Analysis of the bma k2400 vertical centrifuge turbine in terms of balancing and vibration diagnostics

ANALYSIS OF THE BMA K2400 VERTICAL CENTRIFUGE TURBINE IN TERMS OF BALANCING AND VIBRATION DIAGNOSTICS

АНАЛІЗ ВЕРТИКАЛЬНО -ЦЕНТРИФУГОВОЇ ТУРБИНИ BMA K2400 В УМОВАХ БАЛАНСУВАННЯ ТА ВІБРАЦІЙНОЇ ДІАГНОСТИКИ

Сторінки: 71-80. Номер: №3, 2021 (297)

Автори:
MIKOŁAJ SZYCA, JANUSZ MUSIAŁ
UTP University of Science and Technology, Bydgoszcz, Poland

МИКОЛАЙ  ШИЦА, ЯНУШ  МУСЯЛ
Науково -технічний університет UTP, Бидгощ, Польща

DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-297-3-71-80

Надійшла / Received :  22.05.2021 р
Надрукована/Printed : 02.07.2021 р.

Анотація англійською мовою

Physical damage to a material is a diffuse defect in the form of vacancies, microcracks, micro-voids or damaged micro-volumes, which reduce the effective or load-bearing part of the material.  Surface fatigue defects, such as deformation and cracks, occur in the bearing during the load transfer. Imbalance is a practical problem in the operation of many rotating machines, causing not only increased vibration of the machine, but also leading to accelerated wear of the rotor bearings. The subject of this work is the analysis of the dynamics of the BMA K2400 centrifuge in terms of the possibility of correcting the balance in the given dynamic state. The paper describes the individual stages of solving the problem of excessive machine vibrations, assuming that its bearings were replaced before the diagnostic test. As a result of the lack of effects after replacing the motor bearings and after analyzing the vibration measurement results presented in article, a decision was made to inspect the centrifuge bearings. The diagnostics was performed again, but it concerned only the bearing node No. 1 with the disassembled basket. The measurements were performed using the DIAMOND 401 AX device, equipped with Wilcoxon 780B acceleration sensors with a sensitivity of 100mV/g.  The appearance of a technological defect on the outer ring of the bearing, which is a friction pair with a housing, is not a typical damage for this type of machines and was an interesting problem. The consequence of the occurrence of bearing defects may be an increase in statistical values of the vibration signal and the appearance of new amplitudes in the FFT spectra. A vicious circle is created here, where bearings in poor dynamic condition increase the transmission of vibrations through the machine, and high vibrations accelerate the degradation of the bearings. The poor condition of rolling bearings may also prevent dynamic balancing of the rotor, and thus – lead to further propagation of bearing damage caused by an increased level of the machine’s own vibrations.

Розширена анотація українською мовою

Фізичні пошкодження матеріалу-це дифузний дефект у вигляді вакансій, мікротріщин, мікропустот або пошкоджених мікрооб’ємов, які зменшують ефективну або несучу частину матеріалу. Під час перенесення навантаження в підшипнику виникають дефекти поверхневої втоми, такі як деформація та тріщини. Дисбаланс є практичною проблемою в роботі багатьох обертових машин, що викликає не тільки підвищену вібрацію машини, але й призводить до прискореного зносу підшипників ротора. Предметом даної роботи є аналіз динаміки центрифуги BMA K2400 з точки зору можливості виправлення балансу в даному динамічному стані. У статті описано окремі етапи вирішення проблеми надмірної вібрації машини, припускаючи, що її підшипники були замінені перед діагностичним тестом. Внаслідок відсутності ефектів після заміни підшипників двигуна та після аналізу результатів вимірювань вібрації, представлених у статті, було прийнято рішення перевірити підшипники центрифуги. Діагностика була проведена знову, але це стосувалося лише несучого вузла No1 з розібраним кошиком. Вимірювання проводили за допомогою пристрою DIAMOND 401 AX, оснащеного датчиками прискорення Wilcoxon 780B. Поява технологічного дефекту на зовнішньому кільці підшипника, що являє собою пару тертя з корпусом, не є типовим пошкодженням для машин такого типу і являє собою цікаву проблему. Наслідком виникнення дефектів підшипників може бути збільшення статистичних значень сигналу вібрації та поява нових амплітуд у спектрах БПФ. Тут створюється замкнуте коло, де підшипники в поганому динамічному стані збільшують передачу вібрацій через машину, а високі коливання прискорюють деградацію підшипників. Поганий стан підшипників кочення також може перешкоджати динамічній збалансованості ротора, а отже – призвести до подальшого поширення пошкоджень підшипників, викликаних підвищеним рівнем власних вібрацій машини.

References

1. Dwojak J., Rzepiela M. „Diagnostyka drganiowa stanu maszyn i urządzeń” Biuro Gamma. Warszawa (2005). ISBN 83-87848-48-4.
2. Szyca M. „Aspects of transformation of exploitation top layer of rolling bearing race-way – rewiev” Developments in Mechanical Engineering 16(9), (2021), (not yet published).
3. Wenzhong W., Lang H., Sheng-guang Z., Zi-qiang Z., Siyuan A. “Modeling angular contact ball bearing without raceway control hypothesis” Mechanism and Machine Theory 82, (2014): pp. 154-172, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2014.08.006.
4. Khoroshun L., Shikula E. “Mesomechanics of deformation and short-term damage of linear elastic homogeneous and composite materials” International Applied Mechanics 43(6), (2007): pp. 591-620.
5. Majewski T., Szwedowicz D., Melo M., “Self-balancing system of the disk on an elastic shaft” Journal of Sound and Vibration 359, (2015), pp. 2-20. doi: 10.1016/j.jsv.2015.06.035.
6. Yamamoto G., da Costa C., da Silva Sousa, J. “A smart experimental setup for vibration measurement and imbalance fault detection in rotating machinery” Case Studies in Mechanical Systems and Signal Processing, 4, (2016), pp. 8-18. doi: 10.1016/j.csmssp.2016.07.001.
7. Le-Dinh T. “Active Balancing of Monorotor during Operation” Collection of papers from Prof. Nguyen-Dang Hung’s former students, (2010), pp. 218-228. ISBN-10: 3838326768.
8. Kejian J., Changsheng Z., Liangliang C. “Unbalance Compensation by Recursive Seeking Unbalance Mass Position in Active Magnetic Bearing-Rotor System” IEEE Transactions on Industrial Electronics, 62(9), (2015), pp. 5655-5664, doi: 10.1109/TIE.2015.2405893.
9. ISO 10816-3:2009/AMD 1:2017 Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts — Part 3: Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min when measured in situ — Amendment 1.
10. ISO 20816-1:2016 “Mechanical vibration – measurement and evaluation of machine vibration: Part 1: General guidelines.”
11. Sheraz A., Jong-Myon K. “Automated Bearing Fault Diagnosis Using 2D Analysis of Vibration Acceleration Signals under Variable Speed Conditions” Intelligent Fault Diagnosis Based on Vibration Signal Analysis 2016, (2016), pp. 1070-9622, doi: 10.1155/2016/8729572.
12. Pineda-Sanchez M., Perez-Cruz J., Roger-Folch J., Riera-Guasp M., Sapena-Bano A., Puche-Panadero R. “Diagnosis of induction motor faults using a DSP and advanced demodulation techniques” Proceedings of the 9th IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives (SDEMPED ’13), (2013), pp. 69–76. doi: 10.1109/DEMPED.2013.6645699.
13. Randall R., Antoni J. “Rolling element bearing diagnostics—A tutorial” Mechanical Systems and Signal Processing 25(2), (2011), pp. 485-520, doi: 10.1016/j.ymssp.2010.07.017.
14. ISO 21940-11:2016 “Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour”
15. Zachwieja J. „The numerical modeling of the vertical rotor dynamics on the example of ACWW1000 centrifuge” Diagnostyka 33, (2005), pp. 301-306.