A rezgéskapcsolók telepítése egyszerű, de - talán ebből fakadóan - nem mindig szakszerűRezgéskapcsolók - kiválasztás, telepítés, beállítás

A rezgéskapcsolók egyszerű szerkezeteknek tűnnek, telepítésük, beállításuk sem tartozik a bonyolult műszaki feladatok közé - gondolhatnánk. Azonban a megfelelő gépvédelem kialakításához ismerni kell a védendő gép rezgésjellemzőit, figyelembe kell venni üzemi viszonyait, melyek alapján kell kiválasztani az alkalmazásnak megfelelő rezgéskapcsolót, annak telepítési helyét, ügyelve a megfelelő rögzítésre és a helyes beállításra.

A rezgéskapcsolók kiválasztásának szempontjai

A rezgéskapcsolók, bár gépvédelemi funkciójuk szerint egyformának tekinthetők, számos változatban léteznek. A különböző kialakítások fő tényezői a környezeti hatásokkal szembeni ellenállóság, a rezgésérzékelési és a kiértékelési metódus, valamint a környezettel való kapcsolat, avagy az illesztés módja. A rezgéskapcsolók kiválasztásának elsődleges szempontjait is e tényezők határozzák meg, de nem kevésbé fontos jellemző a gép üzemelési jellege, felépítése, mérete, valamint az általa keltett rezgés mértéke és összetétele.
A gépvédelem kialakításához elsőként meg kell határozni, hogy a gép jelentősebb károsodás elleni védelmét, vagy a funkciójának megőrzését, illetve veszélyeztetésének idejében történő jelzését szükséges ellátni. Ezek a szempontok körvonalazzák, hogy milyen detektálásra és jelfeldolgozásra, azaz rezgéskapcsolóra vagy távadóra lesz szükség. Át kell gondolni, és lehetőség szerint mérésekkel ajánlott ellenőrizni, a valószínű, gépet vagy funkciót veszélyeztető hiba a gép mely pontján, milyen módon jelenik meg. Az elemzéssel meghatározható az telepítés ideális helye és a hiba észleléséhez szükséges eszköz jellege. A jelentős, durva hibák elhárítására kevésbé kifinomult, egyetlen határértékre kapcsoló gépvédelmi eszközök is megfelelőek lehetnek. Előjelzéshez már legalább két határértékre beállítható rezgéskapcsolót szükséges alkalmazni, vagy akár a rezgésszint trendelését biztosító távadó kimenettel (is) ellátott eszközt. Utóbbi határérték-figyelését a fogadó eszköz (pl. PLC) is végezheti, melyben ráadásul kifinomultabb riasztás-kezelés is kialakítható. Emellett meg kell említeni azokat ez elektronikus rezgéskapcsolókat, melyek nyers rezgésjel kimenettel is rendelkeznek. Ez jelentősen megkönnyítheti egy bejövő hiba feltárását, elemzését - különösen zárt, nehezen elérhető mérési helyek esetén. A gép technológiai folyamata, környezete, az általa szálított vagy feldolgozott közeg, anyag elsősorban az eszköz mechanikai kialakítását, védettségét fogja meghatározni.
 
Összefoglalva, a gépvédelmi eszköz kiválasztásához az alábbi tényezőket szükséges meghatározni:
  1. Gép vagy funkció védelmének ellátása szükséges? Ez meghatározza:
    • milyen detektálás, jelfeldolgozás szükséges (kapcsoló, távadó).
  2. A jellemző hiba mely elemen és milyen módon jelenik meg? Ez meghatározza:
    • a védelmi eszköz telepítés helyét, a telepítés helye pedig befolyásolja:
    • a védelmi eszköz méretét, mechnanikai kivitelét.
  3. Mi a károsodás folyamata? Ez 1 és 2-vel együtt meghatározza:
    • milyen paramétert, milyen módon kell figyelni, azaz egy- vagy kétszintű jelzés, vagy figyelés szükséges.
  4. Milyen következményei vannak a meghibásodás kiterjedésének? E meghatározza:
    • a beavatkozás jellegét, azaz egy- vagy kétszintű jelzés, vagy figyelés, előrejelzés szükséges.
  5. Milyen környezetben működik a gép és milyen anyagot szállít, kezel?
  6. Milyen szabályozással, vezérlőrendszerrel rendelkezik? Ez 5-tel együtt meghatározza:
    • az illesztés (elektromos, pneumatikus) jellegét,
    • a mechanikai kivitelt és a védettséget.

A rezgéskapcsolók elhelyezése, telepítése

A védendő gép típusa, mérete, geometriája és működési jellege nem csak a rezgéskapcsoló típusának megválasztását, de elhelyezését is meghatározza. Egy egyszerű forgógép, mint ventilátor vagy szivattyú védelme esetén - kialakítástól függően - általában a csapágyházon, vagy a géptest megfelelő részén ajánlott elhelyezni a rezgéskapcsolót. Az elhelyezés azonban egyúttal azt is meghatározza, milyen hiba vagy meghibásodás jelzésére lesz képes a telepített gépvédelmi eszköz. A csapágyházra szerelt rezgéskapcsoló - típustól függően - képes lehet például a kiegyensúlyozatlanság és a csapágyhiba egyidejű, egy eszközzel történő detektálására, míg a motortesten a csapágyhibák detektálására és jelzésére már kisebb lehetőség adódik.
Egy dugattyús kompresszor esetén különösen meg kell gondolni a gépvédelem funkcióját, hogy az csak a katasztrófális hiba bekövetkezése esetén, vagy már az ehhez a folyamathoz hozzájáruló egy-egy gépelem hibájának kialakulásakor akarunk védelmi jelzést kapni. Ennek függvényében akár több helyen, és akár különböző típusú rezgéskapcsoló, illetve távadó telepítésére lehet szükség.
 
Dugattyús kompresszor mozgásmodelljének részlete - a rezgéskapcsoló elhelyezését körültekintően kell meghatározni  
1. ábra Hathengeres kompresszor mozgásmodelljének részlete és a kompresszor.
 
A 1. ábrán megfigyelhető, hogy egy kompresszor egyes elemeinek mozgása, rezgése - és ami e képen nem látszik, rezgéseinek összetevői is - nagy különbségeket mutatnak. Hasonlóan nem elhanyagolható, hogy az egyes teljesítmény tartományokban a hengerek, szelepek, a keresztfej rezgései és kompresszor keret rezgései nem vagy csak alacsony korrelációt mutatnak. A szelepek hibái több tíz kilohertz, a keresztfej elemeinek kopása, játéka által keltett ütések több kilohertzes tartományban jelentkeznek. Ezek a rezgések a kompresszor kereten már nem detektálhatók, a kompresszor kereten elhelyezett rezgéskapcsoló már csak ezen elemek hibájából bekövetkező súlyosabb károsodásokra reagál. A különböző hibák elleni védelemhez tehát más-más eszközök alkalmasak, természetesen más-más helyen való felszereléssel. Nagymértékű hibák által okozott magas rezgésszintek a kompresszor kereten is megjelennek, azonban egyes esetekben már csak egy-egy elem, például dugattyú vagy keresztfej sérülése után. Ezek a meghibásodások is kiküszöbölhetők azonban például kopogásdetektorok alkalmazásával a keresztfejen és/vagy a hengeren elhelyezve.
A rezgéskapcsolók elhelyezésére az egyes gyártók általános érvényű ajánlásokat tesznek. A fenti példa alapján is megállapítható, hogy az általánosításhoz képest - amennyiben valóban a biztonság a cél - ajánlott a gépvédelmi eszköz ideális helyét rezgésmérés alapján megállapítani.
 
Rezgéskapcsoló szokásos elhelyezése dugattyús kompresszoron
2. ábra Rezgéskapcsoló elhelyezése kompresszor kereten. Elsődleges hibák elhárításához nem nyújt megfelelő védelmet.

A rezgéskapcsolók különböző hibák elleni védelemre

A rezgéskapcsolók általános értelmezés szerint egy rezgésszint elérését jelzik valamilyen kapcsoló kimeneten. Méréstechnikai szempontból azonban nem mindegy, milyen típusú hiba ellen szükséges védelmet kialakítani. Az egyes hibák ugyanis különböző frekvencia-tartományokban és erőséggel jelentkezhetnek. Az egyik leggyakoribb hiba, a kiegyensúlyozatlanság a gép fordulatszámán - általában 10-50 Hz tartományban - jelentkezik, mely rezgéssebességben detektálható jól, míg a csapágyak károsodásának figyelésére a magasabb - 1-4 kHz - frekvenciákon mért rezgésgyorsulás mérése alkalmasabb.
A mechanikus rezgéskapcsolók a rezgésgyorsulás egy beállított szintje szerint kapcsolnak, ezen belül a frekvencia szerinti érzékenységük nem egyenletes, valamint nem állítható. Az eredetileg dugattyús gépek védelmére megalkotott mechanikus rezgéskapcsolók a nagy energiájú rezgésgyorsulások detektálására alkalmasak, viszont felépítésükből adódóan magasabb frekvenciájú rezgésekre már kevésbé érzékenyek. Emiatt csapágyak védelmére kevésbé alkalmas, inkább csak közepes fordulaton működő gépeken bekövetkező nagyobb mértékű hibák elleni védelemre. Egy alacsony fordulatú, nagy átmérőjű és tömegű ventilátornál például kilogramos nagyságrendű lapát leszakadásnak, azaz durva hibának kell bekövetkeznie, hogy egy mechanikus rezgés(gyorsulás)kapcsoló aktiválódhasson. Alacsony fordulatú gépek esetén előnyösebb elektronikus rezgéskapcsoló vagy távadó, azon belül is inkább rezgéssebesség mérésére alkalmas eszköz választása. Ilyen eszközzel a kiegyensúlyozatlanság jobban felügyelhető; azonos ventilátor esetén alig egy dekagramos változás is több mm/s-os rezgéssebesség-válzozással jár, ugyanakkor a rezgésgyorsulás mértéke mindössze egy század g-s tartományban marad. Még elektronikus eszközzel is nehézkes megbízható gépvédelem kialakítása ilyen alacsony rezgésgyorsulás szintek mellett, egy mechanikus rezgéskapcsoló 0,5 g körüli érzékenységi küszöbe viszont eleve kétségessé teszi megfelelő működését.
Normál fordulatú, nagyobb teljesítményű szivattyú esetén már megfelelő lehet a mechanikus rezgéskapcsoló alkalmazása, amennyiben kiegyensúlyozatlanság helyett a magasabb, lapátfrekvencián jelentkező hiba alapján szükséges a gépvédelem kialakítása. Például egy 3000 1/min fordulatú, 7 lapátos járókerekű szivattyúnál keletkező 4,5 mm/s-os rezgésszint már a vonatkozó szabvány szerint elég ok a hiba okának feltárására, illetve intézkedésre. Ilyen szintű rezgéssebesség a 350 Hz-es lapátfrekvencián hozzávetőleg 1 g-s gyorsulást jelent, ami már mechanikus rezgéskapcsolóval is megfelelően feldolgozható. Ugyanekkora, 4,5 mm/s-os rezgésszint viszont az alapfordulati 50 Hz-es frekvencián már csak 0,14 g-nek felel meg (fordítva: e frekvencián 1 g-s rezgésgyorsulás 31 mm/s-os (!) rezgéssebességet jelent), azaz a még súlyos kiegyensúlyozatlansági hibára sem reagál a rezgéskapcsoló, hiszen a beállított határértéket a lapátfrekvenciából származó rezgés fogja meghatározni. Meg kell jegyezni, hogy jóhiszeműen feltételeztük ez esetben a rezgéskapcsoló frekvencia szerint egyenletes érzékenységét - amely viszont mechanikus rezgéskapcsolóra nem érvényes, főleg átgondolatlan rögzítés esetén.
  

Rezgéskapcsoló rögzítése szivattyú csapágyházán - sajátos konstrukció

3. ábra Elektromechanikus rezgéskapcsoló szivattyú csapágyházán. A sajátos rögzítés bizonytalan jelzést, rezonancia miatt akár hamis riasztást is adhat. Ez esetben védelmi funkcióra elektronikus, rezgéssebesség-mérés alapú rezgéskapcsoló alkalmasabb lenne - természetesen megfelelő rögzítés mellett. 

A rezgéskapcsoló rögzítése

A rezgéskapcsolók - mint kinematikusan csatolt érzékelő elem - helyes rögzítése a megfelelő védelem ellátása szempontjából alapvető kritériumok közé tartozik. Egy helytelen, lazán csatolt szerkezet a rezgéskapcsoló működési frekvencia-tartományában akár több zavaró rezonancia-frekvenciával is bírhat.
A megfelelő rögítést befolyásoló jelentős tényező a védendő gép és a rezgéskapcsoló méreteinek viszonya. Nagy méretű gépen általában könnyebben elhelyezhetők a nagyobb tokozású, robusztus rezgéskapcsolók is. A gépek kis mérete viszont némi hátrányt jelent hasonló méretű gépvédelmi eszközök alkalmazásában. A határozott rögzítés biztosítása feltétlenül prioritást kell jelentsen a védelmi eszköz kiválasztása során, ugyanis alapvetően meghatározhatja az eszköz működőképességét. Emellett a bizonytalan szerelés a védelmi eszköz sérülését is okozhatja, adott esetben ez viszont már súlyosabb következményekkel járhat - modjuk egy robbanásveszélyes területen. 
 
A megfelelő rögzítéshez tehát:
  • megfelelő méretű rezgéskapcsolókat, -távadókat kell választani,
  • biztosítani kell megfelelő kialakítású, merev csatolást és
  • a mechanikai feszültségektől mentes szerelést, nem utolsó sorban
  • a hiba detektálására alkalmas helyen és irányban kell megtenni a rögzítést.
 
Rezgéskapcsoló sajátos rögzítése szivattyú csapágyházán   Rezgéskapcsoló - repedt ház helytelen rögzítés miatt
4. ábra Csapágyházra szerelt elektromechanikus rezgéskapcsoló. Helytelen rögzítéssel nem csak a ház sérül, hanem ezáltal a készülék védettsége - ez robbanásveszélyes alkalmazásokban potenciális veszélyforrás.

Rezgésérzékelés, jelfeldolgozás, kimenet

A hagyományos mechanikus rezgéskapcsolók rezgésgyorsulásra érzékenyek, érzékenységük beállítása ennek a paraméternek megfelelő, általában a földi gyorsulás egységében skálázva. Kimenete alkalmazástól függően általában elektromos vagy pneumatikus. Előbbi általános, egyszerű illesztést jelent, akár közvetlen védelmi körben is alkalmazható elektromos bekötéssel. A pneumatikus rezgéskapcsolók jellemzően robbanásveszélyes alkalmazásokban terjedtek el, a korszerű elektromos eszközök viszont e területen is megfelelő alternatívát jelenthetnek. A mechanikus rezgéskapcsolók szinte mindegyike rendelkezik helyi alaphelyzetbe állítási lehetőséggel. A távoli resetelést ritkábban elektromos, gyakrabban pneumatikus rezgéskapcsolókon alkalmazzák.
Az elektronikus rezgéskapcsolók számos előnnyel bírnak a mechanikus rezgéskapcsolókhoz képest. Az érzékelő elem ezekben az eszközökben általában piezoelektromos rezgésérzékelő, melynek köszönhetően jól specifikálható frekvencia-tartomány, linearitás, átvitel jellemzi a rezgésmérést. A rezgésszintre vonatkozó határérték beállítása alapvető funkció, a mechanikus eszközhöz képest lényeges különbség a pontosság, és a beállítási tartomány mértéke. Elektronikus eszközökkel könnyedén megvalósíthatók különböző időzítési, késleltetési funkciók, melyek a berendezés indítási vagy terhelés-váltási szakaszaiban hasznosak a hamis riasztások, leállítások elkerülésére.
Az elektromos rezgéskapcsolók tipikusan 1-2 relé, vagy triak kimenettel rendelkeznek, melyeken túl egyes típusok rendelkeznek 4-20 mA rezgésszint-távadó kimenettel, vagy akár a nyers rezgésjel is elérhető valamely kimenetén. Ilyen eszközökkel egyszerre alakítható ki közvetlen, gyors és biztos beavatkozású gépvédelem, valamint eljelzésre, diagnosztikára is alkalmas állapotfigyelő funkció.
Forgógép jellegzetes üzemállapotai és rezgésszintváltozása
5. ábra Forgógép jellegzetes üzemállapotai és rezgésszintjének alakulása rezgéskapcsoló beállításának szemszögéből

Mechanikai kivitel  

A rezgéskapcsolók kivitel szempontjából lehetnek kompakt vagy moduláris felépítésűek. Előbbiek többnyire egyszerűbb szerelhetőséget, kevesebb illesztést, kábelezést, beállítást, jelentenek és mindezek következtében kevesebb hibalehetőséget rejtenek magukban, míg utóbbiaknál esetleg lehetőség van speciálisabb beállításra, többféle szempont szerinti riasztásra. Emellett - elektronikus rezgéskapcsoló esetén - a külső feldolgozó elektronikával szemben, a terepi alkalmazáshoz képest enyhébb követelményekkel - bár nem biztos, hogy alacsonyabb költséggel - lehet számolni.
Robusztus kivitelű, kompakt rezgéskapcsoló                Moduláris felépítésű, külső érzékelős elektronikus rezgéskapcsoló
6. ábra Kompakt, robusztus [1] és moduláris, külső érzékelős rezgéskapcsoló [2]
 
Legtöbb alkalmazásban robusztus kialakítású, viszonylag nagy méretű és tömegű rezgéskapcsolókat lehet fellelni. Az általánosan elterjedt kivitel egyrészt a régebbi telepítésű rezgéskapcsolók használatából, illetve ehhez köthető "bevált" eszközök hagyományszerű fenntartásából adódhat, másrészt a valóban szükségszerű, mostoha körülményekkel szembeni ellenálló kialakításból, ahol - sajnos - néha az ember is mint potenciális veszélyforrás jelenik meg. Ahogy például "a klasszikus tervezési iskola szerint" a csövek várható minimális igénybevételét is a gépkezelők tömegéhez igazítjuk, nem árt ezt az óvatos alapelvet megfontolni a rezgéskapcsoló mechanikai kivitelét illetően is. A rezgéskapcsoló elhelyezésének függvényében számolni kell tehát minden egyéb környezeti behatással, amelyek nem csak normál üzem mellett fordulhatnak elő, hanem akár javítás, karbantartás során. Mindezen behatások ellen tehát magát a rezgéskapcsolót is szükséges esetenként biztosítani.

A rezgéskapcsoló beállítása

A mechanikus rezgéskapcsolók laborban történő kalibrálása ugyan megoldható, ennek ellenére üzemi beállításban kevésbé van jelentősége. A rezgéskapcsolók beállítása többnyire helyszínen történik, jobbára egyszerű "csavarhúzós módszerrel". Ezzel az eljárással viszonylag durva határérték-állítás valósítható meg, azonban igazán nem a határértéket, hanem az aktuális rezgésszintet alapul véve. A kapcsolási pozíció megállapítása után a határértéket egyszerűen "feltekerik", a valóban beállított kapcsolási érték ellenőrzésére viszont így nincsen mód.
Az elektronikus rezgéskapcsolók kalibrálása lényegesen pontosabb eredményt biztosít. Beállításuk történhet szintén laborban a gépre például gépkönyvben előírt vagy más műszerrel a helyszínen megállapított értékre. Elektronikusan programozható rezgéskapcsolók határértékei a helyszínen is pontosan beállíthatók, akár az eszköz által mért érték alapján meghatrozhatók.
Amennyiben a védendő gép üzeme változó terhelésű, illetve sebességű vagy hosszú indulási és/vagy leállási idővel, tartománnyal rendelkezik, ajánlott általános rezgéselemzést valamint rezonancia teszteket végezni a beállítás előtt hibás jelzések elkerüléséhez.

 


Irodalom

1. Vibration switch – SS20, Murphy
2. Vibration switch – VM90a, IMV