ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστήμιου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διευθυντής: Καθηγητής Δρ.- Μηχ. Αθανάσιος Ν. Σαφάκας Πάτρα 20 /03/2009 Αρ.Πρωτ.: ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστήμιου Πατρών Τριάντη Περικλή ΑΜ : 4951 No 275 «Δομή και λειτουργία ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος χαρτοποιητικής μηχανής με καταγραφή και αποθήκευση κρίσιμων λειτουργικών μεγεθών» Επιβλέπων : Καθ. Δρ.- Μηχ. Α. Σαφάκας Πάτρα, Μάρτιος 2009 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ Τηλ : (2610) Fax : (2610) ΡΙΟ ΠΑΤΡΑ Τηλ : (2610) a.n.safacas@ee.upatras.gr

2 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΧΑΡΤΟΠΟΙΗΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΡΙΣΙΜΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ» ΤΡΙΑΝΤΗ ΠΕΡΙΚΛΗ του ΜΑΡΚΟΥ ΦΟΙΤΗΤΗ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ Ν. ΣΑΦΑΚΑΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ:../2009 Πάτρα, Μάρτιος 2009

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΙΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΧΑΡΤΟΠΟΙΗΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΜΕ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΡΙΣΙΜΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τριάντη Περικλή (Α.Μ. 4951) παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις../ 03 / 2009 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Δρ. Μηχ. Α.Ν. Σαφάκας Καθηγητής Α. Αλεξανδρίδης

4 ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ : /2009 ΤΙΤΛΟΣ Φοιτητής : «Δομή και λειτουργία ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος χαρτοποιητικής μηχανής με καταγραφή και αποθήκευση κρίσιμων λειτουργικών μεγεθών» : Τριάντης Περικλής Επιβλέπων : Αθανάσιος Ν. Σαφάκας Περίληψη Αυτή η διπλωματική εργασία εκπονήθει κατά ένα μέρος στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστημίου Πατρών και στην εταιρία Πατραϊκή χαρτοποιία Α.Ε. στα πλαίσια του προγράμματος Πρακτική Άσκηση Φοιτητών Του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών κατά τη χρονική περίοδο από 6/07/06 έως 30/10/06. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται περιγραφή του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος της Πατραϊκής Χαρτοποιίας αποτελούμενο από κινητήρες συνεχούς ρεύματος για την παραγωγή χαρτιού tissue. Επίσης παρουσιάζεται η σχεδίαση συστήματος καταγραφής βλαβών σε περιστρεφόμενες μηχανές μέσω της ανάλυσης φάσματος κραδασμών στο πλαίσιο της εφαρμοσμένης μεθόδου παρακολούθησης κραδασμών της προβλεπτικής συντήρησης.

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος..1 Κεφάλαιο 1 : Περιγραφή ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος στην Πατραϊκή Χαρτοποιία με κινητήρες συνεχούς ρεύματος για την παραγωγή χαρτιού tissue Περιγραφή γραμμής παραγωγής χαρτιού από πολτοποιητή (pool master) έως και τυλιχτή (pope roll) Περιγραφή της εγκατάστασης των κινητήρων συνεχούς ρεύματος (αντιστροφείς, κινητήρες, προστασίες, αυτοματισμοί) Γενικά χαρακτηριστικά ηλεκτροκινητήριου συστήματος Αρχές λειτουργίας του συστήματος κλειστού βρόχου Αρχές λειτουργίας του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος για τον έλεγχο της ταχύτητας μηχανής συνεχούς ρεύματος Απεικόνιση και καταγραφή σε πραγματικό χρόνο των κρίσιμων παραμέτρων της διαδικασίας μέσω δικτύου υπολογιστών Καταγραφή και επεξήγηση λειτουργίας περιστρεφόμενων τμημάτων και συστημάτων μειωτήρων, τριβέων, εδράνων της χαρτοποιητικής μηχανής Έδρανα κύλισης και ολίσθησης Τύποι ρουλεμάν Φόρτιση και τζόγος Φθορά και συντήρηση Μειωτήρες Τύποι γραναζιών Τύποι και δομή μειωτήρων Πλανητικοί μειωτήρες..34

6 Κεφάλαιο 2 : Προληπτική συντήρηση και έλεγχος μηχανών, μέτρηση δονήσεων και κραδασμών Προληπτική διάγνωση βλαβών μηχανών Διαγνωστικές μέθοδοι Αναφορά στις μεθόδους διάγνωσης Προληπτική διάγνωση και λειτουργική κατάσταση των μηχανών Προληπτική διάγνωση βλαβών μηχανών με μέτρηση / ανάλυση των ταλαντώσεων / δονήσεων Παράμετροι μέτρησης ταλαντώσεων Είδη μετρήσεων μηχανικών ταλαντώσεων Χαρακτηριστικά παραμέτρων μέτρησης ταλαντώσεων Μέτρηση μηχανικών ταλαντώσεων Τύποι ταλαντώσεων στης μηχανές Επιταχυνσιόμετρο Μετρήσεις κατάστασης σε έδρανα κύλισης Αξιολόγηση της κατάστασης των μηχανών με την χρήση ολικών (OVERALL) τιμών Ενέργειες για αξιολόγηση των μηχανών Αξιολόγηση μηχανών με χρήση ορίων από οδηγίες και πρότυπα Αξιολόγηση μηχανών με χρήση των οριακών τιμών του κατασκευαστή Αξιολόγηση μηχανών με χρήση ορίων που έχουν καθοριστεί από τον χειριστή Αξιολόγηση της εξέλιξης των μετρούμενων τιμών συναρτήσει του χρόνου (TREND) Αναγνώριση βλαβών με την χρήση ανάλυσης κατά συχνότητα Η βάση της ανάλυσης κατά συχνότητα Φασματική ανάλυση Λήψη του σήματος ταλαντώσεων στο πεδίο του χρόνου Φιλτραρισμός του σήματος Μετασχηματισμός στο πεδίο της συχνότητας...75

7 Κεφάλαιο 3 : Κατασκευή αναλυτή για την μέτρηση κραδασμών Στόχος της υλοποίησης του αναλυτή Παρουσίαση των συσκευών μέτρησης Περιγραφή της εργαστηριακής συσκευής μέτρησης που κατασκευάστηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας Περιγραφή του μετρητικού οργάνου (Detector II) Περιγραφή της εργαστηριακής διάταξης Μέτρηση των κραδασμών ενός ηλεκτρικού κινητήρα Τρόποι και τεχνικές μέτρησης Πρακτικές οδηγίες για τις μετρήσεις Μετρήσεις που έγιναν στο εργαστήριο Αξιολόγηση των μετρήσεων Προοπτικές Εφαρμογών της μετρητικής διάταξης στη βιομηχανία 100 Κεφάλαιο 4 : Επίλογος Κεφάλαιο 5 : Βιβλιογραφία

8 Πρόλογος Αυτή η διπλωματική εργασία εκπονήθει κατά ένα μέρος στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστημίου Πατρών και στην εταιρία Πατραϊκή χαρτοποιία Α.Ε. στα πλαίσια του προγράμματος Πρακτική Άσκηση Φοιτητών Του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών κατά τη χρονική περίοδο από 6/07/06 έως 30/10/06. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η σχεδίαση συστήματος καταγραφής βλαβών σε περιστρεφόμενες μηχανές μέσω της ανάλυσης φάσματος κραδασμών στο πλαίσιο της εφαρμοσμένης μεθόδου παρακολούθησης κραδασμών της προβλεπτικής συντήρησης. Η εργασία περιλαμβάνει τρία (3) κεφάλαια : Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται Περιγραφή του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος της Πατραϊκής Χαρτοποιίας αποτελούμενο από κινητήρες συνεχούς ρεύματος για την παραγωγή χαρτιού tissue. Στην αρχή γίνεται περιγραφή της χαρτοποιητικής μηχανής της Πατραϊκής Χαρτοποιίας, των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και συστημάτων αυτοματισμού από τα οποία αυτή αποτελείτε. Τέλος γίνεται καταγραφή και επεξήγηση της λειτουργίας των περιστρεφόμενων τμημάτων και συστημάτων μειωτήρων, τριβέων και εδράνων της χαρτοποιητικής μηχανής. Στη δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη σύγχρονη βιομηχανική προβλεπτική συντήρηση και τις σύγχρονες τάσεις και αναπτύσσεται η θεωρητική βάση για την προληπτική διάγνωση βλαβών μηχανών με μέτρηση / ανάλυση των ταλαντώσεων / δονήσεων. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται τα δύο όργανα μέτρησης, η μετρητική πλακέτα για την διεξαγωγή των μετρήσεων που κατασκευάστηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας καθώς και το μετρητικό όργανο Detector II, που χρησιμοποιήθηκε για λόγους διακρίβωσης. Στην συνεχεία παρατίθενται οι μετρήσεις που ληφθείσαν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστημίου Πατρών μέσω μιας πειραματικής διάταξης ισχύος 5,5 kw. Και γίνεται αξιολόγηση αυτών. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κο Αθανάσιο Σαφάκα, για την προτροπή και τη δυνατότητα που μου έδωσε να εκπονήσω τη - 1 -

9 διπλωματική εργασία στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, για την επιστημονική καθοδήγηση, την πολύπλευρη συμπαράστασή του και γενικότερα για όλη τη σημαντική συμβολή του στην επιτυχή περάτωση αυτής της διπλωματική εργασία. Ευχαριστώ τον Διπλωματούχο Ηλεκτρολόγο Μηχανικό κ. Κωνσταντίνο Κοντογιάννη για την πολύτιμη βοήθεια του, στο να συλλέξω πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με το ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα της Πατραϊκής Χαρτοποιίας, στην υλοποιηση της μετρητικής πλακέτας για την διεξαγωγή των μετρήσεων και γενικά για την καθοδήγηση του σε όλα τα στάδια της εκπόνησης της διπλωματικής μου εργασίας

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Περιγραφή ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος στην Πατραϊκή Χαρτοποιία με κινητήρες συνεχούς ρεύματος για την παραγωγή χαρτιού tissue 1.1 Περιγραφή γραμμής παραγωγής χαρτιού από πολτοποιητή (pool master) έως και τυλιχτή (pope roll) Η χαρτοποιία είναι ένας σημαντικός τομέας της βιομηχανίας. Περιλαμβάνει όλες τις μονάδες παραγωγής χάρτου κάθε είδους, από το ανακυκλωμένο χαρτί των χαρτοκιβωτίων και τα παντός είδους τυπογραφικά χαρτιά, μέχρι και το σύνολο των προϊόντων καθαριστικών χαρτιών και χαρτιών οικιακής και επαγγελματικής χρήσης. Οι χαρτοποιητικές μηχανές είναι για όλα τα είδη χαρτιού βασισμένες στην ίδια αρχή λειτουργίας, παρότι σήμερα διατίθενται πολυάριθμες παραλλαγές, ανάλογα με τον κατασκευαστή. Πιο κάτω γίνεται περιγραφή της χαρτοποιητικής μηχανής της Πατραϊκής Χαρτοποιίας, βάση επί τόπου σημειώσεων του εκπονούντος αυτή την εργασία κατά την παρουσία του στο εργοστάσιο της Πατραϊκής Χαρτοποιίας στα πλαίσια της εκπόνησης της διπλωματικής του εργασίας, η οποία φαίνεται σχηματικά στο σχήμα 1.1. Στην αρχή της μηχανής υπάρχει ένας πολτοποιητής, όπου ρίχνεται η πρώτη ύλη, είτε αυτή είναι χαρτόμαζα είτε χαρτιά προς ανακύκλωση, σχήμα 1.2. Μέσα στον πολτοποιητή, σχήμα 1.3, που ουσιαστικά είναι ένα μεγάλο καζάνι με κατάλληλα ισχυρό αναδευτήρα στον πυθμένα του, αναμειγνύεται η πρώτη ύλη με άφθονο νερό απ'όπου προκύπτει ο πολτός. Στη συνέχεια αφού ο πολτός ομογενοποιηθεί ικανοποιητικά, μεταφέρεται με αντλίες στις διάφορες δεξαμενές σχήμα

11 Σχήμα 1.1 Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα της χαρτοποιητικής μηχανής. Σχήμα 1.2 Ο πολτοποιητής όπου ρίχνεται η πρώτη ύλη, είτε αυτή είναι χαρτόμαζα είτε χαρτιά προς ανακύκλωση

12 Σχήμα 1.3 Ο πολτοποιητής με τον αναδευτήρα σε λειτουργία. Σχήμα 1.4 Δεξαμενή όπου παραμένει ο πολτός μέχρι να απορροφηθεί από τη χαρτοποιητική μηχανή

13 Σχήμα 1.5 Περιστρεφόμενο φίλτρο καθαρισμού επαναχρησιμοποιούμενων νερών από τις ίνες χαρτιού. Σχήμα 1.6 Το επάνω μέρος της δεξαμενής όπου παραμένει ο πολτός μέχρι να απορροφηθεί από τη χαρτοποιητική μηχανή

14 Ο πολτός οδηγείται στη μηχανή μέσω της αντλίας αναμίξεως, σχήμα 1.7, η οποία τον αραιώνει με μεγάλες ποσότητες νερού. Με την πίεση της αντλίας αναμίξεως ο αραιωμένος πολτός οδηγείται επάνω σε ένα μεγάλο περιστρεφόμενο πλέγμα σχήμα 1.8, το οποίο συγκρατεί στην επιφάνεια του τις ίνες και αφήνει το νερό να περάσει από την πλέξη του στραγγίζοντας τον πολτό και δίνοντας τον πρώτο σχηματισμό του χαρτιού. Κατά τη διάρκεια της διαδρομής του πλέγματος υπάρχουν στην κάτω επιφάνεια του κιβώτια απορροφήσεως, που με την βοήθεια κενού συντελούν στην καλή στράγγιση του λεπτού φιλμ χαρτιού που σχηματίστηκε. Όταν το πλέγμα φτάνει στον βοηθητικό ρόλλο έρχεται σε επαφή με ένα περιστρεφόμενο ειδικό παχύ συνθετικό ύφασμα που ονομάζεται τσόχα σχήμα 1.9. Η τσόχα αποσπά το σχηματισμένο υγρό χαρτί από το πλέγμα και συνεχίζει με κατεύθυνση προς το τύμπανο σχήμα Κατά τη διαδρομή του χαρτιού προς το τύμπανο, επιτυγχάνεται περεταίρω στέγνωμα αυτού μέσω απορροφητικού κιβωτίου που αποσπά μέρος της υπάρχουσας υγρασίας. Η τσόχα πιέζεται επάνω στο τύμπανο από την απορροφητική πρέσσα σχήμα , η οποία σε όλη την επιφάνεια της είναι διάτρητη και με τη βοήθεια κενού στεγνώνει ακόμη περισσότερο το χαρτί. Σχήμα 1.7 Η αντλίας αναμίξεως μέσω της οποίας ο πολτός οδηγείται στη χαρτοποιητική μηχανή

15 Σχήμα 1.8 Το πλέγμα το οποίο συγκρατεί στην επιφάνειά του τις ίνες και αφήνει το νερό να περάσει από την πλέξη του στραγγίζοντας τον πολτό και δίνοντας τον πρώτο σχηματισμό του χαρτιού. Σχήμα 1.9 Το πλέγμα έρχεται σε επαφή με ένα περιστρεφόμενο ειδικό παχύ συνθετικό ύφασμα που ονομάζεται τσόχα

16 Σχήμα 1.10 Το περιστρεφόμενο στεγνωτικό τύμπανο. Σχήμα 1.11 Η τσόχα πιέζεται επάνω στο τύμπανο από την απορροφητική πρέσσα

17 Σχήμα 1.12 Η τσόχα πιέζεται επάνω στο τύμπανο από την απορροφητική πρέσσα. Το περιστρεφόμενο στεγνωτικό τύμπανο έχει πολύ λεία επιφάνεια και διάμετρο που ξεπερνά τα τρία μέτρα, ενώ θερμαίνεται στους βαθμούς Κελσίου με τη βοήθεια κυκλώματος ατμού, που περνά μέσα από τον άξονα του τυμπάνου με πίεση 5 ατμόσφαιρες. Όταν η τσόχα πιεστεί επάνω στο τύμπανο, το χαρτί που βρίσκει λεία και θερμή επιφάνεια εγκαταλείπει την επιφάνειά της και κολλά επάνω στην επιφάνεια του τυμπάνου. Κατά τη διάρκεια της περιστροφής του τυμπάνου και μέχρι αυτό να διαγράψει τόξο 180 μοιρών, το χαρτί στεγνώνει και αποσπάται από το τύμπανο με τη βοήθεια σταθερής ξύστρας σχήμα 1.13, η οποία και αναγκάζει το χαρτί να εγκαταλείψει το τύμπανο. Το χαρτί στη συνέχεια τυλίγεται στον τυλιχτή σχήμα 1.14, από όπου λαμβάνεται σε μεγάλους ρόλλους των 1000 έως 2000 κιλών όπως φαίνεται και στο σχήμα

18 Σχήμα 1.13 Η ξύστρα με την οποία το χαρτί αποσπάται από το τύμπανο

19 Σχήμα 1.14 Ο τυλιχτής όπου τυλίγεται το χαρτί. Σχήμα 1.15 Ρόλλοι χαρτιού οι οποίοι αποθηκεύονται προσωρινά μέχρι την περαιτέρω επεξεργασία τους

20 Καθόλη τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας εξέχοντα ρόλο παίζει το ηλεκτροκινητήριο σύστημα, που είναι υπεύθυνο τόσο για τον ακριβή έλεγχο των ταχυτήτων όσο και για την κατανομή των φορτίων, αφού το σύστημα των κινητήρων είναι μηχανικά εξαρτημένο μέσω της τσόχας και του πλέγματος, αλλά και με απευθείας επαφή όπως έχουμε στην περίπτωση του συστήματος τυμπάνου-πρέσσας. Για το λόγο αυτό πρέπει πέρα από τον έλεγχο της ταχύτητας, να έχουμε και έλεγχο φορτίου, ώστε όλες οι ηλεκτρικές μηχανές να συνεισφέρουν στην κίνηση σύμφωνα με το προκαθορισμένο από την εφαρμογή ποσοστό τους. Το ρόλο του συντονιστή στις αυξομειώσεις της ταχύτητας όλης της μηχανής παίζει ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος του τύμπανου, του οποίου την ταχύτητα ακολουθούν οι υπόλοιπες μηχανές. Οι πληροφορίες για τη στιγμιαία τιμή της ταχύτητας και για την εξισορρόπηση του ρεύματος στις μηχανές, όπως και πλήθος άλλων στοιχείων και σημάτων, μεταφέρονται σε πραγματικό χρόνο μεταξύ των μετατροπέων μέσω του δικτύου τύπου Fieldbus, με το οποίο συνδέονται μεταξύ τους. Στην επόμενη παράγραφο γίνεται παρουσίαση του δικτύου των μετατροπέων του ηλεκτροκινητήριου συστήματος της χαρτοποιητικής μηχανής

21 1.2 Περιγραφή της εγκατάστασης των κινητήρων συνεχούς ρεύματος (αντιστροφείς, κινητήρες, προστασίες, αυτοματισμοί) Μία από τις πιο απαιτητικές εφαρμογές σε ακρίβεια ελέγχου περιστρεφόμενων ρόλων μεγάλης ακτίνας και μάζας με συνεχή έλεγχο στροφών και φορτίου, είναι αυτή των χαρτοποιητικών μηχανών. Οι χαρτοποιητικές μηχανές αποτελούνται από έναν αριθμό ηλεκτρικών μηχανών, οι οποίες μέσω μειωτήρων περιστρέφουν μεταλλικούς ρόλους καθ'όλα τα στάδια της παραγωγής του χαρτιού, από τη φάση του πολτού έως την εξαγωγή και περιτύλιξη του χαρτιού σε μεγάλους ρόλους για τη μεταφορά του και την περεταίρω επεξεργασία και αξιοποίησή του. Οι εφαρμογές αυτές χαρακτηρίζονται από πολύ μεγάλης ακρίβειας συντονισμένο έλεγχο στροφών όλων των ρόλων, οι οποίοι πρέπει να έχουν την ίδια γραμμική ταχύτητα, ώστε να μην αλλάζει η τάνυση του χαρτιού κατά μήκος της μηχανής, που διαφορετικά θα οδηγούσε σε μεταβολή της ποιότητάς του ή σε σπάσιμο. Καθοριστικό ρόλο στο σχεδιασμό αυτών των ηλεκτροκινητήριων συστημάτων παίζουν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, που αναλαμβάνουν τόσο την διεκπεραίωση του έργου του βρόχου ελέγχου κάθε μηχανής, όσο και την υλοποίηση της λογικής του αυτοματισμού του συστήματος, αφού ενσωματώνουν σύνολο εισόδων-εξόδων και προγραμματιζόμενη λογική υποκαθιστώντας πλήρως τη λειτουργία του προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή. Επίσης, είναι εφοδιασμένοι με λειτουργίες επικοινωνίας, ώστε να συμμετέχουν σε ψηφιακό δίκτυο επικοινωνίας, από το οποίο αντλούν απαραίτητη πληροφορία για το συντονισμό τους, και επιστρέφουν χρήσιμη πληροφορία στους χειριστές μέσω ειδικά σχεδιασμένου λογισμικού. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος είναι αυτοί που αναλαμβάνουν το έργο της διανομής του φορτίου μεταξύ των ηλεκτρικών μηχανών, οι οποίες περιστρέφουν τους μηχανικά εξαρτόμενους ρόλους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της εξάρτησης είναι ο ρόλος της απορροφητικής πρέσσας που πιέζει την τσόχα επάνω στο τύμπανο της μηχανής. Οι δύο μηχανικά εξαρτώμενοι ρόλοι περιστρέφονται μαζί και πρέπει να γίνει μια εξισορρόπηση φορτίου στις δύο μηχανές, με προκαθορισμένο ποσοστό συμμετοχής της κάθε μίας [1]

22 1.2.1 Γενικά χαρακτηριστικά ηλεκτροκινητήριου συστήματος Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα της χαρτοποιητικής μηχανής της Πατραϊκής Χαρτοποιίας διαθέτει πέρα όλων των άλλων βοηθητικών ηλεκτρικών μηχανών έξι κύριες μηχανές συνεχούς ρεύματος, οι οποίες ελέγχονται από ίσο αριθμό ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, οι οποίοι φαίνονται στο σχήμα 1.16, συνδεδεμένων μεταξύ τους με δίκτυο δεδομένων τύπου Fieldbus σχήμα Το τμήμα του πολυκινητήριου συστήματος της χαρτοποιητικής μηχανής που εκ του ρόλου του αποτελεί το κύριο μέρος του κινητήριου συστήματος, είναι το στεγνωτικό τύμπανο και οι πρέσες. Το στεγνωτικό τύμπανο (Yankee) οδηγείται μέσω ενός μειωτήρα από τον κινητήρα Κ1, ενώ η πρέσα (Press) οδηγείται μέσω ενός μειωτήρα από τον κινητήρα Κ3. Ο τυλιχτής (Pope Roll) με την σειρά του οδηγείται από τον κινητήρα Κ2. Το περιστρεφόμενο πλέγμα (Wire) οδηγείται από τους κινητήρες Κ4 και Κ5. Τέλος η αντλία αναμίξεως (Fan Pump) οδηγείται από τον κινητήρα Κ6. Σχήμα 1.16 Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος στο σύστημα της Πατραϊκής Χαρτοποιίας

23 παρακάτω. Τα χαρακτηριστικά των κινητήριων συστημάτων συνεχούς ρεύματος φαίνονται 1) Στεγνωτικό τύμπανο (Yankee): - Μειωτήρας 1:20 - Μηχανή συνεχούς ρεύματος: 174kW, 1660rpm IEG DM225M - Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος: Control Techniques MENTOR II M420R 2) Τυλιχτής (Pope Roll): - Μειωτήρας (1:5,15) R1250 PP1L PN (1400/min 170kW) - Μηχανή συνεχούς ρεύματος: 12kW, 1800rpm IEG DI325 - Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος: Control Techniques MENTOR II M45R 3) Πρέσσα (Press): - Μειωτήρας 1:4,5 - Μηχανή συνεχούς ρεύματος: 110kW, 1800rpm IEG BM250M - Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος: Control Techniques MENTOR II M350R 4) Βοηθητικό πλέγμα (Wire Helper): - Μειωτήρας 1:5,15 - Μηχανή συνεχούς ρεύματος: 55kW, 1800rpm IEG - Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος: Control Techniques MENTOR II M155R 5) Πλέγμα (Wire): - Μειωτήρας 1:75 - Μηχανή συνεχούς ρεύματος: 63kW, 1800rpm IEG - Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος: Control Techniques MENTOR II M210R 6) Αντλία αναμίξεως (Fan Pump): - Μηχανή συνεχούς ρεύματος: 119kW, 1660rpm IEG D200M - Ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος: Control Techniques MENTOR II M

24 Σχήμα 1.17 Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος συνδεδεμένοι μεταξύ τους με δίκτυο δεδομένων τύπου Fieldbus Αρχές λειτουργίας του συστήματος κλειστού βρόχου [1] Για την κίνηση των διάφορων ρόλλων της χαρτοποιητικής μηχανής χρησιμοποιούνται κινητήρες συνεχούς ρεύματος, ελεγχόμενοι από μετατροπείς τύπου Mentor II της εταιρείας Control Techniques, σχήμα Οι μετατροπείς αυτοί είναι πλήρως ελεγχόμενοι από μικροεπεξεργαστή και διαθέτουν λειτουργίες αυτοματοποιημένης λογικής, απεικόνισης, προστασίας και σειριακών επικοινωνιών. Οι παράμετροι λειτουργίας των μετατροπέων μπορούν να αλλάζουν και να απεικονίζονται, είτε μέσω ενσωματωμένου πληκτρολογίου και οθόνης, είτε απομακρυσμένα μέσω του σειριακού δικτύου επικοινωνιών

25 Σχήμα 1.18 Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος τύπου Mentor II της εταιρείας Control Techniques. Τα μεγέθη ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος που πρέπει να ελέγχονται στις εφαρμογές αυτού του είδους είναι η ταχύτητα, η εφαρμοζόμενη ροπή και η φορά περιστροφής. Η ταχύτητα είναι ανάλογη της τάσεως του τύμπανου και αντιστρόφως ανάλογη προς τη μαγνητική ροή του πεδίου διεγέρσεως. Η ροπή είναι ανάλογη του ρεύματος του τύμπανου και της μαγνητικής ροής του πεδίου διεγέρσεως. Η φορά περιστροφής είναι απλώς θέμα των σχετικών πολικοτήτων των τάσεων τύμπανου και διεγέρσεως

26 Τα μεγέθη που πρέπει να ελεγχθούν από τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος είναι τα εξής: α. Τάση τύμπανου: Η τάση εξεπαγωγής είναι μια συνιστώσα της τάσης του τύμπανου. Έτσι, θεωρώντας το πεδίο της διέγερσης σταθερό, ο έλεγχος της τάσης του τύμπανου παρέχει πλήρη έλεγχο της ταχύτητας μέσα στα όρια της αντοχής του τυλίγματος τύμπανου. Το ρεύμα τύμπανου είναι επίσης συνάρτηση της τάσης του, με αποτέλεσμα μέσα στα όρια σύμφωνα με το σχεδιασμό των τυλιγμάτων και η ροπή να ελέγχεται απευθείας από την τάση τύμπανου. β. Τάση τυλίγματος διέγερσης: Η τάση του τυλίγματος διέγερσης ρυθμίζει το ρεύμα της διέγερσης, και συνεπώς τη μαγνητική ροή του πεδίου της διέγερσης. Στην περίπτωση των ηλεκτρικών μηχανών με ξένη διέγερση, η τάση του τυλίγματος διέγερσης μπορεί να μεταβάλλεται ανεξάρτητα από την τάση του τύμπανου. Αυτό δίνει τη δυνατότητα να αυξηθεί η ταχύτητα της μηχανής, πέρα από το σημείο όπου το ρεύμα και η τάση τύμπανου είναι στο μέγιστο τους. Εφόσον βέβαια η ροπή είναι ευθέως ανάλογη προς τη μαγνητική ροή του πεδίου, η μέγιστη ροπή μειώνεται, εάν αυξηθεί η ταχύτητα μέσω εξασθένισης του πεδίου διέγερσης. Γι'αυτό τον λόγο, ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος μηχανής συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, για τον έλεγχο της ταχύτητας επεμβαίνει στην τάση του τύμπανου, και μέσω αυτής στο ρεύμα που καταναλώνει η μηχανή. Όταν όμως από διάφορες εφαρμογές απαιτείται μεγαλύτερη ταχύτητα από την ονομαστική, ο μετατροπέας μπορεί να είναι εφοδιασμένος με τη δυνατότητα ελέγχου της τάσης του τυλίγματος διέγερσης. Πολλές φορές σε εφαρμογές όπου η μηχανή δεν ξεπερνά την ονομαστική ταχύτητα, μπορεί να γίνει εκμετάλλευση του ελεγχόμενου πεδίου διέγερσης, ώστε να έχουμε δυναμικότερο έλεγχο ταχύτητας-ροπής στο φάσμα λειτουργίας της μηχανής. Αν υπάρχει κατάλληλη ανάδραση, μπορεί επίσης να επιτευχθεί και ικανοποιητικός έλεγχος θέσης

27 Αρχές λειτουργίας του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος για τον έλεγχο της ταχύτητας μηχανής συνεχούς ρεύματος [1] Μία μονοφασική τάση που εφαρμόζεται στα άκρα μιας πλήρως ελεγχόμενης γέφυρας θυρίστορ και ενός ωμικού φορτίου εν σειρά, έχει ως αποτέλεσμα ένα διακοπτόμενο ρεύμα, το οποίο ξεκινά με την παλμοδότηση των θυρίστορ, και σταματά όταν η τάση αυτή υπερβεί το μηδέν στο τέλος κάθε μισού κύκλου. Η μέγιστη τάση λαμβάνεται, όταν η γωνία έναυσης α με την οποία παλμοδοτούμε τα θυρίστορ είναι μηδέν. Καθυστερώντας τη γωνία έναυσης μειώνεται η ενεργός τιμή του ρεύματος που διαρρέει το φορτίο. Όταν το φορτίο είναι επαγωγικού χαρακτήρα, όπως στην περίπτωση των ηλεκτρικών μηχανών, το ρεύμα γίνεται συνεχές. Η θεμελιώδης συνιστώσα του ρεύματος καθυστερεί πίσω από την αντίστοιχη συνιστώσα της τάσης, μερικώς λόγω της επαγωγικής φύσης του φορτίου, και μερικώς λόγω της καθυστέρησης της γωνίας έναυσης. Η απόκριση του κινητήρα είναι μια συνάρτηση της τάσης εξόδου του μετατροπέα, η οποία τάση είναι συνάρτηση της γωνίας έναυσης των θυρίστορ, που φυσικά μπορεί να ελεγχθεί με μεγάλη ακρίβεια. Η ακρίβεια ελέγχου, λοιπόν, εξαρτάται από την ικανότητα του μετατροπέα να δεχθεί, να αποκωδικοποιήσει και να επεξεργαστεί ένα σύνολο δεδομένων, που αφορούν την πραγματική κατάσταση του κινητήρα και την επιθυμητή κατάσταση. Μερικά από αυτά τα δεδομένα μπορεί να προέρχονται από εξωτερικές πηγές, όπως η ζητούμενη ταχύτητα, η ζητούμενη ροπή, η ανάδραση της ταχύτητας κ.ά. Μερικά άλλα μεγέθη υπολογίζονται από την ίδια τη διάταξη του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Παραδείγματα αυτής της κατηγορίας δεδομένων είναι η τάση και το ρεύμα εξόδου και η λογική κατάσταση του μετατροπέα σε κάθε στιγμή με βάση το κυκλικά εκτελούμενο πρόγραμμα αυτοματισμού. Ο λογικός έλεγχος απαιτεί ένα σύνολο εντολών, που επιτρέπουν στο μετατροπέα να συλλέγει, να επεξεργάζεται και να παράγει σήματα με σκοπό τον τελικό έλεγχο της παλμοδότησης των θυρίστορ. Οι συγκεκριμένοι ηλεκτρομηχανικοί μετατροπείς ισχύος της χαρτοποιητικής μηχανής από την εταιρεία Control Techniques, παρέχουν όλες τις σημαντικές τιμές τους, εντολές ή διαδικασίες με τη μορφή προγραμματιζόμενων παραμέτρων, ώστε να μπορεί ο σχεδιαστής του συστήματος ηλεκτροκίνησης, να προσαρμόζει τη λειτουργία τους όσο το δυνατόν πιο κοντά στις απαιτήσεις της εφαρμογής. Γι'αυτό το λόγω εξάλλου, τα Mentor II είναι εφοδιασμένα με επεξεργαστή μεγάλης υπολογιστικής ισχύος και κατάλληλο λογισμικό, ώστε ο χρήστης να μπορεί να αντιμετωπίζει τη διαδικασία συνολικά, τόσο όσον αφορά την

28 εκτέλεση του βρόχου ελέγχου, όσο και την υλοποίηση του υπερκείμενου αυτοματισμού, ο οποίος συνήθως εκτελείται από ανεξάρτητους προγραμματιζόμενους ελεγκτές, ή από ειδικούς βιομηχανικούς υπολογιστές. Οι παράμετροι που ο σχεδιαστής της διαδικασίας μπορεί να ρυθμίσει, καλύπτουν κάθε λειτουργική λεπτομέρεια της διαδικασίας, καθώς και λειτουργίες που σχετίζονται με την ασφάλεια, τη διάγνωση σφαλμάτων, την απεικόνιση και τις επικοινωνίες Απεικόνιση και καταγραφή σε πραγματικό χρόνο των κρίσιμων παραμέτρων της διαδικασίας μέσω δικτύου υπολογιστών [1] Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα της συγκεκριμένης χαρτοποιητικής μηχανής όπως περιγράφηκε παραπάνω, σχεδιάστηκε από την Ιταλική εταιρεία Cacini S.P.A., και εφαρμόστηκε ως αναβάθμιση του υπάρχοντος συστήματος, το έτος 2001, με κινητήρες συνεχούς ρεύματος και εξωτερική διέγερση από την εταιρεία Siemens. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιήθηκαν είναι εξοπλισμένοι με δύο θύρες επικοινωνίας τύπου RS-485. Το πρωτόκολλο δικτύου που υλοποιείται είναι το " CTNET", και επιτρέπει τη γρήγορη επικοινωνία όλων των σταθμών μεταξύ τους για την ανταλλαγή λειτουργικών παραμέτρων και εντολών. Σε επίπεδο εφαρμογής, το τύμπανο έχει τον κύριο ρόλο, και είναι αυτό που εκπέμπει προς όλους τους σταθμούς την τιμή της ταχύτητας σε τακτά χρονικά διαστήματα, ώστε αυτή να λαμβάνεται ως ταχύτητα αναφοράς για όλους τους υπόλοιπους κινητήρες. Φυσικά υπάρχουν οι κατάλληλοι συντελεστές που ανάγουν σε κάθε κινητήρα την περιστροφική ταχύτητα σε γραμμική, ανάλογα με τη διάμετρο του ρόλου που στρέφει ο κάθε κινητήρας, έτσι ώστε να υπάρχει κατά μήκος της μηχανής κοινή γραμμική ταχύτητα. Εξαίρεση αποτελεί ο κινητήρας της αντλίας αναμίξεως, αφού εκτός του ότι είναι ο μόνος κινητήρας που δεν διαθέτει μειωτήρα, η ταχύτητα του δεν εξαρτάται από την ταχύτητα του τύμπανου, αλλά από μια ανεξάρτητη-χειροκίνητη ρύθμιση της ταχύτητας των εισερχόμενων στη χαρτοποιητική μηχανή νερών. Η μία θύρα επικοινωνίας σε κάθε μετατροπέα είναι αφιερωμένη στη συνεχή μεταφορά των σημάτων από μηχανή σε μηχανή, ενώ παράλληλα στο ίδιο δίκτυο συμμετέχει και ένας προσωπικός υπολογιστής, ο οποίος βρίσκεται στο χώρο των χειριστών και απεικονίζει συνεχώς τα ρεύματα, τις ροπές και τις στροφές των κινητήρων. Για ορισμένες βλάβες, η εφαρμογή του λογισμικού εμφανίζει μηνύματα σφαλμάτων που μπορεί να είναι χρήσιμα στο χειριστή, προκειμένου να αποκαταστήσει την ομαλή λειτουργία της μηχανής

29 Οι ηλεκτρομηχανικοί μετατροπείς ισχύος διαθέτουν ακόμη μία θύρα επικοινωνίας, και ένα δεύτερο δίαυλο, που υπό κανονικές συνθήκες δεν χρησιμοποιείται. Επάνω στον ίδιο δίαυλο υπάρχει ακόμη ένας προσωπικός υπολογιστής, ο οποίος βρίσκεται στο χώρο των ηλεκτρολογικών πεδίων και πινάκων, και διαθέτει ειδικό λογισμικό όχι μόνο για απεικόνιση των παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο, αλλά και για την μεταβολή των παραμέτρων των μετατροπέων σε περίπτωση που αυτή επιβάλλεται. Αυτό δεν είναι κάτι που συμβαίνει σπάνια, καθώς όταν γίνεται αλλαγή πρέσσας, κάθε έξι περίπου μήνες, είναι ανάγκη να καταχωρηθεί η επί τοις εκατό μεταβολή της διαμέτρου της νέας πρέσσας ως προς την παλιά. Και άλλες παρόμοιες παρεμβάσεις γίνονται με τον ίδιο τρόπο. Εφόσον αυτή η συγκεκριμένη θύρα δεν χρησιμοποιείται παρά σε σπάνιες περιπτώσεις, αυτό οδήγησε στην ιδέα να γίνει εκμετάλλευσή της για τη συνεχή καταγραφή, τον ποιοτικό έλεγχο των δεδομένων, αλλά και την τηλεπίβλεψη του συστήματος. Μια τέτοια εφαρμογή βεβαίως απαιτεί πλήρη κατανόηση και γνώση του τρόπου επικοινωνίας των σταθμών σε ένα τέτοιο δίκτυο. Ένα άλλο θέμα ήταν η μεταφορά των δεδομένων σε απομακρυσμένο σταθμό (προσωπικό υπολογιστή), ο οποίος θα βρισκόταν εκτός χώρου του εργοστασίου, στην προκειμένη περίπτωση στο χώρο των γραφείων των μηχανικών της επιχείρησης. Η λύση στο τελευταίο ζήτημα δόθηκε με τη χρήση μιας πύλης RS-485/Ethernet. Έτσι τα δεδομένα μπόρεσαν να περάσουν μέσα από το δίκτυο υπολογιστών της εταιρείας. Μία εφαρμογή που αναπτύχθηκε από τους μηχανικούς της εταιρείας ανέλαβε την κυκλική «ανάκριση» όλων των μετατροπέων για τις τιμές επιλεγμένων παραμέτρων. Ο κύκλος των ερωτήσεων επαναλαμβάνεται κάθε 20ms, και τα δεδομένα καταγράφονται σε βάση δεδομένων, όπου κανείς μπορεί να ανατρέξει μετά από κάθε ανωμαλία, προκειμένου να οδηγηθεί σε μία ασφαλή εξήγηση των φαινομένων και αιτιών. Το λογισμικό είναι σχεδιασμένο ώστε να ανιχνεύει επιλεγμένες υπερβάσεις ορίων των μεγεθών, και προαιρετικά να ειδοποιεί τους μηχανικούς, με αναφορές μέσω ηλεκτρονικού ταχυδρομείου ή μηνυμάτων κινητού τηλεφώνου, όταν παρατηρούνται σταματήματα ή επιλεγμένες καταστάσεις του συστήματος. Στο σχήμα 1.19 απεικονίζεται η καταγραφή ενός σφάλματος στο ηλεκτροκινητήριο σύστημα της Χαρτοποιητικής Μηχανής. Κατά τη διάρκεια μιας πολύ σύντομης βύθισης του δικτύου ηλεκτροδότησης, η αυτοσυγκράτηση του ηλεκτρονόμου τροφοδοσίας του μετατροπέα της πρέσσας, πρόλαβε να ξεμανδαλώσει σε αντίθεση με όλους τους ηλεκτρονόμους τροφοδοσίας του υπόλοιπου συστήματος. Αυτό συμβαίνει ορισμένες φορές σε αρκετά βραχείες βυθίσεις, και όχι πάντα για τον ίδιο ηλεκτρονόμο

30 Σε μεγαλύτερες βυθίσεις ξεμανδαλώνουν όλοι οι ηλεκτρονόμοι και το σύστημα χρειάζεται πλήρη επανεκκίνηση. Με τη διακοπή τροφοδότησης της πρέσσας είχαμε κατακόρυφη αύξηση του ρεύματος του τύμπανου, το οποίο ανέλαβε όλο το φορτίο της πρέσσας. Το τύμπανο που είναι εφοδιασμένο με εξόδους και ελέγχει την τροφοδοσία όλων των υπόλοιπων κινητήρων, πλην της αντλίας αναμίξεως, αντέδρασε άμεσα και έθεσε εκτός συστήματος τον τυλιχτή, το πλέγμα και το βοηθητικό του πλέγματος. Το ίδιο, δεν σταματά εάν δεν λειτουργήσει κάποια από τις μαγνητικές και θερμικές προστασίες που διαθέτει. Παράλληλα ενεργοποιεί σήματα συναγερμού προς τους χειριστές της μηχανής. Μόλις οι χειριστές αντιλήφθηκαν την κατάσταση, άρχισαν όπως φαίνεται από το σχήμα να ελαττώνουν την ταχύτητα πρώτα της αντλίας αναμίξεως, πολύ σωστά για να αποφευχθεί η φραγή του πλέγματος από πολτό, και στη συνέχεια να μειώνουν την ταχύτητα του τύμπανου. Αφού έδωσαν εντολή στους ηλεκτρονόμους των υπολοίπων μηχανών να οπλίσουν και έλεγξαν ότι δεν παραμένει ανωμαλία στο σύστημα, άρχισαν να ανεβάζουν την ταχύτητα της αντλίας αναμίξεως χειροκίνητα, όπως και την ταχύτητα του τύμπανου, το οποίο παρέσυρε τους υπόλοιπους κινητήρες. Σχήμα 1.19 Καταγραφή των ρευμάτων των κινητήρων της Χαρτοποιητικής Μηχανής κατά τη διάρκεια εμφάνισης σφάλματος

31 1.3 Καταγραφή και επεξήγηση λειτουργίας περιστρεφόμενων τμημάτων και συστημάτων μειωτήρων, τριβέων, εδράνων της χαρτοποιητικής μηχανής [2] [3] [4] Έδρανα κύλισης και ολίσθησης Τα γνωστά μας ρουλεμάν είναι γνωστά στη μηχανολογία ως έδρανα κύλισης. Έδρανα υπάρχουν δύο ειδών, τα έδρανα ολίσθησης (κουζινέτα) και τα έδρανα κύλισης (ρουλεμάν). Τα έδρανα εν γένει χρησιμεύουν σαν «υποδοχείς» των αξόνων και των ατράκτων. Τα έδρανα λιπαίνονται για να διατηρούνται όσο το δυνατόν πιο χαμηλά οι απώλειες τριβών και οι θερμοκρασίες. Υπενθυμίζουμε ότι το μέγεθος της τριβής εμφανίζεται είτε ως τριβή κίνησης (που εμποδίζει την αντίθετης κατεύθυνσης σχετική κίνηση δύο επιφανειών), είτε ως τριβή ακινησίας στην περίπτωση που το εμπόδιο της τριβής είναι τέτοιου μεγέθους, που καθιστά αδύνατη την κίνηση. Για τα ρουλεμάν αυτό που παίζει ρόλο είναι η τριβή κύλισης. Προς το σκοπό αυτό υπολογίζεται ακόμα και η τριβή εκκίνησης κατά την αρχή της κίνησης και η τριβή τερματισμού στο τέλος της κίνησης. Στην τριβή της κίνησης των ρουλεμάν έχουμε δύο περιπτώσεις: την τριβή κύλισης και την τριβή κυλινδραρίσματος. Η τριβή κύλισης εμφανίζεται όταν δύο ελαστικά σώματα (π.χ από χάλυβα) κυλίονται το ένα πάνω στο άλλο. Δια μέσου της ελαστικής παραμόρφωσης δημιουργείται από το θεωρητικό σημείο επαφής ή τη γραμμή επαφής μια επιφανειακή επαφή, η οποία μάλιστα στην ελεύθερη κύλιση δύο σωμάτων μεταξύ τροχιών οδήγησης δίνει ένα ποσοστό ολίσθησης. Η τριβή κυλινδραρίσματος εμφανίζεται όταν δύο σώματα κυλίονται το ένα επί του άλλου, όπου υπάρχουν και ποσοστά κύλισης και ποσοστά ολίσθησης με βάση τους βασικούς νόμους της μηχανικής. Τριβή κυλινδραρίσματος έχουμε χαρακτηριστικά στα έδρανα κύλισης και στις πλευρές των γραναζιών. Τα ρουλεμάν με σφαιρίδια, με κυλινδρίσκους και με βελόνες λέγονται κυλινδροτριβείς. Οι κυλινδροτριβείς αποτελούνται από τους κυλιόμενους δακτύλιους ή τους κυλιόμενους δίσκους, τα σώματα κύλισης που μπορούν να είναι σφαιρικά, κυλινδρικά, κωνοειδή ή βαρελοειδή και συνήθως μάλιστα να καλύπτονται από έναν κλωβό. Ο κλωβός εμποδίζει μια αμοιβαία επαφή των σωμάτων κύλισης. Τα δακτυλιοειδή έδρανα έχουν ένα εσωτερικό κι έναν εξωτερικό δακτύλιο ανάμεσα στους οποίους «ρολλάρουν» τα σώματα κύλισης. Τα σώματα κύλισης και οι τροχιές

32 κύλισης έχουν σκληρυνθεί, τροχισθεί και λειανθεί. Για την κατασκευή των κλωβών χρησιμοποιείται συνήθως χαλυβδολαμαρίνα και σπανιότερα ορείχαλκος, ελαφρύ μέταλλο ή συνθετική ύλη Τύποι ρουλεμάν Ανάλογα με τη διεύθυνση της δύναμης την οποία δέχεται ένα έδρανο κύλισης κατά τη λειτουργία του, διακρίνουμε δύο βασικές κατηγορίες ρουλεμάν. Τα εγκάρσια ρουλεμάν (ακτινικά έδρανα) και τα κατά μήκος ρουλεμάν (αξονικά έδρανα). Υπάρχουν επίσης τα ακτινικά αυλακωτά ρουλεμάν που δέχονται δυνάμεις και προς τις δύο διευθύνσεις. Στα ακτινικά έδρανα τα σώματα κύλισης κινούνται μεταξύ δακτυλίων, ενώ στα αξονικά έδρανα μεταξύ δίσκων. Ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες της κάθε εφαρμογής προκύπτει η ανάγκη για σχεδιασμό διαφόρων μορφών ρουλεμάν. Έτσι λοιπόν υπάρχουν αυλακωτά ακτινικά ρουλεμάν καθώς και βελονοειδή ρουλεμάν τα οποία συναντώνται και με πλευρικούς δίσκους είτε επικάλυψης, είτε στεγανότητας. Οι πρώτοι εμποδίζουν μια βλάβη του συστήματος κύλισης από ξένα σώματα, οι δεύτεροι εμποδίζουν την έξοδο του γράσου από το έδρανο. Με τους δίσκους αυτούς εξοικονομούνται παρεμβύσματα σε άλλα

33 σημεία. Για απλό αξονικό προσδιορισμό των εξωτερικών δακτυλίων μπορούν αυτά να παραδοθούν και με κυκλικές αύλακες για συνεκτικές ροδέλες. Από τους διάφορους τύπους ρουλεμάν αξίζει να δώσουμε έμφαση στα βελονοειδή ρουλεμάν. Τα βελονοειδή ρουλεμάν είναι αξιόλογα λόγω του απαιτούμενου μικρού χώρου τοποθέτησης έναντι των σφαιρικών και κυλινδρικών ρουλεμάν και της σχετικά μεγάλης φόρτισής τους. Αν τα βελονοειδή έδρανα έχουν εσωτερικό δακτύλιο, οι βελόνες κινούνται άμεσα πάνω σε ένα σκληρυμένο, ρεκτιφιαρισμένο και στιλβωμένο δρομέα, διότι έτσι τα έδρανα χρειάζονται ακόμα λιγότερο χώρο. Ένας άλλος τύπος ρουλεμάν, τα ρουλεμάν με κωνικούς κυλινδρίσκους, μπορούν να αποσυναρμολογηθούν και ο εσωτερικός και ο εξωτερικός δακτύλιος να τοποθετηθούν χωριστά. Αυτό τα καθιστά συμφερότερα για μονταρίσματα σε σειρά. Τέλος μια ιδιαίτερη κατασκευαστική μορφή αποτελούν τα έδρανα τεσσάρων σημείων. Αυτά μπορούν να δεχτούν τις δυνάμεις σε τέσσερα σημεία και έτσι επιτυγχάνουν μια υψηλή σταθερότητα. Στα έδρανα αυτά ο εσωτερικός δακτύλιος είναι χωρισμένος. Έτσι μπορούν να τοποθετηθούν πολλά σφαιρίδια, τα οποία σε συνδυασμό με τα ψηλά ερείσματα των δακτυλίων προσδίδουν στα ρουλεμάν αυτά μεγάλη ικανότητα έδρασης. Τέλος, ένας αρκετά σημαντικός τύπος ρουλεμάν είναι τα βαρελοειδή ρουλεμάν. Τα κλασσικά βαρελοειδή ρουλεμάν έχουν σφικτήρα. Ένας ξεχωριστός τύπος βαρελοειδών ρουλεμάν είναι τα διαιρούμενα βαρελοειδή ρουλεμάν. Αυτά έχουν κυλινδρική οπή και οι δύο δακτύλιοί τους (εσωτερικός και εξωτερικός) καθώς και το συγκρότημα κλωβού διαιρούνται σε δύο τμήματα. Οι διαιρεμένοι δακτύλιοι συνδέονται μεταξύ τους με κοχλίες. Ένα σύνηθες κατασκευαστικό στοιχείο των διαιρούμενων βαρελοειδών ρουλεμάν είναι οι ενσωματωμένοι ασφαλιστικοί δακτύλιοι. Συνήθως οι εσωτερικοί ημιδακτύλιοι είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους με κοχλίες συναρμολόγησης. Αυτό που πρέπει τελικά να τονιστεί είναι ότι η εσωτερική σχεδίαση των διαιρούμενων βαρελοειδών ρουλεμάν είναι τέτοια ώστε τα ρουλεμάν αυτά να έχουν τη μέγιστη δυνατότητα παραλαβής φορτίου

34 Φόρτιση και τζόγος Τα έδρανα ανάλογα με την περίπτωση τοποθέτησης και τη μορφή κατασκευής τους δέχονται είτε αξονικές, είτε ακτινικές δυνάμεις, είτε και τις δύο ταυτόχρονα. Για να υπολογίσουμε τις φορτίσεις θεωρούμε τη συνδυασμένη φόρτιση στα μεν ακτινικά έδρανα αντικαθιστούμενη από μια ισομεγέθη ακτινική δύναμη, στα δε αξονικά έδρανα από μια ισομεγέθη αξονική δύναμη. Η αναγωγή γίνεται και στις δύο περιπτώσεις σε μια ισοδύναμη φόρτιση, η οποία επενεργούσα μόνη της σε δυναμική καταπόνηση, δηλαδή κίνηση περιστροφής, θα μπορούσε να προκαλέσει την ίδια καταπόνηση του υλικού κατασκευής. Η ισοδύναμη φόρτιση επενεργούσα σε στατική καταπόνηση θα μπορούσε να προκαλέσει την ίδια παραμόρφωση με αυτήν που προκαλούν η αξονική και η ακτινική φόρτιση, όταν εφαρμοστούν μαζί. Τα παραπάνω αφορούν έδρανα τα οποία με βάση την κατασκευαστική τους μορφή ως σταθερά έδρανα μπορούν να τοποθετηθούν και είναι ακόμα σε θέση να δεχτούν ακτινικές και αξονικές δυνάμεις. Για τον καθορισμό των αξόνων και των ατράκτων στην κατά μήκος διεύθυνση προβλέπεται ένα έδρανο συνήθως ως σταθερά έδραση. Για λόγους ανοχής και θερμικής διαστολής δεν γίνονται δύο σταθερές εδράσεις, γιατί τότε τα σώματα κύλισης θα συμπιέζονται πολύ έντονα στις δύο πλευρικές τους τροχιές, έτσι ώστε σε σύντομο χρονικό διάστημα να υπερθερμαίνονται και να κολλάνε. Θα πρέπει πάντοτε να προβλέπεται μια δυνατότητα εξισορρόπησης. Μια σταθερή έδραση μπορεί να δεχτεί εκτός από ακτινικές δυνάμεις και αξονικές δυνάμεις σε μια ή δύο διευθύνσεις. Οι ελεύθερες εδράσεις επιτρέπουν μια χωρίς περιορισμό κατά μήκος μετατόπιση. Η σταθερή έδραση στερεώνεται με τη βοήθεια εσωτερικού και εξωτερικού δακτυλίου, η ελεύθερη έδραση αντιθέτως μόνο με ένα δακτύλιο. Κάθε ακτινικό έδρανο που παραδίδεται από τον προμηθευτή στον εκάστοτε πελάτη έχει έναν ακτινικό τζόγο μεταξύ των σωμάτων κύλισης και των κυλιόμενων δακτυλίων. Κατά την τοποθέτηση με υπερβάλλον μέτρο μεταξύ του εξωτερικού δακτυλίου και της διάτρησης του περιβλήματος καθώς μεταξύ του εσωτερικού δακτυλίου και της ατράκτου περισφίγγεται ο εξωτερικός δακτύλιος, ενώ ο εσωτερικός δακτύλιος διευρύνεται. Έτσι, ο ακτινικός τζόγος σμικρύνεται, αλλά σε καμιά περίπτωση δεν πρέπει να γίνει μηδέν. Τα κανονικά έδρανα κατασκευάζονται έτσι, ώστε στις συνήθεις συναρμογές να μένει ακόμα ένας αρκετός τζόγος λειτουργίας. Αν οι συνθήκες λειτουργίας ή οι συνθήκες θερμοκρασίας απαιτούν μια σταθερότερη συναρμογή, τότε το έδρανο θα πρέπει να κατασκευάζεται με έναν

35 αντιστοίχως μεγαλύτερο ακτινικό τζόγο. Αν όμως απαιτείται μια μεγαλύτερη ακρίβεια οδήγησης, τότε τα έδρανα κατασκευάζονται και με ένα μικρότερο ακτινικό τζόγο Φθορά και συντήρηση Τα έδρανα κύλισης αποτελούν εκείνο το μηχανολογικό εξάρτημα των βιομηχανικών εγκαταστάσεων, που δέχεται ίσως τις πλέον μακρόχρονες και έντονες δυναμικές καταπονήσεις. Είναι φυσικό λοιπόν να υφίστανται μεγάλη μηχανική φθορά. Για το λόγο αυτό είναι σημαντική η προσέγγιση της διάρκειας ζωής τους και η ένταξη των διαδικασιών συντήρησης τους σε ιδιαίτερα μελετημένα προγράμματα διαγνωστικής συντήρησης. Η διάρκεια ζωής ενός εδράνου διατυπώνεται και ως «δυναμική ικανότητα έδρασης» και είναι ο αριθμός των περιστροφών, ή οι ώρες λειτουργίας που αντέχει το έδρανο χωρίς ένδειξη μιας καταπόνησης του υλικού κατασκευής είτε στους δακτυλίους, είτε στους δίσκους, είτε στα σώματα κύλισης. Η καταπόνηση του υλικού μπορεί να φανεί στην αρχή με μικρές σχισμές, οι οποίες αργότερα μπορούν να φτάσουν σε θρυμματισμούς. Για τον υπολογισμό της διάρκειας ζωής ενός εδράνου καθορίζεται ένας δυναμικός συντελεστής έδρασης. Ο συντελεστής αυτός ορίζεται σαν η ισοδύναμη δύναμη φόρτισης, κατά την οποία το 90% όλων των εδράνων φτάνουν σε μια ονομαστική διάρκεια ζωής του ενός εκατομμυρίου περιστροφών. Αν τώρα η εμφανιζόμενη κατά την εκάστοτε λειτουργία ισοδύναμη δύναμη φόρτισης είναι μικρότερη από το δυναμικό συντελεστή έδρασης, τότε αυτό σημαίνει πως η διάρκεια ζωής του εδράνου θα ξεπεράσει το ένα εκατομμύριο περιστροφές. Πάντως, ο συντελεστής έδρασης μπορεί να έχει διαφορετικές τιμές για περιπτώσεις λειτουργίας που έχουν όμοιες φορτίσεις, αλλά συνθήκες λειτουργίας που δημιουργούν διαφοροποιήσεις στη συνολική λειτουργική καταπόνησή τους. Για παράδειγμα το ίδιο δυναμικό σύστημα όταν λειτουργεί σε πολύ μεγαλύτερη θερμοκρασία επηρεάζει αρνητικά το δυναμικό συντελεστή έδρασης, μολονότι τα φορτία δυνάμεων και ροπών παραμένουν τα ίδια. Ένα άλλο πρόβλημα συντήρησης των ρουλεμάν προκύπτει από την καταπόνησή τους σε διάβρωση. Τα ρουλεμάν χρησιμοποιούνται σε μια ευρεία γκάμα μηχανισμών σε βιομηχανικές παραγωγικές διαδικασίες. Για το λόγο αυτό βρίσκονται σε επαφή με μια μεγάλη γκάμα ρευστών, τα οποία έχουν λιγότερο ή περισσότερο διαβρωτικές ιδιότητες, όπως το νερό, τα οξέα, οι βάσεις και διάφορα αέρια. Οι κατασκευαστές των

36 ρουλεμάν έχουν εξοπλίσει τα σύγχρονα ρουλεμάν με μηχανισμούς στεγανοποίησής τους από τα διαχειριζόμενα στη παραγωγική διαδικασία ρευστά, ωστόσο ορισμένα από αυτά είναι ιδιαίτερα δραστικά και έτσι είναι αναγκαία η λήψη επιπλέον μέτρων. Επειδή στις περιπτώσεις αυτές τα ρουλεμάν υφίστανται μια σύνθετη καταπόνηση μηχανική και χημική, τα μέτρα αυτά δεν συνιστώνται στην επίστρωση με ειδικές ρητίνες της καταπονούμενης σε διάβρωση μεταλλικής επιφάνειας, αλλά μπορεί να αφορούν στη χρησιμοποίηση ειδικών υλικών κατά την κατασκευή των ρουλεμάν, στην κατάλληλη μηχανική προετοιμασία των καταπονούμενων επιφανειών καθώς επίσης και στη χρησιμοποίηση εξελιγμένων λιπαντικών στα οποία περιλαμβάνονται και στερεά. Οι συνηθέστερες περιπτώσεις βιομηχανικής παραγωγής, όπου απαιτείται η προστασία των εδράνων κύλισης από διάβρωση, συναντώνται στη χημική βιομηχανία και τη βιομηχανία τροφίμων, στη χαλυβουργία καθώς και στην βιομηχανία κατασκευής ημιαγωγών. Για όλους τους παραπάνω λόγους είναι σκόπιμο να εντάσσεται η συντήρηση των ρουλεμάν μιας βιομηχανικής μονάδας σε ένα πρόγραμμα διαγνωστικής συντήρησης. Σήμερα αυτή η υπηρεσία διατίθεται από εταιρείες του χώρου και επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση ειδικής τεχνολογίας οργάνων ελέγχου λειτουργίας των ρουλεμάν και διαγνωστικής συντήρησής τους, τα οποία παρακολουθούν αδιαλείπτως τη λειτουργία των μηχανημάτων που φέρουν ρουλεμάν. Η διαγνωστική συντήρηση των ρουλεμάν εξασφαλίζει την απρόσκοπτη λειτουργία των μηχανημάτων της παραγωγής και αποτελεί κρίσιμη διαδικασία για τις περιπτώσεις εκείνων των γραμμών παραγωγής, όπου η ζημιά ενός ρουλεμάν μπορεί να προκαλέσει διακοπή όλης της γραμμής παραγωγής με συνέπεια σοβαρή οικονομική ζημιά για την εταιρία Μειωτήρες Η μετάδοση ισχύος σε μια βιομηχανική εγκατάσταση συνιστά μια διαδικασία πολλών σταδίων αλλά και πολλαπλών μετατροπών. Για παράδειγμα η ευθύγραμμη κίνηση ενός ιμάντα προκύπτει από τη μετατροπή της περιστροφικής κίνησης του κινητήρα σε ευθύγραμμη κίνηση, ωστόσο η μετατροπή αυτή έγινε σε περισσότερα από ένα στάδια. Οι πολλαπλές αυτές μετατροπές αφορούν διάφορες παραμέτρους της κίνησης και διαμορφώνουν έναν τελικό συντελεστή ισχύος του εκάστοτε μηχανισμού μετάδοσης κίνησης. Το πρώτο στάδιο μιας τυπικής διαδικασίας μετάδοσης ισχύος είναι η μείωση (ή σπανιότατα η αύξηση) των στροφών του κινητήρα που συνδυάζεται

37 συχνά με την αλλαγή του άξονα περιστροφής της μεταδιδόμενης κίνησης. Αυτή η πρώτη μετατροπή της κίνησης που παράγεται από την ενέργεια που μεταδίδει ένας κινητήρας στον άξονά του γίνεται από τους μειωτήρες στροφών. Ο άξονας περιστροφής της κίνησης που μεταδίδει ο μειωτήρας μπορεί να είναι παράλληλος, τεμνόμενος ή ασύμβατος με τον άξονα του κινητήρα. Η μετάδοση της κίνησης γίνεται με γρανάζια. Τα γρανάζια σαν μηχανισμός αλλαγής των στροφών εξασφαλίζουν μεγάλη ασφάλεια λειτουργίας, ακριβή σχέση μετάδοσης, δυνατότητα υπερφόρτισης, μεγάλη διάρκεια ζωής και μεγάλο βαθμό απόδοσης. Μέσα στο κέλυφος ενός μειωτήρα μπορούν να είναι προσαρμοσμένοι πολλοί οδοντωτοί τροχοί διαφόρων τύπων. Οι συνήθεις τύποι γραναζιών που αξιοποιούνται στην κατασκευή των μειωτήρων είναι, οι μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί, οι κωνικοί οδοντωτοί τροχοί, οι κοχλιωτοί οδοντωτοί τροχοί και το σύστημα ατέρμονα κοχλία οδοντωτού τροχού

38 Τύποι γραναζιών α. Μετωπικοί οδοντωτοί τροχοί. Τα γρανάζια αυτού του τύπου μεταδίδουν την κίνηση μεταξύ παραλλήλων αξόνων. Η αρχική μεταλλική επιφάνεια από την κατεργασία της οποίας προκύπτουν τα μετωπικά γρανάζια έχει κυλινδρική μορφή. Τα δόντια των γραναζιών μπορούν να είναι είτε παράλληλα, είτε κεκλιμένα προς τον άξονα τους, είτε να σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία. Τα παράλληλα τοποθετημένα γρανάζια μπορούν να είναι σε επαφή είτε εξωτερικά είτε εσωτερικά (δηλαδή το ένα να είναι μέσα στο άλλο), ενώ η κεκλιμένη οδόντωση μπορεί να είναι είτε απλή είτε διπλή. Τα γρανάζια με κεκλιμένα ή ελικοειδή δόντια υπερτερούν των γραναζιών με ευθέα δόντια, διότι έχουν μεγαλύτερη αντοχή και προκαλούν λιγότερο θόρυβο κατά τη λειτουργία τους. β. Κωνικοί οδοντωτοί τροχοί. Τα κωνικά γρανάζια χρησιμοποιούνται για μεταδόσεις κίνησης σε άξονες είτε τεμνόμενους, είτε ασύμβατους. Η αρχική μεταλλική επιφάνεια από την κατεργασία της οποίας προκύπτουν τα κωνικά γρανάζια έχει μορφή κόλουρου κώνου. Στα γρανάζια που μεταδίδουν κινήσεις μεταξύ αξόνων, οι οποίοι τέμνονται υπό τυχούσα γωνία, τα δόντια τους είναι είτε ευθέα, είτε ελικοειδή. Ωστόσο, σε αρκετές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται κωνικά γρανάζια με δόντια που έχουν καμπύλη μορφή, είτε αυτά είναι τόξα κύκλου είτε τμήματα σπειροειδών καμπυλών. Στα γρανάζια που μεταδίδουν κινήσεις μεταξύ αξόνων, οι οποίοι είναι ασύμβατοι, τα δόντια τους είναι ελικοειδή. Χρησιμοποιούνται πάντως για τη μετάδοση της κίνησης σε ασύμβατους άξονες, οι οποίοι έχουν μικρή σχετικά μεταξύ τους απόσταση. Τα κωνικά γρανάζια που μεταδίδουν κίνηση σε ασύμβατους άξονες έχουν μικρότερο βαθμό απόδοσης από εκείνα που μεταδίδουν κίνηση σε τεμνόμενους άξονες, διότι κατά τη λειτουργία τους αναπτύσσονται επ αυτών αυξημένες δυνάμεις τριβής ολίσθησης. Για τη μετάδοση των κινήσεων σε ασύμβατους άξονες χρησιμοποιούνται και τα κοχλιωτά γρανάζια. Ωστόσο, αυτά βρίσκουν κυρίως εφαρμογή σε μικρές σχετικά φορτίσεις αλλά και μικρότερες σχέσεις μετάδοσης. γ. Οδοντωτός κανόνας. Ο οδοντωτός κανόνας συνιστά ένα γρανάζι το οποίο προέκυψε από την κατεργασία μιας μεταλλικής επιφάνειας που είχε μορφή διαμήκους ράβδου. Τα δόντια του δεν είναι διαταγμένα επί κύκλου, αλλά επί ευθείας. Επιτυγχάνει μια

39 μετάδοση κίνησης «μετωπικού τύπου» και καταφέρνει να μετατρέπει την περιστροφική κίνηση σε ευθύγραμμη και το αντίστροφο. δ. Σύστημα ατέρμονα - κορώνας. Μια άλλη διάταξη μετάδοσης κίνησης μεταξύ ασύμβατων αξόνων με κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις είναι το σύστημα ατέρμονα κοχλία γραναζιού. Εδώ έχουμε έναν ατέρμονα κοχλία, που φέρει κεκλιμένα δόντια και λειτουργεί σαν γρανάζι. Ο άξονας του ατέρμονα εφάπτεται στην περιφέρεια του γραναζιού στο οποίο μεταδίδεται η κίνηση. Αυτός ο τύπος μετάδοσης κίνησης έχει μικρό σχετικά βαθμό απόδοσης, αλλά προσφέρει το πλεονέκτημα της αθόρυβης λειτουργίας γιατί επιτυγχάνει απορρόφηση των δονήσεων. ε. Επικυκλική οδόντωση. Στη διάταξη αυτού του τύπου που προσομοιάζει στο πλανητικό σύστημα έχουμε ένα κεντρικό γρανάζι που καταλαμβάνει τη θέση του ήλιου και μια σειρά γραναζιών πλανητών που συνδέονται με τα δόντια του κεντρικού γραναζιού. Η πλανητική διάταξη προσφέρει τη δυνατότητα για μετάδοση μεγάλης ισχύος καθώς επίσης και για μεγάλες σχέσεις μετάδοσης. Οι πλανητικές οδοντώσεις έχουν λίγο μεγαλύτερο κόστος από τις άλλες, γιατί περιλαμβάνουν μεγαλύτερο αριθμό γραναζιών, έχουν όμως παράλληλα το πλεονέκτημα ότι συχνά καταλαμβάνουν μικρό χώρο και έχουν μεγάλο βαθμό απόδοσης Τύποι και δομή μειωτήρων Οι διάφοροι τύποι μειωτήρων καθορίζονται από τη μετατροπή της κίνησης που είναι επιθυμητή και αξιοποιούν διάφορους τύπους γραναζιών από αυτούς που προαναφέρθηκαν προκειμένου να επιτύχουν τη ζητούμενη σχέση μετάδοσης. Στους διάφορους τύπους άλλωστε των μειωτήρων χρησιμοποιούνται και οι αντίστοιχοι τύποι γραναζιών. Για παράδειγμα σε ένα ευθύγραμμο μειωτήρα που είναι μειωτήρας παράλληλων αξόνων χρησιμοποιούνται μετωπικά γρανάζια, ενώ στους γωνιακούς μειωτήρες χρησιμοποιούνται κωνικά γρανάζια ή γρανάζια ατέρμονα κοχλία κορώνας

40 α. Μειωτήρας στροφών παράλληλων αξόνων. Το κέλυφος του μειωτήρα μπορεί να έχει τρεις τρύπες που να διαμορφώνουν σχήμα ισοσκελούς τριγώνου για να τοποθετηθούν μέσα σ αυτές τρεις διατάξεις γραναζιών. Αυτό σημαίνει ότι η μείωση των στροφών θα γίνει σε δύο στάδια. Σε μια τέτοια διάταξη τα δύο μικρότερα γρανάζια συνήθως μπαίνουν στις δύο τρύπες που συνιστούν τη βάση του τριγώνου, ενώ το μεγάλο γρανάζι συνήθως μπαίνει στην κορυφή του ισοσκελούς τριγώνου. Τα γρανάζια μπορούν να έχουν ευθέα δόντια, αλλά κατά προτίμηση έχουν κεκλιμένα δόντια. Η διάταξη του μεγάλου γραναζιού περιλαμβάνει και τον άξονα εξόδου με τις μειωμένες στροφές. Αυτός μπορεί να συνδέεται με το μηχανισμό στον οποίο θέλουμε να μεταδώσουμε την κίνηση μέσω φλάντζας. Ο άξονας εξόδου μπορεί να είναι κοίλος και να προσαρμόζεται στο μεγάλο γρανάζι μέσω σφήνας. Στη διάταξη του γραναζιού εξόδου από το γρανάζι και προς την πλευρά του μειωτήρα μπορούν να παρεμβάλλονται κατά σειρά ανάμεσα σε δύο δακτυλίους ασφάλισης κοχλίας εξαγωνικός με ροδέλα ασφαλείας, ρουλεμάν και παρεμβύσματα. Μετά το δεύτερο δακτύλιο ασφάλισης που βρίσκεται προς την πλευρά του μειωτήρα συνήθως τοποθετείται η τσιμούχα λαδιού. Οι δύο άλλες διατάξεις γραναζιών μπορούν να έχουν άξονες πηνίων προσαρμοσμένους επίσης με σφήνες πάνω στα γρανάζια, έχουν ρουλεμάν μπρος και πίσω από το κάθε γρανάζι και από την πλευρά της σύνδεσης με τον εξωτερικό μηχανισμό έχουν παρεμβύσματα και δακτυλίους ασφάλισης. Το κέλυφος του μειωτήρα στην πάνω πλευρά του φέρει βαλβίδα εξαερισμού και από την κάτω πλευρά συνήθως το καπάκι κλεισίματος του και τη φλάντζα συναρμογής. Στην κάθετη πλευρά απέναντι από τις τρύπες φέρει πηνίων, βιδωτές τάπες, τάπες κλεισίματος και ασφαλιστική τάπα. β. Γωνιακός μειωτήρας με κωνικά γρανάζια. Στην περίπτωση αυτή έχουμε δύο τρύπες από την διαμήκη πλευρά του κελύφους και μια τρύπα από την μικρή πλευρά του κελύφους. Από την τρύπα αυτή μπαίνει η διάταξη γραναζιού που συνδέεται με τον άξονα του κινητήρα. Ο άξονας πηνίων συνδέεται με σφήνα με μετωπικό γρανάζι με κεκλιμένα δόντια. Ο άξονας εισόδου φέρει στην άκρη του από την πλευρά του κινητήρα κωνική οδόντωση και μέσω αυτής συνδέεται με το μηχανισμό εισόδου. Μεταξύ γραναζιού και μηχανισμού εισόδου μπορούν να τοποθετηθούν δύο ρουλεμάν και ανάμεσά τους παρεμβύσματα. Στη διαμήκη πλευρά του κελύφους προσαρμόζονται δύο διατάξεις γραναζιών. Η μία συνιστά τη διάταξη εξόδου που μπορεί να έχει και το μεγάλο μετωπικό γρανάζι με κεκλιμένα δόντια. Ο άξονας εξόδου συνδέεται με το γρανάζι με δύο σφήνες. Από τη

41 μια πλευρά του γραναζιού είναι τοποθετημένα κατά σειρά, ρουλεμάν, παρεμβύσματα, δακτύλιος ασφάλισης και τάπα κλεισίματος. Από την άλλη πλευρά της διάταξης του γραναζιού εξόδου είναι τοποθετημένα κατά σειρά αποστατικός δακτύλιος, ρουλεμάν, δακτύλιος ασφάλισης και τσιμούχα λαδιού. Η δεύτερη διάταξη που προσαρμόζεται στη διαμήκη πλευρά του κελύφους είναι αυτή του κωνικού γραναζιού που αποτελεί και το κλειδί της μετατροπής της κίνησης. Αυτή μπορεί να διαθέτει κωνικό γρανάζι συνδεδεμένο με μια σφήνα με άξονα πηνίων. Η διάταξη αυτή μετατροπής της διεύθυνσης της κίνησης, (η οποία παράλληλα συνιστά και ένα στάδιο μείωσης των στροφών), φέρει και από τις δύο πλευρές του κωνικού γραναζιού από ένα ρουλεμάν, δακτυλίους ασφάλισης παρεμβύσματα και τάπες κλεισίματος. Το κέλυφος από την πλευρά του μηχανισμού εισόδου φέρει το καπάκι του μειωτήρα, ενώ από την απέναντι πλευρά μπορεί να φέρει πηνίων. Στην πάνω πλευρά του κελύφους μπορεί να τοποθετηθεί η βαλβίδα εξαερισμού. Παραπάνω περιγράφηκαν οι δύο βασικότεροι τύποι μειωτήρων. Ένας βασικός τύπος είναι ο μειωτήρας ατέρμονα κορώνας, ο οποίος προσομοιάζει στο γωνιακό μειωτήρα, αλλά στη διάταξη του γραναζιού που συνδέεται με το μηχανισμό εισόδου εκτός από ένα μετωπικό γρανάζι με κεκλιμένα δόντια υπάρχει και ο άξονας της διάταξης που είναι ένας ατέρμονας κοχλίας. Στην κάθετη πλευρά του κελύφους μπορεί να προσαρμόζεται μόνο μια διάταξη γραναζιού, η διάταξη εξόδου, η οποία φέρει και το γρανάζι τύπου κορώνας Πλανητικοί μειωτήρες Οι πλανητικοί μειωτήρες παρουσιάζουν ορισμένα χαρακτηριστικά που τους διακρίνουν από τους συνήθεις μειωτήρες. Το βασικότερο είναι η χαμηλή (κατά κανόνα αλλά όχι πάντα) ισχύς λειτουργίας τους, αλλά και η μεγάλη ακρίβεια ρύθμισης που επιτυγχάνουν. Χαρακτηρίζονται επίσης από το ότι μολονότι επιτυγχάνουν σημαντικές σχέσεις μείωσης και αρκετά μεγάλες ροπές εξόδου, κατασκευάζονται σε μικρά σχετικά μεγέθη. Πρέπει να σημειώσουμε εδώ πως σε ορισμένες εφαρμογές, όπως σε αυτοκινούμενες υπερκατασκευές, χρειάζεται να διαχειριστούν πολύ μεγάλα φορτία. Κάποια άλλα χαρακτηριστικά τους είναι η αυξημένη μηχανική απόδοσή τους και η ιδιαίτερα αθόρυβη λειτουργία τους. Υπάρχει ακόμα η δυνατότητα χρησιμοποίησής τους σε εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων και εν γένει έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και προσφέρουν μεγάλη αξιοπιστία. Στους πλανητικούς μειωτήρες συνηθέστατα ο άξονας εξόδου είναι φλαντζωτός. Αυτό προσφέρει συγκεκριμένα πλεονεκτήματα όπως τη δυνατότητα διαχείρισης

42 υψηλών ακτινικών φορτίων, αλλά και η οικονομία που επιτυγχάνεται στην κατανάλωση ισχύος, διότι το οδηγούμενο φορτίο συνδέεται απευθείας με το κινητήριο σύστημα χωρίς τα συνήθη στοιχεία σύνδεσης (π.χ κόμπλερ, αντάπτορες, κ.λ.π). Πρέπει να σημειωθεί ακόμα, πως στους περισσότερους πλανητικούς μειωτήρες η λίπανση γίνεται με συνθετικό λάδι, το οποίο διαρκεί καθ όλη τη διάρκεια ζωής του μειωτήρα. Οι πλανητικοί μειωτήρες χρησιμοποιούνται συχνά σε συστήματα ελέγχου κίνησης (motion control systems). Βρίσκουν ενδιαφέρουσα εφαρμογή στα πιο εξελιγμένα από αυτά τα συστήματα όπως στα συστήματα ρομποτικής και τούτο γιατί προσφέρουν υψηλή ακρίβεια θέσης συνδεόμενοι με ειδικές διατάξεις με τους σερβοκινητήρες και τους βηματικούς κινητήρες, οι οποίοι ενεργοποιούν τους μηχανισμούς κίνησης στα συστήματα αυτά. Πρέπει να τονίσουμε πως καθώς εξελίχθηκε η τεχνολογία των πλανητικών μειωτήρων, τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί σε διάφορα μοντέλα μειωτήρων πολλαπλές δυνατότητες οδήγησης. Υπάρχουν λοιπόν πλανητικοί μειωτήρες που οδηγούνται από ηλεκτροκινητήρα, αλλά κι άλλοι που οδηγούνται από υδραυλικό κινητήρα ή από ελεύθερο άξονα. Αντίστοιχες δυνατότητες έχουν αναπτυχθεί και στις εξόδους των διαφόρων τύπων πλανητικών μειωτήρων, καθώς μια σειρά από διαφορετικούς σχεδιασμούς καλύπτει πολλαπλές απαιτήσεις

43 - 36 -

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Προληπτική συντήρηση και έλεγχος μηχανών - μέτρηση δονήσεων και κραδασμών 2.1 Προληπτική διάγνωση βλαβών μηχανών [5] Η προληπτική διάγνωση βλαβών μηχανών και πρόβλεψης του χρόνου αντικατάστασης φθαρμένων εξαρτημάτων είναι απαραίτητη για ένα εργοστάσιο που χρησιμοποιεί μηχανές. Επιθυμία των εργοστασίων είναι οι εγκατεστημένες μηχανές να λειτουργούν αποδοτικά και αξιόπιστα, με χαμηλό κόστος λειτουργικών εξόδων και να έχουν μακροζωία. Ενέργειες που απαιτούν τα εργοστάσια είναι : Διαπίστωση των αιτιών που προκαλούν βλάβες στις μηχανές. Διαπίστωση των αιτιών που προκαλούν φθορά στα εξαρτήματα των μηχανών. Εφαρμογή μοντέρνων μεθόδων προληπτικής διάγνωσης βλαβών μηχανών και πρόβλεψης του χρόνου αντικατάστασης φθαρμένων εξαρτημάτων προς εξασφάλιση των εξής ωφελειών : α. Ομαλή λειτουργική κατάσταση και απόδοση των μηχανών β. Αναγνώριση των συμπτωμάτων και αιτιών που οδηγούν στις βλάβες των μηχανών. γ. Πρόβλεψη του χρόνου αποδεκτής λειτουργικότητας των μηχανών. Με την χρήση μοντέρνων μεθόδων διάγνωσης βλαβών, καταστροφικές βλάβες μπορούν να αποφευχθούν και ελάττωση του κόστους συντήρησης των μηχανών. Επίσης, να αποφευχθούν περιπτώσεις ξαφνικών βλαβών και πτώσεις παραγωγικής λειτουργίας των μηχανών. Η εμπειρία πολλών εργοστασίων απέδειξε ότι η προληπτική διάγνωση βλαβών μηχανών εξασφάλισε ελάττωση του κόστους συντήρησης των και αύξησε τον χρόνο αποδοτικής λειτουργίας των. Έτσι, η προληπτική διάγνωση δημιουργεί οφέλη στα εργοστάσια έναντι χαμηλής δαπάνης αγοράς του εξοπλισμού διάγνωσης

45 2.2 Διαγνωστικές μέθοδοι [5] Αναφορά στις μεθόδους διάγνωσης Στο σχήμα 2.1 φαίνονται διάφοροι μέθοδοι διάγνωσης βλαβών μηχανών. Η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από τo είδος των μηχανών, το ποσό που απαιτείται για την αγορά του διαγνωστικού εξοπλισμού, και από την αξιοπιστία και αποδοτική λειτουργία της διαγνωστικής μεθόδου. Η μέθοδος μέτρησης/ανάλυσης ταλαντώσεων/δονήσεων είναι η πιο μοντέρνα, αποδοτική, εύκολη, αξιόπιστη, χαμηλού κόστους, που οδηγεί στην ασφαλή προληπτική διάγνωση βλαβών των μηχανών, πρόβλεψη του χρόνου αντικατάστασης φθαρμένων εξαρτημάτων, έγκαιρη εντόπιση ξαφνικών ζημιών π.χ. ραΐσματα γραναζιών, ένσφαιρων τριβέων (ρουλεμάν), έδρανα ολίσθησης (κουζινέτα), εντόπιση κακής ζυγοστάθμισης, εντόπισης κάμψης αξόνων κλπ. Σχήμα 2.1 Μέθοδοι διάγνωσης βλαβών μηχανών. Η μέθοδος μέτρησης /ανάλυσης θορύβου μηχανών είναι μια βοηθητική μέθοδος, που πολλά διαγνωστικά όργανα χρησιμοποιούν παράλληλα με την μέτρηση/ανάλυση ταλαντώσεων /δονήσεων. Η μέθοδος μέτρησης παραμέτρων εξαρτημάτων και παραμέτρων λειτουργίας όπως εκκεντρικότητας αξόνων /περιστρεφόμενων μαζών, μετρήσεις θερμοκρασίας σε διάφορα μέρη των μηχανών, πιέσεις λιπαντικών κλπ. Πολλά διαγνωστικά όργανα εκτελούν επίσης τις μετρήσεις αυτές. Η μέθοδος όμως αυτή είναι βοηθητική

46 Η μέθοδος ανάλυσης λιπαντικών είναι παλαιά τεχνολογία, ακριβή στην πράξη και δεν έχει τα πλεονεκτήματα της μεθόδου μέτρησης/ανάλυσης ταλαντώσεων/ δονήσεων. Καθόσον γνωρίζουμε, δεν χρησιμοποιείται πια. Οπτικές μέθοδοι με ενδοσκοπία και μικροσκοπία είναι βοηθητικές μέθοδοι και δεν παρέχουν τα πλεονεκτήματα της μεθόδου μέτρησης/ανάλυσης ταλαντώσεων /δονήσεων. Η μέθοδος εξέτασης των υλικών κατασκευής των μηχανών με υπέρηχους, ακτινογραφίες κλπ. είναι βοηθητική μέθοδος και δεν παρέχει τα πλεονεκτήματα της μεθόδου μέτρησης / ανάλυσης ταλαντώσεων /δονήσεων Προληπτική διάγνωση και λειτουργική κατάσταση των μηχανών Έλεγχος της κατάστασης μιας μηχανής μπορεί να γίνει όταν η μηχανή εργάζεται ή είναι σταματημένη. Όταν η μηχανή είναι σταματημένη, πρέπει να ανοιχθεί και όλα τα εξαρτήματα της να εξετασθούν όπως τα ρουλεμάν, γρανάζια κλπ. για συμπτώματα φυσιολογικής φθοράς, οξείδωσης, ραγισμάτων κλπ. Αυτή η μέθοδος είναι πολύ δαπανηρή και γίνεται σε ελάχιστες περιπτώσεις σε ειδικές μηχανές όπως κινητήρες αεροπλάνων κλπ. Καίτοι είναι δαπανηρή και χρονοβόρος μέθοδος, δεν μπορεί να εντοπίσει βλάβες που οφείλονται σε λειτουργικές παραμέτρους όπως ταχύτητες, θερμοκρασίες και φορτία. Επίσης, δεν μπορεί να εντοπίσει κακή ζυγοστάθμιση, κάμψη αξόνων που δημιουργείται από υψηλή θερμοκρασία και φαινόμενα συντονισμού μερών των μηχανών. Αντιθέτως, διαγνωστικές μέθοδοι βασιζόμενες στην μέτρηση/ανάλυση ταλαντώσεων / δονήσεων μπορούν να εκτελεστούν ενώ οι μηχανές ευρίσκονται σε πλήρη λειτουργία. Προ πολλών ετών, προτού εφευρεθούν όργανα μετρήσεως /ανάλυσης ταλαντώσεων /δονήσεων, μερικοί πεπειραμένοι μηχανικοί από το θόρυβο μιας μηχανής ή ακούγοντας τις ταλαντώσεις / δονήσεις με ένα στηθοσκόπιο μπορούσαν να εντοπίσουν μερικές στοιχειώδεις βλάβες των μηχανών, αλλά χωρίς μεγάλη επιτυχία. Δυστυχώς σήμερα τέτοιοι πεπειραμένοι μηχανικοί δεν υπάρχουν. Ακόμη και οι πεπειραμένοι αυτοί μηχανικοί δεν μπορούσαν να εντοπίσουν με κάποια ακρίβεια πολλές βλάβες των μηχανών ή έβγαζαν λανθασμένα συμπεράσματα

47 2.2.3 Προληπτική διάγνωση βλαβών μηχανών με μέτρηση / ανάλυση των ταλαντώσεων / δονήσεων Η προληπτική διάγνωση μπορεί να εκτελεστεί κατά τους εξής δύο τρόπους : Α. Μετρώντας το πλάτος του συνόλου συχνοτήτων της ταλάντωσης /δόνησης που ονομάζεται μέθοδος OVERALL. Β. Χρησιμοποιώντας αναλυτικές μεθόδους διάγνωσης όπως ανάλυση του φάσματος συχνοτήτων των ταλαντώσεων /δονήσεων, μεθόδους εξέτασης της δυναμικής συμπεριφοράς των μηχανών με συνάρτηση αυτοδιέγερσης που παράγεται από τις ταλαντώσεις ορισμένων μηχανών ή με εξωτερική διέγερση. Στο σχήμα 2.2 φαίνονται οι διάφορες μέθοδοι προληπτικής διάγνωσης βασισμένες σε μετρήσεις των ταλαντώσεων / δονήσεων. Σχήμα 2.2 Μέθοδοι προληπτικής διάγνωσης βασιζόμενες σε μετρήσεις. Με την αναλυτική μέθοδο η κατάσταση των εξαρτημάτων της μηχανής αξιολογείται για την προληπτική διαπίστωση βλαβών, των αιτιών που τις προκαλούν και τα μέτρα που πρέπει να ληφθούν για την αποκατάστασή των. Με την φασματική ανάλυση και την ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς η διάγνωση των βλαβών της μηχανής και των εξαρτημάτων της μπορεί να επιτευχθεί. Η κατανόηση των παραμέτρων μέτρησης και τα αισθητήρια που χρησιμοποιούνται θα περιγραφούν πλήρως

48 2.3 Παράμετροι μέτρησης ταλαντώσεων [5] Είδη μετρήσεων μηχανικών ταλαντώσεων Οι εξής τρεις παράμετροι χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των μηχανικών ταλαντώσεων μηχανών. Μετατόπιση (displacement) "S" Είναι η απόκλιση της θέσης του μετρούμενου σημείου από την κανονική ή αρχική του θέση. Μονάδα μέτρησης είναι το χιλιοστό του μέτρου "m" ή χιλιοστό της ίντσας "mil". Ταχύτητα "ν" Είναι η ταχύτητα της θέσης του μετρούμενου σημείου από την κανονική ή αρχική του δέση. Μονάδα μέτρησης είναι το mm/s ή ips. Επιτάχυνση "a" Είναι η μεταβολή αύξησης της ταχύτητας ή μεταβολή της θέσης του μετρούμενου σημείου από την κανονική ή αρχική του θέση. Μονάδα μέτρησης είναι το m/s² ή g (lg=9.81m/s²). Ο πίνακας του σχήματος 2.3 δείχνει την μετατροπή μονάδων μετατόπισης, ταχύτητας και επιτάχυνσης. Ισχύει μόνον για αρμονικές περιοδικές ταλαντώσεις. Η παράμετρος "ω", συχνότητα περιστροφής, δίδεται από τη σχέση ω= 2nf. Για υπολογισμούς κατά προσέγγιση μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την σχέση ω = n/10, όπου n= ταχύτητα άξονα σε rpm (στροφές ανά λεπτό). Η μετατροπή των μονάδων μετατόπισης, ταχύτητας, επιτάχυνσης από την μια μονάδα στην άλλη μπορεί να γίνει με μαθηματικές σχέσεις, με ηλεκτρονικά κυκλώματα ή με λογισμικά. Στα μοντέρνα όργανα μέτρησης ταλαντώσεων που αναφερόμαστε γίνεται με λογισμικά. Σχήμα 2.3 Πίνακας μετατροπής μονάδων μετατόπισης, ταχύτητας, επιτάχυνσης

49 2.3.2 Χαρακτηριστικά παραμέτρων μέτρησης ταλαντώσεων Η ημιτονική ταλάντωση χαρακτηρίζεται από τις παραμέτρους, πλάτος, συχνότητα και γωνία φάσης. Πλάτος : Η μέγιστη τιμή μιας ταλάντωσης. Το πλάτος χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της μέγιστης τιμής της ταλάντωσης της μηχανής. Συχνότητα : Η συχνότητα εκφράζει τη συχνότητα επανάληψης σε Hz. Στις περιστρεφόμενες μηχανές η μέτρηση της συχνότητας είναι υψίστης σημασίας. Γωνία φάσης : Η γωνία φάσης εκφράζει το σημείο έναρξης μέτρησης στο χρόνο t=0. Η γωνία φάσης είναι σημαντική παράμετρος για τη ζυγοστάθμιση της μηχανής ή για τη διάγνωση των αιτιών που προκαλούν την ταλάντωση. Τα χαρακτηριστικά σύνθετων ταλαντώσεων μπορούν να εξεταστούν σε μια στενή περιοχή συχνοτήτων ή σε μια ευρεία ζώνη. Στην εξέταση στενής περιοχής συχνοτήτων μιας σύνθετης ταλάντωσης, η ταλάντωση αναλύεται στο φάσμα ημιτονικών συχνοτήτων με φασματική ανάλυση Fourier με τη χρήση λογισμικών ή φίλτρων. Η κάθε συχνότητα του φάσματος μπορεί να εξετασθεί με τις παραμέτρους που αναφέραμε πιο πάνω. Στην εξέταση ευρείας περιοχής εξετάζουμε το πλάτος της σύνθετης ταλάντωσης σε όλο το άθροισμα συχνοτήτων της, χωρίς να λαμβάνουμε υπόψη τις συχνότητες του φάσματός της και τις γωνιές φάσης των. Το πλάτος μετράται σε συγκεκριμένη περιοχή συχνοτήτων π.χ Hz. όλες οι συχνότητες της ταλάντωσης αντιμετωπίζονται συνολικά για να δώσουν μια συγκεκριμένη τιμή μετρούμενου πλάτους

50 2.4 Μέτρηση μηχανικών ταλαντώσεων [5] Τύποι ταλαντώσεων στις μηχανές Οι ταλαντώσεις / δονήσεις που παράγονται στις μηχανές προέρχονται από περιστροφικές ή παλινδρομικές κινήσεις. Κακή ζυγοστάθμιση σε μια μηχανή επάγει ταλαντώσεις / δονήσεις στα μέρη τής μηχανής. Οι φυγοκεντρικές δυνάμεις που δημιουργούνται από κακή ζυγοστάθμιση δημιουργούν και άλλες δυνάμεις στους άξονες όπως μαγνητικές και υδραυλικές, που κάνουν τούς άξονες να δονούνται. Αυτές οι δυνάμεις και ταλαντώσεις μεταφέρονται από τα έδρανα κύλισης (ρουλεμάν), στις βάσεις αυτών (Bearing supports). Επίσης, μεταφέρονται από τα λιπαντικά των κουζινέτων (έδρανα ολίσθησης), στις φωλιές των κουζινέτων. Όλες αυτές οι δυνάμεις και ταλαντώσεις μεταφέρονται και στις βάσεις των μηχανών (foundations) και στο εξωτερικό κέλυφος των μηχανών. Σχήμα 2.4 Τύποι ταλαντώσεων στις μηχανές [5]

51 Οι δονήσεις που μεταδίδονται εξαρτώνται από πολλές παραμέτρους. Οι πιο σημαντικές είναι η κατάστασης των λιπαντικών, τα έδρανα και οι βάσεις των, η μάζα του άξονος. Για να καταλήξουμε αν πρέπει να αξιολογήσουμε τις ταλαντώσεις του άξονος ή των εδράνων πρέπει να λάβουμε υπόψη τους εξής κανόνες: Κανόνας 1 : Πρέπει να επιλέξουμε τη μέτρηση ταλάντωσης που μας δίδει περισσότερες πληροφορίες για την κατάσταση της μηχανής. Κανόνας 2 : Οι περισσότερες πληροφορίες παρέχονται με μέτρηση των εξής μεγεθών : Τη σχετική τιμή πλάτους ταλάντωσης σε μηχανές που έχουν έδρανα ολίσθησης (κουζινέτα). Την απόλυτο τιμή πλάτους ταλάντωσης σε μηχανές που έχουν έδρανα κύλισης (ρουλεμάν). Συνήθως, υπάρχουν οι εξής τρεις τύποι ταλαντώσεων (σχήμα 2.4 και 2.5) που μπορούν να μετρηθούν σε μηχανές: Απόλυτος τιμή ταλαντώσεων στα έδρανα (Absolute bearing vibration). Αυτό σημαίνει ταλαντώσεις του κελύφους του εδράνου και της φωλιάς αυτού με αναφορά ένα σημείο στην μηχανή. Σχετική ταλάντωση άξονος (Relative Shaft vibration). Αυτό σημαίνει, ταλαντώσεις του άξονος σε σχέση με την φωλιά του εδράνου. Απόλυτο τιμή ταλαντώσεων στον άξονα (Absolute shaft vibration). Αυτό σημαίνει, ταλαντώσεις του άξονος σε αναφορά ένα σημείο της μηχανής Σχήμα 2.5 Οι τρεις τύποι δονήσεων και τα σημεία μέτρησης των σε ένα έδρανο ολίσθησης (κουζινέτο)

52 2.4.2 Επιταχυνσιόμετρο Η μέτρηση της απόλυτης τιμής των ταλαντώσεων γίνεται με αισθητήρες που τοποθετούνται επάνω στα σημεία που θέλουμε να μετρήσουμε τις ταλαντώσεις. Ένα τέτοιο αισθητήριο φαίνεται στο σχήμα 2.6. Η ιδιοσυχνότητα ή συχνότητα ιδιοσυντονισμού στους αισθητήρες αυτούς είναι πολύ υψηλή. Η εκμεταλλεύσιμη καμπύλη απόκρισης είναι κάτω από την συχνότητα ιδιοσυντονισμού. Χρησιμοποιούν κρυστάλλους χαλαζία (quartz) για τη μετατροπή της μηχανικής ταλάντωσης σε ηλεκτρική. Καθώς ο κρύσταλλος επιμηκύνεται ή συμπιέζεται στο ρυθμό της μηχανικής ταλάντωσης, αναπτύσσει ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό το ηλεκτρικό φορτίο παράγεται από την ταλαντούμενη μετατόπιση των μορίων του κρυστάλλου. Σχήμα 2.6 Αρχή λειτουργίας του πιεζοηλεκτρικού αισθητηρίου επιτάχυνσης. Στο αισθητήριο αυτό, πιεζοηλεκτρικοί κεραμικοί δίσκοι συγκρατούνται σε μια σεισμική μάζα. Εάν το σύστημα υπόκειται σε μηχανικές ταλαντώσεις, η σεισμική μάζα δημιουργεί εναλλασσόμενες μηχανικές δυνάμεις στους κρυστάλλους, που βάσει της αρχής του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου παράγουν εναλλασσόμενο ηλεκτρικό φορτίο. Το φορτίο αυτό είναι ανάλογο με τη μηχανική ταλάντωση. Το φορτίο μετατρέπεται σε τάση από εσωτερικό ή εξωτερικό ενισχυτή φορτίου. Λόγω της κατασκευής του αυτής το αισθητήριο αυτό παρέχει υψηλή συχνότητα ιδιοσυντονισμού, της τάξεως των 35kHz και η καμπύλη απόκρισης του είναι

53 εκμεταλλεύσιμη στην περιοχή 1Ηz-20kΗz περίπου. Σχήμα 2.7. Σχήμα 2.7 Τυπική καμπύλη απόκρισης του επιταχυνσιομέτρου τύπου AS-020 [5]. Δεν απαιτούνται διορθωτικά κυκλώματα για επιπεδότητα της καμπύλης των επιταχυνσιομέτρων. Το παραγόμενο σήμα επιτάχυνσης μετατρέπεται στο μετρητικό όργανο που τροφοδοτεί δια ολοκλήρωσης σε σήμα ταχύτητας ταλάντωσης και δια διπλής ολοκλήρωσης σε σήμα μετατόπισης. Τα επιταχυνσιόμετρα μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε με ένα ηλεκτρόδιο δοκιμών (PROBE) που φέρει ακίδα. Είναι απλή και γρήγορη μέθοδος για μετρητικά σημεία σε μέρη της μηχανής που δεν έχουμε πρόσβαση. Η καμπύλη απόκρισης του επιταχυνσιομέτρου ελαττούται σημαντικά στην περίπτωση αυτή, οφειλόμενη σε ιδιοσυντονισμό του σημείου επαφής της ακίδος του ηλεκτροδίου δοκιμών με το μετρητικό σημείο (σχήμα 2.8). Κατά τη διάρκεια μέτρησης είναι απαραίτητο να κρατάμε τo στέλεχος του ηλεκτρόδιου δοκιμών με σταθερή πίεση στην μετρούμενη θέση. Εάν δεν κάνουμε αυτό, θα έχουμε λανθασμένα αποτελέσματα μετρήσεων. Εάν κάνουμε συχνά μετρήσεις στην ίδια μετρητική θέση, πρέπει με τρυπάνι να κάνουμε μια κωνική εγκοπή (dimple) στην μετρητική θέση ή να κολλήσουμε ένα μεταλλικό πλακίδιο στην μετρητική θέση στο οποίο κάνουμε την εγκοπή. Αυτό θα μας βοηθήσει να κάνουμε πάντα την μέτρηση στο ίδιο σημείο

54 Σχήμα 2.8 Μετρητικό σημείο με κωνική εγκοπή αριστερά και με πλακίδιο που φέρει την εγκοπή δεξιά. Καλύτερη μέθοδος είναι να τοποθετούμε στο αισθητήριο ένα μαγνητικό πέδιλο και στο προς μέτρηση σημείο ένα δίσκο χάλυβα. Με τον τρόπο αυτό έχουμε μεγαλύτερη καμπύλη απόκρισης και δεν χρειάζεται να πιέζουμε το επιταχυνσιόμετρο στην μετρητική θέση. Η μέθοδος είναι εξ ίσου γρήγορη όπως όταν χρησιμοποιούμε το επιταχυνσιόμετρο με probe ακίδος. Φυσικά η θέση για τη μέτρηση πρέπει να είναι σιδερένια και λεία χωρίς ακαθαρσίες και γράσα. Μπορούμε επίσης να κολλήσουμε ένα στρογγυλό σιδερένιο πλακίδιο στην μετρητική θέση. Η μέθοδος αυτή τοποθέτησης χρησιμοποιείται κατά κανόνα στην πράξη. Το σχήμα 2.9 δείχνει την μέθοδο αυτή τοποθέτησης. Τοποθέτηση του επιταχυνσιομέτρου με βίδα στην μετρητική θέση : Είναι πολύ καλή μέθοδος και εξασφαλίζει άριστη καμπύλη απόκρισης, αλλά απαιτεί περισσότερο χρόνο η χρήση της, όταν θέλουμε να παίρνουμε γρήγορα μετρήσεις με ένα φορητό όργανο. Χρησιμοποιείται κυρίως για μόνιμο εγκατάσταση για συστήματα μόνιμης παρακολούθησης των ταλαντώσεων. Το σχήμα 2.10 δείχνει τρεις τρόπους βιδώματος του επιταχυνσιομέτρου στην μετρητική θέση

55 Σχήμα 2.9 Το επιταχυνσιόμετρο AS-011 με πέδιλο μαγνήτη και τοποθέτησης του στην μετρητική θέση

56 Σχήμα 2.10 Επιταχυνσιόμετρο τύπου AS-011 : με a. Βίδα στήριξης. b. Κωνικό βιδωτό προσαρμοστή. c. Στρογγυλό πλακίδιο με βίδα. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των επιταχυνσιομέτρων είναι τα εξής : Πλεονεκτήματα : Στιβαρά κατασκευή Δεν επηρεάζεται από μαγνητικά πεδία Έχουν μικρές διαστάσεις Είναι ερμητικώς κατασκευασμένα σε κέλυφος από ανοξείδωτο χάλυβα. Μειονεκτήματα : Είναι παθητικά αισθητήρια που απαιτούν τροφοδότηση Έχουν χαμηλή ευαισθησία στις χαμηλές συχνότητες. Ο πίνακας του σχήματος 2.11 δείχνει τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μεθόδων στήριξης των αισθητηρίων και τη χρήσιμη περιοχή συχνοτήτων

57 Σχήμα 2.11 Πίνακας μεθόδων στήριξης αισθητηρίων [5]

58 2.4.3 Μετρήσεις σε έδρανα κύλισης Είναι τα πιο σημαντικά εξαρτήματα περιστρεφόμενων μηχανών και ο χρόνος ζωής των είναι περιορισμένος. Ο χρόνος ζωής των εξαρτάται από ένα αριθμό παραμέτρων, οι πιο σημαντικές των οποίων φαίνονται στον πίνακα του σχήματος Σχήμα 2.12 Παράγοντες που επηρεάζουν την ζωή των εδράνων κύλισης. Συναρτήσει του χρόνου οι παράγοντες αυτοί οδηγούν στην καταστροφή των εδράνων κύλισης. Τα αίτια της καταστροφής είναι δύο ειδών. Αναμενόμενα και μη αναμενόμενα, τα οποία φαίνονται στον πίνακα του σχήματος Σχήμα 2.13 Αίτια καταστροφής εδράνων κύλισης σε ποσοστά %

59 Γενικά, πληροφορίες για τα αναπτυσσόμενα αίτια καταστροφής και ελάττωση της ζωής των εδράνων κύλισης λαμβάνονται μόνον με ειδικές μετρήσεις. Οι βλάβες και οι καταστροφές είναι μερικές φορές μη αναμενόμενες. Εάν δεν τις αντιληφθούμε εγκαίρως, μπορούν να οδηγήσουν στις εξής βλάβες : Κακή λειτουργία Ζημιές στους εξωτερικούς και εσωτερικούς δακτυλίους Παραμόρφωση του άξονος Σπάσιμο της ζεύξης και πιθανόν καταστροφή των τυλιγμάτων της μηχανής. Βλάβη σε άλλα λειτουργικά εξαρτήματα και στο περίβλημα της μηχανής. Ανάφλεξης του λιπαντικού Εξωτερική φωτιά. Για κάθε περίπτωση βλάβης η μηχανή πρέπει να τεθεί εκτός λειτουργίας, να αποσυναρμολογηθεί, να ξανά αντικατασταθούν τα κατεστραμμένα εξαρτήματα και να συναρμολογηθεί ξανά. Με τις διαγνωστικές μεθόδους ανάλυσης των ταλαντώσεων η κατάσταση των εδράνων κύλισης μπορεί να αξιολογηθεί. Έτσι, μπορεί να γίνει πρόγνωση του χρόνου ζωής των εδράνων, πρόγνωση βλαβών και έτσι να αποφευχθεί στάση λειτουργίας των μηχανών. Σχήμα 2.14 Κατεστραμμένος άξονας ενός ανεμιστήρα οφειλόμενος σε σπάσιμο του δακτυλίου του εδράνου κύλισης [5]

60 Βλάβες δημιουργούνται στα έδρανα κύλισης λόγω ρωγμών των υλικών, ρωγμών στους δακτυλίους των εδράνων, ρωγμές και σπασίματα στις μπίλιες ή κυλινδρικά στοιχεία σχήμα Μεταβολές στην γεωμετρία των εδράνων δημιουργούν παλμούς κτυπημάτων, όταν οι κινούμενες μπίλιες ή κύλινδροι έρχονται σε επαφή με τις κατεστραμμένες επιφάνειες (σχήμα 2.16). Οι περιοδικοί αυτοί παλμοί δημιουργούν μηχανικές ταλαντώσεις και ηχητικούς παλμούς, που διαδίδονται μέσω του εξωτερικού δακτυλίου του εδράνου προς τα έξω. Οι παλμοί αυτοί ονομάζονται συνήθως "shock impulses". Ένα τυπικό παράδειγμα παλμών κρούσεως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.15 Παλμοί "shock" συμβαίνουν όταν οι μπίλιες κτυπούν φθαρμένα σημεία, κυρίως του εξωτερικού δακτυλίου των εδράνων [5]

61 Σχήμα 2.16 Σκαψίματα στην επιφάνεια του εξωτερικού δακτυλίου ενός εδράνου κύλισης [5]. Σχήμα 2.17 Οι παλμοί κρούσης

62 Οι παλμοί κρούσης shock όπως φαίνονται στο σχήμα 2.17 έχουν υψηλό πλάτος και μικρό εύρος (tu) συγκρινόμενα με τη χρονική απόσταση των παλμών (Τ), t<<τ. Η συχνότητα επανάληψης των παλμών λέγεται συνήθως και συχνότητα καταστροφής. Το πλάτος των παλμών είναι ο δείκτης της ισχύος της κρούσης και εξαρτάται από την ταχύτητα και το φορτίο του εδράνου. Η συχνότητα καταστροφής προσδιορίζεται από τη γεωμετρία του εδράνου, τον τρόπο συναρμολόγησής του και την ταχύτητα του άξονος. Γενικά, η αλληλεξάρτηση των παραμέτρων αυτών δίδεται από τις εξισώσεις του πίνακα του σχήματος 2.18 και υπολογίζεται για ένα τυπικό έδρανο με ταχύτητα 3000 rpm στον πίνακα του σχήματος Η υπάρχουσα κατάσταση καταστροφής δημιουργεί 4 συχνότητες. Το εύρος του παλμού και η περίοδός του για μια τυπική καταστροφή είναι της τάξεως μερικών μιλλιδευτερολέπτων όπως δείχνει το και το σχήμα Σχήμα 2.18 Συχνότητες καταστροφής σε ένα έδρανο κύλισης [5]

63 Σχήμα 2.19 Πρακτικό παράδειγμα συχνοτήτων καταστροφής ενός εδράνου κύλισης SKF 6211 [5]. Οι αρμονικές της συχνότητας καταστροφής φθάνουν και υπερβαίνουν τα 100 kηz. Το φάσμα αρμονικών των παλμών κρούσης του σχήματος 2.17, φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.20 Οι παλμοί κρούσης του εδράνου αριστερά και τo φάσμα αυτών δεξιά. fs= συχνότητα καταστροφής, Τ = χρόνος μεταξύ δυο παλμών

64 Συχνότητες συντονισμού του εδράνου και της φωλιάς του δημιουργούν μεταβολές στους παλμούς κρούσης και στο φάσμα συχνοτήτων των. Οι παλμοί στον εξωτερικό δακτύλιο του εδράνου και στη φωλιά του δείχνονται στο σχήμα 2.21, αριστερά. Σχήμα 2.21 Οι παλμοί κρούσης του σχήματος 2.20 μετά τη μετάδοσή των στον εξωτερικό δακτύλιο και στη φωλιά του εδράνου. Στην πράξη, οι παλμοί κρούσης επιπροστίθενται στο σήμα ταλαντώσεων που έχει πολύ υψηλότερο πλάτος. Αυτές οι ταλαντώσεις δημιουργούνται π.χ. από κακή ζυγοστάθμιση του περιστρεφόμενου άξονος, συχνότητες σύμπλεξης γραναζιών, ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις ενός ηλεκτρικού κινητήρα, μηχανικές κρούσεις και παλμούς και άλλους ενοχλητικούς παράγοντες. Έτσι, το σήμα ταλαντώσεων στην επιφάνεια της μηχανής έχει μορφή όπως δείχνει το σχήμα 2.22, αριστερά. Σχήμα 2.22 Παλμοί κρούσης που επιπροστίθενται στο πλάτος των ταλαντώσεων της μηχανής, αριστερά - Δεξιά φαίνεται η φασματική ανάλυσης αυτών

65 2.5 Αξιολόγηση της κατάστασης των μηχανών με την χρήση ολικών (OVERALL) τιμών [5] Η κατάσταση τής μηχανής μπορεί να εξετασθεί με μέτρηση των συμπτωμάτων βλαβών που εμφανίζονται με τη μέτρηση μιας ολικής μεταβλητής τιμής πλάτους για όλο το φάσμα συχνοτήτων της μηχανής. Αυτή είναι μια γρήγορη, αλλά μη ακριβής μέθοδος. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης θα προσδιορίσουν τα εξής : Ότι η μηχανή μπορεί να συνεχίσει τη λειτουργία της. Ότι πρέπει να γίνει κάποια συντήρηση και πότε, χωρίς να ξέρουμε σε ποιο εξάρτημα οφείλεται. Ότι πρέπει να γίνει ανάλυση των ταλαντώσεων με άλλες τεχνικές για προσδιορισμό της φύσης της βλάβης και σε ποιό εξάρτημα οφείλεται. Εάν δεν έχουμε τη δυνατότητα αυτή, τότε : Πρέπει να θέσουμε τη μηχανή εκτός λειτουργίας για να αποφύγουμε απρόβλεπτες καταστροφές. Στην αξιολόγηση της κατάστασης των μηχανών πρέπει να παρατηρήσουμε, ότι δεν υπάρχει μια απλή μεταβλητή τιμή που να δείχνει την πολύπλοκη κατάσταση μιας μηχανής. Όπως στην Ιατρική, δεν υπάρχει μια απλή μέτρηση που να προσδιορίζει την κατάσταση του ασθενούς. Όπως στην Ιατρική έτσι και στην διάγνωση βλαβών στις μηχανές πρέπει να μετρηθούν, αναλυθούν και αξιολογηθούν τα συμπτώματα των βλαβών για να οδηγηθούμε στην απάντηση της ερώτησης, από ποιο εξάρτημα προέρχεται η βλάβη και σε πόσο χρόνο πρέπει να το αντικαταστήσουμε Ενέργειες για αξιολόγηση των μηχανών Η μέτρηση μιας ή περισσοτέρων μεταβλητών που περιγράψαμε στο κεφάλαιο 2.3 είναι απλώς προκαταρκτικές για την αξιολόγηση των μηχανών. Η γνώση των μεταβλητών αυτών δεν είναι επαρκής για να καθορίσει σε ποιά εξαρτήματα οφείλεται η βλάβη και τον χρόνο που πρέπει να αντικατασταθούν. Μερική αξιολόγηση της κατάστασης της μηχανής μπορεί να γίνει ακολουθώντας ορισμένες οδηγίες και πρότυπα (σχήμα 2.23)

66 Βασικά, οι μετρήσεις των μεταβλητών μπορούν να γίνουν όταν η λειτουργική κατάσταση της μηχανής είναι σταθερή ή μεταβλητή. Παράμετροι όπως ταχύτητα, απόδοση, φορτίο κλπ. μπορούν να αξιολογηθούν. Με τη μέθοδο αυτή η αξιολόγηση των μηχανών βασίζεται σε σύγκριση των μετρούμενων τιμών από καιρό εις καιρό, κάτω από τις ίδιες λειτουργικές συνθήκες της μηχανής και της εξέλιξης του πλάτους των τιμών συναρτήσει του χρόνου. Οι μετρήσεις των τιμών είναι απλές. Γίνονται τοποθετώντας το αισθητήριο ενός μετρητικού οργάνου σε μια ή περισσότερες μετρητικές θέσεις στη μηχανή, ή χρησιμοποιώντας αισθητήρια που ήδη υπάρχουν εγκατεστημένα στη μηχανή. Σχήμα 2.23 Ενέργειες αξιολόγησης των μηχανών. Στις περισσότερες μηχανές οι λειτουργικές καταστάσεις είναι σταθερές, αφού φθάσουν την κανονική ταχύτητά τους και θερμοκρασία λειτουργίας (Uniform operation). Σε τέτοιες περιπτώσεις, μετρήσεις τιμών είναι αρκετές για την αξιολόγηση της λειτουργίας. Μεταβλητή λειτουργική κατάσταση συμβαίνει όταν η ταχύτητα ή τo φορτίο αλλάζουν σε μια μηχανή. Γενικά, οι μεταβλητές που καθορίζουν την κατάσταση της μηχανής θα αλλάξουν με την αλλαγή των λειτουργικών

67 παραμέτρων. Η συσχέτιση γίνεται φανερή, όταν η μετρούμενη τιμή καταγράφεται συναρτήσει της ταχύτητας της μηχανής ή του χρόνου. Έτσι υπάρχουν οι εξής δύο μέθοδοι για την αξιολόγηση της μηχανής : Ειδική αξιολόγηση για φορτίο και ταχύτητα μηχανής Στην περίπτωση αυτή μόνον οι μετρηθείσες τιμές και οι τιμές ορίων έχουν καθορισθεί κάτω από τις ίδιες συνθήκες φορτίου και ταχύτητας και συγκρίνονται μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι, περισσότερες αξιολογήσεις είναι απαραίτητες για τη μηχανή. Για παράδειγμα, μια φυγοκεντρική μηχανή μπορεί να έχει μια αποδεκτή στάθμη ταλαντώσεων σε συνθήκες άνευ φορτίου, και μη αποδεκτή υπό φορτίο. Γενική αξιολόγηση Στη μέθοδο αυτή μετρήσεις τιμών λαμβάνονται και αξιολογούνται σε ακραίες λειτουργικές συνθήκες π.χ. άνευ φορτίου και με φορτίο, και σε ενδιάμεσες τιμές φορτίου. Οι μεγαλύτερες τιμές από μια σειρά μετρήσεων χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της κατάστασης της μηχανής. Βασικά, υπάρχουν οι εξής 4 μέθοδοι αξιολόγησης που μπορούμε να επιλέξουμε : α. Αξιολόγηση δια συγκρίσεως των μετρουμένων τιμών με τιμές ορίων που συστήνονται από μια οδηγία ή πρότυπο. β. Αξιολόγηση δια συγκρίσεως των μετρουμένων τιμών με τιμές ορίων που συστήνονται από τον κατασκευαστή της μηχανής. γ. Αξιολόγηση βάσει της πείρας που αποκτήθηκε από τον χειριστή της μηχανής. δ. Αξιολόγηση της εξέλιξης των μετρουμένων τιμών συναρτήσει του χρόνου (TREND)

68 2.5.2 Αξιολόγηση μηχανών με χρήση ορίων από οδηγίες και πρότυπα Εάν η συμπεριφορά της μηχανής δεν είναι γνωστή και δεν υπάρχει προηγούμενη εμπειρία στη χρήση της, ή προηγούμενες μετρήσεις, η αξιολόγηση της κατάστασης της μηχανής μπορεί να γίνει με σύγκριση των μετρουμένων τιμών με όρια που συνιστά κάποια οδηγία ή πρότυπο. Η μέθοδος αυτή είναι γρήγορη και εκτελείται εύκολα. Προς το παρόν υπάρχει μόνον η εξής οδηγία VDI για παλινδρομικές μηχανές, όπως μηχανές εσωτερικής καύσης και συμπιεστές με πιστόνια : VDI 3838: Μέτρηση και αξιολόγηση μηχανικών ταλαντώσεων παλινδρομικών μηχανών με πιστόνια και συμπιεστές με πιστόνια. Υπάρχει επίσης η εξής πρότασης : DIN : Ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη με παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσεως. Προς δημοσίευση επίσης υπάρχουν τα εξής : ISO : Μέτρηση και αξιολόγηση μηχανικών ταλαντώσεων παλινδρομικών μηχανών ισχύος άνω των 100 kw. ISO : RIC Engine Driven generating sets - Μετρήσεις και αξιολόγηση μηχανικών ταλαντώσεων. Στην πράξη οι περισσότερες μηχανές έχουν περιστρεφόμενες μάζες. Για τις μηχανές του τύπου αυτού, όλες οι σχετικές οδηγίες και πρότυπα αναφέρονται στον πίνακα του σχήματος 2.24 και ταξινομούνται σύμφωνα με δοκιμές αποδοχής σε χώρους δοκιμής, μετρήσεις κάτω από λειτουργικές συνθήκες και μόνιμη παρακολούθηση. Στους πίνακες των σχημάτων 2.25, 2.26, 2.27, oι οδηγίες και τα πρότυπα ομαδοποιούνται βάσει του είδους των μηχανών και των τύπων των ταλαντώσεων

69 Σχήμα 2.24 Οδηγίες και πρότυπα που καθορίζουν τιμές ορίων για αξιολόγηση της κατάστασης μηχανών βάσει μέτρησης ταλαντώσεων [5]

70 Σχήμα 2.25 Οδηγίες και πρότυπα για αξιολόγηση τουρμπομηχανών βάση της απόλυτης τιμής ταλαντώσεων εδράνων [5]. Σχήμα 2.26 Οδηγίες και πρότυπα για αξιολόγηση τουρμπινομηχανών βάσει της σχετικής ταλάντωσης άξονος [5]

71 Σχήμα 2.27 Οδηγίες και πρότυπα για αξιολόγηση παλινδρομικών μηχανών βάσει της απόλυτης τιμής ταλαντώσεων εδράνων [5] Αξιολόγηση μηχανών με χρήση των οριακών τιμών του κατασκευαστή Ο κάθε κατασκευαστής καθορίζει για τις μηχανές του μέγιστες τιμές ορίων ταλαντώσεων, μετατόπισης, θερμοκρασίας, μεταβλητής λειτουργίας και μετρήσεις κατάστασης εδράνων. Αυτές οι οριακές τιμές αναγνωρίζονται ως οι επιτρεπόμενες τιμές υπό φορτίο και βασίζονται είτε σε υπολογισμούς ή μακροχρόνιες δοκιμές που εκτελέστηκαν από τον κατασκευαστή. Αυτές οι τιμές προτιμώνται για την αξιολόγηση των μηχανών Αξιολόγηση μηχανών με χρήση ορίων που έχουν καθοριστεί από τον χειριστή Εάν δεν δίδονται τιμές ορίων από τον κατασκευαστή, υψηλές τιμές ορίων πρέπει να καθορισθούν από την εμπειρία του χειριστού της μηχανής. Προηγούμενη εμπειρία μετρήσεων που απέδειξε πότε έπρεπε να σταματήσει η μηχανή αυτή ή μια όμοια, πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Τα όρια αυτά

72 μπορεί να μην συμφωνούν με τα κριτήρια των υποδείξεων και προτύπων. Για παράδειγμα, σε σιγανές μηχανές παραγωγής χάρτου, οι συστάσεις ορίων κατά VDI και ISO μπορούν να αυξηθούν χωρίς πρόβλημα. Μετρητικές τιμές που είχαν ταξινομηθεί ως μη επιτρεπτές, μπορούν να θεωρηθούν επιτρεπτές στους τύπους των μηχανών αυτών. Σε αντίθεση, είναι συνήθης πρακτική για τους χειριστές να ελαττώνουν τα όρια τιμών ταλαντώσεων για εξαεριστήρες και ανεμιστήρες για πρόβλεψη βλάβης που συμβαίνει λόγω συσσώρευσης ακαθαρσιών στα πτερύγια Αξιολόγηση της εξέλιξης των μετρούμενων τιμών συναρτήσει του χρόνου (TREND) Προς αποφυγή καταστροφής της μηχανής, οι μετρούμενες μεταβλητές, που καθορίζουν την κατάσταση της μηχανής, δεν πρέπει να υπερβούν τις επιτρεπτές τιμές ορίων. Επίσης, μεταβολές των μετρούμενων τιμών που είναι κάτω των ορίων δείχνουν μια τάση φθοράς ή ανωμαλίας της μηχανής. Μερικά παραδείγματα φαίνονται στα σχήματα 2.28 και Εκτός από την σύγκριση με τα όρια τιμών, η εξέλιξη του πλάτους της μετρούμενης τιμής πρέπει να ληφθεί υπόψη για την αξιολόγηση της μηχανής. Οι μεταβολές της μετρούμενης τιμής σε σχέση με την κανονική τιμή δεν πρέπει να υπερβεί προκαθορισμένα όρια. Στην περίπτωση αυτή, κανονική τιμή σημαίνει γνωστή τυπική τιμή. Γενικώς, δεν μπορούν να γίνουν σωστές προτάσεις για το πλάτος των μεταβολών των μετρούμενων τιμών. Ο προσδιορισμός πρέπει να γίνει βάσει της εμπειρίας των χειριστών της μηχανής. Οι επιτρεπτές μεταβολές της μετρηθείσας τιμής μπορούν να δοθούν σαν απόλυτες τιμές π.χ. 20μm ή σε σχέση προς το πλάτος της κανονικής τιμής π.χ. 50%

73 Σχήμα 2.28 Οι σχετικές τιμές ταλαντώσεων άξονα στο σημείο μέτρησης μπορεί ξαφνικά να αυξηθούν ή να ελαττωθούν σε ένα άλλο μετρητικό σημείο, όταν σπάσει ένα πτερύγιο σε μια τουρμπίνα ατμού. Τα όρια τιμών δεν πρέπει να υπερβληθούν στην περίπτωση αυτή. Σχήμα 2.29 Η εξέλιξη μιας ρωγμής άξονα σε μια μηχανή turboset, δείχνεται στο σχήμα από τις τιμές μεταβολής της σχετικής ταλάντωσης του άξονα. Οι μεταβολές αυτές μπορεί να συμβούν σε μερικές ημέρες ή και εβδομάδες

74 2.6 Αναγνώριση βλαβών με τη χρήση ανάλυσης κατά συχνότητα [5] Η βάση της ανάλυσης κατά συχνότητα Οι μηχανές συνήθως είναι πολύπλοκες όταν αποτελούνται από περιστρεφόμενα μέρη, ταλαντευόμενα μέρη και ακίνητα μέρη. Δηλαδή, μία μηχανή μπορεί να προσομοιωθεί σαν ένα σύστημα κινουμένων μερών που συγκροτείται από ελατήρια και μάζες που παράγουν ταλαντώσεις προς πάσα κατεύθυνση. Ακόμη και το μοντέλο απλής μηχανής του σχήματος 2.30 πρέπει να θεωρηθεί ένα πολύπλοκο σύστημα ταλαντώσεων με ένα αριθμό ιδιοσυχνοτήτων. Κατά τη λειτουργία της μηχανής τα κινούμενα μέρη παράγουν δυνάμεις και μηχανικές ταλαντώσεις. Το μίγμα ταλαντώσεων είναι περισσότερο πολύπλοκο όσο αυξάνουν τα περιστρεφόμενα και κινούμενα μέρη. Σχήμα 2.30 Μοντέλο σε προσομοίωση ενός κιβωτίου δυο γραναζιών, άνω, που συμπλέκονται ελαστικώς σε μια βάση δυο μαζών (κέντρο) [5]. Οι μηχανικές ταλαντώσεις διαδίδονται σε όλη την κατασκευή της μηχανής. Οι ταλαντώσεις αυτές είναι προτιμότερο να μετρούνται εκεί που παράγονται, όπως έδρανα και βάσεις αυτών. Αυτό όμως πολλές φορές δεν είναι δυνατόν, διότι δεν έχουμε πρόσβαση για μετρήσεις σε εξαρτήματα που βρίσκονται στο εσωτερικό της μηχανής. Λόγω του γεγονότος όμως, ότι το εξωτερικό περίβλημα της μηχανής

75 αποτελείται από μεταλλικές μάζες, οι δυνάμεις που παράγονται από τα εσωτερικά κινούμενα μέρη της μηχανής, μεταδίδονται στο εξωτερικό περίβλημα της μηχανής και παράγουν τις ταλαντώσεις όπου μπορούμε να τις μετρήσουμε. Η σχέση μετάδοσης των δυνάμεων των κινουμένων μερών, του συντελεστή διάδοσης (Mobility) των μεταλλικών μαζών της μηχανής και των παραγομένων ταλαντώσεων στο εξωτερικό περίβλημα της μηχανής (Vibration Velocity) είναι : FORCES MOBILITY = VIBRATION VELOCITY. Η αναλυτική μέθοδος που εξετάζουμε τώρα βασίζεται στο γεγονός, ότι αναλύουμε το σήμα μίγματος των ταλαντώσεων στις επιμέρους συχνότητες των κινουμένων μερών και των αρμονικών αυτών που είναι ταλαντώσεις ημιτονικές. Έτσι με την ανάλυση κατά συχνότητα μπορούμε να εξετάσουμε τις ημιτονικές ταλαντώσεις του κάθε κινουμένου εξαρτήματος Φασματική ανάλυση. Η φασματική ανάλυση και η αναγνώριση βλαβών μπορεί να γίνει γρήγορα και απλά σε μηχανές εν λειτουργία. Η διαδικασία γίνεται στις εξής δύο φάσεις : Α. Φασματική ανάλυση με ένα φορητό αναλυτή. Β. Αξιολόγηση του φάσματος από έναν έμπειρο μηχανικό. Οι επιμέρους εργασίες για την φασματική ανάλυση δείχνονται στο σχήμα Σχήμα 2.31 Επί μέρους εργασίες για την αναγνώριση σφαλμάτων στις μηχανές

76 Η ανάλυση φάσματος εκτελείται σήμερα με αισθητήρια και φορητούς αναλυτές γρήγορης ανάλυσης FOURIER (FFT). Οι μοντέρνοι φορητοί αναλυτές λαμβάνουν το παραμορφωμένο σήμα των ταλαντώσεων συναρτήσει του χρόνου και εκτελούν την φασματική ανάλυση του (FFT). Οι βασικές αρχές της φασματικής ανάλυσης περιγράφονται στις επόμενες παραγράφους. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης εμφανίζονται σε μερικά δευτερόλεπτα και ερευνούνται επί τόπου από τον έμπειρο μηχανικό. Έτσι η άρση βλαβών μπορεί να αρχίσει αμέσως Λήψη του σήματος ταλαντώσεων στο πεδίο του χρόνου Το αισθητήριο του μετρητικού οργάνου παράγει ένα αναλογικό σήμα των ταλαντώσεων. Σήμερα τα μετρητικά όργανα διαθέτουν μικροσκοπικούς μικροϋπολογιστές και κυκλώματα που προσφέρουν ταχύτητα και ακρίβεια. Το αναλογικό σήμα πρέπει να μετατραπεί σε ψηφιακή πληροφορία ή ψηφιακό σήμα. Το ψηφιακό σήμα οδηγείται στο μικροϋπολογιστή, όπου μπορεί να αποθηκευτεί, να ανακληθεί ή να εκτυπωθεί. Σχήμα 2.32 Σχηματικό διάγραμμα της επεξεργασίας του σήματος στο φορητό αναλυτικό όργανο [5]

77 Το αναλογικό σήμα ταλαντώσεων που λαμβάνεται από τον αισθητήρα, ενισχύεται από τον ενισχυτή εισόδου, περνάει από ένα διορθωτικό φίλτρο (anti-alias filter) και ένα κύκλωμα sample and hold και οδηγείται στον μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα (A/D Converter), σχήμα Η διαδικασία αυτή εκτελεί δειγματοληψία στο πλάτος του σήματος και το μετατρέπει σε μια σειρά διακριτών (discrete) πλατών, όπως φαίνεται στο σχήμα Με τον τρόπο αυτό, κάθε μεμονωμένο πλάτος εκφράζεται ποσοτικά και μετατρέπεται σε τιμή δεδομένων binary. Η εργασία αυτή λέγεται και κωδικοποίηση (coding). Σχήμα 2.33 Δειγματοληψία του σήματος στο πεδίο του χρόνου [5]. Κατά τη διάρκεια της ψηφιοποίησης αυτής, θεμελιώδεις κανόνες πρέπει να ληφθούν υπόψη για να εξασφαλιστεί ότι η μετατροπή του αναλογικού σήματος γίνεται χωρίς σφάλματα, δηλαδή χωρίς παραμόρφωση και απώλεια πληροφορίας. ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ SHANNON Απαραίτητη προϋπόθεση στη δειγματοληψία αναλογικών σημαιών είναι η εφαρμογή του θεωρήματος SHANNON, κυρίως όσον αφορά τη σχέση μεταξύ της μέγιστης συχνότητας του σήματος και της ελάχιστης συχνότητας δειγματοληψίας. Για την εγγυημένη αναπαράσταση του ψηφιακού σήματος, η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια της μέγιστης συχνότητας που υπάρχει στο μετρούμενο σήμα. Αυτό σημαίνει ότι, στην κάθε συχνότητα ταλάντωσης στην επιλεγόμενη περιοχή συχνότητας πρέπει να εκτελεστεί δειγματοληψία τουλάχιστον δυο φορές ανά περίοδο. Κάθε παραβίαση του θεωρήματος θα δημιουργήσει ψευδές αποτέλεσμα, δηλαδή όταν αναπαραχθεί το σήμα που υπέστη δειγματοληψία θα

78 εμφανισθούν στο φάσμα συχνότητες που δεν υπήρχαν στο αρχικό σήμα. Ένα τέτοιο παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Σχήμα 2.34 Όταν η συχνότητα δειγματοληψίας είναι μικρότερη από τη διπλάσια τιμή της μέγιστης συχνότητας του σήματος, το προϊόν είναι ψευδές. Δηλαδή, θα εμφανισθούν ψευδείς συχνότητες [5]. Προς αποφυγή του ανεπιθύμητου αυτού αποτελέσματος, όλες οι υψηλότερες συχνότητες από το ήμισυ της συχνότητας δειγματοληψίας πρέπει να απομακρυνθούν. Αυτό γίνεται με ένα φίλτρο χαμηλής διαπερατότητας που λέγεται "anti-aliasing filter". Στην πράξη, η σχέσης 2,54 μεταξύ της συχνότητας δειγματοληψίας και της μέγιστης συχνότητας του σήματος πρέπει να διατηρηθεί. Η ακρίβεια της ψηφιοποίησης παρέχεται από τον ποσοτικό αριθμό βημάτων, δηλαδή βήματα του πλάτους. Το μέγιστο πλάτος του σήματος διαιρείται σε συγκεκριμένο αριθμό διακεκριμένων βημάτων π.χ Η ονομασία της ακρίβειας καλείται διακριτικότης σε BIT. 1 BIT = 2 = 2 βήματα 12 BIT = 212 = 4096 βήματα

79 2.6.4 Φιλτράρισμα του σήματος Με την αναλογική μέθοδο, που χρησιμοποιείτο στο παρελθόν, χρησιμοποιούντο αναλογικά συντονισμένα φίλτρα με ενισχυτές. Μόνον οι αρμονικές συνιστώσες του σήματος ταλάντωσης, που συνέπιπταν με τις συχνότητες συντονισμού των φίλτρων, ενισχύονται. Τα φίλτρα ήταν ευρείας περιοχής (Band pass) και όλες οι συχνότητες της περιοχής του φίλτρου μπορούσαν να περάσουν, ενώ οι υπόλοιπες συχνότητες εξασθενούν σύμφωνα με την χαρακτηριστική καμπύλη του φίλτρου. Η ορολογία που προέρχεται από την τεχνολογία αυτή ακόμη χρησιμοποιείται για την περιγραφή των φίλτρων. Αυτή η ορολογία χρησιμοποιείται επίσης στον χαρακτηρισμό της ψηφιακής ανάλυσης συχνότητας, καίτοι τα μοντέρνα όργανα χρησιμοποιούν μαθηματικές μεθόδους για φιλτράρισμα. Ο γρήγορος μαθηματικός αλγόριθμος που χρησιμοποιείται στα μοντέρνα όργανα, αντικαθιστά χιλιάδες αναλογικά φίλτρα που δρούσαν παράλληλα. Τα δύο σημαντικά χαρακτηριστικά των αναλογικών και ψηφιακών φίλτρων ευρείας περιοχής είναι, τα εξής : Εύρος συχνοτήτων Επιλεκτικότητα Το εύρος συχνοτήτων είναι η επιλεκτική ικανότητα του φίλτρου και δηλοί, ποιές συχνότητες θα ενισχυθούν ή θα περάσουν. Στην ιδανική περίπτωση, η καμπύλη που καθορίζει το εύρος συχνοτήτων του φίλτρου είναι ορθογώνιος (σχήμα 2.35). Όλες οι συχνότητες εντός του εύρους ή ζώνης του φίλτρου θα περάσουν ενώ οι λοιπές θα απορροφηθούν τελείως. Οι πλευρές του ιδανικού φίλτρου είναι κάθετες. Το απόλυτο εύρος αντιστοιχεί στο εύρος του ορθογωνίου Β = fο-fu και μετράται σε Hertz

80 Σχήμα 2.35 Ιδανική καμπύλη απόκρισης φίλτρου [5]. Β = εύρος = f0-f u, f 0 = άνω συχνότητα του εύρους, f u = κάτω συχνότητα του εύρους, f m = κεντρική συχνότητα συντονισμού. Η παρακάτω σχέση εκφράζει το εύρος του φίλτρου : f -f f 0 u B =,% m Στην πράξη ένα τέτοιο φίλτρο δεν μπορεί να κατασκευαστεί. Το φίλτρο περιοχής έχει καμπυλοειδείς γωνίες και οι πλευρές του δεν είναι κατακόρυφες. Ένα τυπικό φίλτρο φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.36 Τυπική καμπύλη ενός φίλτρου ευρείας περιοχής [5]

81 Το εύρος του φίλτρου χαρακτηρίζεται από την ζώνη στα σημεία -3dB, της ενίσχυσης ή στα σημεία όπου γίνεται το 70% της ενίσχυσης του σήματος. Εάν υπάρχουν δυο συνιστώσες ταλάντωσης, οι συχνότητες των οποίων είναι τόσο κοντά που η διαφορά συχνότητάς των είναι πιο μικρή από το εύρος του φίλτρου, δεν μπορούν να διαχωριστούν. Ένα σχετικό παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα Χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο με εύρος 5Ηz, οι δυο συχνότητες ταλάντωσης f1 = 24,8 Hz και f2 =25,8Hz, δεν μπορούν να διαχωριστούν, ενώ ένα φίλτρο με εύρος 0,2 Ηz μπορεί να τις διαχωρίσει. Σχήμα 2.37 Ανάλυση συχνότητας πολύ γειτονικών ταλαντώσεων. Το εύρος των 5Ηz, αριστερά δεν είναι επαρκές, ενώ τo εύρος των 0,2 Ηz, δεξιά, επιτρέπει τις συχνότητες f1=24,8 Hz και f2= 25,8 Hz να διαχωριστούν [5]. Στην πράξη μπορούν να κατασκευαστούν φίλτρα στενής περιοχής, καίτοι ένα φίλτρο με πιο στενή περιοχή από ό,τι απαιτείται δεν πρέπει να επιλεγεί. Η επιλεκτικότητα εξαρτάται από την ταχύτητα ανάλυσης. Σαν κανόνας, ο χρόνος που απαιτείται για την ανάλυση είναι αντιστρόφως ανάλογος του εύρους και έτσι πολύ στενή ζώνη στο φίλτρο καθυστερεί τον χρόνο ανάλυσης. Καίτοι το εύρος είναι δείκτης της διαχωριστικής ικανότητος για συχνότητες που είναι πολύ πλησίον, η επιλεκτικότητα του φίλτρου είναι για επιλογή των συχνοτήτων που δεν είναι πολύ πλησίον. Αυτό εξαρτάται από το πόσο απότομες είναι οι πλευρές του φίλτρου. Φίλτρο με πολύ απότομες πλευρές, θα εξασθενήσει τις συχνότητες που ευρίσκονται έξω από την περιοχή. Ένα φίλτρο με επιλεκτικότητα 60 db θα απορρίψει συχνότητες εκτός της περιοχής του κατά 60db ή 1000 φορές. Επίσης, χρησιμοποιείται

82 ο όρος συντελεστής μορφής (form factor) σχήμα Καθορίζει πόσο απότομες είναι οι πλευρές του φίλτρου. Ο συντελεστής μορφής είναι το πηλίκον των τιμών εύρους -60 db και -3db. Μικρότερος συντελεστής μορφής σημαίνει ότι οι πλευρές του φίλτρου είναι απότομες και το φίλτρο έχει καλύτερη επιλεκτικότητα. Στο ιδανικό ορθογώνιο φίλτρο, ο συντελεστής μορφής είναι 1,0. Σχήμα 2.38 Συντελεστής μορφής ενός φίλτρου [5] Μετασχηματισμός στο πεδίο της συχνότητας Για προσδιορισμό των συχνοτήτων και πλατών των αρμονικών συνιστωσών ενός παραμορφωμένου σήματος ταλαντώσεων το ψηφιοποιημένο σήμα πρέπει να μετασχηματισθεί από το πεδίο του χρόνου στο πεδίο συχνότητας. Ο διαχωρισμός ενός συνθέτου σήματος ταλαντώσεως στις αρμονικές συχνότητές του, γίνεται σήμερα με αναλυτές FFT= Fast Fourier Transform. Η αρχή λειτουργίας των αναλυτών FFT φαίνεται στο σχήμα

83 Σχήμα 2.39 Σχηματικό διάγραμμα ενός αναλυτή FFT [5]. Η αρχή του γρήγορου μετασχηματισμού FOURIER εφευρέθει από τον Γάλλο μαθηματικό FOURIER to Κατέδειξε ότι, κάθε περιοδική μορφή ταλάντωσης μπορεί να αναλυθεί στις συχνότητες που περιέχει κατά πλάτος και κατά φάση. Μετά, καθορίστηκε το ολοκλήρωμα FOURIER που δείχνει την βασική αρχή μετασχηματισμού σημάτων από το πεδίο του χρόνου στο πεδίο συχνότητας. Ο αλγόριθμος και η υπολογιζόμενη τεχνική μετατροπής που στηρίζεται στην ανάλυση FFT ήταν γνωστά από το 1965 και εφαρμόζονται σήμερα σε όλα τα αναλυτικά όργανα. Κατά τον μετασχηματισμό FFT ένα μικρό τμήμα λαμβάνεται από το χρονικό σήμα που ονομάζεται χρονικό παράθυρο (time window), και το φάσμα συχνοτήτων υπολογίζεται με τον αλγόριθμο FFT. Κατά την διαδικασία αυτή αποδεχόμαστε ότι το σήμα στο χρονικό παράθυρο είναι περιοδικό. Ανάλογα με την μορφή του σήματος, μερικές διακοπές μπορούν να συμβούν στις πλευρές του χρονικού παραθύρου που θα εμφανισθούν στο φάσμα συχνοτήτων. Αυτές οι διακοπές στη διαδικασία πάντοτε συμβαίνουν, όταν ο αριθμός περιόδων του χρονικού σήματος στο χρονικό παράθυρο δεν είναι ακέραιος αριθμός. Για απόρριψη αυτών των διακοπών, το χρονικό παράθυρο πολλαπλασιάζεται επί μια συνάρτηση παραθύρου (window function). Αυτό γίνεται για να μηδενισθούν οι τιμές

84 σήματος στα άκρα του χρονικού παραθύρου. Όταν το σήμα ανακατασκευάζεται στον υπολογιστή, όλες οι διακοπές στην επεξεργασία του σήματος απαλείφονται. Είναι φανερό ότι με αυτή την διαδικασία το αρχικό σήμα ταλάντωσης της μηχανής αλλοιώνεται. Για διόρθωση αυτού, τα αποτελέσματα του μετασχηματισμού πολλαπλασιάζονται με ένα συντελεστή διόρθωσης, για να διατηρηθεί η αρχική μορφή του σήματος μετά τον μετασχηματισμό

85 Σχήμα 2.40 Επίδραση του χρονικού παραθύρου στην ανακατασκευή του σήματος χρόνου [5]

86 Για να έχουμε τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια στα αποτελέσματα ανάλυσης για όλες τις διαγνωστικές εργασίες και για όλους τούς τύπους σημάτων ταλαντώσεων, όπως για μεταβατικές καταστάσεις από κτύπους και για περιοδικά σήματα, έχει εφευρεθεί ένας αριθμός συναρτήσεων παραθύρου (window functions). Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες συναρτήσεις παραθύρων είναι οι εξής : Ομοιόμορφο παράθυρο (uniform) Παράθυρο Hanning Παράθυρο Flat top. Εκθετικό παράθυρο (exponential) Το σχήμα 2.41 δείχνει ότι το πλάτος ενός σήματος δεν σταθμίζεται (weighted) με το ομοιόμορφο παράθυρο. Το αποτέλεσμα είναι κάποιες διακοπές στα άκρα του παραθύρου εάν ένας ακέραιος αριθμός περιόδων του χρονικού σήματος επιλεγεί από το παράθυρο. Οι σταθμίσεις των φίλτρων (Flat top) και (Hanning) οδηγούν σε μηδενική τιμή των πλατών στα άκρα του παραθύρου που είναι η επιθυμητή λύση. Σχήμα 2.41 Σταθμίσεις μερικών συναρτήσεων παραθύρου [5]

87 - 80 -

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Κατασκευή αναλυτή για την μέτρηση κραδασμών 3.1 Στόχος της υλοποίησης του αναλυτή [6] Στης μέρες μας ένας σχετικά νέος τομέας έρευνας στα κινητήρια συστήματα δείχνει να αναπτύσσεται ραγδαία. Ο τομέας αυτός αφορά την επιτήρηση της κατάστασης (condition monitoring) και τη διάγνωση σφαλμάτων (fault diagnosis). Η έρευνα αυτή ξεκινά από τη ανάγκη της βιομηχανίας για τη βέλτιστη αξιοποίηση των κινητήριων συστημάτων μέχρι το τέλος της διάρκειας ζωής τους και για τη μείωση του χρόνου που απαιτείται για επισκευές βλαβών και συντήρηση. Είναι πλέον όλο και πιο αναγκαία η χρήση συστημάτων επιτήρησης για τη συνεχή αποτίμηση της λειτουργικής κατάστασης των ηλεκτρικών κινητήριων συστημάτων. Με τη χρήση συστημάτων επιτήρησης δίνεται η δυνατότητα προειδοποιήσεων για επικείμενες βλάβες, επιταχύνεται η διάγνωση μιας βλάβης, όταν αυτή προκύψει, και επιπλέον με την πλήρη γνώση των αναγκών συντήρησης, είναι δυνατός ο προγραμματισμός των εργασιών συντήρησης και επιδιόρθωσης βλαβών. Κάτι τέτοιο οδηγεί σε ελαχιστοποίηση των διακοπών της λειτουργίας και βελτιστοποίηση του προγραμματισμού των εργασιών συντήρησης. Η διάγνωση επιτρέπει στους μηχανικούς να γνωρίζουν τη βλάβη και να προμηθευτούν τα απαραίτητα ανταλλακτικά πριν η μηχανή αποσυρμολογηθεί και επομένως οδηγεί σε μείωση του χρόνου διακοπής της παραγωγής. Εάν η διάγνωση ενσωματωθεί στις εργασίες συντήρησης, η συντήρηση σε προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα μπορεί να αντικατασταθεί από τη συντήρηση με βάση την κατάσταση του εξοπλισμού, δηλαδή η προληπτική συντήρηση (preventive maintenance) αντικαθίσταται από την προβλεπτική συντήρηση (predictive maintenance). Κάτι τέτοιο θα εξαλείψει την ανώφελη συντήρηση που γίνεται προγραμματισμένα χωρίς να συντρέχει στην πραγματικότητα ουσιαστικός λόγος. Για τους προαναφερθέντες λόγους η διάγνωση σφαλμάτων στα κινητήρια συστήματα τυγχάνει ιδιαίτερης προσοχής την τελευταία δεκαετία. Ανάμεσα στις διάφορες μεθόδους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διάγνωση σφαλμάτων σε εξοπλισμό, αυτές που δεν επεμβαίνουν στη λειτουργία του συστήματος

89 (noninvasive) έχουν επικρατήσει. Οι μέθοδοι αυτές περιλαμβάνουν τις παρακάτω (χωρίς να περιορίζονται μόνο σ αυτές) : Μέτρηση και ανάλυση των κραδασμών (Vibration measurement and analysis). Υπέρυθρη θερμογραφία (Infrared Thermography). Ανάλυση λαδιού και τριβολογία (Oil analysis and tribology). Υπέρηχους (Ultrasonics). Ανάλυση του ρεύματος των μηχανών (Motor Current Signature Analysis MCSA). Η ανάλυση των κραδασμών είναι από τις πρώτες και κυρίαρχες μεθόδους για τη διάγνωση σφαλμάτων σε κινητήρια συστήματα, ιδιαίτερα για την ανίχνευση βλαβών στα έδρανα (τριβείς κυλίσεως και τριβείς ολισθήσεως, γνωστότεροι ως ρουλεμάν και κουζινέτα αντίστοιχα). Για την ανάλυση των κραδασμών απαιτείται η χρήση ενός αισθητήρα (επιταχυνσιόμετρο) για τη μέτρηση αυτών. Υπάρχουν όμως και άλλου είδους σφάλματα, όπως εκκεντρότητα, ασυμμετρίες στο στάτη ή το δρομέα, για τα οποία είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθεί η ίδια η ηλεκτρική μηχανή ως αισθητήρας, μέσω της ανάλυσης των ηλεκτρικών μεγεθών αυτής. Η ανάλυση του ρεύματος της μηχανής, γνωστή στα αγγλικά ως Motor Current Signature Analysis (MCSA), αναπτύχθηκε ραγδαία την τελευταία δεκαετία και συνεχίζει να αναπτύσσεται με εξαιρετικά γρήγορους ρυθμούς. Σημαντική ώθηση στην ανάπτυξη αυτού του είδους μεθόδων για τη διάγνωση σφαλμάτων προσδίδουν οι εξελίξεις και οι νέες τεχνικές στους τομείς της επεξεργασίας σήματος και της αναγνώρισης προτύπων. Από όλα τα παραπάνω γίνονται σαφές τα πλεονεκτήματα της κατασκευής μετρητικής διάταξης χαμηλού κόστους για να διεξαχθούν τέτοιες μετρήσεις

90 3.2 Παρουσίαση των συσκευών μέτρησης Περιγραφή της εργαστηριακής μετρητικής διάταξης που κατασκευάστηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας. Η μετρητική διάταξη για την διεξαγωγή των μετρήσεων που κατασκευάστηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστημίου Πατρών, φαίνεται στο σχήμα 4.1. Σχήμα 4.1 Η μετρητική διάταξη που κατασκευάστηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας. Η μετρητική διάταξη αποτελείται από έναν προενισχυτή. Στην είσοδο του οποίου τοποθετούμε το καλώδιο του πιεζοηλεκτρικού επιταχυνσιομέτρου και στην έξοδο παίρνουμε ενισχυμένη την τάση εισόδου κατά ένα κέρδος k (1-10). Η τάση εξόδου από τον προενισχυτή ρυθμίζεται κατάλληλα ώστε να αποτελέσει την είσοδο στο Line in του επεξεργαστή. Για την συγκεκριμένη εργασία επιλέχτηκε ο επεξεργαστής ATMEGA 32 της εταιρίας Atmel. Ο επεξεργαστής έχει προγραμματιστεί κατάλληλα έτσι ώστε τα αναλογικά σήματα μετά την ενίσχυση να ψηφιοποιηθούν και μέσω της σειριακής θήρας RS232 οδηγούνται σε έναν

91 ηλεκτρονικό υπολογιστή για αποθήκευση και γραφική παρουσίαση με το πρόγραμμα scilab, το όποιο διατίθεται δωρεάν από το διαδίκτυο. Ο προγραμματισμός του επεξεργαστή υλοποιήθηκε μέσω του προγράμματος BASCOM AVR. Ο κώδικας του προγράμματος φαίνεται παρακάτω. '*****************************************************' '* MCS BASCOM AVR COMPILER *' '* ATMEGA32 Vibration Analysis test program *' '*****************************************************' $crystal = $regfile = "m32def.dat" $baud = $loader = $3800 ' 1024 words Const Maxwordbit = 6 'Z6 is maximum bit Const Maxword =(2 ^ Maxwordbit) * 2 '128 Const Maxwordshift = Maxwordbit + 1 Const Debug = 0 ' leave this to 0 Config Adc = Single, Prescaler = Auto Dim Value As Word Dim Bstatus As Byte, Bretries As Byte, Bblock As Byte, Bblocklocal As Byte Dim Bcsum1 As Byte, Bcsum2 As Byte, Buf(128) As Byte, Csum As Byte Dim J As Byte, Spmcrval As Byte ' self program command byte value Dim I As Integer Dim Z As Long 'this is the Z pointer word Dim Vl As Byte, Vh As Byte ' these bytes are used for the data values Dim Wrd As Word, Page As Word 'these vars contain the page and word 'address Dim I As Integer Dim Sample As Word Dim Yourname As String * 20 Dim Command As String *

92 Led1 Alias Portc.1 Led2 Alias Portc.2 Led3 Alias Portc.3 Led4 Alias Portc.4 But1 Alias Pind.2 But2 Alias Pind.3 But3 Alias Pind.4 But4 Alias Pind.5 Ddrc = 255 Wait 1 Print Print "*****************************************************" Print "* ATMEGA32 Vibration Analysis test program *" Print "*****************************************************" Ddrb.0 = 1 Start Adc While Pinb.4 = 1 'While button is pressed acquire data from 'ADC and send them to serial port Startadc: Value = Getadc(0) Value = J Buf(j) = Value Hex(value) Waitus 70 Wend 'write one or more pages Writepage: For J = 1 To 128 Step 2 'we write 2 bytes into a page Vl = Buf(j) : Vh = Buf(j + 1) 'get Low and High bytes lds r0, {vl} 'store them into r0 and r1 registers lds r1, {vh} Spmcrval = 1 : Gosub Do_spm 'write value into page at word address Wrd = Wrd + 2 ' word address increases with 2 because LS bit of Z is not used

93 If Wrd = Maxword Then ' page is full Wrd = 0 'Z pointer needs wrd to be 0 Spmcrval = 5 : Gosub Do_spm 'write page Spmcrval = 17 : Gosub Do_spm ' re-enable page Page = Page + 1 'next page Spmcrval = 3 : Gosub Do_spm ' erase next page Spmcrval = 17 : Gosub Do_spm ' re-enable page End If Next Return Do_spm: Bitwait Spmcsr.0, Reset Bitwait Eecr.1, Reset Z = Page Shift Z, Left, Maxwordshift Z = Z + Wrd lds r30,{z} lds r31,{z+1} Spmcsr = Spmcrval spm nop nop Return ' check for previous SPM complete 'wait for eeprom 'make equal to page 'shift to proper place 'add word 'assign register 'this is an asm instruction

94 Το σχηματικό διάγραμμα της μετρητικής διάταξης φαίνεται στο σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2 Το σχηματικό διάγραμμα της μετρητικής διάταξης

95 Η μετρητική διάταξη δέχεται τροφοδοσία 5V DC, ενώ για την υλοποίηση χρησιμοποιήθηκαν τα ακόλουθα στοιχεία: O επεξεργαστής ATMEGA 32 της εταιρίας Atmel. O ενισχυτής AD622AN (instrumentation amplifier) με κέρδος κ =10. O σταθεροποιητής τάσης AD580 της εταιρίας AnalogDevices. H σειριακή θύρα RS-232 που επιτρέπει τη σύνδεση της πλακέτας μέσω ενός 9-pin RS-232 καλωδίου με τον H/Y. Στην συνδεσμολογία χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο MAX232 και πυκνωτές των 10 μf. 4 δίοδοι (LED) για την παρουσίαση οπτικών αποτελεσμάτων κατά την λειτουργία της πλακέτας. 4 Διακόπτες πιέσεως για την αποστολή στιγμιαίων πληροφοριών στον επεξεργαστή. Κρύσταλλος XTAL για την ταλάντωση του επεξεργαστή στη συχνότητα των 16,00 ΜΗΖ Περιγραφή του μετρητικού οργάνου (Detector II) Το μετρητικό όργανο που χρησιμοποιούμε στο εργαστήριο είναι η συσκευή ελέγχου Detector II του κατασκευαστικού οίκου FAG σχήμα 4.3. To Detector II είναι ένα φορητό όργανο για παρακολούθηση των κραδασμών μηχανών που συνοδεύεται από το αντίστοιχο λογισμικό που κάνει την επεξεργασία των μετρήσεων. Τα κύρια πλεονεκτήματα του Detector II είναι η ακρίβεια του, σε συνδυασμό με τη φορητότητα και την απλότητα στην χρήση. Έχει δυνατότητα να μετράει με διάφορους τρόπους ανάλογα με τον αισθητήρα που θα συνδέσουμε κάθε φορά. Το όργανο Detector II συνδέεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή για ανταλλαγή και επεξεργασία δεδομένων μέσω του προγράμματος Trendline σχήμα 4.4. Πριν από κάθε μέτρηση, ο μηχανικός πρέπει να μεταφέρει δεδομένα από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή στο όργανο σχετικά με τις ακριβείς θέσεις μέτρησης και το ποια ακριβώς στοιχεία μηχανής θα μετρήσει. Η μέτρηση διεξάγεται χωρίς καμία χρήση του υπολογιστή. Αυτό δίνει στο μηχανικό τη δυνατότητα να κάνει όσες μετρήσεις χρειάζονται, και να επιστρέψει μετά στον υπολογιστή, και αφού μεταφέρει τα δεδομένα να αναλύσει το φάσμα και να εξάγει συμπέρασμα για την κατάσταση των στοιχείων που μέτρησε

96 Σχήμα 4.3 Το φορητό όργανο μετρήσεων Detector II συνδεμένο με ηλεκτρονικό υπολογιστή για ανταλλαγή και επεξεργασία δεδομένων. Σχήμα 4.4 Κύριο παράθυρο του προγράμματος Trendline

97 3.3 Περιγραφή της εργαστηριακής διάταξης Για την λήψη διαφόρων μετρήσεων κραδασμών ενός κινητηρίου συστήματος υλοποιήθηκε στο εργαστήριο κατάλληλη πειραματική διάταξη. Στη φωτογραφία του σχήματος 4.5 μπορεί να δει κανείς μια γενική εικόνα της εργαστηριακής διάταξης. Το κύκλωμα ισχύος αποτελείται από έναν ασύγχρονο κινητήρα δακτυλιοφόρου δρομέα ονομαστικής ισχύος 5,5 kw ο οποίος έχει συνδεδεμένη στον άξονά του μια πέδη δινορευμάτων, η οποία αποτελεί το μηχανικό του φορτίο. Στην πειραματική διερεύνηση χρησιμοποιήθηκε ένας αισθητήρας (επιταχυνσιόμετρο) σχήμα 4.6, για την μέτρηση των κραδασμών της μηχανής εναλλασσόμενου ρεύματος και των διαφόρων εδράνων και τριβέων του κινητήριου συστήματος. Οι μετρήσεις έγιναν με το φορητό όργανο μετρήσεων (Detector II) της εταιρίας FAG σχήμα 4.7 και την χρήση της μετρητικής διάταξης που κατασκευάστηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας σχήμα 4.8. Οι μετρήσεις λήφθηκαν με στόχο τον έλεγχο της ορθότητας του φάσματος που λαμβάνουμε από την επεξεργασία του σήματος της μετρητικής διάταξης, συγκρινόμενο με το φάσμα ενός οργάνου της αγοράς και συγκεκριμένα με τον αναλυτή (Detector II) της εταιρίας FAG. Σχήμα 4.5 Φωτογραφία της εργαστηριακής διάταξης

98 Σχήμα 4.6 Αισθητήρας μέτρησης των κραδασμών (επιταχυνσιόμετρο). Σχήμα 4.7 Το φορητό όργανο μετρήσεων (Detector II) της εταιρίας FAG

99 Σχήμα 4.8 Η μετρητική διάταξη που κατασκευάστηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας κατά τη διάρκεια των μετρήσεων

100 3.4 Μέτρηση των κραδασμών ενός ηλεκτρικού κινητήρα Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας δόθηκε η ευκαιρία εξοικείωσης με την τεχνική των μετρήσεων, τόσο με την εργαστηριακή μετρητική διάταξη που κατασκευάστηκε όσο και με το φορητό όργανο μετρήσεων (Detector II). Έτσι η γνώση από τη θεωρία συναντά την πρακτική Ο σκοπός των μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο αυτής της εργασίας είναι να ελέγξουμε τη λειτουργικότητα της εργαστηριακής μετρητικής διάταξης που αναπτύξαμε, καθώς ο κύριος σκοπός της εργασίας αφορά τον έλεγχο της ορθότητας των μετρήσεων της κατασκευής μας. Έτσι στην πραγματικότητα διεξάγουμε τις μετρήσεις μέχρι να έχουμε ένα ικανοποιητικό φάσμα που να επιβεβαιώνει τη λειτουργία της κατασκευής που αναπτύχθηκε. Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν οι τρόποι και οι τεχνικές μέτρησης όπως και κάποιες πρακτικές οδηγίες μέτρησης. Τέλος, παρουσιάζεται η ανάλυση φασμάτων πού πήραμε σε εργαστηριακό περιβάλλον με τα δυο μετρητικά όργανα και η σύγκριση αυτών Τρόποι και τεχνικές μέτρησης Θα πρέπει σε κάθε περίπτωση να επιλέγουμε την καλύτερη δυνατή θέση στη μηχανή για να κάνουμε τις μετρήσεις μας. Η θέση του αισθητήρα είναι πρωταρχικής σημασίας για τη λήψη αξιόπιστων μετρήσεων. Έτσι μπορούμε να αναφέρουμε τις εξής γενικές παρατηρήσεις που θα πρέπει να τηρούνται: Οι μετρήσεις θα πρέπει να γίνονται όσο το δυνατόν πιο κοντά στα ρουλεμάν και αν είναι δυνατόν στη ζώνη φόρτισης. Να αποφεύγουμε στο μέτρο του δυνατού μετρήσεις πάνω στα καλύμματα μιας μηχανής γιατί μπορεί να έχουμε παραπλανητικές ενδείξεις λόγω χαλαρότητας ή συντονισμού του καλύμματος. Φροντίζουμε ώστε ο αισθητήρας να εδράζεται άριστα με γωνία 90ο στη θέση που θα επιλέξουμε τελικά. Συνήθως οι αισθητήρες έχουν μαγνήτη αλλά ακόμα και με την επενέργειά αυτού αν δεν προσέξουμε μπορεί να μην στηρίζεται καλά. Φροντίζουμε να αποφεύγουμε επιφάνειες καλυμμένες με μπογιά, τα χωρίσματα των καλυμμάτων, οτιδήποτε μη σταθερό και τα όποια διάκενα της κατασκευής

101 Αν θέλουμε να αντιπαραβάλλουμε μετρήσεις, πρέπει να μετράμε στο ίδιο ακριβώς σημείο. Συνήθης και απλή πρακτική είναι εφόσον πετύχουμε θέση που να δίνει ικανοποιητικό φάσμα να τη μαρκάρουμε με ανεξίτηλο μελάνι, ώστε να μπορέσουμε να ξαναμετρήσουμε στο ίδιο σημείο Επίσης οι μετρήσεις πρέπει να γίνονται σε φυσιολογικές συνθήκες. Όταν η άτρακτος στρέφεται με τις συνηθισμένες στροφές λειτουργίας με το νορμάλ φορτίο, οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις υποτίθεται ότι είναι φυσιολογικές (αν δεν έχουμε κακός σχεδιασμό), και η μέτρηση θα είναι αντιπροσωπευτική των συνηθισμένων συνθηκών λειτουργίας. Αν όμως η μηχανή έχει ειδική χρήση και πρέπει να ανταποκρίνεται σε μια έκτακτη ανάγκη για παράδειγμα σε υψηλότερο φορτίο, πρέπει να τη μετρήσουμε στο μέγιστο φορτίο. Μια τέτοια περίπτωση θα μπορούσε να είναι μία αντλία ανάγκης σε σύστημα πυρόσβεσης. Γενικός κανόνας επίσης είναι ότι πρέπει να αναζητούμε την κατεύθυνση εφαρμογής των κυρίων δυνάμεων σε μια μηχανή και να τοποθετούμε κατά τη διεύθυνση αυτή τον αισθητήρα μας. Δεν πρέπει να ξεχνούμε ότι οι δονήσεις είναι αποτέλεσμα δυνάμεων, άρα όπου οι δυνάμεις μεγαλύτερες θα είναι μεγαλύτερες και οι δονήσεις. Και βέβαια υπενθυμίζεται ότι ο καλύτερος τρόπος να βρούμε την βέλτιστη κάθε φορά κατεύθυνση είναι η δοκιμή! Έτσι μπορούμε να κάνουμε μία αναφορά στις τρεις κύριες κατευθύνσεις μέτρησης: Κατά αξονική κατεύθυνση (Axial) Κάτω από ιδανικές συνθήκες, μετρήσεις κατά την αξονική κατεύθυνση παρουσιάζουν χαμηλά επίπεδα κραδασμών, καθώς οι περισσότερες δυνάμεις εμφανίζονται στις περισσότερες μηχανές κάθετα στον άξονα. Εντούτοις υπάρχουν και εξαιρέσεις διότι αυτό έχει να κάνει με το σχεδιασμό και τον τρόπο λειτουργίας της μηχανής. Κατά την οριζόντια κατεύθυνση (Horizontal) Οι μετρήσεις αυτές φανερώνουν τους περισσότερους κραδασμούς, διότι η μηχανές είναι συνήθως πιο εύκαμπτες στο οριζόντιο επίπεδο. Επίσης κατά αυτή την κατεύθυνση γίνονται πιο φανεροί κραδασμοί που έχουν να κάνουν με την αζυγοσταθμία, η οποία δημιουργεί ακτινικούς κραδασμούς, που όμως κατά την κατακόρυφη κατεύθυνση αποσβένονται καλύτερα λόγω αυξημένης αδράνειας της μηχανής

102 Κατά την κατακόρυφη κατεύθυνση (Vertical) Οι μετρήσεις σε αυτή την κατεύθυνση παρουσιάζουν συνήθως χαμηλότερα επίπεδα κραδασμών από ότι στην οριζόντια κατεύθυνση, λόγω της δυσκαμψίας που οφείλεται στο πλαίσιο στήριξης της μηχανής και στην βαρύτητα Πρακτικές οδηγίες για τις μετρήσεις Ο σκοπός αυτής της παραγράφου είναι να υπενθυμίσουμε στο χρήστη των μετρητικών οργάνων κάποιες βασικές οδηγίες, που θα οδηγήσουν σε καλύτερη πρακτική μετρήσεων. Η μέτρηση των στροφών της μηχανής πρέπει να έχει τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια καθώς μικρές αποκλίσεις, μπορούν να έχουν μεγάλη επίδραση στη διαφορά μεταξύ θεωρητικών και μετρημένων χαρακτηριστικών συχνοτήτων και να επιφέρουν σφάλμα. Για αυτό καλό είναι ο πρώτος έλεγχος του φάσματος να είναι στις 1x, 2x της συχνότητας περιστροφής και να ταιριάζουν σε αιχμές, έστω και με μικρό πλάτος. Αν είναι δυνατόν μεταξύ διαδοχικών μετρήσεων της ίδιας μηχανής πρέπει να κρατούνται σταθερές οι συνθήκες μέτρησης (στροφές και φορτίο), ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση των φασμάτων. Πρέπει να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στην αναγνώριση των στοιχείων μηχανών που μετρούνται, ώστε να εισάγουμε στο πρόγραμμα τα σωστά γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους. Για παράδειγμα, αν εισάγουμε διαφορετικό αριθμό οδόντων για κάποιο τροχό, δεν θα μπορέσουμε να προχωρήσουμε σε σωστή ανάλυση φάσματος, καθώς οι συχνότητες αναμονής θα προβάλλονται σε λάθος θέσεις. Πρέπει να γίνεται προσπάθεια εντοπισμού και διαχωρισμού των συχνοτήτων που προέρχονται από τα στοιχεία που αποτελούν τη μηχανή. Οι δονήσεις πολλές φορές μεταφέρονται από ένα στοιχείο που βρίσκεται ίσως λίγο ποιό μακριά από τη θέση μέτρησής μας. Επίσης μπορεί να δούμε αυξημένο πλάτος σε χαρακτηριστικές συχνότητες ενός στοιχείου και η αύξηση αυτή να προέρχεται από διπλανό σφάλμα. Χαρακτηριστική τέτοια περίπτωση είναι διεγερμένες συχνότητες ρουλεμάν από παρακείμενο σφάλμα σε βαθμίδα οδοντωτών τροχών. Δεν πρέπει να αγνοούνται περιέργως διεγερμένες συχνότητες. Το σφάλμα ίσως προέρχεται από κάπου που δεν έχουμε σκεφτεί αρχικά. Ακόμη και στην περίπτωση που διατίθεται ο εξοπλισμός για μέτρηση της FAG, η ανάλυση του φάσματος είναι απαραίτητη για τον εντοπισμό της πηγής του σφάλματος

103 3.4.3 Μετρήσεις που έγιναν στο εργαστήριο Κατά την πειραματική δοκιμή της εργαστηριακής μετρητικής διάταξης μετρήθηκαν με επιταχυνσιόμετρο οι κραδασμοί ενός ασύγχρονου κινητήρα ισχύος 5,5 kw (σχήμα 4.9), ώστε να διαπιστωθεί η ορθότητας του φάσματος των κραδασμων που λαμβάνουμε. Στα σχήματα παρατίθενται οι μετρήσεις που λήφθεισαν με το μετρικό όργανο (Detector II) της εταιρίας FAG. Ενώ στα σχήματα 4.12 και 4.13 παρατίθενται οι μετρήσεις που λήφθεισαν με την εργαστηριακή μετρητική διάταξη που κατασκευάσαμε. Σχήμα 4.9 Μέτρηση των κραδασμών του κινητήρα κατά την πειραματική δοκιμή της εργαστηριακής μετρητικής διάταξης

104 Σχήμα 4.10 Αξονικές ταλαντώσεις του κινητήρα κατά τη λειτουργία του στις 1495 στροφές το λεπτό με το μετρικό όργανο (Detector II) (πείραμα). Σχήμα 4.11 Κατακόρυφες ταλαντώσεις του κινητήρα κατά τη λειτουργία του στις 1495 στροφές το λεπτό με το μετρικό όργανο (Detector II) (πείραμα)