Netradičné poruchy - rezonančný jav a jeho riešenie v praxi

 

 

 

Key words: resonance, natural resonance, critical rotational speed, coast-down/run-up, waterfall, excitation, reaction,

Pri vibrodiagnostike a identifikovaní porúch rotačných strojov sa stretávame s rôznymi druhmi poruchami. Najčastejšie sú opotrebovanie ložísk, nevyváženosť rotačnej časti, voľné uloženie rotačnej časti alebo celého zariadenia, nesprávne nastavenie súososti, excentricita, ohnutie hriadeľov a podobne. Z nameraného vibračného spektra môžeme identifikovať tieto poruchy, občas ale zisťujeme, že pre danú poruchu navrhovaný zásah nepomôže, respektíve neprináša požadovaný efekt v plnej miere. Je to väčšinou v tých prípadoch, keď okrem danej poruchy je prítomný aj rezonančný jav, alebo práve pôsobenie rezonancie je tou hlavnou chybou.

 

O rezonančnom jave pri prevádzkovaní rotačných strojov hovoríme vtedy, ak vlastná, rezonančná frekvencia sústavy je totožná s frekvenciou otáčania rotačnej časti alebo jeho násobkami respektíve podielmi. V podstate ide o skladanie dvoch kmitaní s rovnakými frekvenciami. V tom prípade stačí malá budiaca sila vyvolaná napríklad miernou nevyváženosťou, na ktorú bude vysoká odozva, pretože rezonancia má tzv. „zosilňujúci“ charakter.  Tiež hovoríme, že zariadenie pracuje pri kritických otáčkach. Definícia rezonancie podľa normy STN ISO 2041 je: „rezonancia v sústave pri vynútenom kmitaní existuje vtedy, keď ľubovoľne malá zmena frekvencie budenia má za následok zmenšenie odozvy sústavy“.

 

Pri rotačných strojov rezonančný jav spôsobuje vysokú amplitúdu práve na tých charakteristických frekvenciách, ktoré poukazujú aj na iné poruchy. Je to logické pretože práve tie poruchy pôsobia ako budiace sily pri rezonancii. Ak by rezonancia nebola prítomná, vyvolali by menšie amplitúdy, ktoré by možno spadli aj do klasifikačnej úrovni stavu „uspokojivý“. Z obyčajného vibračného spektra rýchlosti sa preto ťažko identifikuje či sa jedná o rezonanciu, alebo chvenie spôsobuje iná chyba.

 

 

Vykonali sme základné meranie, z ktorého sme zistili, že sú vysoké amplitúdy na otáčkovej frekvencii motora t.j. na 49,9 Hz. Nevyváženosť u týchto zariadení je bežná porucha, preto sme vykonali dynamické vyvažovanie na mieste pri prevádzke. Vyvažovaním sme znížili amplitúdu na otáčkovej frekvencii 49,9 Hz z 23,3 mms^-1 na 2,0 mms^-1 .

Z obrázku tiež vidíme, že na 100 Hz, ktorá je harmonická frekvencia otáčkovej frekvencii postupne klesli amplitúdy až kým neklesli na cca. 50 Hz, kde sa začali zvyšovať a po prechode cez 50 Hz znovu klesli. Toto je dôkazom, že okolo 50 Hz je prítomná vlastná frekvencia systému alebo rezonančná frekvencia tzv. kritické otáčky.  Nasledovný obrázok znázorňuje namerané spektrá poukladané na seba, ktoré nám  presne zviditeľnia jednotlivé rezonančné pásma systému.

 

V našom prípade to znamená, že šrotovník pracoval v rezonancii, respektíve veľmi blízko k rezonancii. Ako som už vyššie popísal, rezonancia je jav, vlastnosť predmetov, pri ktorom na malé budenie rovnakou frekvenciou ako je rezonančná frekvencia je vysoká odozva (viacnásobná odozva). Otáčky motora sú blízko k 3000 ot/min, čo zodpovedá 50 Hz. Nakoľko 100% vyváženie neexistuje, pri zapnutom motore vždy pôsobí na 50 Hz nejaká dynamická sila, ktorá je takmer totožná s rezonančnou frekvenciou. K tomu ešte treba dodať, že na rotore šrotovníka sú namontované 24 ks nožov v 3 miestach, t.j.  8-8-8 ks nožov po 120 ^o. Tieto nože pri normálnej prevádzke sa opotrebujú približne za 2-3 týždne. Vtedy ich otočia a po ďalšom opotrebovaní ich vymenia za nové. To znamená, že počas prevádzky sú pravidelné časové intervaly, keď nože sú opotrebované a zariadenie pracuje v menej vyváženom stave. V týchto intervaloch sú vyššie budiace sily na 50 Hz a vplyvom rezonancie vznikajú vysoké vibrácie.

 

Tento problém je možné riešiť jedine odstránením rezonančného javu, to znamená, aby stroj pracoval mimo rezonancii. Cieľom je aby frekvencia budiacej sily nepadalo do niektorých z rezonančných pásiem. Vo všeobecnosti sú dva možnosti. Prvá metóda vyplýva z vyššie uvedenej definície rezonancii, a to tak, že zmeníme frekvenciu budiacej sily t.j. otáčky motora. Druhá metóda je odladenie systému, to znamená posunutie rezonančného pásma do frekvenčného rozsahu, kde nie je žiadne budenie.

 

Motor šrotovníka je asynchrónny bez frekvenčného meniča, to znamená otáčky sme nemohli zmeniť. Ani technológia výroby by to nedovolila pretože zníženie otáčok by znižovala kvalitu produktov. Zvolili sme druhú metódu, t.j. odladiť systém - zmeniť rezonančnú frekvenciu zariadenia tak, aby bolo mimo 50 Hz. Vo všeobecnosti pre rezonančnú frekvenciu platí vzorec:

Z tohto vzorca vyplýva, že so zväčšením tuhosti (k) rezonančná frekvencia sa zvyšuje (posunie sa smerom hore), a so zväčšením hmotnosti (m) rezonančná frekvencia sa znižuje (posunie sa smerom dole). Zariadenie bolo uložené na pružinové tlmiče kvôli odizolovaniu od budovy. Riešenie bolo evidentné, treba odladiť vlastnú frekvenciu zmenou tuhosti, teda vymeniť pružinové tlmiče za silentbloky. Šrotovník bol ešte v záruke, preto akýkoľvek zásah bolo treba konzultovať s výrobcom. Výrobca odmietol takéto riešenie s tím, že oni tiež používajú gumové tlmiče, ale iba do hmotnosti stroja 1000 kg. Šrotovník vážil cca. 1300 kg. Ďalej argumentovali s tím, že druhý šrotovník, ktorý má úplne rovnakú konštrukciu, pracuje správne, teda musí tam byť iná chyba. Doniesli nový rotor – držiak nožov s predpokladom, že pôvodný rotor nie je správne vyvážený. Po výmene sme vykonali meranie, stav sa nezlepšil. Navrhli zmerať samotný motor, bez držiaka nožov, či nie je nevyvážený rotor motora. Meranie potvrdilo, že motor je v poriadku. Keďže ďalší nápad nemali, pristúpili k nášmu návrhu a vymenili sa pružinové tlmiče na pripravené silentbloky. V nasledovnej tabuľke sú uvedené efektívne hodnoty chvenia namerané pri rôznych situáciách.

Po namontovaní silentblokov sme vykonali kontrolné meranie pri dobehu aby sme zistili ako sa zmenila rezonančná frekvencia. Na obrázku č.7 vidíme, že po vypnutí zariadenia s klesajúcimi otáčkami postupne klesla amplitúda, ale nie rapídne. Po určitom čase znovu sa zvýšila, kým neprešla cez kritické otáčky. Tento jav s klesajúcimi otáčkami sa viackrát opakovalo. Na obrázku č.8 sú spektrá s klesajúcimi otáčkami poskladané na seba (pohľad na kaskádový diagram spredu), aby sme mohli presne určiť zmenené rezonančné frekvencie. 

Ako vidíme, okolo 50 Hz, kde sú pracovné otáčky, už nie je žiadna rezonančná frekvencia. Namontovali sme kladivá šrotovníka presne v poradí, ako bolo pri počiatočnom meraní, to znamená ako namontovala miestna obsluha pred 7 dňami. Kladivá boli už mierne opotrebované, čiže stav ne bol ideálny. Hodnoty merané s namontovanými nožmi sú uvedené v poslednom stĺpci tabuľky č.6. Porovnaním prvého a posledného stĺpca je zrejmé, že po namontovaní silentblokov sme rezonančnú frekvenciu odladili a vibrácie výrazne klesli. Namerané hodnoty boli už uspokojivé. Amplitúdy 7,8 mms^-1, respektíve 7,9 mms^-1, ktoré boli namerané v bode 1H a 1V, boli spôsobené opotrebovaním kladív čo spôsobovalo určité nevyváženie. Aj keď tieto hodnoty pre šrotovníka s otáčkami 2994 otmin^-1 nie sú vysoké, predpokladali sme, že pri nasledovnej výmene kladív ak sa dodrží rovnomerné rozloženie kladív podľa hmotnosti, vibrácie budú ešte nižšie.

Popísané riešenie bolo prevedené 24.06.2008. Od toho času v rámci pravidelného merania sme vykonali  už 4 merania. V tabuľke č.10 sú uvádzané namerané efektívne hodnoty v jednotlivých meracích bodoch.

 

Jednotlivé merania boli vykonané počas prevádzky v reálnych podmienkach. To znamená raz boli nože opotrebované viac, inokedy menej, podľa bežného výrobného režimu. Podľa dlhodobých výsledkov merania môžeme konštatovať, že navrhovaný zásah bol úspešný, vibrácie klesli na trvalo a sú dané podmienky na dlhodobú bezporuchovú prevádzku.

 

Popísané riešenie na prvý pohľad môže sa zdať univerzálnym. Veď je zrejmé, že ak spevníme uchytenie, chvenie viac menej klesne. Ale pozor! Ak sa to stane bez toho, že by sa vedelo konkrétne čo spôsobuje vyššie chvenie, časom toto spevnenie môže prasknúť a poškodzujú sa aj ďalšie časti stroja. Skutočný zdroj vibrácie sa tím totiž neodstráni a porucha naďalej prejavuje svoj účinok. Môže sa stáť aj to, že bez potrebných informácii a neodborným spevnením odladí sa sústava a práve po úprave sa posunie rezonančná frekvencia blízko k pracovným otáčkam, respektíve presne do pracovných otáčok. V našom prípade výmena tlmičov za pevnejšie prinieslo trvalé riešenie práve preto, lebo zdrojom vysokého chvenia bol výlučne rezonančný jav, ktorý sme odstránili s tým, že sme zmenili rezonančnú vlastnosť stroja.