Modelowanie i badania maszyn - cele Budowa i eksploatacja maszyn i urządzeń, które spełniają stawiane im duże wymagania pod względem zachowań dynamicznych, trwałości i niezawodności działania, stwarzają konieczność coraz powszechniejszego korzystania z nowoczesnych metod analizy, symulacji, jak również pomiaru drgań tych układów. Przed inżynierami stoi zatem zadanie podejmowania działań uwzględniających interaktywną zależność wykonywania pomiarów dynamiki układów lub procesów i symulacji komputerowych ich modeli. Takie podejście umożliwia skuteczniejsze osiągnięcie postawionego celu badań nad dynamiką układów mechanicznych. Przy tym cel ten może dotyczyć poznawczej analizy dynamicznej (z której wnioski można stosować już na etapie projektowania maszyn i urządzeń) lub analizy diagnostycznej (w celu poszukiwania coraz doskonalszych symptomów diagnostycznych).

Modelowanie i badania maszyn - cele

Diagnostyka maszyn Celem badań diagnostycznych jest określenie stanu obiektu technicznego w chwili uznanej za ważną. Określenie to jest potrzebne, aby przez porównanie stanu rzeczywistego – chwilowego - ze stanem wzorcowym wydać orzeczenie o zdatności lub niezdatności obiektu technicznego oraz / lub dokonać prognozy nt. przyszłych stanów obiektu. Podczas badań diagnostycznych w większości przypadków rejestrowane są skutki przemian energetycznych zachodzących w badanych obiektach technicznych. Przemiany te mogą być zarówno pierwotne, jak i wtórne wobec stanu obiektu. Z punktu widzenia diagnostyki technicznej ważna jest taka przemiana, która pozwala zarejestrować różnicę między stanami obiektu, tzn. taka, która umożliwia uzyskanie sygnału diagnostycznego na podstawie pomiaru wielkości fizycznej charakteryzującej energię (lub materię).

Diagnostyka maszyn Aby określić stan techniczny obiektu należy dokonać pomiaru wartości wybranych do opisania tego stanu wielkości fizycznych. Najważniejszym warunkiem użyteczności diagnostycznej wielkości fizycznej jest interpretowalność fizyczna zależności pomiędzy zmianą stanu obiektu a zmianą wartości tej wielkości. Oznacza to, że wielkość fizyczna musi opisywać przemianę zachodzącą w obiekcie, lub właściwości obiektu po jej zajściu, czyli między stanem, a opisującą go wielkością fizyczną musi istnieć relacja: 1) wynikania (implikacji) – jeśli obiekt jest w stanie „A”, to wielkość fizyczna przyjmie wartość „a”, lub (lepiej) 2) równoważności – wartość „a” wielkości fizycznej występuje wtedy i tylko wtedy, gdy system znajduje się w stanie „A”. Aby udowodnić hipotezę związku między przemianą zachodzącą w obiekcie, a możliwością jej opisu przez wybraną wielkość fizyczną najczęściej przeprowadza się badania poznawcze – eksperymentalne i modelowe.

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Funkcjonowaniu maszyn i urządzeń towarzyszą zakłócenia, z których najważniejszymi są zakłócenia natury mechanicznej. Przejawiają się one na ogół w postaci drgań poszczególnych elementów maszyn i urządzeń. Proces właściwego funkcjonowania maszyny jest ściśle sprzężony z procesem drgań zakłócających. Praktycznie jest to jeden proces dynamiczny złożonego układu, uwarunkowany właściwościami wynikającymi z jego parametrów fizycznych oraz oddziaływaniami zewnętrznymi zależnymi od charakterystyki źródeł generujących siły dynamiczne.

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Drgania mechaniczne są zjawiskiem fizycznym obserwowanym jako ruch układu materialnego wokół punktu równowagi statycznej. W procesie drgań występuje przepływ energii mechanicznej i magazynowanie (akumulowanie) jej na przemian w postaci energii kinetycznej i potencjalnej. Przepływ energii powstaje na skutek oddziaływania na układ sił zmiennych w czasie (drgania wymuszone) lub na skutek oswobodzenia układu z więzów, które wprowadziły początkowe przemieszczenia (prędkości) elementów układu, wytrącając go z punktu równowagi statycznej (drgania swobodne). Jeżeli rozważamy układ niezachowawczy, w którym występuje dyssypacja energii, to drgania swobodne obserwuje się do chwili całkowitego rozproszenia energii mechanicznej zmagazynowanej w układzie w chwili początkowej ruchu.

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Drgania mogą być również wzbudzane, gdy w czasie procesu ruchu wystąpią cykliczne zmiany współczynników masowych, tłumienia czy też sztywności elementów układu mechanicznego. Powstają wówczas drgania parametryczne. Przykładem tego zjawiska są drgania wałów podpartych na łożyskach tocznych. W tym przypadku ruch obrotowy wieńca wałków lub kulek powoduje cykliczną zmianę sztywności podparcia wału w zależności od chwilowej ich konfiguracji przestrzennej.

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Bardziej złożone przypadki generowania drgań można zaobserwować, gdy w układzie występują naturalne sprzężenia zwrotne między ruchem elementów układu i dozowaniem dopływu energii ze źródeł zewnętrznych (napędów). W tym przypadku powstają drgania samowzbudne, a układ staje się w naturalny sposób generatorem drgań mechanicznych. Drgania samowzbudne powstają, gdy zmienna siła wzbudzająca ruch drgający jest generowana i podtrzymywana przez sam ruch. Przyczyną samowzbudzenia może być tarcie suche, tarcie wewnętrzne i konstrukcyjne, siły hydrodynamiczne i aerodynamiczne, itp.

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Przyczyny powstawania drgań zaburzających normalne funkcjonowanie maszyn są bardzo różnorodne. Część z nich jest uwarunkowana tokiem realizacji procesu technologicznego przez dane urządzenia. Inne wynikają z niedokładności elementów czy z ich niewłaściwego montażu lub wskutek zużycia się części. Oddziaływania zewnętrzne stanowią dodatkową grupę przyczyn.

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Najczęstsze przyczyny powstawania drgań: Wirniki siły odśrodkowe bezwładności powstające wskutek niepokrywania się osi wirnika z jedną z głównych centralnych osi bezwładności (niewyrónoważenie technologiczne mas wirujących, niejednorodnośc materiału, zmienne odkształcenia cieplne, błędy montażowe, zmienne luzy, zużycie, itp. wymuszenia parametryczne wirujących wałów o niekolistym przekroju (anizotropia sztywności i bezwładności) wymuszenia parametryczne łożysk tocznych siły nierównomiernego działania ośrodka na wirnik (np. kawitacja i przepływy turbulentne) siły hydrodynamiczne i aerodynamiczne w łożyskach ślizgowych siły tarcia wewnętrznego w materiałach odkształcalnych wirujących elementów, siły tarcia konstrukcyjnego

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Najczęstsze przyczyny powstawania drgań: Wirniki (ciąg dalszy) siły elektrodynamiczne w maszynach elektrycznych siły udarowe elementów mocowanych z luzem zmienne siły osiowe zmienne momenty skręcające zmienne momenty zginające wymuszenia kinematyczne wskutek drgań fundamentu

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Najczęstsze przyczyny powstawania drgań: Mechanizmy tłokowo-korbowe (oprócz wcześniej wymienionych) zmienne siły bezwładności wywołujące drgania skrętne wału korbowego nierównomierne działanie gazu na tłoki siły ciężkości zmienny moment obciążenia przekazywany przez sprzęgła Obrabiarki niejednorodność obrabianych przedmiotów siły sprzężeń generowanych przez sam proces siły odśrodkowe

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Najczęstsze przyczyny powstawania drgań: Maszyny przepływowe, pojazdy siły aerodynamiczne wskutek niejednorodności strumienia płynu oddziaływania dynamiczne wirów na brzegach strumienia, zrywanie wirów, szumy warstwy brzegowej na ściankach opływanych brył w przepływie turbulentnym, drgania wirów Karmana, fale akustyczne wymuszenia wskutek ciśnienia akustycznego

Diagnostyka wibroakustyczna (WA) Diagnostyka WA oparta jest na obserwacji drgań mechanicznych i/lub dźwięku – jednego z procesów resztkowych generowanych podczas ruchu maszyny. Obserwacja procesów WA maszyn daję bezpośrednią informacje o ich stanie technicznym. Informację tę można uzyskać w sposób nieinwazyjny, co jest niezwykle cenną cechą operacyjną diagnostyki WA. Dodać należy do tego wielowymiarowość informacyjną procesów WA (np. z drgań obserwowanych na obudowie łożyska możemy oceniać zaawansowanie zużycia łożysk, wirnika, osiowość agregatu, jego pewność posadowienia itp.). Ogólnie można powiedzieć, że intensywność (np. amplituda) procesów WA zależy odwrotnie proporcjonalnie od jakości maszyny na każdym etapie jej „życia”.

Cele diagnostyki WA