سرفصل های مهم این مقاله:
شناسایی منبع ارتعاش از اهمیت ویژهای برخوردار است. این منبع میتواند یکی از اجزا ماشین یا اینکه ناشی از انتقال نیروی ایرتعاش از عوامل خارجی باشد.
بخش عمدهای از ارتعاشات یک ماشین دوار مربوط به وجود عیب در اجزا خود ماشین میباشد ولی ممکن است که نیروهای خارجی از طریق فونداسیون و دیگر اتصالات به ماشین منتقل و باعث ایجاد ارتعاش گردد. از مهمترین منبع برای این نیروها میتوان ارتعاشات ماشین مجاور را نام برد در بعضی منابع این نوع ارتعاش را به عنوان ارتعاشات همنوا (Sympathetic Vibration) معرفی کردهاند.
ارتعاشات انتقال یافته از ماشین مجاور (ارتعاشات همنوا)
میتوان ماشینی را تصور کرد که از نظر کارکرد شرایط مناسبی دارد و همچنین اطمینان کامل از عدم خرابی این ماشین وجود دارد. ماشین مورد نظر برای مدت زمان نسبتا طولانی (چند ماه) در سرویس نمیباشد و در حالت آماده به کار قرار دارد. بعد از این مدت ماشین راهاندازی و بلافاصله نشانههایی از خرابی در بیرینگهای غلتشی آن دیده میشود. بنابراین با توجه به فرضیات در نظر گرفته شده آیا عامل خرابی میتواند یکی از اجزا ماشین باشد؟
پس میتوان گفت شروع و رشد خرابی در مدت زمانی که ماشین در سرویس نبوده اتفاق افتاده است. مهمترین عامل ارتعاش در حالتی که ماشین خاموش است انتقال نیروهای نوسانی از ماشینهای مجاور (روشن) به شاسی و از آن مسیر به هوزینگ بیرینگ ماشین خاموش میباشد. بنابراین ماشین خاموش هم مانند ماشین روشن ارتعاش میکند. بدنه ماشین در برابر اینرسی روتور مقاومت میکند و این نیروهای متناوب به یاتاقانها منتقل میشوند. شکل (1)
شکل 1. انتقال ارتعاش از ماشین در حال کار به ماشین آماده به کار از طریق شاسی و فونداسیون
ساچمههای بیرینگ در حال چرخش نیستند و در یک نقطه ثابت بر روی رینگهای بیرینگ قرار دارند در نتیجه به دلیل وزن روتور و حرکت جزیی بدنه ماشین، در نیمه پایینی بیرینگ در نقطه تماس ساچمه با رینگها، تمرکز بالای نیرو ایجاد شده و باعث خرابی برینل میشود . شكل (2)
شکل ۲. با گذشت زمان ، لرزش و حرکت ساچمه در جای خود میتواند گود شدگی ایجاد کند.
در این حال زمانی که ماشین شروع به کار میکند و با توجه به اینکه بیرینگها در زمان خاموشی خراب شدهاند بلافاصله نشانههای خرابی مشاهده خواهد شد.
False Brinelling در بیرینگهای غلتشی
اگر ماشین خاموشی تحت تاثیر نیروهای ارتعاشات همنوا واقع شود به دلیل وزن روتور و حرکت جزیی بدنه ماشین ، این نیروی نوسانی به بیرینگها منتقل میشود. در این حالت ساچمهها در محل خود در نیمه پایینی بیرینگ در یک نقطه با رینگها در تماس میباشند و در آنجا حرکت بسیار جزیی میکرومتری دارند و به دلیل این حرکت جزیی در نقطه تماس ساچمه با رینگ، تغيير شكل الاستیک رخ داده و با گذشت زمان باعث خرابی خرابی ساچمه و گود شدگی رینگ در نقاط تماس میگردد و اصطلاحا خرابی برینل ایجاد میشود. مقدار گود شدگی بستگی به شدت و فرکانس ارتعاشات، کیفیت روانکاری، کلرنس داخلی بیرینگ و بار وارده دارد. فاصله محلهای گود شدگی بروی رینگها به اندازه فاصله مراکز ساچمهها و یا غلتکها میباشد. گود شدگیها در بیرینگهای ساچمهای به شکل کره و در بیرینگهای غلتکی به صورت خط ایجاد میشوند. در مواردی که بار وارده کم میباشد، میزان عمق گود ایجاد شده ناچیز میباشد و به صورت تغییر رنگ در رینگها اتفاق میافتد. بیرینگهای غلتکی بیشتر در محرز این نوع خرابی میباشند. این نوع خرابی در بیرینگهای که روانکاری آنها با روغن است کمتر دیده میشود. شکلهای (5.4.3) خرابی False Brinelling را در اجزاء مختلف بیرینگها نشان میدهند.
شکل ۳. خرابی برینل ناشی از ارتعاشات همنوا در یک بیرینگ ساچمهای خود تنظیم
شکل ۴. خرابی برینل ناشی از ارتعاشات همنوا بر روی غلتک بیرینگ غلتشی
شكل ۵. گود شدگیهایی خطی شکل بر روی رینگ خارجی یک بیرینگ غلتشی که برای مدتی در سرویس نبوده است.
آنالیز ارتعاشات همنوا
همانطور که اشاره شد، خرابیهایی ناشی از ارتعاشات همنوا، عمدتاً در رینگهای بیرینگها اتفاق میافتد. با توجه به اینکه در علم ارتعاش سنجی، فرکانس خرابی اجزاء مختلف بیرینگها مشخص است بنابراین آنالیز طیف فرکانسی میتواند در شناسایی این خرابیها مفید باشد. برای مثال اگر خرابی در رینگ خارجی باشد، پس طیف فرکانسی باید این نوع خرابی را نشان دهد. ولی در بعضی موارد مشاهده میشود که خرابی در تمامی اجزاء بیرینگ وجود دارد و طیف فرکانسی شامل نشانههای از همه خرابیها است.
راههای انتقال ارتعاشات همنوا
عمدهترین مسیر انتقال ارتعاشات همنوا فونداسیون میباشد. برای مثال میتوان تجهیزات دوار نصب شده بر بروی شاسیهای مشترک، اسکلهها، طبقات ساختمان و همچنین ماشینهای با فونداسیون مشترک را نام برد. میزان انتقال ارتعاش در این حالت به میزان سختی فونداسیون بستگی دارد و در فونداسیونهای بزرگ و سنگین این امر کمتر اتفاق میافتد. همانطور که در شکل (6) نشان داده شده است، سه عدد پمپ عمودی بر روی یک اسکله و در نزدیکی هم نصب شدهاند. بنابراین با ارتعاش یکی از ماشینها و در نتیجه لرزش فونداسیون ، ماشین خاموش هم شروع به لرزش میکند.
شکل ۶. نصب سه دستگاه الکتروپمپ عمودی به فاصله نزدیک از همدیگر بر روی یک اسکله کوچک
در شکل (7) نمودار طیف فرکانسی مربوط به باکس بیرینگ الکتروپمپ NO1 مربوط به شکل (6) نشان داده شده است. این الکتروپمپ به مدت سه ماه در سرویس نبوده و سپس با نشانههای خرابی در سرویس قرار گرفت. طیف فرکانسی ثبت شده مربوط به چهار روز بعد از راهاندازی میباشد. خرابی بیرینگ پمپ در شکل (8) نشان داده شده است. البته ناهم محوری باعث تشدید خرابی در رینگ داخلی شده بود.
شكل ۷. طیف فرکانسی ثبت شده از روی باکس بیرینگ الکترو پمپ N01 نشان داده در شکل (6)
شکل 8. نشانه های از خرابی در رینگ خارجی بیرینگ
در شکل (9) یک فن دمنده نشان داده شده است که همراه با محرکهای خود بروی یک شاسی نصب شدهاند. همچنین پایههای آنها در بعضی نقاط به همدیگر متصل شدهاند. در این حالت وجود ارتعاش در یکی از ماشینها میتواند تاثیرات مخربی بر بیرینگهای دیگر ماشینها داشته باشد.
شکل ۹. نصب سه ماشین دوار بروی یک شاسی با پایههای متصل به همدیگر (مطالعه موردی این مقاله)
– انتقال ارتعاش از طریق اتصالات مشترک نظیر پایپینگها نیز به وفور در صنعت دیده میشود که تقریبا شامل بیشتر ماشینها که به صورت جفت در کنار هم میباشند میشود. شکل (10)
شکل ۱۰. انتقال ارتعاشات از اتصالات و مسیرهای مشترک
– حمل ونقل ماشین آلات از موارد دیگری است که باعث انتقال ارتعاش به ماشین خاموش میشود. برای مثال حمل طولانی مدت یک الکتروموتور با یک وسیله نقلیه میتواند باعث خرابی در بیرینگهای غلتشی آن شود.
– اگر نگهداری ماشین آلات در انبار برای مدت طولانی تحت لرزشهای محیطی باشد، زمین باعث انتقال ارتعاش به ماشین و بیرینگهای آن شده و شروع خرابی را به همراه خواهد داشت. شكل (11)
شکل ۱۱. نگهداری نامناسب ماشین آلات در انبار میتواند باعث خرابی شود.
راههای جلوگیری از تاثیرات نامطلوب ارتعاشات همنوا
۱- کاهش ارتعاشات کلی
با توجه به اینکه شدت خرابی به میزان ارتعاشات بستگی دارد بنابراین اولین گام کاهش ارتعاش کلیه تجهیزات و حذف منبع ارتعاش تا حد امکان میباشد. به طور مثال با رفع ناهم محوری، نابالانسی و دیگر عیوب ماشین آلات میتوان شدت عیوب آنها را کاهش داده و در نتیجه میزان نیروی ارتعاشی منتقل شده به ماشین مجاور را نیز کاهش داد و خرابی حاصل از آن را به حداقل رساند.
۲- افزایش سختی فونداسیون
در مواردی که ماشینها روی یک فونداسیون مشترک نصب میشوند میبایست سختی فونداسیون را افزایش داده و در نتیجه این کار میزان نیروهای منتقل شده به دیگر ماشینها کاهش مییابد.
۳- راهاندازی با چرخاندن روتور ماشین خاموش
با انجام این کار در فواصل زمانی مشخص، میتوان ساچمهها را از محل خود تغییر داده و با کاهش شدت خرابی وقوع پدیده برینل در بیرینگها را برای مدتی به تعویق انداخت.
۴-جدا کردن شاسیها
نصب دو ماشین بر روی یک شاسی مشترک اصولا طراحی صحیحی نمیباشد به ویژه اگر یکی از این ماشینها در حالت آماده به کار قرار داشته باشد. در این حالت مهمترین و اساسیترین راهحل قطع کردن مسیر انتقال نیروها میباشد. براحتی میتوان شاسیها را از هم جدا و از منتقل شدن ارتعاشات جلوگیری کرد. ولی ممکن است تغییرات در شاسی باعث تغییر در میزان سختی شاسی شود و مشکلات ارتعاشی دیگری به وجود آید، در نتیجه موضوع مربوط به یک برش ساده نمیباشد و شاید نیاز به تغییرات دیگر نظیر تقویت شاسیهای جدا شده دیده شود.
۵- مهار روتور در حمل و نقل
برای جلوگیری از وقوع خرابی از بیرینگهای غلتشی ماشینها، در هنگام حمل ونقل بایستی حرکت نسبی بین روتور و بیرینگ را محدود کرد. برای این منظور از بستهای مناسبی جهت مهار روتور استفاده میشود. با این کار موقعیت روتور نسبت به هوزینگ بیرینگها ثابت شده و حرکت جزیی ساچمهها بر روی رینگها از بین میرود.
۶- استفاده از پایه مناسب در انبار
استفاده از کف پوشهای لاستیکی میتواند مانع از انتقال ارتعاش به ماشین آلات نگهداری شده در انبار گردد. بعضی از لاستیکهای صنعتی به خوبی میتوانند ارتعاشات زمین را مهار کنند.
مطالعه موردی ارتعشات همنوا
این ماشین شامل یک توربین بخار، فن دمنده هوا و موتور الکتریکی است که وظیفه تامین هوای بویلر در نیروگاه یک پتروشیمی را بر عهده دارد. در این ماشین توربین به عنوان محرک اصلی فن و الکتروموتور در حالت STANDBY قرار دارد و به ندرت در سرویس قرار میگیرد. ترکیببندی سه ماشین در شکل (12) نشان داده شده است. مشخصات الکترو موتور به شرح زیر میباشد:
POWER: 180 KW
RPM: 1500 RPM
BRG DE: 6219, NU219 ECP
BRG NDE: 6219
شکل ۱۲. ترکیب کوپل شدن توربین و موتور با فن دمنده
شرح کار
بعد از مدت زمان دو ماه که موتور به صورت آماده به کار قرار داشت، در سرویس قرار گرفت و با ثبت ارتعاش و آنالیز رفتار آن ، خرابی بیرینگ الکتروموتور مشاهده گردید که در شکل (11) فرکانسهای خرابی نمایش داده شده است. همانطور که در شکل مشخص است، خرابیهایی در رینگهای داخلی و خارجی وجود دارد. البته با توجه به اندازهگیریهای قبلی که بر روی موتور خاموش انجام گرفته بود، احتمال خرابی ناشی از انتقال ارتعاشات وجود داشت. ولی به دلیل شرایط فرایندی، تغییرات و اصلاحات صورت نگرفته بود. ارتعاش اندازهگیری شده روی فن در حدود 8mm/s و ارتعاش موتور خاموش برابر با 3.5mm/s بود. در نتیجه موتور جهت بازرسی و تعمیرات باز شد.
شكل ۱۳.خرابی در فرکانسهای خرابی رینگهای داخلی و خارجی
بیرینگ معیوب را شستشو داده و اجزا آن را جدا کرده تا نوع خرابی اجزا مشخص گردد. خرابی در رینگ داخلی و رینگ خارجی به صورت خطوط گودی به فواصل مراکز ساچمهها ایجاد شده بود که در آنالیز تحلیل خرابی این نوع خرابی بیانگر وقوع پدیده بريتل بود. شکلهای (16.15.14) خرابی FALSE BRINELLING در بیرینگ این ماشین نمایش داده است.
شکل ۱۴. گود شدگی خطی شکل روی رینگ داخلی
شکل ۱۵. گود شدگی خطی شکل روی رینگ داخلی از نمای نزدیک
شکل ۱۶. گود شدگی خطی شکل روی رینگ خارجی
اقدامات اصلاحی ارتعشات همنوا
جهت جلوگیری از تکرار این مشکل میبایست با بهبود شرایط شاسی مسیر انتقال ارتعاشات قطع میشد. که این امر مستلزم داشتن زمان کافی بود که باید در زمان تعمیرات اساسی انجام میشد. بنابراین با توجه به ارتعاشات بالای فن در گام نخست باید ارتعاش کلی ماشین کاهش مییافت. بررسیها نشان داد که با توجه به شرایط فرایندی میزان هوای مورد نیاز بویلر میبایست با تغییر در زاویه دمپر ورودی و مقدار دور توربین تنظیم گردد. اما برای کاهش هوای مورد نیاز، فقط زاویه دمپر ورودی فن تا 18 درجه کاهش مییافت که این موضوع باعث افزایش ارتعاش فن و در نتیجه آن افزایش ارتعاش الکتروموتور خاموش میشد. طیف فرکانسی مربوط به بیرینگ فن در شکل (17) نشان داده شده است.
شكل ۱۷. طیف فرکانسی ثبت شده از بیرینگ فن
دور توربین در محدوده 1520RPM بود که از دور نامی بالاتر بود. برای رفع این مشکل دور توربین تا 1420RPM کاهش و همزمان زاویه دمپر ورودی فن تا 30 درجه افزایش داده شد. در این حالت مقادیر ارتعاش فن به میزان قابل ملاحظهای کاهش یافت و به 2.5mm/s رسید. همچنین میزان ارتعاش موتور در حالت خاموش به 0.9mm/s کاهش یافت که در نمودار شکل (18) نشان داده شده است.
شکل ۱۸. کاهش ارتعاشات موتور خاموش بعد از کاهش ارتعاشات کلی فن
با این کار میزان نیروی منتقل شده کاهش یافته و مدت زمان مورد نیاز جهت وقوع خرابی False Brinelling به تعویق میافتد اما رفع دائمی این مشکل نیاز به اصلاحات در شاسی دارد. راه حل دیگری که جهت به تعویق انداختن خرابی پیشنهاد شد این بود که روتور موتور خاموش در فواصل زمانی معین چرخانده شود. این کار با یک استارت قابل انجام شدن میباشد و سبب جا به جایی محل تماس ساچمه و رینگ گردیده و وقوع خرابی را حدی به تعویق میاندازد.
نتیجه گیری
بررسی ارتعاشی ماشینهای خاموش میتواند از خرابی آنها در هنگام خاموشی جلوگیری کند. اگر تصور شود که فقط ماشین در حال کار ممکن است دچار خرابی گردد و از بررسی ماشینهای آماده به کار غافل شد، تضمینی جهت استفاده از یک ماشین بیعیب در هنگام راهاندازی وجود ندارد. در نتیجه پایش ماشینهای آماده به کار میتواند باعث تضمین سلامتی آنها در هنگام استفاده گردد. بنابراین ارتعاشات ماشینهای مجاور، دقت در هنگام حمل و نقل، انبار و نگهداری، شاسی و فوانداسیون ماشین آلات باید مورد توجه قرار گیرد. همچنین با ریشهیابی علت خرابی بعد از وقوع خرابی و شناسایی عیوب، میتوان از تکرار خرابی جلوگیری به عمل آورد.
