INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN

Laboratorium

POMIAR DRGA Ń MASZYN W ZASTOSOWANIU DO OCENY

OGÓLNEGO STANU DYNAMICZNEGO

Measurement of vibrations in assessment of dynamic state of the machine

Zakres ćwiczenia: 1. Podstawowe wielkości charakteryzujące drgania 2. Kryteria oceny drgań maszyn i urządzeń 3. Ocena stanu dynamicznego maszyn wg PN. 4. Ocena stanu dynamicznego maszyn wg IRD oraz VCI. 5. Pomiary drgań wybranych maszyn i urządzeń oraz ocena ich stanu dynamicznego.

Do wykonania przez studentów: 1. Zapoznać się z kryteriami oceny stanu dynamicznego maszyn wg PN, VCI oraz

IRD. 2. Wykonać pomiary drgań wybranych maszyn i urządzeń.. 3. Wykonać ocenę ich stanu dynamicznego. 4. Opracować wyniki pomiarów. 5. Zaliczyć ćwiczenie.

2

1. DRGANIA

Drgania mogą być rozpatrywane jako oscylacyjny ruch cząstki lub ciała względem punktu odniesienia. Na rys.1 przedstawiono wszystkie wielkości charakteryzujące sygnał drganiowy: amplitudę, okres drgań, wartość szczytową, średnią i wartością skuteczną (RMS), oraz wartością szczyt-szczyt.

Wartość szczyt-szczyt jest szczególnie uŜyteczna przy ocenie wibracji ze względu na krytyczne – maksymalne napręŜenia.

Wartość szczytowa, zawiera w sobie informacje wskazujące poziom krótkich przebiegów udarowych, nie biorą pod uwagę historii czasowej przebiegu.

Wartość średnia zawiera informację o przebiegu czasowym, ma ograniczone zastosowanie, poniewaŜ nie wykazuje prostej zaleŜności z jakąkolwiek uŜyteczną wielkością fizyczną.

Wartość skuteczna RMS - najlepiej charakteryzuje drgania, poniewaŜ uwzględnia ona zarówno historię czasową przebiegu, jak i zawiera informację o wielkości amplitudy.

Rys.1. Parametry charakteryzujące sygnał drganiowy.

Drgania moŜna określić za pomocą jednej z wielkości: przyspieszenia, prędkości oraz przemieszczenia moŜna. Dla przebiegów harmonicznych wszystkie te wielkości są ze sobą matematycznie ściśle powiązane w funkcji częstotliwości i czasu. Ta zaleŜność przedstawiona jest na rys.2:

3

Rys.2. ZaleŜności pomiędzy sygnałami przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia

Najbardziej obecnie rozpowszechnionym przetwornikiem do pomiaru drgań jest akcelerometr piezoelektryczny. Posiada on szeroki zakres częstotliwości i zakres dynamiczny oraz wykazuje dobrą liniowość w całym zakresie pomiarowym. Jest stosunkowo wytrzymały i charakteryzuje się doskonałą stabilnością czasową charakterystyk. Przetwornik nie wymaga zewnętrznego zasilania, poniewaŜ sam generuje sygnał wyjściowy. Jego sygnał wyjściowy proporcjonalny jest do przyspieszenia i moŜe zostać łatwo przetworzony na sygnał prędkości i przesunięcia przy pomocy elektronicznych wzmacniaczy całkujących. Zasadę działania akcelerometru piezoelektrycznego pokazuje rysunek 3. Najistotniejszą częścią piezoelektrycznego czujnika przyspieszeń jest płytka materiału piezoelektrycznego. Zwykle jest to sztucznie spolaryzowany ferroelektryk – materiał, który przejawia właściwości piezoelektryczne. Poddany działaniu sił mechanicznych – rozciągających, ściskających czy teŜ tnących – generuje on na płaszczyznach polaryzacji ładunek elektryczny proporcjonalny do działających sił.

Rys.3. Zasada działania piezoelektrycznego przetwornika drgań

NajwaŜniejszymi parametrami akcelerometrów są: � czułość, � zakres częstotliwościowy (częstotliwość rezonansu), � poziom szumów własnych,, � maksymalny (szczytowy) zakres przetwarzania � masa własna.

2. KRYTERIA OCENY DRGAŃ MASZYN I URZĄDZEŃ

Kryteria oceny drgań maszyn i urządzeń są ustalone w normach, które moŜna podzielić na cztery następujące rodzaje:

• normy odbiorcze określające dla obiektu technicznego dopuszczalny stan wibracyjny, który jest jednym z mierników dokładności wykonania i montaŜu;

• normy eksploatacyjne określające dopuszczalny stan wibracyjny pracującego mechanizmu;

• normy sanitarne ograniczające szkodliwy wpływ drgań maszyn na fizjologiczne i psychologiczne stany człowieka;

• normy odporności wibracyjnej określające dopuszczalny poziom drgań pochodzących ze źródeł zewnętrznych, jakie mogą działać w sposób szkodliwy na określoną maszynę lub urządzenie.

4

3. OCENA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN WG PN-ISO 10816- 1 ORAZ PN-90 N-01358.

3.1. Wstęp.

Norma PN-ISO 10816-1 podaje ogólne warunki i procedury pomiaru i oceny drgań na podstawie pomiarów przeprowadzonych na nie wirujących częściach maszyn. Kryteria oceny dotyczą zarówno intensywności drgań jak i jej zmiany w czasie eksploatacji.

3.2. Zakres cz ęstotliwo ści

Zgodnie z normą PN-ISO 10816-1 drgania maszyny powinny być mierzone w szerokim paśmie częstotliwości, obejmującym zakres widma częstotliwościowego maszyny. Według normy PN-90 N-01358 ocenę drgań maszyn wykonuje się w zakresie 10 – 1000 Hz..

3.3. Podział maszyn.

Tabela.1. Podział maszyn na grupy ze względu na ich wielkość i moc oraz sposób posadowienia

Klasa Moc i sposób posadowienia

I maszyny, w tym silniki o mocy do 15 kW

II maszyny średniej wielkości, w tym silnik o mocy 15÷75 kW bez specjalnych fundamentów oraz maszyny o mocy do 300 kW ustawione na fundamentach

III maszyny o mocy powyŜej 300 kW, w tym silniki o mocy powyŜej 75 kW,

posadowione na fundamentach spełniających warunki ustawienia sztywnego

IV maszyny o mocy powyŜej 300 kW, w tym silnik o mocy powyŜej 75 kW,

posadowione na fundamentach, spełniających warunki ustawienia spręŜystego (elastycznego)

3.4. Metody pomiarów

• Postanowienia ogólne

� Parametr mierzony i zakres cz ęstotliwo ści. W badaniach drgań maszyn naleŜy mierzyć wartość skuteczną prędkości drgań Vc w zakresie częstotliwości od 10 do 1000 Hz.

� Układ odniesienia . Prędkość drgań naleŜy mierzyć w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach.

• Warunki wykonania pomiarów

� Miejsce pomiarów . Pomiary prędkości drgań naleŜy przeprowadzić w miejscu eksploatacji badanej maszyny.

� Warunki pracy maszyny podczas pomiarów. Pomiary prędkości drgań naleŜy przeprowadzić podczas normalnej eksploatacji badanej maszyny.

• Przyrząd pomiarowy.

� Wymagania ogólne. Przyrząd zastosowany do badań powinien umoŜliwiać pomiar prędkości drgań. Charakterystyka częstotliwości przyrządu pomiarowego powinna mieścić się w przedziale ustalonych w normie odchyłek.

� Zakres cz ęstotliwo ści . Przyrząd pomiarowy powinien zapewniać pomiar wartości skutecznej prędkości drgań w paśmie częstotliwości od 10 do 1000 Hz.

� Dopuszczalny bł ąd toru pomiarowego . Do pomiaru prędkości drgań naleŜy stosować taki przyrząd aby błąd toru pomiarowego nie przekroczył 10%.

• Wykonanie pomiarów.

� Lokalizacja punktów pomiarowych . Pomiar prędkości drgań naleŜy wykonać na obudowach wszystkich łoŜysk, na wysokości wału maszyny

� Mocowanie przetworników drga ń. Sposób mocowania powinien zapewnić liniowe przetwarzanie badanego sygnału w zakresie 10 do 1000 Hz.

� Wynik pomiaru . Jako wynik pomiaru naleŜy przyjąć największą spośród odczytywanych wartości prędkości drgań.

5

• Ocena drgań.

� Kryteria oceny stanu pracy maszyn ze względu na wytwarzane drgania – wg tabl.

Tabela.2. Kryteria oceny stanu pracy maszyn ze względu na wytwarzane drgania

Klasa Wartość skuteczna prędkości Vc,

w mm/s , I II III IV

0,28 0,45 0,71

A

1,12

A

1,8 B

A

2,8 B

A

4,5 C B

7,1 C B

11,2 C

18 C

28 45

D D

D D

A – stan dobry B – stan zadowalający

C – stan przejściowo dopuszczalny D – stan niedopuszczalny

6

4. OCENA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN WEDŁUG IRD ORAZ VCI.

• Wpływ szkodliwości drgań na maszyny w oparciu o wartości szczytowe amplitudy prędkości drgań.

Rys.4. Wykres ogólny szkodliwości drgań maszyn wg IRD Mechanalysis.

7

• Drganiowe stany graniczne opracowane przez VCI Ltd na podstawie pomiarów drgań korpusów i łoŜysk.

Rys.5. Drganiowe stany graniczne maszyn wg. VCI Ltd.

8

• Drganiowa klasyfikacja stanu maszyn.

Rys.6. Drganiowa klasyfikacja stanu maszyn na podstawie pomiarów drgań korpusu lub obudowy łoŜyska.

• Drganiowa klasyfikacja uszkodzeń:

� AA – katastrofalne; Wyłącz natychmiast! , A – groźne; Napraw w ciągu 48 h!, B – częściowe; Napraw w ciągu 21 dni!, C – niewielkie; Nie naprawiaj!, D – bez uszkodzeń; Nie naprawiaj!

• Amplituda efektywna liczona jest jako amplituda zmierzona × współczynnik dyspozycyjności. Wartość współczynnika dyspozycyjności zaleŜy od typu maszyny i wynosi odpowiednio:

� Silnik elektryczny, jednostopniowa pompa wirowa, wentylator – 1,0 � Typowe nieelektryczne maszyny – 1,0 � Turbina, generator, spręŜarka radialna, wielostopniowa pompa – 2,0 � Przekładnia zębata, pomiar na korpusie - 2÷3 � ŁoŜyska toczne – 0,5 � Urządzenia o nieznanych charakterystykach – 2,0

9

5. WYKONANIE ĆWICZENIA

• Szkic badanej maszyny .......................... (z zaznaczeniem punktów pomiarowych i kierunków).

• Pomiary drgań maszyny.

1

4 5

2

3

Rys.7. Schemat układu pomiarowego (1-enkoder, 2-akcelerometr, 3-miernik drgań, 4-przetwornik A/C,

5-komputer)

10

Rysunki 8 i 9 przedstawiają przykładowy zapis jednego cyklu pracy badanej maszyny.

0 5 10 15 20 25t [s]

0

500

1000

1500

2000

2500L

[mm

]

0

4

8

12

n onr [H

z]

0

5

10

15

v drg

an [m

m/s

]

Rys.8. Rejestracja czasowa przemieszczenia, obrotów oraz prędkości drgań (skuteczniej i szczytowej) w

wybranym węźle łoŜyskowym układu napędowego

0 500 1000 1500 2000 2500L[mm]

0

4

8

12

16

v drg

an [m

m/s

]

zakłócenia

Rys.9. ZaleŜność prędkości drgań wybranego węzła łoŜyskowego podczas pełnego cyklu pracy

11

Na podstawie analizy zarejestrowanych sygnałów naleŜy wykonać następujące czynności:

• narysować wykresy zmian rejestrowanych parametrów w funkcji czasu – patrz rys. 8,

• narysować wykresy zmian wartości skutecznej i szczytowej prędkości drgań podczas pełnego cyklu pracy – zaznaczyć zakresy brane pod uwagę do dalszej analizy,

• określić parametry podane w tabelach 3-5, dla kaŜdego przypadku pomiarowego,

• dokonać oceny stanu dynamicznego maszyny wg wszystkich podanych kryteriów,

• porównać oceny, wyciągnąć wnioski.

Tabela.3. Wyniki analizy

Punkt nr.................. Kierunek pomiaru

n [obr/min] vRMS

[mm/s] vpeak

[mm/s] CRF

[-]

śred: śred: max: śred:

Tabela.4. Wyniki analizy

Punkt nr.................. Kierunek pomiaru

n [obr/min] vRMS

[mm/s] vpeak

[mm/s] CRF

[-]

śred: śred: max: śred:

Tabela.5. Wyniki analizy

Punkt nr.................. Kierunek pomiaru

n [obr/min] vRMS

[mm/s] vpeak

[mm/s] CRF

[-]

śred: śred: max: śred:

• Ocena stanu dynamicznego wg IRD, VCI oraz PN.

Tabela.6. Ocena stanu dynamicznego

Lp Punkt

pomiarowy Kierunek

fn [Hz]

Ocena stanu dynamicznego wg IRD (rys.3)

Ocena stanu dynamiczne

go wg VCI (rys.2)

Klasyfikacja stanu

dynamicznego wg rys.4

Klasyfikacja stanu

dynamicznego

wg PN

1

• Wnioski

12

6. LITERATURA

[1] Cempel Cz. „Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn”, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa 1982.

[2] Engel Z. „Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem” PWN Warszawa 2001.

[3] Łączkowski R. „Wibroakustyka maszyn i urządzeń” WNT, Warszawa 1982.

[4] PN-ISO 10816-1 Ocena drgań maszyn na podstawie pomiarów na częściach niewirujących. wytyczne ogólne.

[5] PN-90/N-01358 Drgania. Metody pomiarów i oceny drgań maszyn