Projevy nesouososti strojních zařízení

Úkolem ustavování je zajistit, aby osa rotace stacionárního stroje a osa rotace pohyblivého stroje tvořila jednu přímku. Osou rotace rozumíme spojnice dvou pomyslných bodů, jejichž relativní rychlost je nulová. Souosost je tehdy stav, při kterém osa rotace stacionárního stroje a osa rotace pohyblivého stroje tvoří jednu přímku. Nesouosost chápeme jako jakýkoliv stav, při kterém osa rotace stacionárního stroje a osa rotace pohyblivého stroje jednu přímku netvoří.

Základní typy nesouososti:

• rovnoběžná (radiální nebo paralelní), tj. osa rotace stacionárního stroje a osa rotace pohyblivého stroje tvoří navzájem dvě rovnoběžné přímky,
• axiální (úhlová), tj. osa rotace stacionárního stroje a osa rotace pohyblivého stroje tvoří navzájem dvě různoběžky.

Těchto dvou stavů lze docílit ve dvou navzájem kolmých rovinách, celkem tedy lze dosáhnout čtyř základních stavů nesouososti (obr. 1).

Experimentální zkušební zařízení

Nejprve bylo zkušební zařízení vyváženo a ustaveno dle doporučených tolerancí. Pro simulaci nesouososti bylo využito pouze rovnoběžné (paralelní) nesouososti nastavené ve vertikálním směru, resp. osy rotací hřídelí jsou rovnoběžné a mění se jejich vzájemná vzdálenost. V prováděném experimentu byla měřena závislost teploty za pomoci IR termokamery a dotykových teploměrů na celém zařízení se zaměřením na ložiska a spojku. Pro měření bylo využito také měření frekvenčního spektra rychlosti vibrací, velikosti otáček a hodnot elektrického proudu. V experimentu byly měněny hodnoty rovnoběžné nesouososti blízké hodnotě 0,04 mm, 0,3 mm, 0,5 mm, 0,8 mm a 1 mm. Účelem bylo nastavení hodnot nesouososti na zkušebním zařízení a sledování projevů vybraných parametrů, což umožní lepší identifikaci problému za využití jednotlivých metod (termodiagnostika, vibrodiagnostika, elektrodiagnostika) a současně tak demonstruje důležitost ustavení strojních zařízení.

Průběh měření sledovaných parametrů na zkušebním zařízení

Nejprve bylo zkušební zařízení ustaveno na hodnotu 0,04 mm. Po ustavení bylo zařízení v provozu cca 1 hodinu, během níž již došlo k ustálení jednotlivých teplot. Výsledky měření shrnuje tabulka 1 a patřičné obrázky. Při nastavení rovnoběžné nesouososti na hodnotu 0,3 mm již můžeme sledovat mírnou změnu parametrů. U otáček došlo ke snížení pouze o 1 ot/min, ale u rychlosti vibrací došlo ke skokovému, cca dvojnásobnému zhoršení. Je možné pozorovat také zvýšení teploty v ložiscích i na spojce. Na spojce je nárůst největší, což již svědčí o zatížení spojky a nutnosti kompenzovat nesouosost. Je třeba podotknout, že pro pohon byl použit motor o výkonu pouhých 250 W.

Tab.1 Tabulka efektivních hodnot rychlosti vibrací v pásmu 10–1 000 Hz (v_RMS), efektivní hodnoty zrychlení vibrací v pásmu od 500–25 600 Hz (a_RMS), otáček, elektrického proudu a teploty ložisek a spojky [2]. *Teplota ložisek po 60 min. provozu (teplota pro 1 mm je po 20 min).

Po nastavení rovnoběžné nesouososti na hodnotu 0,5 mm opětovně dochází ke snížení maximálních otáček o 1 ot/min. Ke zvýšení rychlosti vibrací došlo znovu skoro o dvojnásobek. Ve frekvenčním spektru rychlosti vibrací (obr. 8) můžeme sledovat prudký nárůst trojnásobku otáčkové frekvence (74,3 Hz), což má přímou spojitost s nesouosostí a namáháním zařízení.

U nastavení rovnoběžné nesouososti na hodnotu 0,8 mm dochází oproti předchozímu stavu ke snížení maximálních otáček o 7 ot/min. Zde je vidět, že výrazná část výkonu je spotřebována formou ztrát a motor není schopen udržet vyšší otáčky. Je třeba podotknout, že zařízení není mimo vlastní ztráty zatíženo jiným odběrem, tudíž se veškerý výkon spotřebovává na krytí vlastních ztrát. V těchto případech dochází k maření energie především na spojce a dále v ložiscích, která jsou spolu se zvyšující se nesouosostí stále více zatížena. Při porovnání vibrací s předchozím stavem můžeme konstatovat, že dochází k nárůstu vibrací na cca dvojnásobek. Ve frekvenčních spektrech pak můžeme sledovat nárůst amplitudy na trojnásobku otáčkové frekvence (74 Hz) na trojnásobek amplitudy oproti předchozímu stavu, dále jsou také patrny násobky této frekvence.

V posledním případě, kdy je nastavena hodnota nesouososti na 1 mm, je již zařízení zatíženo natolik, že dochází k výraznému oteplení spojky; po dvaceti minutách provozu se teplota blíží hodnotě 100 °C. Vibrace a projevy zařízení jsou tak výrazné, že je čas zkoušky zkrácen na 20 min. I tak již ovšem došlo k natolik výraznému poškození spojky, že není možné její další použití. Vibrace stouply opětovně na dvojnásobek oproti předchozímu stavu, teploty v jednotlivých místech jsou v některých případech nižší, je ale třeba mít na paměti, že experiment byl podstatně zkrácen a teploty v jednotlivých místech by se ještě zvýšily. V tomto jediném případě došlo ke snížení příkonu, což má zřejmě souvislost s podstatně nižšími otáčkami.

Závěr

V průběhu experimentu se prokázala závislost všech měřených parametrů na hodnotách nesouososti. Je výrazně vidět, že dnešní pružné spojky dokáží kompenzovat poměrně vysoké hodnoty nesouososti, ovšem za cenu velkých energetických ztrát, namáhání a opotřebení těchto spojek a samozřejmě také za cenu zatížení ložisek i motoru. V návaznosti na hodnoty nesouososti lze názorně pozorovat zvyšování teploty v exponovaných místech, zvyšování vibrací, proudu i snižování otáček. Každý provozovatel by měl tedy zvážit, zda je ekonomické provozovat strojní zařízení v neustaveném stavu, zvyšovat tak energetické ztráty a současně výrazně zkracovat životnost zařízení.

Literatura

• HRABEC, L., HELEBRANT, F, MAZALOVÁ, J.: Technická diagnostika a spolehlivost III. – Ustavování strojů. Ostrava: VŠB-TUO. 2006. 45 s.
• BLATA, J.: Vliv nesouososti na průběh teploty a dalších parametrů na zkušebním zařízení. Odborná studie, Ostrava: VŠB-TUO. 2015. 20 s.

Autorem článku je Ing. Jan Blata, Ph.D., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, FS, Katedra výrobních strojů a konstruování, 17. listopadu 15/2172, 042 83, Ostrava Poruba. Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.. 

Recenzent: Ing. Jiří Svoboda, "TMV SS" spol. s r. o., Praha, vedoucí odborné skupiny termografie při ATD ČR, z. s., certifikovaná osoba na funkci Technik diagnostik termografie – kategorie III