Dołącz do czytelników
Brak wyników

Kontrola stanu technicznego sprzęgieł hydrokinetycznych

Artykuł | 15 grudnia 2020 | NR 1
0 83

Problematyka monitorowania stanu technicznego i diagnostyki poruszana jest najczęściej w aspekcie łożysk tocznych, na których znają się diagności od wielu lat. Wszak to profesor Czesław Cempel już w latach 70. zaczął budować w Poznaniu krajową szkołę diagnostyki, bazując przede wszystkim w kierowanym przez siebie laboratorium na badaniach diagnostycznych łożysk tocznych. W warunkach przemysłowych problematyka nadzoru stanu technicznego dedykowana jest w pierwszej kolejności maszynom wirnikowym łożyskowanym ślizgowo, takim jak turbiny, silniki, sprężarki wirnikowe, pompy, wentylatory etc., bowiem prezentują one na ogół większą krytyczność dla realizowanego procesu produkcyjnego i osiąganego wyniku finansowego przedsiębiorstwa niż maszyny łożyskowane ślizgowo. Równolegle do diagnostyki maszyn wirnikowych rozwijane są także specjalizowane i coraz bardziej zaawansowane systemy nadzoru dla sprężarek i silników tłokowych.

 

WPROWADZENIE

Dynamika płynu może być wykorzystywana w zróżnicowany sposób dla napędów różnych maszyn, a mianowicie:

  • dla konwersji momentu i prędkości obrotowej,
  • jedynie dla konwersji prędkości obrotowej oraz
  • do hamowania ruchu.

W artykule omówiono zasady nadzoru stanu technicznego stosowane przede wszystkim dla urządzeń wykorzystujących dynamikę płynu do regulacji prędkości obrotowej. Urządzenia wykorzystywane do konwersji momentu i prędkości obrotowej posiadają nieco bardziej złożoną konstrukcję od urządzeń wykorzystywanych jedynie do konwersji prędkości obrotowej. Mimo tego opisywana w tekście metodyka monitorowania stanu technicznego dotyczy praktycznie obydwu klas urządzeń. W przypadku maszyn o bardziej skomplikowanej konstrukcji techniki monitorowania i zabezpieczeń mogą być nieco bardziej rozbudowane niż to opisano w artykule.

 

Rys. 1. Przykłady wdrożenia sprzęgieł hydrokinetycznych do napędu pomp: (A) agregat poziomy, (B) agregat pionowy

 

Maszyny wyposażone w służące temu celowi sprzęgła hydrauliczne można spotkać w różnych branżach. Są one wykorzystywane np. w energetyce (agregaty pompowe, wentylatory, młyny, taśmociągi), w obszarze petrochemicznym (na liniach produkcyjnych oraz w stacjach przesyłowych do napędu sprężarek i pomp), w przemyśle chemicznym (tu także: sprężarki, pompy, wentylatory), jak i w niektórych innych branżach, jak np. produkcja cementu .Na rys. 1 pokazano zastosowanie sprzęgieł hydrokinetycznych do napędu pomp. Tak jak widać, sprzęgła mogą być stosowane dla agregatów z poziomymi osiami wałów (rys. A), jak i z osią pionową (na rys. B pokazano górną część agregatu pionowego).

Złożoność rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń wykorzystywanych do regulacji prędkości obrotowej z pomocą dynamiki płynu jest skorelowana z mocą agregatu. W przypadku agregatów mniejszej mocy (pokazany na rys. 1B posiada napęd o mocy ~600 kW) do łożyskowania wirników wykorzystywane są przede wszystkim łożyska toczne. Natomiast w przypadku transmisji mocy na poziomie kilku MW i wyżej, główne łożyska urządzenia są łożyskami ślizgowymi. Podobnie jak w przypadku wszystkich maszyn i urządzeń, potrzeba oraz prawdopodobieństwo zastosowania jakiejś formy systemu monitorowania i zabezpieczenia stanu technicznego typu online wzrasta wraz ze wzrostem mocy agregatu posiadającego sprzęgło hydrauliczne. Wymienione zróżnicowanie konstrukcyjne węzłów łożyskowych w podstawowym stopniu rzutuje na sposób oczujnikowania sprzęgieł hydrokinetycznych.

 

USZKODZENIA SPRZĘGIEŁ HYDROKINETYCZNYCH

Uszkodzenia sprzęgieł mogą dotyczyć łożysk, kół zębatych, wirników. Mogą się one rozwijać powoli. W takiej sytuacji, jeśli przedsiębiorstwo wykorzystuje okresowe/obchodowe techniki pomiaru drgań oraz jakości oleju, można taki powolny proces uszkadzania rozpoznać i diagnozować. Natomiast zdarzają się także awarie katastroficzne sprzęgieł, tzn. takie, w których nie zauważono symptomatycznego wzrostu poziomów drgań czy temperatur ze względu na szybkość postępującej destrukcji. W czasie niektórych awarii katastroficznych dochodzi do rozerwania węzłów łożyskowych. Awarie takie doprowadzają do poważnych uszkodzeń wtórnych. Mogą one skutkować zniszczeniem tak napędzającego agregat silnika, jak i napędzanej maszyny.

Na rys. 2 pokazano przykład uszkodzonego wirnika tarczy sprzęgła. Poważne ubytki materiału wirnika powodują jego niewyrównoważenie, które (podobnie jak w przypadku utraty łopatki przez wirnik turbiny lub sprężarki) w zależności od stopnia przeciążenia węzłów łożyskowych decydować będzie o rodzaju i skutkach uszkodzeń wtórnych. Uszkodzenia mechaniczne tarczy sprzęgła będą też skutkować w turbulizacji przepływu oleju, co wzbudza drgania rezonansowe innych elementów konstrukcji i prowadzi do przyspieszonej kumulacji naprężeń oraz skraca żywotność elementów.

 

Rys. 2. Przykłady uszkodzenia wirnika sprzęgła hydrokinetycznego: (A) brak łopatki, (B) uszkodzenie dwóch kolejnych łopatek

 

Zmiana stanu technicznego nie dotyczy wyłącznie, jak to przykładowo opisano wcześniej, tarcz sprzęgieł, ale może dotyczyć także łożysk, kół przekładni zębatej stanowiącej czasami podzespół sprzęgła hydrokinetycznego, wzajemnego położenia osiowego wirników, stanu oleju etc.

 

FORMY MONITOROWANIA STANU TECHNICZNEGO SPRZĘGIEŁ

Monitorowanie stanu technicznego sprzęgieł hydrokinetycznych może być realizowane w oparciu o standardowe procesy wykorzystywane na rzecz oceny stanu technicznego. Są to przede wszystkim: (i) pomiary temperatury tak węzłów łożyskowych, jak i oleju roboczego, (ii) drgania mechaniczne, (iii) stan oleju, (iv) nadzór położenia osiowego wałów oraz (v) prędkość obrotowa wału wyjściowego sprzęgła.

W kolejnych punktach omówiono bardziej szczegółowo najważniejsze formy monitorowania.

 

Rys. 3. Bezprzewodowy pomiar temperatury wykorzystujący technikę RADAR SENTRY

 

MONITOROWANIE TEMPERATURY

Pomiary temperatury są wykorzystywane jako podstawowy proces monitorowania stanu technicznego. Zasady monitorowania łożysk zostały omówione w [1]. W przypadku sprzęgieł hydrokinetycznych ważne jest również monitorowanie temperatury cieczy roboczej, co jest szczególnie ważne w przypadku napędów doznających znacznych przeciążeń. W tym celu mogą być wykorzystywane klasyczne przewodowe czujniki temperatury lub pomiary bezprzewodowe typu RADAR [1]. Na rys. 3 pokazano kluczowe elementy systemu bezprzewodowego BTM (Berührungslose Temperatur-Messeinrichtung) wykorzystywanego przez Firmę VOITH [2] w celu bezprzewodowego pomiaru temperatury cieczy w sprzęgle.

 

MONITOROWANIE DRGAŃ SPRZĘGIEŁ

Monitorowanie drgań winno być realizowane zgodnie z wytycznymi opisanymi w standardzie ISO 10816 dla drgań sejsmicznych (przede wszystkim dla węzłów łożyskowanych tocznie oraz sprzęgieł, które jako podzespół konstrukcyjny wykorzystują również przekładnie zębate) oraz w standardzie ISO 7919 dedykowanym nadzorowi drgań wałów łożyskowanych ślizgowo.

Wiodący producenci sprzęgieł hydrokinetycznych posiadają standardy wewnątrzzakładowe doprecyzowujące szczegóły pomiarów wykorzystywanych do nadzoru stanu technicznego. I tak np. w firmie VOITH wykorzystywany jest standard C 081.6. W przypadku stosowania systemu monitorowania i zabezpieczeń pojawia się problem poprawnego skonfigurowania wartości granicznych dla wykonywanych pomiarów. Jeśli system monitorowania i zabezpieczeń jest instalowany przez producenta sprzęgła, to w takiej sytuacji można się posiłkować granicznymi poziomami drgań, temperatury etc. określonymi w dokumentacji technicznej produktu. Natomiast jeśli system jest instalowany przez użytkownika agregatu, to należy podejść z rozwagą do konfigurowania wartości granicznych, nie w każdej sytuacji poprawne jest stosowanie wartości granicznych poziomów drgań sformułowanych w standardach.

 

Rys. 4. Przykład sprzęgła hydrokinetycznego wyposażonego w czujniki drgań sejsmicznych: (A) lokalizacja czujników sejsmicznych w węzłach łożyskowych oraz (B) przykład zabezpieczenia zainstalowanych czujników

 

Na rys. 4A pokazano korpus sprzęgła hydrokinetycznego R1.KGS z zaznaczonymi miejscami lokalizacji czujników drgań sejsmicznych: w odniesieniu do każdego węzła łożyskowego prowadzone są pomiary drgań na dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach promieniowych oznaczone jako V (~pionowe) i H (~poziome), natomiast w przypadku węzłów łożyskowych przenoszących także siły poosiowe instalowane są również czujniki drgań na kierunku osiowymi – oznaczone na rysunku przez A. Na rys. 4B po...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy