Rezgésdiagnosztika

Rovat: Diagnosztika, anyagvizsgálat

Rezgésdiagnosztika, rezgésjellemző, lökésimpulzus, burkológörbe

Ez az összeállítás 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.

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.

Példák a rezgésérzékelők beépítésének helyére

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.

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.

Szíjhajtások

Lapos- és ékszíjhajtások

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).

Transzformátorok

Transzformátorok esetében mindig megjelenik a mágneses eredetű 100 Hz-es rezgés esetleges felharmonikusaival együtt. Ezt jelentősen felerősíti a teljesítmény-transzformátoroknál 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.