ارتعاشات در ماشين آلات دوار (قسمت اول)

در اين مقاله تلاش شده است تا از منظر ابزاردقيق به بررسي مبحث لرزش و روش هاي اندازه گيري آن پرداخته شود. وجود لرزش با اندازه ي غيرمجاز در ماشين آلات دوار از قبيل پمپ ها، توربين ها، موتورها و غيره باعث ايجاد لطمات جبران ناپذيري به اين ماشين آلات  شده و از اين رو مسأله ي سنجش، و اندازه گيري آن از اهميت بسبار بالايي برخوردار است كه به صراحت مي توان گفت ناديده گرفتن اين پديده و يا عدم توجه كافي به چگونگي انتخاب عوامل مربوطه از جمله حسگرو محل نصب آنها، نحوه ي پيكربندي پايش لرزش و ... باعث عواقب سنگين و گاهي توقف طولاني مدت ماشين آلات و فرآيند توليد مي شود. در اين مقاله با معرفي انواع حسگرهاي لرزش به مقايسه ي اجمالي آن ها پرداخته شده و چگونگي اندازه گيري لرزش و علل پديد آمدن آن بيان شده است.

واژه­هاي كليدي

لرزش، اندازه گيري، پايش، ماشين آلات دوار

1. مقدمه

مبحث ارتعاش يا لرزش يكي از موضوعات بسيار مهم در ماشين آلات دوار است كه در بعضي مواقع  صدمات غير قابل جبراني را در پي دارد. به همين دليل تحليل، سنجش و بررسي علل لرزش از موضوعاتي است كه در صنايع داراي ماشين آلات دوار از قبيل توربين، ژنراتور، موتور، پمپ، كمپرسور و... بسيار به آن اهميت داده مي­شود و نسبت به حفاظت ماشين آلات در مقابل اين پديده تلاش بسياري به عمل مي آيد.  اين مقاله در حد مقدور به بررسي اجمالي پديده­ي لرزش پرداخته و چگونگي اندازه گيري آن و انتخاب حسگر، محل نصب مناسب و برخي نكات ديگر در اين خصوص را در حد كافي بيان نموده است.

2. تعاريف و اندازه گيري لرزش

در سامانه­ هاي ديناميك كه جسم قابليت كسب يا از دست دادن انرژي را داراست، نوسان به وجود مي آيد كه به آن ارتعاش مي گويند. ارتعاش در ساده ترين شكل بصورت حركت نوساني تعريف مي شود كه به آن لرزش مي گويند. [1]

2-1. پارامترهاي اندازه گيري لرزش

معمولاً سه پارامتر در ارتباط با لرزش، اندازه گيري مي شوند كه در ادامه اين پارامترها تشريح شده­اند:

الف.  فركانس: تعداد دفعاتي كه ماشين در واحد زمان (دقيقه/ثانيه) مي لرزد.

ب. دامنه ي لرزش: اين مقدار معمولاً با مقياس هاي هزارم اينچ، ميكرون، اينچ در ثانيه و g كه بستگي به چگونگي اندازه گيري دارد نشان داده مي شود.

معمولاً اندازه ي جابجايي كامل جرم به عقب و جلو، مقدار لرزش ناميده مي شود. واحد اندازه گيري جابجايي در سامانه­ي انگليسي و متريك در ادامه آمده است و فرمول هاي تبديل آن نيز به صورت زير مي باشد:

1mil=0.001 inch

1 micron= 0.001 mm

1 mil= 25.4 micron

1 micron= 0.039 mil

ميران جابجايي بر حسب ميكرومتر و ميل، سرعت بر حسب ميليمتر بر ثانيه يا اينچ بر ثانيه و شتاب بر حسب متر بر مجذور ثانيه يا g يا اينچ بر مجذور ثانيه بيان مي شود.

ج.  فاز لرزش: چگونگي وضعيت سيگنال لرزش نسبت به يك نقطه بوده و هميشه نسبت به يك مرجع سنجيده مي شود و توالي حركت (تقدم/ تأخر) را نسبت به آن نقطه ي ثابت نشان مي دهد. فاز لرزش معمولاً توسط  فلاش لامپ  يا فتوسل الكترونيكي اندازه گيري شده و واحد آن درجه مي باشد. معمولاً مقدار لرزش (دامنه) را به سه روش جابجايي، سرعت و شتاب، اندازه گيري مي كنند.

به عنوان مثال در سامانه­ي وزنه و فنر كه:

جدول 1. جدول تبديل واحد هاي مختلف

2-2. اندازه گيري سرعت لرزش

در اين سيستم بنا به تعريف، سرعت نوسان جرم را سرعت لرزش مي گويند. به عبارت ديگر در سامانه­ي وزنه و فنر، سرعت حركت وزنه از لحظه ي شروع تا زماني كه به لحظه ي سكون اوليه ي خود مي رسد را به عنوان سرعت حركت (P-0) در نظر مي­گيرند و واحد سنجش آن اينچ بر ثانيه و يا ميلي متر بر ثانيه مي باشد.

سيگنال ارتعاش در محدوده ي فركانسي 10 تا 2000 هرتز (600 تا 120000دور در دقيقه) تقريباً وابسته به فركانس نيست حتي اگر فركانس تا 300000 دور در دقيقه توليد شود به شرط آن كه مقدار Roll Off  بالاتر از 120000 دور در دقيقه در نظر گرفته شود مي توان از روش اندازه گيري سرعت استفاده نمود. اين روش در طيف وسيع تري از فركانس نسبت به دو روش جابجايي و شتاب كاربرد دارد. از اين رو در فركانس هاي كمتر از 120000 دور در دقيقه روش اندازه گيري سرعت بهترين روش جهت اندازه گيري لرزش ماشين آلات دوار مي باشد.

حسگرهاي سرعت ارتعاشي اولين نوع حسگرهاي لرزش سنج بدنه هستند كه براي اندازه گيري لرزش بدنه ي ماشين مورد استفاده قرار مي­گيرند. اين حسگرها سرعت ارتعاشي مطلق بدنه ي ماشين را اندازه گيري مي كنند. اين حسگرها (سرعت سنج و شتاب سنج) براي اندازه گيري لرزش، خود بايد مرتعش گردند به همين لحاظ مسأله ي فركانس طبيعي خود حسگر اهميت پيدا مي كند. به عبارتي ديگر خروجي حسگر بايد نسبت به كليه ي فركانس ها يكسان و برابر با حساسيت تعيين شده براي حسگر باشد. بنابراين محدوده ي فركانسي قابل استفاده براي حسگر محدوده ي خارج از ناحيه ي فركانس طبيعي حسگر است. در ناحيه اي كه پاسخ فركانسي آن اصطلاحاً مسطح است.

سرعت سنج هاي لرزشي از يك هسته ي مرتعش حاوي سيم پيچ كه توسط فنر وسط يك ميدان مغناطيسي معلق شده است تشكيل مي گردند. ارتعاش وارد شده به بدنه ي حسگر از طريق فنرها به هسته رسيده و سرعت لرزشي هسته نسبت به بدنه متناسب با سرعت لرزشي بدنه ي حسگر است.

نكته ي مهم در رابطه با اين نوع حسگرها اين است كه كاركرد اين حسگر بالاي فركانس طبيعي آن است و محدوده ي بسيار بسته تري نسبت به شتاب سنج ها دارد (به عنوان نمونه بين 10 تا 1000 هرتز). اما ويژگي مهم آن خروجي امپدانس پايين آن است كه براحتي مي توان آن را نمايش داد. به عبارتي اين حسگر مانند يك ژنراتور عمل كرده و نياز به تغذيه و يا تقويت ندارد و خروجي آن را مي توان در ساير دستگاه ها به راحتي استفاده نمود. علاوه بر اين سرعت ارتعاشي معيار اصلي ارزيابي شدت ارتعاش ماشين ها است و شايد به همين دلايل است كه هنوز از اين نوع حسگرها به ويژه براي مقاصد حفاظتي، بسيار استفاده مي شود. اما مشكل وجود المان هاي مرتعش در اين نوع حسگر معمولاً باعث كاهش عمر آن شده و باعث خرابي زودتر آن نسبت به ساير حسگرها مي گردد. بنابراين در جاهايي كه از اين نوع حسگرها استفاده مي شود بازرسي و كاليبراسيون دوره اي براي آنها، حداقل هر يك سال يك بار الزامي است.

2-3.  اندازه گيري شتاب لرزش

معمولاً در مواردي كه فركانس لرزش زياد باشد (بيش از KHz 120)  از اين روش استفاده مي گردد. اين روش جهت تحليل و عيب يابي لرزش ماشين آلات روش بسيار مناسبي است و در سنجش لرزش بدنه ي ماشين آلات دوار مورد استفاده قرار مي گيرد. شتاب سنج ها عمومي ترين حسگرهاي اندازه گيري لرزش هاي بدنه هستند. امروزه اين نوع حسگرها به صورت گسترده اي جاي حسگرهاي سرعت سنج را گرفته و علاوه بر اين كه در تمامي سامانه هاي قابل حمل از شتاب سنج استفاده مي شود، در سامانه هاي نصب دايم حفاظتي/پايش، اين حسگر به طور وسيعي مورد استفاده قرار مي گيرد.

در يك شتاب سنج از عكس العمل يك جرم مشخص به شتاب وارد بر حسگر استفاده شده و نيرويي بر المان پيزوالكتريك وارد مي شود. المان پيزوالكتريك متناسب با نيروي وارد برآن، بارهاي الكتريكي در دو سطح خود ايجاد مي كند. در طرح اوليه ي شتاب سنج ها، اين بار الكتريكي كه در حد  پيكوكولن مي باشد به عنوان خروجي حسگر استفاده مي شد. در طرح هاي امروزي با استفاده از تقويت كننده هاي درون حسگر، اين بار الكتريكي تقويت شده و بصورت mV به عنوان خروجي حسگر استفاده مي شود.

2-4.  اندازه گيري جابجايي لرزش

اين روش جهت اندازه گيري فاصله  و تغييرات فاصله پروب نسبت به محور گردان ماشين بوده و حسگرهاي استفاده شده در اين روش از نوع پروب هاي غيرتماسي مي باشند. عمومي ترين حسگري كه براي اندازه گيري جابجايي ارتعاشي در صنعت مورد استفاده قرار مي گيرد از نوع حسگرهاي جريان گردابي غيرتماسي هستند كه علاوه بر قابليت اندازه گيري جابجايي هاي لرزش (به صورت سيگنال AC) توانايي اندازه گيري جابجايي ثابت (به صورت سيگنال DC) را نيز دارند كه معمولاً اندازه گيري جابجايي براي اندازه گيري تغييرات محوري روتور چرخنده ي ماشين آلات استفاده مي شود.