تشخیص پمپ های خلاء پره چرخشی با استفاده از روش های تحلیل سیگنال و پردازش

تشخیص پمپ های خلاء پره چرخشی

با استفاده از روش های تحلیل سیگنال و پردازش

پاول لوج (Paweł ŁÓJ)

پژوهشکده مبانی طراحی ماشین آلات ، دانشکده مهندسی مکانیک,

دانشگاه فناوری سیلیزی ، ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice,

وجیچ هولوا (Wojciech CHOLEWA)

پژوهشکده مبانی طراحی ماشین آلات ، دانشکده مهندسی مکانیک,

دانشگاه فناوری سیلیزی ، ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice,

چکیده

پمپ­های خلاء پره­ چرخشی دستگاه­هایی هستند که به­ طورگسترده­ای درانواع صنایع استفاده می­شود. یک موتور الکتریکی سه فاز که یک منبع محرک معمول دراین گروه ازدستگاه­هاست، روتور را حرکت می­دهد، که به صورت خارج از مرکز درسیلندر قرارگرفته است. ترکیب این نحوه قرارگیری، بین سیلندر و روتور، با نیروی گریز از مرکز، پره‌ها را مجبور می‌کند که به بیرون رفته و به شکاف‌های تراش داده شده در روتور وارد شوند. درنتیجه افزایش و کاهش حجم بین پره­ها رخ می­دهد و باعث مکش هوا به داخل پمپ می­شود. به دلیل بهره­برداری نامناسب، احتمال آسیب مکانیکی به پره وجود دارد و درمواردی پره از شیارخود خارج شده که منجر به خرابی فاجعه باری می شود. این مقاله روش جدیدی برای تشخیص پره ها براساس مشاهده و تحلیل سیگنال فشار تولیدشده توسط پمپ خلاء پره­ای چرخشی ارائه می­شود.

1- مقدمه

خلاء درکارخانه­های صنعتی با استفاده از پمپ­های خلاء مخصوص طراحی شده، تولید می­شود. انواع مختلفی از آن­ها وجود دارد، اما پمپ­های خلاء چرخشی معمولا برای تولید، خلاء کم (حداکثر 1میلی­بار) و خلاء متوسط (حداکثر01. 0 میلی­بار) استفاده می­شوند. آن­ها را می­توان در صنایع مختلف مانند داروسازی، مواد غذایی، شیمیایی و یا حتی فرآوری پلاستیک یافت. همچنین درحمل­ونقل هوایی و درانواع عملیات نگهداری و جابجایی قطعات در حین تولیدِ آن استفاده می­شود [1-3].

گروه پمپ­های خلاء پره چرخشی را می­توان به دو دسته مجزا تقسیم کرد، خشک-جاری و روغن­کاری شده. پمپ­های خلاء چرخشی خشک-جاری، که به اصطلاح “خشک” نیز نامیده می­شوند، از پره­های گرافیتی استفاده می­کنند که خود­به­خود روغن­کاری می­شوند و می­توانند با رسیدن به ظرفیت 560 مترمکعب درساعت و حداکثر 100میلی­بار فشارکارکنند. درحالی­که روغن­کاری شده، به اصطلاح «مرطوب» نامیده می­شود، پمپ­های خلاء پره چرخشی می‌توانند با ظرفیت حتی بالاتر1600مترمکعب درساعت و حداکثر فشار پایین‌تر تا 0.1 میلی‌بارکار کنند. [2-4]. داده های فنی مدل­های پمپ انتخاب شده درجدول 1ارائه شده است.

_{جدول 1. داده های فنی پمپ های خلاء چرخشی روغن کاری شده منتخب تولید شده توسط شرکت BUSCH [2]}

این نوع پمپ­ها معمولا به همان شیوه ساخته می­شوند: موتورالکتریکی به طوردائم با واحد پمپ همراه است که به واحد جدا کننده غبار-روغن متصل شده است. یک عنصرمهم ازاین نوع دستگاه­ها، واحد پمپ است که از یک سیلندر، پره، روتور، روکش­های جانبی با تکیه­گاه­های بلبرینگ و همچنین دریچه­های ورودی وخروجی تشکیل شده است. اصل عملکرد پمپ های خلاء چرخشی در شکل 1A نشان داده شده است.

شکل 1. اصل عملکرد پمپ های خلاء چرخشی روغن­کاری شده(a) و نمای یک پره آسیب دیده (b) [1]

موتور­الکتریکی که توسط جریان سه فاز تامین می­شود، گشتاور تولید می­کند که ازطریق اتصال چنگک به روتور منتقل می­شود (با شکاف­های تراش داده شده برای پره­ها) و آن را درحرکت چرخشی قرار می­دهد [2-4].

چیدمان خارج از مرکز روتوردرسیلندر، درترکیب با نیروی گریز از مرکز، پره ها را مجبور به حرکت به سمت بیرون و داخل شکاف­ها می­کند، که باعث افزایش وکاهش منظم حجم بین پره­ها و منجربه مکش می­شود، تراکم نهایی هوا را به سمت واحد جداکننده غبار-روغن خارج می­کند. تجربه نشان می‌دهد که پمپ‌های خلاء پره‌ چرخشی که به‌درستی کار می‌کنند و سرویس می‌شوند، می‌توانند برای سال‌های زیادی بدون نشان دادن علائم ساییدگی قابل­توجهی کار­کنند [5، 6]. بااین­حال حتی درحین بهره­برداری معمولی، دراثر رویدادهای تصادفی مختلف، ممکن است آسیب هایی به پره ها وارد شود که درشکل 1B نشان داده شده است و حتی گاهی­اوقات درنتیجه آسیب آن، جابجایی کنترل نشده پره ها مانند بیرون افتادن از شکاف خودش رخ دهد. چنین شرایطی منجر به آسیب­های جدی می­شود که هزینه تعمیر آن مشابه قیمت دستگاه جدید است. نمونه­هایی از این آسیب ها درشکل2نشان داده شده است.

_{شکل 2. نمونه هایی از پمپ های آسیب دیده به دلیل خرابی پره [1]}

2- تشخیص پمپ های خلاء پره چرخشی

درحال حاضر، دو روش نگهداری عملکرد پمپ­های خلاء پره چرخشی وجود دارد. اولین مورد بازرسی و تعمیرات منظم درنظرگرفته می­شود، که فرکانس آن توسط سازنده تعریف می­شود- که اغلب منجر به هزینه های بیش از حد و توقف در تولید می­شود. روش دوم، تنها جایگزینی منظم جداکننده­های روغن و غبار-روغن و بهره برداری از دستگاه تا کاهش محسوس کیفیت خلاء تولید شده را درنظر می­گیرد. این کارآموزدگی به طور شهودی است و در صورت خرابی پمپ به صورت عملی بسیارخطرناک­تر است، اما گاهی اوقات، در برخی موارد خاص، امکان کاهش زمان ازکار افتادگی را فراهم می­کند. درهریک از سناریوهای توصیف شده، لازم است پمپ را خاموش کنید، آن را از سیستم خلاء جداکنید و آن را به یک شرکت خدمات خارجی منتقل­کنید. تا به امروز، هیچ روش تشخیصی برای شناسایی آسیب­های تدریجی بدون خاموش­کردن دستگاه شناخته نشده است.

روش تشخیصی جدید، مبتنی برثبت و تحلیل سیگنال فشار است که توسط پمپ خلاء پره‌ چرخشی تولید می‌شود. ویژگی این نوع پمپ ها محدودیت­هایی را در ساخت سیستم اندازه­گیری ایجاد می­کند. اولین محدودیت اصلی هزینه آن است. ظرفیت رایج­ترین پمپ­های خلاء پره­ چرخشی روغن­کاری شده 100مترمکعب درساعت است و قیمت این دستگاه حدود3500 یورو می­باشد. به همین دلیل، فرض براین بود که هزینه اجزای مورد استفاده برای ساخت سیستم اندازه‌گیری، نمی‌تواند بیشتر از5درصد ارزش دستگاه جدید از این نوع دستگاه باشد. دومین محدودیت اصلی، محل قرارگیری سنسور فشار است. این سنسور باید تا حد امکان نزدیک به سیلندر، در پشت فیلتر ورودی قرار گیرد تا تأثیر اینرسی و نشتی در سیستم خلاء را از بین ببرد و آن را از آسیب گازها، مایعات و ذرات جامد مکیده شده ناشی از فرآیند تکنولوژیکی محافظت کند. سومین و آخرین محدودیت مهم، الزام حرکت ضبط­کننده سیگنال است که به دلیل دامنه کاربرد موردنیاز و راحتی کاربر است.

مقدار فشار در ورودی پمپ، مستقیما در درگاه مکش، توسط سنسور فشار آنالوگ، متصل به پمپ، توسط شلنگ خلاء کوتاه اندازه گیری می­شود. سپس سیگنال با استفاده از یک فیلترکم عبور فیلتر می­شود و همراه با سیگنال توصیف موقعیت زاویه­ای روتور، به میکروکامپیوتر Raspberry Pi با یک مبدل آنالوگ-دیجیتال ارسال می­شود.

3- تحقیق و نتایج

مطالعات تجربی بر روی یک دستگاه آزمایشی با ظرفیت100متر درساعت با سرعت فرسایش پایین انجام شد. اندازه­گیری فشاربا فرکانس نمونه برداری 2048 هرتز انجام شد درحالی­که فرکانس چرخشی روتور 25هرتز بود. درطی آزمایشات، روند فشار تولیدشده توسط دستگاه، مجهز به یک پره آسیب دیده با درجه نقص پایین (a)، با یک پره آسیب دیده با درجه عیب بالا (b)، با دو پره آسیب دیده با درجات مختلف عیوب (c) و مجهز به پره­های سالم درشرایط عدم روغن­کاری (d) ثبت شد. همچنین تست مرجع بر روی دستگاه سالم انجام شد (e).

تحلیل­ فشارسیگنال در زمان ودردامنه فرکانس انجام شد. درحوزه زمان، از روش­های میانگین­گیری همزمان همبستگی خودکار سیگنال استفاده شد، درحالی­که در دامنه فرکانس به تحلیل طیفی محدود شد.

درنتیجه روش میانگین­گیری همزمان، که با موقعیت مشخص شده روتورهمگام شده است، یک دوره زمانی متوسط فشار برای هر حالت جداگانه از دستگاه ایجاد شد. خطوط رنگی که در شکل 3a-e نشان داده شده اند، مسیر فشار را در طی چرخش­های تک روتور نشان می­دهند.

با افزایش درجه آسیب پره، نمودار افزایش بی­نظمی را نشان می­دهد. درمورد پره­ای که به شدت آسیب دیده است، دو نقطه عطف به وضوح قابل مشاهده است و درمورد پره­ای که کمی آسیب دیده باشد، سه نقطه عطف قابل مشاهده است و شکل نمودار شبیه به شکل یک دستگاه آسیب نخورده است. این پدیده مستقیماً با نشت از لبه پره ارتباط دارد. درصورت روغن­کاری ناکافی، پیک­های فشار بسیار بیشتری قابل مشاهده است، چیزی­که به ناپیوستگی لایه روغن بین عناصر ترکیبی مربوط می­شود.

هنگام تحلیل نمودار تابع همبستگی خودکار نرمال شده، نشان داده شده در شکل 4a-e، می­توان در مورد وضعیت پره­های کار در یک پمپ خلاء نتیجه­گیری کرد. درمورد آسیب حتی نوع کوچک آن، یک همبستگی خودکار قوی را می­توان تنها یک بار در هر دور مشاهده کرد که دراین شرایط اندازه­گیری 82 نمونه طول دارد. با افزایش درجه آسیب به یک پره، استحکام این همبستگی خودکار کاهش می یابد. در مورد پمپاژ کارآمد، همبستگی خودکار قوی 3 بار در هر دور قابل مشاهده است، که با شرایط عملیاتی یکسان برای هر سه پره ارتباط دارد. درشرایطی­که در واحد پمپ روغن­کاری وجود نداشته باشد، یک همبستگی خودکار قوی نیز 3بار در هر دور رخ می­دهد، با این­حال، شکل احاطه نمودار همبستگی خودکار اتوماتیک بی نظم است.

از تحلیل طیف دامنه سیگنال­های فشار تولید شده توسط پمپ خلاء پره­ای چرخشی، نشان داده شده درشکل 5a-e، می­توان آسیب­های پره­های کار درآن را نیز تشخیص داد. در طیف فشار ایجاد شده توسط یک پمپ کارآمد، باند فرکانسی75هرتز غالب است که مربوط به فرکانس چرخشی (25 هرتز) روتور و تعداد 3پره چرخان است. با افزایش آسیب پره، باند فرکانسی 25 هرتز افزایش می­یابد، که مربوط به فرکانس عبور پره آسیب دیده از درگاه مکش است. درصورت عدم روغن­کاری کافی، طیف سیگنال فشار افزایش قابل­توجهی درسهم اجزای فرکانس بالا (بیش از150 هرتز) را نشان می­دهدکه با عملکرد عناصر متحرک (مانند دریچه­های ورودی وخروجی) مرتبط است و مستقیما با فرکانس چرخشی روتور ارتباط ندارند.

شکل 3. دوره های زمانی سیگنال های فشار تولید شده

_{(به بخش 3 مراجعه کنید)}

_{شکل 4. نمودارهای تابع همبستگی خودکار نرمال شده سیگنال های فشار}

_{(به بخش 3 مراجعه کنید)}

_{شکل 5. طیف دامنه سیگنال های فشار تولید شده}

_{(به بخش 3 مراجعه کنید)}

4- نتیجه گیری

میانگین­گیری همزمان سیگنال‌های فشار، امکان تشخیص آسیب‌ها و شناسایی درجه پیشرفت آن و آنچه که همراه با اطلاعات موقعیت زاویه‌ای روتور است و امکان شناسایی پره‌های آسیب‌دیده را فراهم می‌کند. ما در مقاله ای جامع درباره پمپ وکیوم روتاری خشک نیز پرداخته ایم .

تابع همبستگی خودکار سیگنال­های فشار، امکان تشخیص و شناسایی میزان آسیب پره­ها و همچنین مشکلات رخ داده در سیستم روغن­کاری را فراهم می­کند.

استفاده از تجزیه و تحلیل طیفی امکان تشخیص آسیب پره و مشکلات سیستم روانکاری را فراهم می­کند.

روش ارائه شده امکان تشخیص زودهنگام خساراتی را فراهم می­کند که منجر به پیامدهای فاجعه بار می­شود. همچنین با ارائه اطلاعاتی درمورد وضعیت فعلی دستگاه کار، امکان بهبود برنامه­ ریزی و مدیریت نگهداری پمپ­های خلاء پره چرخشی در شرکت تولیدی را فراهم می­کند.

همه روش‌های تشخیصی مورد بحث، مبتنی برمقایسه سیگنال فشارتولید شده توسط دستگاه آزمایش‌شده، با الگوی مرجع به‌دست‌آمده درحین کاردستگاه سالم هستند. درکار بعدی، یک سیستم استدلال خودکار برای فرآیند تشخیصی پمپ‌های خلاء پره‌ای چرخشی بر اساس روش‌های ارائه‌شده توسعه خواهد یافت.

بیشتر بخوانید پمپ‌ وکیوم

بیشتر بخوانید : پمپ‌ وکیوم روغنی

مراجع

1. P. Łój, Exploitation of rotary vane vacuum pumps, Modelowanie Inżynierskie, Vol. 38, No. 69 (2018) 56 – 59.
2. BUSCH, https://www.buschvacuum.com/pl/pl (access 19.09.2019).
3. BECKER, https://becker-polska.com (access 19.09.2019).
4. Pfeifer Vacuum GmBH, The vacuum technology book, Pfeifer Vacuum GmBH, Aßlar 2013.
5. A. Hałas, Vacuum Technique (in Polish), Publishing House of Wrocław Uniwersity of Technology, Wrocław 2017.
6. N. Yoshimura, Vacuum Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin 2008