KURZUS: Műszaki diagnosztika

MODUL: Előadások

9. hét: Rezgésdiagnosztika

| Ez az lecke a szerkezetek állapotának megítélésénél alkalmazott rezgésvizsgálati módszerekkel - mint a roncsolásmentes szerkezeti vizsgálatok egyik speciális területével - foglalkozik.
Minden szerkezeti elem, vagy teljes szerkezet működését rezgésjelenségek, zajok fellépése jellemzi. Függvénye a pillanatnyi állapotnak, működésmódnak és információtartalma - kellő ismeretek birtokában - meghatározó mind az elhasználódás mértékének, mind a működési rendellenességek megítélése során. A rezgésvizsgálat vagy rezgésdiagnosztika az egyik legkorszerűbb karbantartási rendszer. Alkalmazásával a szerkezet leállítása és megbontása nélkül bármikor megállapítható a kérdéses egység vagy szerkezet pillanatnyi állapota, károsodásának mértéke, várható élettartama, majd ezek alapján egy esetleges beavatkozás szükségessége és ennek időpontja az üzemeltetés függvényében. Ennek segítségével tervezhetővé válik maga a karbantartási folyamat is.
Alapfogalmak
A rezgés egy egyensúlyi helyzetéből ellentétes irányokba kitérő testnek, anyagi részecskének vagy fizikai jelenségnek (pl.: villamos feszültségnek) periodikus ingadozásaiból álló változása, illetve e változásnak egy mozzanata. Lehet csillapítatlan, amikor például a kitérés állandó vagy csillapított, ahol e változás az idő függvényében csökken. E megfogalmazáson túl a jelenség lehet aperiodikus is, amelynek időbeli lefolyása elvileg minden periodicitástól mentes. Maga a rezgés leírható a kitérés (s), a sebesség (v) vagy a gyorsulás (a) időbeli változásával.
A periodikus rezgés legegyszerűbb esete a tisztán szinuszos rezgés.
A rezgésjellemző alatt általában azt a fizikai mennyiséget értjük, amely erősségére utal.
Méréstechnikai okokból ez a kitérés, sebesség vagy gyorsulás lehet. Bármelyikük a frekvenciával és a fázisszöggel kiegészítve az idő függvényében a jelenséget egyértelműen leírja.
A kitérést választva a kisfrekvenciájú összetevők kerülnek előtérbe. A gyorsulásmérés pedig inkább a nagyobb frekvenciájú összetevőket emeli ki. Alkalmazása kiegyensúlyozatlanság kimutatása, kis légrésű forgó gépek, továbbá szerszámgépek esetén szokásos. Ez utóbbiaknál ugyanis a megmunkált felület mérete, alakhűsége és felületminősége meghatározza a megengedhető kitérést.
A rezgéssebesség a rezgés energiatartalmával van kapcsolatban. Gépállapot, épületkárosodások elbírálására és kimutatására, továbbá például földrengések erősségének mértékére egyértelműen jellemző.
Az élő szerkezetre gyakorolt hatás szempontjából a rezgésgyorsulás mérvadó, de bizonyos esetekben a gépészeti gyakorlat is alkalmazza, például gördülőcsapágyak állapotellenőrzésénél. Egyúttal a környezeti terhelés mérőszáma is tevékenységi körönként részletesen előírt.
Rezgésérzékelők
A rezgésérzékelő a rezgésjellemzők valamelyikét (kitérés, sebesség, gyorsulás) mérik. Ezek többnyire mechanikus-elektromos átalakítók, azaz a mechanikai rezgés a bemenő jel, amely villamos feszültségként jelenik meg a kimeneten. A nagyon kis frekvenciák tartományában a kitérés optikai úton is mérhető, ennek előnye a nagy elolvasási pontosság.
A kitérés érzékelők mechanikus, villamos és optikai elven működnek.
A rezgéssebesség érzékelők működési elve a dinamikus mikrofonokéval egyezik. Tömegük viszonylag nagy, általában 500 g feletti. A kisebbek a nagyobb belső súrlódás miatt kevésbé érzékenyek. Kialakításuktól függően abszolút és relatív érzékelők lehetnek. Az előbbinél a tekercs, az utóbbinál az állandó mágnes rögzített. Frekvenciatartományuk 10 és 1000 Hz közötti.
A rezgésgyorsulás-érzékelő a legelterjedtebb típus. Működésük piezoelektromos elven alapul. Előnye az egyszerű szerkezeti kialakítás, a kis tömeg (néhány gramm), a széles frekvenciatartomány, a tömör szerkezet, a széles dinamika-tartomány, az időstabilitás, az egyszerű hitelesítés (vagyis kalibrálás) és használat, a normál környezeti hatásokkal szembeni érzéketlenség, továbbá az, hogy nem tartalmaz mozgó alkatrész (ezáltal nincs kopás), öngerjesztett és olcsó. Hátrányként jelentkezik a nagy impedancia (csak korlátozott hosszúságú kábelek alkalmazhatók), s bizonyos körülmények között a piroelektromos hatás fellépése. (Piroelektromos hatásnak nevezzük, amikor kis hőmérséklet-változások következtében a polarizációs irányra merőleges síkok között töltésvándorlás indul meg, amely a mért jeleket kisülés útján zavarja.) Kialakítását tekintve kompressziós, nyírt és hajlított kristályos típus lehet.
Mérések
Rezgésvizsgálat többféle céllal történhet:
tervezéshez szükséges modellvizsgálatok, átadás-átvételi vizsgálatok, diagnosztikai vagy állapotellenőrzési célú vizsgálatok, forgógépek beállítási célú vizsgálatai (helyszíni kiegyensúlyozás, tengelybeállítás stb.).
A mérés végrehajtása történhet:
rezgésszint ellenőrzéssel, lökésimpulzus módszerrel, "SEE"-technológiával, burkológörbe módszerrel.
Rezgéssebesség mérés
Karbantartási vonatkozású rezgésvizsgálatoknál a mért rezgésjellemző - eltekintve néhány speciális területtől - a rezgéssebesség. Ezt célszerűen a forgó gép csapágyazási helyein kell mérni a 10 és 1000 Hz közötti frekvenciatartományban, mindhárom fő rezgésirányban.
Ritkábban, főleg turbógép-csoportok ellenőrzésénél szükség lehet az említett tartomány kibővítésére.
Bár egyetlen mérés is támpontot adhat a berendezés állapotáról, lényegesen megbízhatóbb, elsősorban a különleges gépeknél a folyamatos állapotfigyelés.
Lökésimpulzus módszer
Szinte kizárólag gördülőcsapágyak károsodásának ellenőrzésére fejlesztették ki. Az eljárás két egymással ütköző test közötti sebességkülönbségre ad információt. Az ütközés során kialakuló lökéshullám nagysága a pályahibák függvénye, így a csúcsértékből következtetni lehet a csapágy üzemi állapotára.
"SEE" technológia
Az akusztikus emissziós vizsgálatok egyik fajtája, amelyet a lökésimpulzus módszerhez hasonlóan kifejezetten gördülőcsapágyak vizsgálatára fejlesztettek ki. A rövidítés az angol Spectral Emitted Energy kifejezésből alkotott betűszó. Alkalmazásával a csapágyak futófelületén kialakult repedéseket és töréseket lehet kimutatni. Lökéshullámok ugyanis nem csak a sérülések feletti áthaladásnál, hanem a pillanatszerű fémes érintkezés és a berágódások során is kialakulnak. Lényeges, hogy a csapágy fordulatszámától független eredményeket szolgáltat az eljárás.
Burkológörbe módszer
A módszer elsősorban az ismétlődő jelenségek kimutatására szolgál. A leggyakrabban alkalmazott eljárás a rezgésgyorsulás szűrésével dolgozik.
Jellegzetes frekvenciák
Kiegyensúlyozatlanság
A kiegyensúlyozatlanság forgó vagy alternáló mozgást végző elemek hibájára utal. Ez egyaránt lehet hibás méretezés, gyártás, szerelés vagy szakszerűtlen karbantartás következménye. Rendszerint radiális, ritkábban axiális irányú rezgésként is jelentkezhet.
Frekvenciája megegyezik a kérdéses elem fordulatszámának megfelelő frekvenciával.
Intenzitása, erőssége rendszerint jelentős.
Szerelési hiba, deformálódott tengely
A szerelési hiba és a görbült (deformálódott) tengely hatása ugyancsak kiegyensúlyozatlanságban nyilvánul meg. Gyakran előforduló hibajelenség. Az egyszerű kiegyensúlyozatlanságtól abban tér el, hogy radiális és axiális rezgéseket is kelt, továbbá gyakran a forgási frekvencia két- vagy háromszorosán jelentkezik.
Impulzusszerű erőhatás
Az impulzusszerű erőhatásnak kitett elemek, mint például a szelepek által keltett rezgések az időegység alatt fellépő ütközéseknek megfelelően alakulnak. Jellemző a felharmonikusok megjelenése is.
Csapágyak, tengelykapcsolók
A hibásan beállított csapágyak és a helytelenül szerelt tengelykapcsolók a forgási frekvenciának megfelelő radiális, ritkábban axiális rezgésekben nyilvánul meg. Gyakori a második, harmadik felharmonikus megjelenése is. Amennyiben az axiális rezgés a radiális rezgés intenzitásának 50%-át meghaladja, akkor valószínűleg hibás szerelés a közvetlen ok.
Fogaskerék hajtóművek
A fogaskerekek keltette hatások többnyire könnyen azonosíthatók, mert ezek a fordulatszám és a fogszám függvényében alakulnak. A jellegzetes frekvenciák a fogkapcsolódási frekvencia és az együttjárási frekvencia.
Lánchajtások
Lánchajtásoknál a kapcsolódási-, a hajtási- és a hajtogatási frekvencia fokozott intenzitású megjelenése kopásra vagy hibás beállításra utal. Számítással történő meghatározásuknál a kapcsolt forgó tömegek tehetetlenségi nyomatékát is figyelembe kell venni.
Villamos forgógépek
Villamos forgógépek rezgései mágneses és aerodinamikus hatások következményei, amelyek még kifogástalan állapotban lévő gépeknél is megjelennek. Jellegzetes a hajtási-, valamint a hálózati frekvencia, illetve ez utóbbi kétszerese. Gyakran megtévesztőek, mert kiegyensúlyozatlanság vagy lazulás látszatát keltik. A hálózatról történő lekapcsolással viszont a rezgések megszűnnek.
A mágneses eredetű rezgés alapfrekvenciája mindig a hálózati frekvencia kétszerese (Európában tehát 100 Hz).
Motor rezgésmérése
1. ábra
Transzformátorok
Transzformátorok esetében mindig megjelenik a mágneses eredetű 100 Hz-es rezgés esetleges felharmonikusaival együtt. Ezt jelentősen felerősíti a teljesítménytranszformátoroknál a hűtőburkolat, illetve a kényszerhűtés esetén beépített axiálventilátor. Egyéb rezgés csak valamilyen fellazulás következménye lehet, amely többnyire egyszerűen meg is szüntethető.
Hidraulikus és pneumatikus rendszerek
Hidraulikus és pneumatikus rendszerek rezgései kiegyensúlyozatlanságból, csapágyhibákból vagy helytelen szerelésből adódnak. Viszonylag gyakori lehet a kiegyensúlyozatlanság, amelyet a szállított közegből kiváló és a lapátokra lerakódó anyag okoz.
Kiegyensúlyozatlanságra utal a hajtási frekvencián jelentkező intenzitás-növekedés, míg a működési frekvencia kiugrása szerkezeti hibát vagy fokozódó turbulenciát jelez. Radiális és axiális irányban is fellép.
Határértékek
Gépészeti berendezések rezgésvizsgálatára vonatkozó legfontosabb előírás az ISO 2372 számú nemzetközi szabvány: "Általános előírások forgógépek rezgéserősségének vizsgálatára és értékelésére". E szabvány sorozatban vagy egyedi gyártásban készült, a 600 és 12 000 1/min közötti fordulatszámú tartományban üzemelő gépekre érvényes, de nem alkalmazató kötelező érvénnyel a 600-as fordulatszámnál kisebb gépek esetében. Előírt az osztályozási feltétel és minősítési rendszer a rezgésekre való tekintettel. A szabvány ugyanakkor tárgyalja az egyes rezgésjellemzők érékelését, de magát a mérés kivitelezését is.
Az üzemeltető tapasztalatain alapuló határértékek. Az adott vagy azonos típusú gép üzemeltetése során nyert karbantartási és meghibásodási adatok statisztikai kiértékelése alapján adnak meg határértéket.
Határértékek a normális viselkedéstől való eltérés alapján. Ilyen eset, amikor a trendelemzés szerint ugrásszerűen megváltoznak a relatív rezgésszintek vagy rezgésszintek progresszív változása jelentkezik.
Rezgések hatérértékének meghatározása
2. ábra
Mérési módszerek
A gépek műszeres rezgésvizsgálatakor a mechanikai rezgéseket villamos jellé kell átalakítani és így a mechanikai rezgések jellemzőit tartalmazó villamos jeleket mérjük, ill. elemezzük.
Mérésadatgyűjtő rendszer
3. ábra
Az érzékelő kiválasztása és elhelyezése
A relatív elmozdulás mérők hatásosan csak a kisfrekvenciás összetevők érzékelésére használhatók
Az utóbbi években a piezoelektromos gyorsulásmérők terjedtek el, mivel kiváló frekvencia- és dinamikatartományuk, sokkal kisebb a méretük, hosszabb az élettartamuk (nincs bennük mozgó elem)
Gyorsulás érzékelők használatakor a rezgésmérő műszerek ma már tartalmazzák az integrátor áramkört, így a rezgéssebesség, az elmozdulás (kitérés) vagy a rezgésgyorsulás egyszerű kapcsoló átállítással kiválasztható.
A gyorsulásérzékelők jellemzői az érzékenység (rezonancia frekvencia), tömeg (0,1- szerese a rezgő tömegnek), és dinamika tartomány.
A rézgésmérés helye befolyásolja az észlelhetőséget
4. ábra
A 2. mérési helyhez a rezgéshullám 7 érintkező felületen át jut. Ez 0,27/0,22 = 0,25, ami 3000-szeres jelcsökkenést eredményez.
A helymeghatározás szempontjai:
A jelátadás útja Frekvencia visszajelzés Ismételhetőség Vizsgálati körülmények: Hőmérséklet Terhelés Sebesség Érzékelők elhelyezése, iránya, felszerelése
A mérés helye több szempontból is vizsgálandó
5. ábra
Mérési pontok azonosítása
CondIDTM memória címke tartalmazza:
A mérési pont nevét, számát Minden méréstechnikai beállítást és bázis adatot A megelőző mérési eredményeket
A mérési pontok jelölése.
6. ábra
A szenzor felhelyezése több módszerrel is lehetséges:
Felcsavarozással
Csavaros szenzorrögzítés
7. ábra
Mágnessel
Mágneses szenzorrögzítés
8. ábra
A rezgés elemzéssel beazonosítható hibák
Kiegyensúlyozatlanság Egytengelyűség hiba Csapágy hibák Hajlott tengely Lazulás Sikló csapágy kopás Fogaskerék hibák Impeller lapát problémák Mágneses eredetű zaj Villamos eredetű zaj
Egyszerű harmonikus mozgás egyenlete
9. ábra
A görbe alatti terület határozza meg az RMS-értéket, vagyis a négyzetes középérték, egyetlen numerikus értéket ad, érzéketlen a kis amplitúdójú rezgésekre.
Négyzetes középérték számítása
10. ábra
Rezonancia: Egy rendszernek rezonanciája van gerjesztett lengésben, amikor a gerjesztő frekvenciának bármilyen kis változása a rendszer válaszának csökkenését eredményezi
Rezgés spektrum vizsgálata
Szinkron összetevők Nnévl * rpm, N egy egész szám Felharmonikusok, az alapfrekvencia egészszámú többszörösei Szub-harmonikusok Kisebb, mint 1 * rpm Esetleg harmonikus Nem Szinkron összetevők Nem harmonikusai a fordulatszámnak (rpm = fordulatszám)
A harmonikusok megjelenése mérések során
11. ábra
A felharmonikusok értékelése
Ha N = 1-től 8-ig
Kiegyensúlyozatlanság Tengely beállítási hiba Görbült tengely Lazulás Lapát elhaladás
Ha N nagyobb, mint 8
Fogaskerék kapcsolódás Motor tekercs elhaladás Alacsonyabb összetevők harmonikusai
Szub-harmonikus összetevők
Olaj örvénylés Laza csapágy persely Súrlódás Elsődleges szíj frekvenciák Kompresszor hullámzás Zörgés
Példamérés:
Pico NVH-kit alkalmazása
Az NVH általánosan használt angol betűszó, mely a zaj és a vibráció jelenségeire utal (Noise, Vibration and Harshness). Ha az autón rendellenes zajokat, a vibrációnak (rezgésnek, lengésnek) különböző fokozatait érzékeljük, illetve ilyen panasszal fordul az ügyfél a szervizhez, kiderítendő annak forrása. Ekkor végzünk NVH-elemzést.
Az alany egy VW Golf V 2.0 TDI volt, amiben jellemzően 107 és 117 km/h sebességnél elviselhetetlen vibrációt tapasztaltak. A kerekeket kiegyensúlyozták, így nem maradt más hátra, mint tovább kutakodni. A Pico NVH-szettben található egy mágnessel ellátott gyorsulásszenzor, amit a vezető üléssín-lefogató csavarhoz érdemes rögzíteni a mérés során. A hallható zajok diagnosztizálásához a szettben egy mikrofon is található. A gyorsulásszenzort az NVH-interfészen keresztül kötjük be a szkópba. A számítógépet egy USB-OBD átalakító kábellel kötjük össze az autóval, így a motorfordulatszám- és járműsebesség-adatokat onnan kapja a Pico NVH-szoftvere. Ha régebbi járműről van szó, vagy nem találunk motorfordulatszám-jelet, akkor más módszerrel, a szkóp egy csatornájára kötve is mérhetünk fordulatszámot.
Ha minden szenzort bekötöttünk, akkor következhet a járműparaméterek felvitele a Pico szoftverbe. Fontos, hogy annyi adatot adjunk meg, amennyit csak tudunk. A szoftver ezeket a számokat használja fel, hogy a motorfordulatszámból a hajtáslánc elemeinek fordulatszámát meghatározza.
A kezelőfelületen szükséges munkálatok:
Az NVH Analyzer beállítása A beállítás során meg kell adni a fordulatszám-mérési módszert, a gyorsulásérzékelő típusát, helyét és funkcióit.
Mérés beállítás
12. ábra
Járműadatok A hajtásláncadatok megadására szolgál a "Jármű adatok" menüpont. Amikor csak menet közben észlelünk zajt vagy vibrációt, akkor minden esetben annyi adatot adjunk meg, amennyit csak lehet.
Járműadatok felvitele
13. ábra
Felvétel és kiértékelés
Mérésfelvétel. Nyers jelek és kiértékelt frekvenciaanalízis
14. ábra
Ha felállítottuk a mérőrendszert és beírtuk az adatokat, akkor nincs más hátra, mint felvételt készíteni a hibajelenségről. A szoftver elemzi az észlelhető zajok és rezgések frekvenciáját, majd összehasonlítja a hajtáslánc elemeinek fordulatszámával. A rögzített adathalmazból meghatároz egy T1 és egy E1 értéket, melyek közül a T1 az elsőrendű sebességfüggő rezgéseket jelenti, az E1 pedig az elsőrendű motorfordulatszám-függő rezgéseket.
Az esettanulmányban szereplő VW esetében 21,4 mg (mg = millig, a "g"-gyorsulás ezred része) vibrációt mértek 15,68 Hz frekvencián, ami megegyezik a kerék fordulatszámának megfelelő frekvenciával.
Frekvenciaanalízis
15. ábra
Frekvenciák párosítása alkatrészekhez
16. ábra
Felharmonikusok a mérés során.
17. ábra
Ezzel a problémát 4 alkatrészcsoportra szűkítettük:
gumiabroncs, keréktárcsa, kerékagy, féltengelyek, differenciálmű kihajtó tengelye.
A gumiabroncs vizsgálatakor kiderült, hogy ovalitás van benne, és ez az alakhiba okozza a rezgéseket. A https://www.youtube.com/watch?v=fnCjtkAxlpA linken látható videóból is jól kivehető a gumiabroncs hibája. A kerektől eltérő forma, mivel csak 1 pontban tért el a körtől, elsőrendű rezgéseket okozott a kerék forgási frekvenciáján.
A frekvenciaanalízis bebizonyította, hogy kiválóan alkalmas a hajtásláncból érkező hangok és rezgések pontos meghatározására, ha a szükséges adatokat hitelesen tudjuk megadni.

| Önellenőrző kérdések
1. Mit jelent az RMS-érték?
| Root Main Square
| Ring Main Square
| Root Max. Square
| Root Min. Square
2. Mi az Amplitúdó definíciója rezgésdiagnosztikában?
| Tömeg felső pontjához képest megtett legnagyobb kitérés.
| Tömegközépponthoz képest megtett legnagyobb kitérés.
| Tömegközépponthoz képest megtett legkisebb kitérés.
| Tömegközépponthoz képest megtett leghosszabb idő.
| Tömegközépponthoz képest megtett legnagyobb betérés.
3. Mi a Frekvencia definíciója rezgésdiagnosztikában?
| Az egy perc alatt megtett mozgási ciklusok száma.
| Az egy másodperc alatt megtett mozgási ciklusok és a rezonancia szorzata.
| Az egy másodperc alatt megtett mozgási ciklusok és sávszélesség szorzata.
| Az egy másodperc alatt megtett mozgási ciklusok száma.
4. Mi az RMS definíciója rezgésdiagnosztikában?
| Négyzetes középérték.
| Négyzetes amplitúdó.
| Négyzetes frekvencia.
| Négyzetes körfrekvencia.
5. Mi a Harmonikus fogalma rezgésdiagnosztikában?
| A forgórész üzemi fordulatszámánál nagyobb frekvencia.
| A forgórész üzemi fordulatszám többszörösének megfelelő frekvencia.
| A forgórész üzemi fordulatszámának megfelelő frekvencia.
| A forgórész üzemi fordulatszámnál kisebb frekvencia.
6. Mi a Felharmonikus fogalma rezgésdiagnosztikában?
| Az alapharmonikus egész-számú többszöröse.
| Az alapharmonikus törtszámú többszöröse.
| Az rezonancia-frekvencia egész-számú többszöröse.
| Az rezonancia-frekvencia törtszámú többszöröse.
7. Minek a rövidítése az FFT?
| Gyors Fourier-transzformáció.
| Biztos Fourier-transzformáció.
| Diszkrét Fourier-transzformáció.
| Lassú Fourier-transzformáció.
8. Mi a rezonancia?
| Egy rendszernek rezonanciája van gerjesztetlen lengésben, amikor a gerjesztő frekvenciának bármilyen kis változása a rendszer válaszának növekedését eredményezi.
| Egy rendszernek rezonanciája van gerjesztetlen lengésben, amikor a gerjesztő frekvenciának bármilyen kis változása a rendszer válaszának csökkenését eredményezi.
| Egy rendszernek rezonanciája van gerjesztett lengésben, amikor a gerjesztő frekvenciának bármilyen kis változása a rendszer válaszának növekedését eredményezi.
| Egy rendszernek rezonanciája van gerjesztett lengésben, amikor a gerjesztő frekvenciának bármilyen kis változása a rendszer válaszának csökkenését eredményezi.
9. Mire utalhat a 8-nál több felharmonikus?
| Görbült tengely.
| Lazulás.
| Lapát elhaladás.
| Fogkapcsolódási hiba.
10. Mire utalhatnak a szubahrmonikusok?
| Fogaskerék kapcsolódás.
| Motor tekercs elhaladás.
| Alacsonyabb összetevők harmonikusai.
| Olajörvénylés.