دانلود تحقیق ماشین های دوار در کارخانجات بزرگ

ماشین های دوار در کارخانجات بزرگ

فصل اول :

مقدمه

 بسیاری از تجهیزات حساس وکلیدی در کارخانجات و به خصوص صنایع بزرگ را ماشینهای دوار تشکیل می‌ دهند و نابالانسی جرمی قسمتهای متحرک این تجهیزات یکی از مشکلات تکراری و مهم آنها است . بسیاری از روتورها در معرض تغییر دائمی شرایط بالانس قرار دارند . این تغییرات معمولاً به دلیل سایش در اثر برخورد مواد ساینده ، چسبیدن برخی مواد مانند گرد و غبار ، رسوب مواد ، تغییرات حرارتی در ماشین ، تغییرات پروسه کاری و غیره رخ می‌ دهند . بروز مسایل فوق باعث بالا رفتن ارتعاشات ماشین شده و در نتیجه موجب کاهش عمر قطعات و خرابی المانهای ماشین می‌گردد.

 افزایش ارتعاشات می‌تواند به حدی برسد که کارکرد ماشین را غیر ممکن نموده و توقف ماشین را اجتناب ناپذیر نماید . در چنین شرایطی یک راه حل قدیمی یعنی بالانس در محل نصب چاره ساز می‌باشد . در این روش توسط دستگاه‌ های آنالیز ارتعاشات از ماشین اندازه‌گیری ارتعاشی به عمل می آید و دامنه و فاز ارتعاشات اندازه‌گیری می شود . سپس براساس دستورالعمل مشخصی با چندین مرحله راه‌اندازی و توقف تجهیز و اتصال وزنه‌ های بالانس کننده آزمایشی و تکرار اندازه‌گیری‌ها نهایتاً روتور به شرایط بالانس جرمی رسیده و عملیات بالانس به پایان می‌رسد و تجهیز مجدداً راه‌اندازی می‌گردد . این پروسه در شرایط مختلف معمولاً بین چند ساعت تا چند روز به طول می‌انجامد .

چکیده

 ارتعاشات ماشین‌های دوار یکی از مسایل مهم مهندسی محسوب می‌گ ردد . نابالانسی روتور به عنوان عمومی‌ترین منبع ایجاد ارتعاشات ، رایج‌ترین مشکل سیستمهای دوار می‌باشد . افزایش دائمی نابالانسی در بسیاری از تجهیزات صنعتی مانند فنها ،‌ توربین‌ها ، پمبها ، کمپرسورها و ... عموماً موجب توقف تولید گردیده و خسارات سنگینی به صنایع وارد می‌کند . امروزه بالانس اتوماتیک ماشینهای دوار به عنوان یکی از جدیدترین و بهترین راه ‌حلها مورد توجه مجامع علمی و صنعتی قرار دارد . در این پروژه بالانس اتوماتیک ماشینهای دوار مورد بررسی قرار گرفته است .

ابتدا روشهای مختلف بالانس اتوماتیک و کنترل ارتعاشات شناسایی و دسته‌بندی شده است .به طور کلی روشهای بالانس اتوماتیک به دو دسته فعال و غیر فعال تقسیم می‌گردد. در روشهای غیر فعال بالانس رینگ و گلوله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و معادلات دینامیکی حاکم بر این سیستم ، شرط جواب دهی و نقاط تعادل آن بررسی شده است .

 سیستمهای بالانس فعال نیز به دو دسته تقسیم گردیده‌ اند . دسته اول سیسمتهای کنترل مستقیم ارتعاشات می‌باشند که قادرند از طریق عملگرهای مغناطیسی ، نیروهای کنترلی مناسبی برای کنترل ارتعاشات روتور به آن اعمال کنند . دسته دوم ابزارهایی هستند که با جابجا کردن وزنه‌های تصحیح ،‌ روتور را بصورت اتوماتیک و کنترل شده بالانس می‌نمایند .

 به طور کلی سیستمهای جابجا کننده‌ی وزنه به سه دسته‌ی هدهای دکارتی ، قطبی و جابجایی مایع تقسیم می‌شوند . در این پروژه در ضمن معرفی این سه دسته ، معادلات حاکم ارائه شده ونمونه‌هایی از هر یک معرفی شده است . روشهای کنترل سیستم بالانس اتوماتیک به دو دسته ، « جابجایی بهینه » و « جابجایی مشخص » تقسیم شده و هر یک برای روتورهای جفکات و روتور صلب با در نظر گرفتن اثرات ژیروسکوپی و برای روتورهای انعطاف پذیر ، شرح داده شده است .

بالانس اتوماتیک به روش مودال و ضرایب تأثیر نیز شرح داده شده و برای رفع معایب آنها یک الگوریتم بالانس اتوماتیک ترکیبی پیشنهاد شده است . در این روش ابتدا ماتریس ضرایب اثر از روی پارامترهای مودال محاسبه شده و این ماتریس برای شروع عملیات بالانس به کار می‌رود . حین جابجایی جرم ماتریس ضرایب اثر جدید محاسبه و برای تکمیل و عملیات بالانس به کار می‌رود .

بحث دینامیک روتورها عنوان مباحث مقدماتی برای تکمیل بحث و فهم چگونگی عملکرد سیستمهای بالانس اتوماتیک ارائه گردیده است . شبیه سازی عددی روشهای بالانس اتوماتیک براساس معادلات به دست آمده در این قسمت انجام شده است .

توقف ماشین و در نتیجه توقف خط تولید در اثر نابالانسی معمولاً خسارات سنگینی به کارخانجات وارد می آورد . یک راه حل مناسب برای این مساله استفاده از سیستمهای بالانس اتوماتیک می‌باشد . سیستمهای بالانس کننده فعال که ایده اولیه آن از سالهای پیش ارائه گردیده ، سیستمهایی هستند که قادرند یک ماشین دوار را در هنگام بروز نابالانسی ، بصورت خودکار و بدون نیاز به متوقف کردن تجهیز بالانس نمایند . این کار توسط جابجا شدن وزنه‌هایی که بطور دائمی به روی روتور نصب شده‌ اند صورت می‌گیرد . مهمترین مزیت این سیستمها عدم نیاز به متوقف کردن تجهیز برای عملیات بالانس می‌باشد .

1-1 روشهای بالانس اتوماتیک

تا کنون روشهای مختلفی در سیستمهای بالانس کننده اتوماتیک به کار گرفته شده است . از جمله می‌توان سیستمهای بالانس کننده اتوماتیک انفعالی[1] ، سیستمهای کنترل مستقیم ارتعاشات به صورت فعال[2] و سیستمهای فعال جابجا کننده وزنه[3] را نام برد . هر یک از این روشها کاربردهای خاص خود را داشته و این سیستمها هم اکنون در گستره وسیعی از المانهای دوار به کار می‌روند .

قدیمی‌ترین روش بالانس اتوماتیک استفاده از بالانس کننده‌های انفعالی است . محققین نشان داده‌‌اند که ارتعاشات ماشینهای دوار می‌تواند بوسیله یک سیستم بالانس غیر فعال کاهش یابد . سیستم غیر فعال ، بالانس کننده‌ای است که عملیات بالانس روتور را بدون نیاز به سیستم کنترل و یا محرک انجام می‌دهد .

برای کنترل فعال ارتعاشات در ماشنهای دوار دو تکنیک وجود دارد . تکنیک کنترل مستقیم ارتعاشات به صورت فعال (DAVC) که در آن بطور مستقیم یک نیروی عمود بر روتور اعمال می‌گردد یکی از این تکنیکها می‌باشد . در تکنیک دوم توزیع جرم روتور توسط ابزارهای خاص و با جا بجا کردن وزنه‌های تصحیح تنظیم می‌گردد.

 در روش کنترل مستقیم ارتعاشات ، نیروی اعمالی به روتور توسط ابزارهای ایجاد کننده نیرو نظیر بیرینگهای مغناطیسی تولید می‌گردد مزیت مهم تکنیکهای DAVC این است که نیروی اعمال شده به روتور می‌تواند خیلی سریع تغییر نماید . این مزیت باعث می‌شود که بوسیله این سیستم بتوان ارتعاشات ناشی از نابالانسی ، ارتعاشات ازاد گذرا و سایر ارتعاشات موجود در ماشین‌‌های دوار را بطور کلی حذف نمود . محدودیت این سیستم ، حداکثر نیرویی است که عملگرهای تولید کننده نیرو می‌توانند اعمال نمایند .

در سرعتهای دورانی بالا ، نیروی نابالانسی سیستم می‌تواند به سطح فوق‌العاده‌ بالایی برسد و بیشتر ابزارهای اعمال نیرو نمی‌توانند نیروی کافی را جهت خنثی کردن آن ایجاد نمایند . در این شرایط روشهای جابجا کننده وزنه مناسب خواهد بود. در این روش ابزار خاصی که دارای مرکز جرم قابل تغییر است ، بر روی روتور نصب می‌گردد .پس از آنکه ارتعاشات ماشین اندازه‌گیری و وجود نابالانسی تشخیص داده شد ، مرکز جرم این ابزار در جهت مخالف نابالانسی سیستم تغییر می‌نماید و به این ترتیب ارتعاشات ماشین دوار به واسطه حذف منبع ارتعاشات ، یعنی نابالانسی روتور ، از بین می‌رود .

برخلاف ابزارهای نیرویی ، ابزارهایی تغییر توزیع جرم قادرند نیروهای زیادی را ایجاد نمایند اما سرعت عمل آنها پایین است . همچنین این ابزارها قادر به از بین بردن ارتعاشات گذرا و ارتعاشات غیر هماهنگ ماشین که ناشی از عیوب دیگر هستند ، نمی‌باشند .

1-2- تاریخچه

در این پروژه علاوه بر سیستمهای بالانس اتوماتیک ، بحث دینامیک روتورها و بالانس غیر اتوماتیک ، به عنوان پیش زمینه بالانس اتوماتیک مورد توجه قرار گرفته است ، مدل ریاضی روتور و روش بالانس مناسب آن ، اساس هر تکنیک بالانس اتوماتیک می‌باشد. لذا جهت تکمیل بحث مروری بر تکنیکهای مدلسازی دینامیک ماشینهای دوار مناسب می‌باشد .

 تا کنون فعالیتهای علمی و تجربی فراوانی برای بررسی رفتار دینامیکی سیستمهای دوار صورت پذیرفته است . براین اساس مدلهای مختلفی با فرضهای مختلف ، براساس شرایط تکیه گاهی و اشکال مختلف روتور ، ارائه شده است . مدل صفحه‌ ای روتور ، ساده‌ترین مدل است . در این مدل حرکت تنها در صفحه‌ای که عمود بر شافت است ، مورد توجه قرار می‌گیرد . این مدل برای اولین بار توسط جفکات[4] در سال 1919 ارائه گردید و به نام خود او معروف می‌باشد .هر چند روتور صفحه‌ای یک مدل خیلی ساده شده است ، اما می‌تواند درک خوبی از مفاهیم پایه دینامیک روتورها نظیر سرعت بحرانی ، اثر استهلاک و .... ارائه میدهد .

 برای اینکه مدل ریاضی واقعی‌ تری از روتورهای صنعتی بدست آید لازم است روتور بصورت یک دیسک صلب که به کمک یک شافت الاستیک ( که خود بر روی بیرینگهای صلب نصب شده است ) حول یک محور ثابت دوران می‌کند ، فرض شود .

تفاوت اصلی این مدل با مدل جفکات این است که حرکت روتور به جای حرکت ذره‌ای بصورت حرکت جسم صلب بیان می‌گردد.این مدل می‌تواند مفاهیمی چون لنگ زنی مستقیم ومعکوس روتور تحت نیروی نابالانسی ، سرعتهای بحرانی ، اثر ژیروسکوپی و غیره را بیان نماید . تابعیت فرکانسی طبیعی نسبت به سرعت را می‌توان بوسیله این مدل پیش‌بینی نمود . شی وژو [5] در سال 2001 معادلات حاکم بر چنین روتوری را در فضای حالت ارائه نموده‌ اند . آنها معادلات را با فرض ثابت نبودن سرعت دورانی روتور بدست آوردند . اگر چه این مدل رفتار روتورهای صلب را به خوبی ارائه می‌کند لیکن برای روتورهای پیچیده و با سرعتهای بالا نیاز به مدل روتور انعطاف پذیر می‌باشد .

 مدلهای پیچیده روتور معمولاً شامل المانهای مختلفی نظیر دیسک ، بیرینگها ، شاف انعطاف پذیر ، واسطه‌ها[6]، مستهلک کننده‌ها[7] و ... هستند . برای مدلسازی این روتورها دو روش اجزا محدود و ماتریس انتقال ارائه شده است . رول و بوکر[8] در سال 1972 از یک مدل اجزاء محدود جهت استخراج مشخصات دینامیکی توربو روتورها استفاده کردند . در مدل آنها تنها خمش الاستیک و انرژی جنبشی انتقالی در نظر گرفته شده است .

 چند سال بعد دیمار گناس[9] مدل عمومی‌تری را ارائه داد که در آن اینرسی دورانی ، اثر ژیروسکوپی و استهلاک داخلی نیز در نظر گرفته شده بود . گش[10] در سال 1976 مدلی ارائه داد که از مدل دیمار گناس ساده‌تر بود اما شامل اثر توزیع خارج از مرکزی نیز بود. در پایان دهه هشتاد نلسون[11] مدل خود را که شامل اینرسی دورانی ، اثر ژیروسکوپی و نیروی محوری بود با در نظر گرفتن استهلاک داخلی و اثر تغییر شکل برشی ارائه داد .

روش مهم دیگری که در آنالیز دینامیکی روتورهای انعطاف پذیر به کار می‌رود روش ماتریس انتقال است . این روش برای روتورهای « زنجیره وار »[12] نسبتاً مناسب است . این روش در سال 1974 توسط لاند[13] برای بررسی ارتعاشات پیچشی روتور مورد استفاده قرار گرفت مزیت این روش این است که نیازی به ذخیره سازی آرایه‌های بزرگ ماتریسی نمی‌باشد . در روش ماتریس انتقال محاسبات با شرایط مرزی در یک طرف روتور شروع وبه سمت انتهای دیگر روتور ادامه می‌یابد .حل مربوطه باید در طول مسیر تمام شرایط مرزی را در کلیه نقاط مرزی ارضاء نماید . عیب این روش این است که توسعه مدل در دامنه زمانی و آنالیز غیر خطی نتایج مناسبی نخواهد داشت اگر چه کامار و سانکار[14] نشان دادند این کار غیر ممکن نمی‌باشد. به هر حال استفاده از این روش در سیستمهای بالانس فال مناسب نمی‌باشد .

 بحث دینامیک روتورهای با سرعت متغیر در گذشته کمتر مورد توجه قرار گرفته است . قدیمی‌ ترین مقالات در مورد پاسخ گذاری روتورها احتمالاً از لوئیس[15] می‌باشد . وی در سال 1932 با استفاده از یک روش گرافیکی ، پاسخی تقریبی برای مسأله حرکت ر وتور یک درجه آزادی و با استهلاک خطی از حالت سکون تا رسیدن به سرعت بحرانی ،‌ با شتاب ثابت ، بدست آورد .بعد از او شین[16] ، در سال 1972 از قوانین نیوتن برای بدست آوردن فرمول بندی ریاضی برای آنالیز دینامیکی روتورهای انعطاف پذیر ، در دو حالت پایدار و گذرا ، استفاده نمود آخرین تحقیقات در این زمینه توسط شی و ژو انجام شده که پاسخ تحلیلی برای یک روتور صفحه‌ای ، با سرعت متغیر و شتاب ثابت را در سال 2001 بدست آوردند .

 تا به حال فعالیتهای علمی و آزمایشگاهی فراوانی در مورد بالانس روتورها انجام شده و مقالات فراوانی در این زمینه در دسترس می‌باشد . روشهای مختلف بالانس را می‌توان از یک دیدگاه به صورت بالانس غیر اتوماتیک روتورهای صلب و انعطاف پذیر طبقه‌بندی نمود .

 روشهای بالانس غیر اتوماتیک روتورهای صلب در صنعت بسیار رایج است . دراین روش روتور بصورت صلب مدل میگردد و حین کار نمی‌تواند تغییر شکل الاستیک داشته باشد . وک[17] بیان می‌دارد که هر نابالانسی موجود در روتورهای صلب را می‌توان به کمک عملیات بالانس در دو صفحه از میان برد .

روشهای بالانس در روتورهای صلب به ‌آسانی انجام پذیراند اماتنها در روتورهای با سرعت پایین ، که فرض صلبیت اعتبار دارد ، قابل استفاده هستند . روتورهایی که دارای سرعت کارکردی بالاتر از 70% سرعت بحرانی خود می‌باشند ، جزء دسته‌بندی روتورهای انعطاف پذیر قرار می‌‌گیرند .روشهای بالانس روتورهای صلب قابل استفاده برای روتورهای انعطاف پذیر نیستند .

 برای بالانس روتورهای انعطاف پذیر سه روش پیشنهاد گردیده است . این سه روش عبارتند از : عملیات بالانس مودال ، روش ضرائب اثر و روشهای ترکیبی . در روش بالانس مودال ، هر مد ارتعاشی بوسیله تنظیم وزنه‌ها طوری بالانس می‌شود که بالانس مد قبلی از بین نرود . اولین تکنیک بالانس شبیه به این روش توسط گربل[18] در سال 1953 پیشنهاد داده شده و در سال 1972 بوسیله بای شاپ[19] مورد تجزیه و تحلیل تئوری و عملی قرار گرفت . دارلو[20] در سال 1989 بررسی‌های کاملی در مورد این روش ارائه داده است در این روش معمولاً از روندهای تحلیلی جهت انتخاب وزنه‌های تصحیح استفاده می‌شود و لذا یک مدل دینامیکی دقیق از روتور مورد نیاز خواهد بود . به همین دلیل معمولاً توسعه این روش برای الگوریتم‌های بالانس اتوماتیک مشکل بوده و از دقت کافی نیز برخوردار نمی‌باشند .

 برخلاف روش بالانس مودال ، ضرایب اثر یک روش تجربی است . این روش ا ب تدا در سال 1964 بوسیله گودمن[21] پیشنهاد شد و سپس در سال 1972 توسط لاند و تانسون[22] مورد بررسی قرار گرفت . بعد از آن تسارزیک[23] و دیگران این روش را اصلاح کردند در این روش ، میزان ارتعاشات هر بیرینگ در اثر ایجاد نابالانسی واحد در هر صفحه بدست می آید و نسبت این ارتعاشات به نابالانسی‌ها ، ماتریس ضرایب اثر را تشکیل خواهد داد . از معکوس این ماتریس می‌توان جهت محاسبه نابالانسی روتور بوسیله مقادیر اندازه‌گیری شده ارتعاشات بیرینگها استفاده نمود .

 روش ضرایب اثر یک روند کاملاً تجربی دارد و براحتی می‌توان آن را برای بالانس اتوماتیک به کار برد . لیکن عیب این روش این است که تعداد استارتهای آزمایشی زیادتری مورد نیاز خواهد بود . همچنین اگر سرعت کار روتور تغییر کند کلیه عملیات باید از ابتدا تکرار گردد زیرا ضرایب اثر به سرعت دوران روتور نیز وابسته هستند . استفاده از بالانس کننده‌ های اتوماتیک این عیب را مرتفع می‌نماید .

[1] . passive Automatic Balancer

[2] .Direct Active Vibration Control

[3] . Active Mass Redistribution Balancers

[4] .Jeffcott

[5] .Shi & Zhou

[6] .Couplings

[7] .Dampers

[8] .Ruhl & Booker

[9] .Dimargonas

[10] .Gasch

[11] .Nelson

[12] Chainlike

[13] .Lund

[14] .Kumar & Sankar

[15] .Lewis

[16] .Shen

[17] .Wowk

[18] .Grobel

[19] .Bishop

[20] .Darlow

[21] .Goodman

[22] . Lund & Tonneson

[23] .Tessarzik