett joggal értelmezhetők a mért rezgésértékek pontosabb, a helyszíni gyakorlat tapasztalatokain alapuló szabályok alapján is.
2. Hogyan kell helyesen mérni
Minden mechanikai rezgés természetesen ott a legerősebb, ahol keletkezik. A rezgés energiájának továbbadása bármilyen anyagban többé-kevésbé erős csillapítással történik (pl. az acél csak gyengén csillapít, a gumi viszont erőteljesen elnyeli a rezgéseket). Minél magasabb frekvenciájú a rezgés, annál erősebb a csillapítása. Ennek következtében alacsony frekvenciás rezgéseket a forrástól nagyobb távolságban is érzékelhetünk, de a magas frekvenciájú (több kHz-es) rezgések (pl. csapágyrezgések) érzékelési távolsága nagyon korlátozott.
Az említett csillapításon túl figyelembe veendő az a tény is, hogy további rezgésenergia veszteség lép föl, ha egyik testről a másik testre (esetünkben: gépalkatrész) történik a rezgés átadása. Minél szorosabb két elem kapcsolata, annál erőteljesebben kerül átadásra a rezgés energiája. Az egymással kapcsolatban nem álló elemek nem követik egymás rezgéseit.
Az érzékelők érzékelési iránya szinte kivétel nélkül mindig a középtengelyükkel esik egybe. Ha az érzékelőn nincs mágnes, akkor az érzékelő végét – csapszeget, tapintótüskét – erősen kell a mérőpont felületéhez nyomni. Az alapvető cél legyen az, hogy az érzékelő minél jobban kövesse a mérési pont (tehát a gépelem felületének) mozgását.Ehhez az érzékelőket tapintótüskével, tartómágnessel vagy egy menetes csapszeg révén közvetlenül a mérőfelületre helyezhetjük. A legjobb mechanikai rezgésátvitelt a csapszeggel érhető el, a legrosszabb rezgésátvitelt a tapintótüske eredményezi. (Az utóbbival ezért magas frekvenciájú rezgésen nem igazán mérhetők.) (1., 2. és 3. ábra)
A gyakorlatban általános megoldásként a mágneses rögzítőtalpak alkalmazása vált be, mivel ismételt mérések esetén is egyforma mérési körülményt biztosítanak, gyorsan lehet velük dolgozni és a mérést elvégző nem kényszerül az érzékelőt az adatok felvétele alatt a mérőponton tartani. Ne felejtsük el viszont azt a tényt, hogy a magas frekvenciák átvitele érdekében így is minden szennyeződés és vastag festékréteg eltávolítandó ! Ezek ugyanis az alkalmazott mágnes erősségétől függetlenül mechanikus szűrőként hatnának.
A vízszintes vagy függőleges forgógépeken elvégzett szokásos méréseknél kövesse a három alapvető mérési irányt: mérjen a forgótengely hosszirányára merőlegesen vízszintes és függőleges irányban, valamint a tengely hosszirányában (axiálisan). Rövid és merev tengelyen az axiális mérést elegendő az egyik csapágynál elvégezni. Hosszú tengelyek esetén (pl. turbinák, nyomóhengerek esetén) mindegyik csapágynál célszerű axiálisan is mérni. A mérési eredmények nagyon különbözőek is lehetnek!!!
3. Hogyan kell a méréseket értékelni
A legegyszerűbb kéziműszerek a specifikált mérési frekvenciatartomány egészére vonatkozó effektívértéket (RMS-értéket) mérik. Ez az effektívérték az összes rezgéskomponens négyzetes átlaga. Ha pl. a rezgés egyszerre kiegyensúlyozatlanságból (4 mm/s), tengelybeállítási hibából (2 mm/s) és a fogaskerekű áttételből (5 mm/s) származik, akkor a rezgés eredője – tehát a készülékkel mért effektívérték – 6,7 mm/s lesz.
Ilyen típusú kéziműszereknek az alkalmazása különböző rezgésértékelő szabványok javaslatainak megfelelően forgógépek csapágyain (ill. ezeknek a burkolatain) történő mérésekhez ajánlott. A tapasztalattal nem rendelkező felhasználónak a mérési eredmények értékeléséhez javasolt az ISO 3945 szabványt alapul venni, természetesen nem gondolkodás nélkül. Előfordulnak a szabványnál szigorúbb előírásokat megkövetelő elvárások, és a szabványnál magasabb rezgésértékeket megengedő esetek is egyaránt.
A szabványok általában a rezgéssebesség mérésén alapulnak mm/s effektívértékben (RMS-ben) kifejezve. A mérési eredmény jobb érthetőségét segíti az, hogy a leolvasott értéket az oda-vissza mozgás átlagsebességeként értelmezzük. A rezgéssebesség effektív értéke tükrözi legjobban a nemkívánatos jelenségek, „rontó energiák” jelenlétének mértékét. Ezek mindenütt, ahol mérhetők, kopást és anyagkifáradást okoznak a gép szerkezetében.
Az ISO 3945 szabvány csoportosítja a gépeket osztályokba és különbséget tesz a rugalmasan és mereven szerelt gépek között is. (Az utóbbi megfelel a gépek rezonanciafrekvenciáinak és alapfordulatszámának viszonya szerinti osztályozásnak. Például egy gumialátéttel vagy rugóval – tehát rugalmasan – szerelt gép gyakran alacsony fordulatszámokon mutat rezonanciákat. A gép már igen alacsony fordulatszámon nagy lengéseket végez. Amennyiben a fordulatszám ezeken a kritikus rezonanciafrekvenciákon túlhalad, a rezgésszint csökken. Egy mereven szerelt gép esetén nincs ilyen.
A korszerű gépek magas fordulatszámon dolgoznak, viszonylag rugalmas csapágyakkal, perifériákkal és alapzattal rendelkeznek. Ezért ezek rugalmasan szereltként kezelhetők akkor is, ha nincsenek is gumialátéttel ill. rugóval rögzítve. Ezekben az esetekben az ISO 3945 szabvány valamivel magasabb rezgésszinteket enged meg a merev rögzítéshez képest.
A szabványok használatával nagyon egyszerűen eldönthető, hogy egyes gépek továbbüzemeltethetők-e vagy sem. Fogadja el alapszabálynak, hogy mindegyik 3mm/s effektívértéknél nagyobb rezgést mutató gépnél (ide értjük a leggyakoribb géptipusokat: pl. villanymotorokat, szivattyúkat, ventillátorokat, generátorokat) a rezgés okát fel kell tárni. Ne üzemeltessen tovább 7mm/s-nál erősebben rezgő gépet, ha nem biztos abban, hogy a gép hosszú ideig továbbüzemeltethető fokozódó tönkremenetel nélkül, mivel a gépek állóképessége is igen különböző.
A következő rész a régi ISO3945 szabvány rugalmas gépekre vonatkozó határértékein alapulva a rezgésszintek egyszerűsített magyarázatát adja. Ez a lista első megközelítésként használható, amennyiben egy olyan gépet kell felmérni, amelyet újonnan állítottak üzembe ill. csak rövid ideig volt üzemben.
0 … 3 Kicsi rezgések. Nincs vagy csak nagyon kicsi csapágyterhelés. Többnyire alacsony zajszint.
3 … 7 Észrevehető rezgésszintek gyakran egy-egy specifikus alkatrészre ill. gépirányra koncentrálódnak. Észrevehető csapágyterhelés. Tömítési problémák szivattyúk stb. esetén. Megnövekedett zajszint. Javasolt az okát kideríteni. Tervezze a beavatkozást a legközelebbi időszakos leállításnál. Tartsa felügyelet alatt a gépet és rövidebb időszakonként mérje meg a rezgésszintet a romlás mielőbbi észlelése érdekében. Mérje össze a rezgést más működési paraméterekkel.
7 … 18 Nagy rezgések. A csapágyak forrók. A csapágytúlterhelés gyakori cseréket eredményez. A tömítések rosszak, elképzelhetők különféle lékek. Tengelyek és alapzatok törnek. Magas zajszint. Tervezzen mielőbbi beavatkozást és tegyen meg mindent az ok kiderítése érdekében. Nagyon gyorsan lehasználódik a berendezés.
18 … Nagyon erős rezgések és nagyon erős zaj. Ez nem egyeztethető össze a gép biztonságos működtetésével. Állítsa le a gépet, amennyiben műszakilag vagy gazdaságilag az üzem leállási költségei igazolhatók. Nincs ismert gép, amely ezt a rezgésszintet belső vagy külső tönkremenetel nélkül kibírná. Csökkentsen mindenféle üzemidőt az abszolút minimumra.
(A táblázat mm/s egységekben van megadva. Dugattyús gépekre /pl. kompresszorokra, robbanómotorokra/ és állandó mechanikai „súrlódással” működő gépekre /pl. darálókra/ a fenti rezgésszint-határérték nem alkalmazható.)
A 4,5 mm/s rezgésszint mechanikai tömítésű szivattyúknál fontos határnak bizonyult. Ennél nagyobb rezgésszint esetén megnövekszik a mechanikus tömítések terhelése és felgyorsul a tönkremenetelük.
Milyen géphibák találhatók meg az effektívérték mérésével ?
A legelterjedtebb kéziműszerek a rezgéssebesség effektívértékét mérik a 10-től 1000 Hz-ig ill. 2000 Hz-ig terjedő frekvenciatartományban. Ezek a tartományok átölelik a leggyakoribb frekvenciákat, melyek a forgógépek mechanikus problémáinak többségére jellemzők. Kitűnően észrevehető a kiegyensúlyozatlanság, a mechanikai lazaság, a rezonancia, valamint a tengelyek ill. áttételek beállítási hibáinak jelenléte. De hogy ezek közül melyik van jelen ill. melyik dominál, arról viszont nincs információ, mivel sem frekvencia-, sem fázisszögadattal nem rendelkezünk.
Létezik azonban néhány módszer, amivel a magas rezgésszint által jelzett hibaforrás jobban behatárolható. Ezeket a következőkben bővebben kifejtjük:
a) Kiegyensúlyozatlanság
Mivel a rezgésszint nem árulkodik arról, hogy az effektívértékben domináló rezgéskomponens a fordulatszám frekvenciájú rezgéseket produkáló kiegyensúlyozatlanságból származik-e, ezt csak további mérésekkel vizsgálhatjuk meg: próbaképpen egyensúlyozzunk ki a két- ill. hárompontos kiegyensúlyozási módszer alkalmazásával, vagy vizsgáljuk a gépet a többi lehetséges hibaforrásra és kizárásos alapon a kiegyensúlyozatlanság meglétét valószínűsíthetjük. Ha a gépről már vannak tapasztalatok, talán egy-két ellenőrző méréssel a kérdés eldönthető. (pl. szennyezett, poros, technológiai gázokat szállító ventillátorok inkább kiegyensúlyozatlanná válnak egy idő után, mintsem hogy egy addig ismeretlen rezonancia lépne föl. De laza elemek is előfordulhatnak egy idő után. Tehát egyetlenegy rezgésszint adatból nem állapítható meg a kiegyensúlyozatlanság !)
Jellemző a kiegyensúlyozatlanságra, hogy radiális irányú rezgéseket eredményez, melyek a fordulatszám növelésével négyzetesen növekszenek. Axiális irányú rezgések viszont gyakorlatilag nem keletkeznek.
b) Rezonanciák
Minden forgógépben, ha esetenként csak nagyon kis mértékben is, de üzemszerűen folyamatosan jelen vannak a természetes gerjesztések (pl.a kiegyensúlyozatlanság a fordulatszámon, az egytengelyűségi hiba a fordulatszám-kétszeresen stb. ). Ha ezek közül valamelyik ugyanolyan vagy hasonló frekvenciájú, mint amilyen egy-egy gépelem rezonanciafrekvenciája, akkor – az érintett gépalkatrész merevségétől és tömegétől függően – a rezgés ebben a gépalkatrészben erősödik fel, tehát a gépelem berezonál. Lényegesen magasabb rezgésszint jelenik meg, mint abban az esetben, ha a rezonancia és a gerjesztés frekvenciája egymástól különböző.
Minden gép alapvető rezonanciafrekvenciája a forgótengely kritikus fordulatszáma, amely a tengely merevségéből és tömegéből adódik. De minden más gépalkatrész is rendelkezik rezonanciafrekvenciákkal, még a kiszolgáló egységek és a tartószerkezetek is.
Egy rezonancia jelenlétének felderítéséhez mérni kell a rezgésszintet a csapágyházakon minden mérési irányban. Amennyiben ezek közül található egy olyan, mely háromszor nagyobb a többinél, majdnem biztosak lehetünk benne, hogy egy rezonancia van jelen. Egy rezonancia felerősíti a mechanikus erőhatást és ezáltal keletkezik az erős rezgés ebben az irányban.
Amennyiben a gép fordulatszámának változtatása (ha lehetséges) erős rezgésszint-változásokat eredményez, ezt minden esetben rezonanciára utaló jelként kell értékelni. Ezentúl ez a jelenség lehetőséget ad a rezonanciafrekvencia meghatározására, amelyből a rezonáló gépalkatrészre ill. alkatrészcsoportra lehet következtetni. (A rezonanciafrekvencia azon a fordulatszámon található, amely mellett a rezgés a legerősebb.)
c) Meglazult gépelemek, laza rögzítés
Például egy csavaros összeköttetés mindkét oldalán elvégzett rezgésméréssel lehetővé válik az összeköttetésben lévő laza gépelemek megtalálása. Két, szorosan összekötött gépelemnek ugyanolyan rezgésszintet kell mutatnia az összeköttetés mindkét oldalán. És természetesen az alapzatban rögzített csavaroknak ugyanolyan rezgésszintet kell mutatniuk, mint az alapnak, feltéve, hogy nem lazultak meg.
PIM Professzionális Ipari Méréstechnika Kft.
H-1221 Budapest, Tanító u. 19/A
Tel.: (1) 424-00-99
Fax: (1) 424-00-97
e-mail: pim@pim-kft.hu
web: www.pim-kft.hu
www.termokamera.hu
www.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.
