Je prezentována analýza poruchy vysokorychlostního dmychadla, která proběhla několik týdnů provozu po jeho instalaci do flérového systému. Důkazy získané z fraktografických studií a dynamického auditu motodmychadla ukazují, že porucha byla způsobena kombinací dvou příčin: vady materiálu vzniklé během procesu tavení lopatky a rezonanční operace prvního režimu bočních vibrací. Kombinace příčin vedla ke zlomenině v důsledku vysoké únavy cyklu v jedné z čepelí a tato uvolněná část později narazila a zlomila ostatní čepele. Tato zjištění umožnila za účasti výrobce dmychadla provést audit konstrukce a výroby lopatek za účelem stanovení nezbytných korekcí.
Úvod
Dmychadlo je namontováno na 36 palcovém. průměr potrubí pro přívod vzduchu (obrázek 1). Má celkem 6 rotačních lopatek vyrobených tavením hliníku a 9 statických lopatek umístěných v určité vzdálenosti od rotačních, které vhodně vedou vzduch. To je poháněno elektromotorem o výkonu 100 HP schopným pracovat při 900 a 1800 otáčkách za minutu v závislosti na objemu plynu cirkulujícího ve světlici.
Pouze s několika týdny provozu v režimu zjevné přerušované únavy; lopatky ventilátoru selhaly katastrofálně. Poté byl zahájen formální proces analýzy poruch s cílem určit její příčiny a definovat preventivní/nápravná opatření.
Vizuální kontrola poškození na místě
Při kontrole bylo zjištěno:
• Zlomenina na úrovni kořene u šesti rotačních lopatek.
• Poškození v důsledku porušení ochranné mřížky.
• Poškození v důsledku nárazu do statických nožů.
• Fragmenty rotačních lopatek byly nalezeny ve vzdálenosti 60 metrů kolem světlice.
Provedena analýza
V rámci analýzy poruch byly provedeny kontroly a zkoušky, které jsou podrobně popsány v následujících částech.
Metalurgická analýza prostřednictvím elektronické zametací mikrokopie (MEB)
Čepele zlomenin ze šesti vzorků na bázi čepelí byly hodnoceny pomocí elektronické zametací mikroskopie.
Na obrázku 3 je pozorován mikrofraktografický registr jednoduchého z čepele ukazující povrch lomu s nejnižší nepravidelností (velká rovinnost). Je znázorněna oblast s mikrostrukturními trhlinami spojenými se zjevnou únavovou zónou, která se nacházela ve vnější hranici povrchu lomu. Mikrostrukturální defekty jsou znázorněny jako pórovitosti vzniklé smršťováním nebo smršťováním mikrostruktury (smršťovací porozity), které obsahují dendritické obaly a sekundární mikrotrhliny, charakteristické pro neúplnou fúzi náhlým ochlazením během výroby lopatek. Tento druh vad může fungovat jako koncentrační napěťové body, které způsobují mikrotrhlinky ve struktuře a mohou představovat výchozí bod poruchy.
Na obrázku 4 je znázorněn zesílený obraz únavové zóny, na kterém jsou pozorovány únavové rýhy s vysokým cyklem iniciované na vnějším okraji povrchu, přesně tam, kde vznikají trhliny v důsledku mikrostrukturálních defektů. Pruhování je vidět pravidelně rozmístěné s podobnými charakteristikami, jaké jsou vytvářeny variacemi zatížení. Podle těchto důkazů a výsledků z vibračních studií je potvrzeno, že k poruše došlo v důsledku praskání v důsledku mechanismu vysokocyklové únavy.
Vyzkoušejte dynamickou odezvu ventilátoru
Vzor lomu a pruhování nalezené ve fraktografické analýze naznačují možnost, že porušení mohlo být způsobeno únavou vyvolanou mechanickou rezonancí. Rezonance vzniká, když alternativní síly působící na systém tak činí na frekvenci, která se shoduje s některými vlastními frekvencemi v rozsahu. K určení, zda dmychadlo pracovalo v rezonanci, je nutné sestavit interferenční diagram nebo Campbellův diagram s vlastními frekvencemi, budícími silami nebo zdroji a šířkou pásma pro shodu okolností. Vlastní frekvence motorového dmychadla byly vyžádány od výrobce, který oznámil, že je nemá.
Vlastní frekvence motodmychadla
Mezi jejich praktikami neexistuje provádění nárazových testů k určení statických vlastních frekvencí lopatek, tím méně dynamické. Přirozené statické frekvence byly získány nárazovými zkouškami na místě, s využitím existence dynamických lopatek v jiném dmychadle pracujícím při nižších otáčkách. Měření dynamických vlastních frekvencí bylo mimo dosah této analýzy kvůli nedostatku sofistikovaného přístrojového vybavení (tenzometry, systém přenosu dat telemetrií a nezávislý zdroj vzduchu pro vytváření vysokorychlostního proudu, který ruší lopatky při jejich rotaci). Je však známo, že dynamické vlastní frekvence jsou o něco vyšší než statické, v důsledku tuhnoucího účinku produkovaného odstředivými silami během rotace. Obrázek 5 ukazuje uspořádání zařízení použitého pro zkoušku, mezi nimi:
- Lopatka dmychadla.
- Akcelerometr.
- Instrumentované kladivo.
- SKF Microlog Vibration Data Collector (kanál 1).
- Počítač s Excelem a MathCad pro zpracování informací.
- Informace zpracovány.
Akcelerometr byl připevněn ke špičce lopatek pomocí včelího vosku, protože jsou vyrobeny z hliníkové tavby a nejsou magnetické. Jeho výstup byl uložen v datovém kolektoru a byla zaznamenána časová odezva. Předběžné testy pomohly určit optimální nastavení jednoduché frekvence, aktivace předspouště a stupnice saturace kolektoru tak, aby odezva (vibrace) mohla být zcela zachycena bez zkreslení, jak je znázorněno na obrázku 6. Osou úseček je čas v sekundách a na souřadnicích je odezva akcelerometru ve voltech.
Pomocí instrumentovaného kladiva – došlo k nárazu na špičku čepele poblíž akcelerometru. Kladivo je vybaveno nabíjecím článkem měřícím sílu nárazu, ale nebylo možné jej připojit ke kolektoru SKF, protože měl pouze jeden kanál. Je třeba říci, že se současným registrem akcelerometru a kladívka jsou spojeny nejen vlastní frekvence nebo vlastní hodnoty, ale také tvar vibrací nebo vlastní vektory a dynamické parametry K (tuhost), M (hmotnost) a C (buffering). pro každý přítomný režim ve sledovaném frekvenčním rozsahu. Avšak pouze s jedním kanálem byly získány přirozené frekvence (píky odezvy) a rychlost poklesu σ σσ σ odezvy, rychlost vyrovnávací paměti ζ ζζ ζ (rov. 1), logaritmický pokles δ δδ δ (rov. 2) a také amplifikace Q píku (rov.3).
Excelový program připojený k MathCadu zpracoval data z kolektoru. Odezva akcelerometru založená na čase byla přečtena z listu Excelu a přenesena do listu MathCad, ve kterém byly použity Fourierovy (FFT) a Hilbertovy transformace pro generování funkce spektra a prostorového zvuku. Výsledky vrácené do listu Excel pomohly identifikovat a vypočítat fn σ σσ σ, ζ ζζ ζ, δ δδ δ a Q. Odebírání a zpracování dat popsané výše byly několikrát opakovány na třech ze šesti lopatek dmychadla.
Obrázek 7 ukazuje spektrum odezvy na náraz až do rozsahu 1,000 57 Hz. Osa úsečky je frekvence v Hz a osa na svislé ose je odezva akcelerometru ve voltech. V něm jsou pozorovány vrcholy odpovídající vlastním frekvencím, přičemž jeden vyniká při 100 Hz. Další spektrum do 8 Hz, obrázek 56.5, prozrazuje, že skutečně existují dvě vlastní frekvence blízké 58.0 a XNUMX Hz.
Ačkoli jsou pro identifikaci módu (laterálního, torzního, úhlového, smíšeného atd.) spojeného s každým vrcholem vyžadovány vlastní vektory, má se za to, že jeden z nich je první boční mód a druhý je první úhlový, jak je vidět na obrázku 9. .
Převládající výška ve srovnání s výpletem a tloušťkou čepele ji činí velmi flexibilní v bočním i úhlovém směru a na vybuzení obou režimů úderem do hrotu je potřeba jen málo energie. Vrchol při 60 Hz zobrazený na obrázku 8 je elektromagnetického původu a neměl by souviset s mechanickou charakteristikou systému. Jak jsme uvedli dříve, s časovou odezvou byly získány σ σσ σ, ζ ζζ ζ, δ δδ δ a Q. Výpočet σ σσ σ, jednoduchého, pokud jde o jednu vlastní frekvenci, se zkomplikoval kvůli existenci okolních vlastních frekvencí (56.5 a 58.0 Hz) a špičce na 60 Hz. Obrázek 6 ukazuje modulační zdroj, který tuto skutečnost vytváří na přechodové odezvě a okolí. Navzdory tomu byla mezi 1.5 a 2.25 sekundy pozorována malá modulace a úprava σ σσ σ minimálními čtverci byla omezena na tento segment okolí, obrázek 10.
Tabulky 1 a 2 shrnují statické vlastní frekvence a výsledky z nárazových zkoušek. Očekává se, že hodnoty σ σσ σ, ζ ζζ ζ a δ δδ δ se zvýší a hodnoty Q se sníží v rotujícím dmychadle v důsledku nárůstu odporových sil ve spoji lopatka-krychle a přidání tlumení z cirkulujícího vzduchu. mezi lopatkami.
Zdroje buzení a šířka pásma
Tabulka 3 shrnuje zdroje buzení, šířku pásma a režimy vibrací běžně zvažované výrobci, normami a nezávislými konzultanty. V tomto případě byly uvažovány čtyři první řády rychlosti otáčení rotoru (1X, 2X, 3X y 4X) a dva první řády frekvence lopatkového průchodu (1VPF y 2VPF) a frekvence lopatkového průchodu (1BPF y 2BPF) také. Ne všechny citované zdroje uvažují frekvenci průchodu lopatek relevantní ve snaze lopatek rotoru. Ventilátor z této analýzy má ve svém rotoru šest (6) lopatek. A devět (9) statických lopatek, které narovnávají tok. Frekvence průchodu lopatek a lopatky odpovídají 6X, 9X, 12X a 18X rychlosti otáčení rotoru. Interferenční pásmo, typicky zvolené mezi ±10 % a ±20 % kolem rozsahu provozních otáček rotoru, bylo pevně stanoveno v ±10 %. V tomto konkrétním případě se ventilátor otáčí rychlostí 900 nebo 1,800 XNUMX ot./min., v závislosti na průtoku plynu procházejícím flérou.
Diagram Campbell nebo rušení
Znázorněno na obrázku 11. Osa úseček ukazuje rychlost otáčení motoru v Hz, pořadnice, vlastní frekvenci lopatek v Hz; vodorovné čáry odpovídající vlastním frekvencím lopatek zjištěným při nárazových zkouškách; úhlopříčky od počátku představují zdroje buzení a zóny mezi vertikálními přerušovanými čarami odpovídají interferenčním pásmům obklopujícím provozní rychlosti ze soustrojí ventilátor-motor.
Je vidět, že pro obě provozní rychlosti existují potenciální rezonanční body (uvnitř kruhů a trojúhelníků). Ty, které zahrnují vlastní frekvence a nízké řády buzení, vyžadují zvláštní pozornost, protože se snadno vybudí a jejich vibrační režimy značně zesilují úsilí. Podle toho nebyla žádná z interferencí s trojúhelníkem považována za vysoce rizikovou, kromě té v červeném kruhu, která zahrnuje první režim bočních vibrací a 2X harmonické z rotace otáček rotoru. Tento režim, podobný tyči v konzole (obrázek 9), vyvolává velké úsilí v základně čepele, přesně tam, kde došlo ke zlomenině. Zesilovací faktory z tabulky 2 nám také říkají, že tento režim při rezonanci zvyšuje úsilí ze 150 na 350krát.
Závěry
- Podle předložených důkazů a výsledků lze usoudit, že selhání na první lopatkě bylo způsobeno mechanismem vysokocyklové únavy. Vysoké úsilí pocházelo z provozu v rezonanci prvního režimu bočních vibrací spolu s tavnými chybami, které fungovaly jako koncentrátory úsilí. První čepel, zlomená únavou, narazila a nakonec zlomila zbytek čepelí.
- Lopatky dmychadla vykazovaly mikrostrukturální vady jako pórovitost s dendritickými obaly a sekundární mikrotrhlinky (poréznost smršťování), vzniklé smršťováním nebo smršťováním mikrostruktury v důsledku neúplného roztavení a náhlého ochlazení během výroby. Tento druh nedostatků funguje jako koncentrační body úsilí, které nějakým způsobem představují výchozí bod selhání.
Doporučení
- Informujte výrobce o výsledcích analýzy, aby bylo možné proces tavení zlepšit. Vyžádejte si také informace potřebné k auditu aktuálního návrhu čepele a určení, zda je nutná nějaká úprava. Informace, které jsou obvykle vyžadovány, jsou zahrnuty k provedení auditu návrhu.
- Je-li vyžadována jakákoliv změna, proveďte audit nového návrhu navrženého výrobcem, abyste zaručili, že bude bez nových rezonancí.
- Proveďte rázové testy nových čepelí po jejich výrobě, abyste zaručili, že tolerance při jejich výrobě a montáži výrazně nezměnily přirozené frekvence konstrukce.
Příloha – Audit informačního designu
Informace obvykle požadované od výrobců pro audit konstrukce lopatek zahrnují:
- Vlastní frekvence (teorie a míry) lopatek pro první boční, axiální, torzní a kombinovaný mód. Naměřené hodnoty by měly být s lopatkami namontovanými na ventilátoru, aby se vzaly v úvahu vlivy na konstrukci, kloub nosné kostky a lopatky atd.
- Pokud byly vlastní frekvence od posledního bodu měřeny s ventilátorem bez otáčení, pak by měl být indikován nárůst těchto frekvencí vlivem ztužujícího účinku v důsledku rychlosti otáčení.
- Diagram Campbell nebo rušení. Musí ukazovat křivky vlastních frekvencí a čáry možného buzení. Jako budicí linky by měly být zahrnuty následující: 1X, 2X, 3X a 4X z rychlosti otáčení ventilátoru; 1X, 2X, 3X a 4X z rychlosti otáčení motoru, 1X a 2X z frekvence směrového statického průchodu lopatek 1X a 2X překážek nebo konstrukčních podpěr blokujících volné proudění vzduchu ventilátorem.
- V případě rušivých bodů v pásmu +/- 5 % kolem rozsahu provozních otáček ventilátoru, včetně analýzy námahy a Soderbergových diagramů pro odhad únavy.
- Hodnoty přirozených frekvencí a úsilí při rezonanci získané pomocí konečných prvků (FEA) jsou přijatelné pouze tehdy, pokud byly předpovědi z modelu FEA kalibrovány nárazovými testy (modální analýza) pro statické nebo „nerotační“ podmínky.
Autoři:
Luis Barreto Acuña
Enrique J. González
1 Comment
Eduardo Vidal Lugo dne 09 a las
Excelente artícul0o por la fundamentación de la ingeniería en themas de propiedades de materiales y analisis de vibraciones, si se me permite la
sugerencia,solo añadiría una metodología practica para monitoreo en campo, de forma que los profesionales de mantenimiento, puedan identificar fallas incipientes . Muchas gracias por el esfuerzo de difundir el profesionalismo en el área de mantenimiento Responder
Odeslat komentář Zrušit odpověď
Próximos cursos en línea
Existuje mnoho procesů, které vyžadují nízkotlaký vzduch v průmyslových a komerčních aplikacích. Aby bylo možné tyto procesy provádět hospodárně, staly se regenerativní komerční dmychadla v GA široce používaným zdrojem nízkotlakého vzduchu.
Dmychadla se typicky používají pro malé vzduchové kapacity při vyšších tlacích, které jsou mimo výkonnostní rozsah odstředivých dmychadel. Regenerační dmychadla fungují podle zákonů kompresoru, na rozdíl od zákonů ventilátoru.
Podle zákonů o kompresorech vedou skoky v úrovních tlaku nebo vakua často k vyššímu pracovnímu zatížení a větší produkci tepla. Se zvýšeným tlakem nebo vakuem se objemová schopnost těchto dmychadel snižuje.
To je v rozporu s odstředivými dmychadly pracujícími na principu ventilátoru, kde větší objemy zvyšují pracovní zatížení, a když se zvyšují úrovně tlaku nebo vakua, objem se snižuje a pracovní zatížení a tepelné zatížení se snižují. Z tohoto důvodu jsou pro ochranu regeneračních dmychadel vyžadovány různé ochrany.
Jaké jsou hlavní faktory, které mohou způsobit selhání komerčních ventilátorů v GA?
Mnoho faktorů může způsobit selhání regeneračních dmychadel. Obecně jsou nejčastějšími důvody nadměrná teplota, příjem cizích látek nebo nevhodné prostředí. Pro každou z těchto podmínek může existovat řada instalačních nebo provozních problémů, které k situaci přispívají.
Porucha ložiska: Ložiska, která se používají v komerčních dmychadlech v GA, jsou typicky zapouzdřená kuličková ložiska, která využívají vysokoteplotní mazivo. Po letech provozu bude potřeba vyměnit ložiska z důvodu běžného opotřebení. Předčasné poškození ložisek může být způsobeno přehřátím pracovních podmínek.
Absorpce cizích látek: To je obvykle výsledkem špatné filtrace na vstupu dmychadla. Regenerační dmychadla lze použít buď pro tlakovou nebo vakuovou službu, takže existují dva různé styly ochrany sání.
Pro vakuový provoz je nezbytný in-line filtr, který zajistí, že cizí látky z procesu nemohou vniknout do dmychadla. Vzhledem k tomu, že normální vakuové aplikace zahrnují sběr prachu nebo dopravu materiálu, je důležité, aby tato ochrana byla součástí instalace. Pro tlakové funkce je nutný filtr sání vzduchu. Mohou být ve formě buď filtru automobilového typu kartuše nebo drátěného síta.
Funkce mimo hranice výkonu: Při zvažování komerčních dmychadel v GA pro konkrétní aplikaci – tlakovou nebo vakuovou – musí být požadavky v rámci výkonnostních schopností dmychadla.
Jednou z vlastností regeneračních dmychadel je, že vzduch procházející dmychadlem jej ochlazuje. Když je dmychadlo provozováno při nadměrném tlaku nebo podtlaku, s nedostatečným prouděním vzduchu, dojde k vyšším provozním teplotám a může dojít k předčasnému selhání ložisek.
Ekologické předpoklady: Aplikace, ve kterých okolní vzduch obsahuje nekompatibilní chemikálie, vysoké hladiny soli nebo extrémní vlhkost, mohou vést k poškození dmychadla. Jsou-li v prostředí přítomny méně běžné plynné chemikálie, je třeba před instalací zkontrolovat tabulku kompatibility chemikálií/materiálu.
Vibrace: Regenerační dmychadla lze namontovat pouze ve dvou polohách. Nejběžnější je horizontální poloha a druhá je vertikální s oběžným kolem dolů. Montáž v různé míře z těchto poloh může způsobit namáhání ložiska a/nebo vibrace.
Dmychadla mohou podávat ideální výkon, pokud jsou správně udržována a chráněna před jakoukoli provozní poruchou. Technická podpora a informace jsou cenným přínosem pro každého, kdo navrhuje/instaluje systém regeneračního dmychadla.
Můžete se na nás spolehnout, že vám pomůžeme zajistit, že splníte všechny nezbytné požadavky na spolehlivá a správná komerční dmychadla v GA. Zavolejte nám ještě dnes a promluvte si s jedním z našich odborníků!
