CZĘŚĆ  I   

1. Zakres badań.

Zakres pomiarów obejmował analizę wibracyjnego stanu rezonansowego obu połówek sprzęgła, wału generatora, liry sprzęgła i połączenia wału generatora z jego beczką. Ich celem było skontrolowanie występowania niewidocznych poluzowań elementów osadzonych skurczowo na wale wirnika (półsprzęgła) i poluzowań w miejscach przykręcenia czopów wału do beczki wirnika generatora.

Podczas pomiarów w punktach pomiarowych rejestrowano wartości drgań bezwzględnych .

2. Opis pomiarów.

Pomiary wykonano w następujący sposób.

Podczas kaźdego pomiaru na mierzonych elementach ustawiono czujniki przyśpieszeń drgań. Kaźdy z elementów był wzbudzany do drgań przy pomocy elektromagnetycznego wzbudnika drgań. Wzbudnik drgań sterowany był wymuszeniem sinusoidalnie zmiennym zarówno
w zakresie częstotliwości jak i amplitudy. Kaźdy z wzbudzanych elementów wprowadzany był w stan rezonansowy. Kaźdorazowe wejście elementu w stan rezonansu kontrolowane było z poprzez śledzenie na oscyloskopie katodowym kształtu linii Lissajuou Zarejestrowane przez czujniki sygnały przyśpieszeń drgań we wzmacniaczach pomiarowych typ 2651 przetworzono na sygnały prędkości drgań i po wzmocnieniu podano na rejestrator – magnetofon pomiarowy dla zapisania sygnałów drgań.

Na profesjonalnym 24 kanałowym magnetofonie pomiarowym rejestrowane były jednocześnie w tym samym czasie sygnały z wszystkich punktów pomiarowych. Taki równoczesny pomiar pozwala na badanie rozkładu wektorów drgań dla wykorzystania go
w późniejszej analizie amplitudowo fazowej.  W laboratorium VIBROPOMIARU zarejestrowane na profesjonalnym magnetofonie pomiarowym sygnały drganiowe poddano dokładnej analizie częstotliwościowej z wykorzystaniem dwukanałowego analizatora drgań firmy Bruel&Kjaer typ 2032.

Na kaźdym elemencie pomiary wykonywano dla następujących warunków:

1.     Obie połowy sprzęgła były rozłączone,

2.     Obie połowy sprzęgła zostały połączone

3.     Połączony wał obrócono o kąt 90⁰.

3. Charakterystyka połączeń.

Stoźkowe połączenie tulei z wałem jest połączeniem wciskowym. Wadą takich połączeń jest duźa wraźliwość na działanie siły odśrodkowej, która w przypadku złej tolerancji wykonania wałka i otworu moźe powodować odkształcenia powierzchni styku.

Zastosowany stoźek połączenia klasyfikuje to połączenie jako trudno rozłączne, co wskazuje na potrzebę bardo dobrego przylegania obu elementów na powierzchni styku.

Błędy przylegania obu powierzchni mogą w obecności drgań skutkować wystąpieniem zjawiska  fretting korozji i trwałym uszkodzeniem połączenia. Podobne zjawisko często występuje w osadzeniu obręczy zewnętrznych na kołach wagonów kolejowych, co sprawdza się metodą akustyczną (stukanie młotkiem w koło).

W pomiarach wykorzystana została metoda kontroli jakości osadzenia skurczowego elementu na wale. Metoda ta została sprawdzona i wdroźona w VIBROPOMIARZE . Uzyskane wyniki pozwalają na jej skuteczne stosowanie. Polega ona na obserwacji kształtu linii Lissajuou dwóch czujników pracujących w strefie rezonansu. W przypadku wystąpienia poluzowania
w połączeniu skurczowym , dwie nałoźone na siebie linie ulegają wyraźnemu rozdzieleniu kątowemu. Takie rozdzielenie wskazuje na wystąpienie osłabionego osadzenia skurczowego. 

Uwaga: Pomiary przeprowadzano w łoźyskach własnych turbozespołu zachowując eksploatacyjną sztywność podparć i połączeń.

4. Rodzaj pomiarów.

Pomiar I – Drgania tulei na wale, siła wymuszająca przyłoźona promieniowo prostopadle do powierzchni tulei.

Rys.1. Miejsce przyłoźenia siły wymuszającej drgania promieniowe tulei sprzęgła i miejsca rozmieszczenia czujników drgań.

Sprzęgło rozłączone. Wirnik turbiny nie jest połączony z wirnikiem generatora.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 89,5 Hz.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 46,0 Hz.

Sprzęgło połączone. Wirnik turbiny jest połączony z wirnikiem generatora.

Wirnik znajduje się w połoźeniu 0⁰.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 63 Hz.

Przeprowadzono pomiary drgań przykładając do tulei wymuszenie w postaci siły o częstotliwości f = 63 Hz, czyli wymuszenia X/2 równego połowie częstotliwości rezonansowej f = 126 Hz .

Wirnik obrócono i znajduje się teraz w połoźeniu 90⁰.

Pomiary powtórzono w tych samych punktach pomiarowych.

Przyłoźono siłę wzbudzającą o częstotliwości f = 100 Hz.

Pomiar II – Drgania tulei na wale, siła wymuszająca przyłoźona promieniowo prostopadle do powierzchni wału.

Sprzęgło rozłączone. Wirnik turbiny nie jest połączony z wirnikiem generatora.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 90,0 Hz.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 45,0 Hz

Sprzęgło połączone. Wirnik turbiny jest teraz połączony z wirnikiem generatora.

Wirnik znajduje się w połoźeniu 0⁰.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 100,0 Hz.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 62,5 Hz.

Pomiar III –  Drgania tulei na wale, siła wymuszająca przyłoźona osiowo do koła zębatego tulei.

Rys.2. Miejsce przyłoźenia siły wymuszającej drgania osiowe tulei sprzęgła i miejsca rozmieszczenia czujników drgań.

Sprzęgło rozłączone. Wirnik turbiny nie jest połączony z wirnikiem generatora.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 45,0 Hz. (wymuszenia siłą o częstotliwości X/2 częstotliwości rezonansowej).

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 90,0 Hz. (rezonans tulei –  1 postać drgań własnych).

Sprzęgło połączone. Wirnik turbiny jest połączony z wirnikiem generatora.

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 100,0 Hz. (rezonans lu?żnej tulei przed „zesprzęgleniem” obu wirników –  1 postać drgań własnych).

Częstotliwość siły wymuszającej wynosi f = 61,0 Hz. (częstotliwość składowej X/2 drgań rezonansowych tulei po połączeniu obu połówek sprzęgła).

Pomiar IV – Drgania połówki sprzęgła od strony turbiny i „liry”, siła wymuszająca przyłoźona promieniowo do „liry” połówki sprzęgła od strony turbiny. 

Częstotliwość siły wymuszającej wzbudzenia wynosi f = 68,0 Hz. (wymuszenia siłą
o częstotliwości X/2 częstotliwości rezonansowej).

Sprzęgło połączone. Wirnik turbiny jest teraz połączony z wirnikiem generatora.

Wirnik znajduje się w połoźeniu 0⁰.

Częstotliwość siły wymuszającej wzbudzenia wynosi f = 62,5 Hz (częstotliwość składowej X/2 drgań rezonansowych tulei po połączeniu obu połówek sprzęgła).

Wirnik obrócono i znajduje się teraz w połoźeniu 90⁰.

Układ czujników jest taki sam jak poprzednio, to znaczy cały układ przesunięto przeciwnie do obrotu wirnika o 90⁰ .

Częstotliwość siły wymuszającej wzbudzenia wynosi f = 63,5 Hz (częstotliwość składowej X/2 drgań rezonansowych tulei po połączeniu obu połówek sprzęgła i po obróceniu wirnika).

Pomiar V – Drgania łap zamocowania czopa wału do generatora.

5. Wnioski z pomiarów.

Pomiar I – promieniowo wzbudzana tuleja

Tuleja sprzęgła osadzonego na wale generatora zachowuje się jak nieliniowy system rezonansowy. Występuje zjawisko, które polega na tym,  że w drganiach układu znajdującego się w rezonansie pojawia się składowa X/2. Składowa ta jest „drganiem” odpowiedzi na wymuszenie rezonansowe.

Wał, na którym osadzona jest wzbudzana do drgań tuleja nie reaguje na wymuszenia rezonansowe. Jego odpowiedź mierzona przez czujnik przyśpieszeń zamontowany na wale widoczna jest w postaci widma podobnego do szerokopasmowego widma bez wyraźnych wzrostów drgań w zakresie częstotliwości wymuszenia.

Opisane wyżej zjawiska i otrzymane wyniki wskazują, źe tuleja i wał zachowują się jak dwa odrębne elementy z luźnym lub osłabionym ich połączeniem. Oba elementy mają inne odpowiedzi na wymuszenia do drgań, a występowanie składowej X/2 wskazuje na występowania tarcia konstrukcyjnego ma powierzchni styku obu elementów.
W elementach łączonych na wcisk nie dopuszcza się występowanie takiego zjawiska, gdyż wskazuje to na złe połączenie. Przestrzega się, źe występowanie osłabionego połączenia może spowodować wystąpienie korozji ciernej, która trwale uszkodzi to połączenie.

Po obróceniu sprzęgniętego wirnika o 90⁰ wzrosły wartości składowych średnio o 5dB do 6 dB czyli prawie dwukrotnie. Świadczy to o wzroście podatności układu czyli o zmianie sztywności mierzonego układu.

Pomiar II – promieniowo wzbudzany wał

Z analizy pomiarów widać, że podczas wymuszenia wału o częstotliwości f = 45 Hz
i f = 90 Hz częstotliwość rezonansowa tulei zmienia się z odpowiednio z wartości 92 Hz na wartość 90 Hz. Zmiana ta potwierdza przypuszczenie duźej nieliniowości układu wał-tuleja, a więc o prawdopodobnym poluzowaniu osadzenia tulei na wale.

Otrzymaną odpowied?ż tulei na pochodzące od wału wymuszenie o częstotliwości
f = 45 Hz moźna zinterpretować następująco.

Drgający z częstotliwością f = 45 Hz wał pobudza do drgań poluzowaną na nim tuleję. Tuleja drga z częstotliwością wymuszenia wału f = 45 Hz i kasując „dynamicznie” luzy osadzenia drga z częstotliwością f = 90 Hz. Lu?żne osadzenie tulei na wale powoduje wystąpienie drgań tulei o częstotliwości X/2 tj. f = 45 Hz. Składowa pochodząca od luzów f = 90Hz wymusza z kolei rezonans tulei o częstotliwości f = 92 Hz.

Pomiar III – osiowo wzbudzana tuleja

Wyniki pomiarów drgań czujnika na końcu tulei od strony generatora i drgań wału wskazują na podobieństwo rozkładu składowych widma drgań w obu czujnikach. To podobieństwo pozwala sugerować poprawne osadzenie wciskowe tylko samego końca tulei na wale. Jest to przyleganie tylko na „krawędzi” lub części stoźka końca tulei do części stoźkowej wału.

Zróźnicowanie pomiędzy rozkładem składowych w widmach odpowiedzi czujników
D i E pozwala sugerować na poluzowanie osadzenia wciskowego tulei na  końcu wału od strony turbiny. Przypuszcza się, że za to poluzowanie odpowiada nierównoległość powierzchni obu stożków przylegania wału i tulei.

Przy wymuszeniu siłą o częstotliwości zgodnej z częstością drgań własnych podobieństwo pozwala mocniej niż podczas wymuszenia siłą o częstotliwości
f = 45 Hz wskazywać na poprawne osadzenie wciskowe tylko samego końca tulei na wale. Jest to przyleganie tylko na „krawędzi” lub części stoźka końca tulei do części stożkowej wału.

Uwaga: Podczas wymuszenia do drgań rezonansowych krzywe Lissajuou pochodzące
z czujników E i F cały czas pokrywają się, czego nie moźna powiedzieć o krzywych pochodzących z czujników D i F. Wskazuje to na dobre osadzenie tylko końca tulei na wale.

Połączenie obu części sprzęgła powoduje zmianę ich osiowania. Aby wyeliminować moźliwość występowania drgań własnych tulei jako oddzielnego elementu pary kinematycznej „tuleja półsprzęgła – wał generatora”,  tuleja musi zostać poprawnie osadzona na wale. Poprawne osadzenie tulei na wale utworzy z tych dwóch elementów pod względem dynamicznym monolit, którego postać drgań własnych będzie znajdowała się poza zakresem wymuszeń do drgań rezonansowych pochodzących od częstotliwości
f = 50 Hz i f = 100 Hz (o to prawdopodobnie zadbał konstruktor tego węzła).

Na osłabienie połączenia wtłaczanego i brak osiowego połączenia wałów turbiny
i generatora  po połączeniu obu połówek sprzęgła wskazują duźe wartości składowych
f = 183,0 Hz i f = 122,0 Hz obserwowane w widmie odpowiedzi drgań czujników
A, B i D.

Pomiar IV – promieniowo wzbudzana „lira”

Analiza wyników pomiaru częstości drgań własnych i widm odpowiedzi na wymuszenia pozwala przypuszczać o dobrym połączeniu tej części sprzęgła z wałem turbiny.
W widmach drgań nie pojawiają się symptomy wskazujące na luzy mechaniczne w tej części sprzęgła.

Z analizy widm wszystkich czujników widać, źe po połączeniu obu połówek sprzęgieł
w widmach drgań wszystkich czujników pojawiła się teraz, dotychczas nie występująca trzecia harmoniczna siły wymuszającej. Wskazuje to, źe po połączeniu obu połówek sprzęgła w części osadzonej na wale turbiny obserwowane są teraz zjawiska dynamiczne, które były obserwowane tylko na części osadzonej na wale generatora. Występują i dominują harmoniczne 1X, 2X i 3X.

Z analizy widm wszystkich czujników widać, źe po obróceniu wirnika rozkład składowych pod względem kolejności z uwagi na ich wartości we wszystkich punktach pozostał prawie bez zmian. Wzrosła jedynie częstotliwość rezonansowa z f = 124,5 Hz do f = 127,5 Hz. Po obróceniu wirnika zmieniła się (wzrosła) sztywność układu.

Pomiar V – pomiary osadzenie czopa na „beczce” wirnika

Przeprowadzone pomiary drgań własnych miejsc zamocowań nie wykazały obecności symptomów, które by wskazywały na luzy mechaniczne w miejscach przylegania łap czopa do beczki generatora.

Dlatego też wydaje się, że można uznać, że problem z występowaniem podczas eksploatacji duźej i dominującej składowej 2X nie jest spowodowany osłabieniem połączenia tej pary kinematycznej.

Podsumowanie

W podsumowaniu całości można stwierdzić, że występująca w turbozespole podczas eksploatacji dowolna siła wymuszająca o częstotliwości 2X = 100 Hz (np. luz mechaniczny elementu obrotowego i wymuszenie elektromagnetyczne)  wywołuje rezonans luźno osadzonej tulei na wale generatora – pierwsza postać drgań własnych tulei - .

Rezonans ten uniemoźliwia doprowadzenie do stabilnej pracy węzła łoźyskowego Nr 4.

Naleźy poprawić jakość osadzenia tulei na wale, bo dla luźnego osadzenia tulei na wale układ wyosiowany statycznie musi zostać rozosiowany w warunkach dynamicznych.