Lesbók Morgunblaðsins - 12.11.1994, Blaðsíða 12

W 0 w w w 0
R A N N s K N 1 R 1 H A S K L A
-t
I S L A N D S

Vélgreinir
Eftir GRÍM V. LÁRUSSON og MAGNÚS ÞÓR JÓNSSON
Iþessari grein verður sagt frá
sveiflurannsóknum sem gerðar
hafa verið á hraðabreytingum í
sveifarásum brunavéla. Hraða-
breytingum eða homhraðasveifl-
um hefur oftast verið lítill gaumur
gefinn því þær valda yfirleitt ekki
vandamálum í rekstri brennslu-
véla. Stafar það af því að framleiðendur hanna
vélamar með tilliti til slíks titrings. Aftur á
móti getur verið fróðlegt að skoða þær nánar
því þær geta verið lykillinn að heilsufarsgrein-
ingu sjálfrar vélarinnar.
HRAÐABREYTINGARÍ SVEIF-
ARÁSUM BRENNSLUVÉLA
í hugum okkar flestra snýst sveifarás bíl-
vélar og annarra brennsluvéla t.d skipsvéla á
föstum hraða svo lengi sem engar ytri álags-
breytingar eiga sér stað. Svo er þó ekki raun-
in. Sveifarás brennsluvélar breytir hraða sín-
um stöðugt innan hvers vinnuhrings. Hann
hefur tilhneigingu til að gefa eftir, láta undan
snúningsvæginu sem hann flytur. Við það
myndast titringur sem hér er kallaður hraða-
kvika ássins. A myndum 1 og 2 er sveifarás
brennsluvélar líkt við sveiflukerfí sem saman-
stendur af fjöðrum, mössum þar á milli og
dempurum. Allt er þetta tengt saman í eina
seríu.
Hraðakvika
Ejórgengisvél hefur fjóra fasa innan vinnu-
hringsins þ.e. sog-, þjapp-, afl- og útblástur-
slag. I hvetjum vinnufasa verður hver sveif
fyrir snúningsátaki sem er einkermandi fyrir
fasann sjálfan. Átakið á viðkomandi sveif kem-
ur frá gaskraftinum sem virkar á stimpilinn,
massa viðkomandi stimpils og stimpilstangar
svo og massa sveifar og sveiftappans sjálfs.
Að lokum virka sveifamar hver á aðra því þær
eru jú fastar á sama sveifarásnum. Færist nú
flör í leikinn því nú er kerfið orðið allverulega
flókið og verður því flóknara sem vélin hefur
fleiri strokka. Núningsviðnám í legum og slíf-
um hefur líka áhrif á snúningsátakið á sveif-
ina, en það dempar það og gerir dæmið enn
flóknara. Öll þessi mikla flóra af kröftum vind-
ur síðan upp á sveifarásinn og myndar titring
eða hraðakviku sem virkar homrétt á snúning
sveifarássins eins og mynd 3 sýnir.
Við skulum reyna að átta okkur betur á
hraðakvikunni. í fyrsta lagi endurtekur hraða-
kvikan sig reglulega og háttbundið, vinnu-
hring eftir vinnuhring. Tilraunir sýna að
hraðakvikan er háð eftirfarandi þáttum:
byggingu, snúningshraða, snúningshraða-
breytingu, álagi og innra ástandi vélarinnar
að ógleymdu sjálfu snúningshomi sveifaráss-
ins sem hann myndar við vinnuhringinn. Ef
fyrrgreindir þættir em mældir samtímis geta
slíkar upplýsingar verið mjög verðmætar og
nýst vel í fyrirbyggjandi viðhaldi á brunavél-
um. Sérhvert atriði sem hefur áhrif á snún-
ingsátakið gefur sitt mynstur eða fíngrafar
í hraðakvikuna. Til að gefa sér dæmi má
nefna að leki frá útblástursventli í strokk
veldur minna snúningsvægi á viðkomandi
sveif og á sveifarásinn í heild og gefur því
annað hraðakvikumynstur en ef enginn leki
væri. Bilun í stangarlegu skapar hlutfallslega
háa tíðni samanborið við tilfellið hér á undan
og gefur því annað mynstur í hraðakvikuna
en það. Hversu vel einstakar hraðakvikutíðn-
ir breiðast út eftir endilöngum sveifarásnum
og til hraðanemans á enda ássins fer eftir
dýnamískum eiginleikum ássins. Tilraunir
sýna að vél sem er í fullkomnu lagi hefur
ólíkt mynstur, þegar breytingar verða í hraða,
hröðun og álagi.
VÉLGREINIR
Tækið sem notað er við hraðakvikumæling-
ar hefur fengið nafnið vélgreinir. í fyrstu
átti vélgreinirinn að vera tæki til hjálpar vél-
stjórum svo þeir gætu sjálfir ályktað hvort
einhver fyrirboði væri á bilun í aðalvél skips.
Það sýndi sig að hraðakvikumynstrið er það
flókið að varla er ætlandi mannsauganu að
læra inn á það nema í undantekningartilvik-
um. Tölvukeyrður vélgreinir er aftur á móti
raunhæfur kostur. Með þekkingarkerfi er
hægt að rannsaka hraðahvikuna nákvæmlega
og segja til um hvenær ákveðinn hlutur eða
atriði muni hugsanlega bila í vélinni og þann-
ig varað við hættuástandi í tæka tíð.
Mynd 4 sýnir okkur siaða hraðakviku vél-
ar. Við sjáum strax að erfitt muni vera að
lesa nokkrar upplýsingar beint út úr slíkri
kúrfu. Til að greina og skilja hraðakvikuna
verðum við að taka í notkun reiknifléttu sem
greiðir úr hraðakvikunni. Leysa má upp
hraðakvikuna og finna tíðniróf hennar. Þetta
tíðniróf endurspeglar það sem gerist inni í
vélinni, sjá myndir 5 og 6. Tilraunir sýna að
venjulega er grunntíðni hraðakvikunnar, þ.e.
sterkasti tíðniþátturinn, jöfn sveifafjölda vél-
arinnar, þannig hefur t.d. 4 strokka línuvél
grunntíðnina 4. Þetta er meginreglan en verð-
ur flóknara ef sveifarásinn er ekki einsleitur
frá sveif til sveifar og ef dempunarliðir eru
á honum miðjum eða á enda hans og er þá
ekki kasthjólið talið með í þeirri upptalningu.
Varast ber að draga jafnaðarmerki á milli
ákveðinna bilana eða atriða í brennsluvél og
einstakra tíðniþátta í tíðnirófi hennar. Sér-
hver tíðniþáttur stafar iðulega frá fleiru en
Aflslag
Mynd 1
Myndin sýnir einfalt sveifaráskerfi fyrir
4-ra strokka brunavél.
Hraðanemi
Mynd 2. Hér hefur vélinni á
mynd 1 verið líkt við sveiflukerfi sem
samanstendur af dempurum (viftuspaðar),
massatregðum (lítil kasthjól)og fjöðrum.
Lengst til vinstri er hraðaneminn
en lengst til hægri er stóra kasthjólið
(skrúfan talin með kasthjólinu).
Skiúfa
Hraðanemi
Dcmpari Massatregða Fjöður
V n^ n \
^JLSUU-
^JLfiJL^-
einu atriði í vélinni. Þetta undirstrika mæling-
ar og fræðin almennt.
Líkja má eftir brennsluvél með líkani sem
hefur þijár höfuðvíddir, en þær eru: staða
eldsneytisgjafar (þ.e staða magnstillistangar
í gangráði), snúningshraði og snúningshraða-
breyting. I hveiju hniti þessa þrívíða fyrirbær-
is er safn kraftvektora með ákveðna stefnu
og styrk. Sérhver kraftvektor er í raun einn
tíðniþáttur í tíðnirófi vélarinnar, samanber
myndir 5 og 6. Stefna hvers kraftvektors seg-
ir okkur undir hvaða homi viðkomandi tíðni-
þáttur kemur inn á sveifarásinn miðað við
snúningshom sveifarássins innan vinnuhrings-
ins, þar sem hann er mældur. Þetta vektors-
svið mætti kalla ástandssvið vélarinnar. Líkan-
ið fæðist síðan smátt og smátt við stöðugar
raunmælingar á hraðakvikunni og verður að
lokum fullmótað eftir ákveðinn tíma. Þetta
tímabil getum við kallað innstillingartímabil
líkansins. Af þessu tímabili liðnu liggur fyrir
í mælitækinu kortlagning á vélinni sem gefur
til kynna að hún sé í lagi. Eftir það skilur
mælitækið allt mynstur sem ekki passar við
þetta ástand sem óskilgreint og skoðar það
sem bilun. Þessar bilanir verður síðan að kort-
leggja og skilgreina. Nefna má tvær aðferðir
í þessu sambandi. í fyrsta lagi, kenna mæli-
tækinu einfaldlega hvernig bilanir líta út sem
mynstur í hraðakvikunni með því leggja inn
bilanir í brunavélina og gera mælingu og segja
mælitækinu að þetta þýði tiltekna bilun. Nú
þekkir mælitækið þessa bilun þegar hún kem-
ur upp undir öllum hugsanlegum keyrslufor-
sendum. Á þennan hátt er búin til bilanaskrá
sem hægt er að bera saman við raunmæling-
ar hveiju sinni. Þannig getur tækið síðan
varað okkur við bilunum og tilgreint hvaða
bilun er um að ræða með fyrirvara áður en
hún er orðin alvarleg. Þetta er að vísu aðferð
sem er óhentug í vissum tilfellum því einstak-
ar bilanir getum við ekki lagt inn í vélina án
þess að eiga á hættu að eyðileggja hana. í
öðru lagi væri hægt að notast við annarskon-
ar reiknilíkan. Það gæti hermt eftir vélinni
og framkallað gervibilanir og þannig aukið
við bilanaskrána sem fyrir er í tölvunni. Á
þennan hátt má byggja grunn í tölvukeyrt
þekkingarkerfi sem vakir yfir brunavél í skipi
nótt sem nýtan dag og lætur vita þegar eitt-
hvað óæskilegt er í uppsiglingu.
Lokaorð
Vélaverkfræðiskor Háskóla íslands hefur
nýlega gert rannsóknaráætlun fyrir vélgrein-
inn. Nær áætlunin yfir eitt ár. Hún felur í
sér að ljúka þeim rannsóknum sem þarf til
að fá svör við hversu nákvæmlega er hægt
að sjúkdómsgreina og skrá sjúkdómssögu
brennsluvélar með þessari aðferð sem lýst
hefur verið hér í greininni. Náðst hefur sam-
vinna á milli Háskóla íslands og DNG raf-
eindaiðnaðar hf. á Akureyri um verklega
þætti rannsóknanna.
Höfundarnir: Grímur er sérfræðingur í hraða-
kvikurannsóknum en Magnús Þór hefur með
höndum verkefnisstjórn og er dósent við Véla-
verkfræðiskor Háskóla íslands.
Mynd 3. Hraðakvika Caterpillarvélar gerð: dh311, 4ra strokka, 57 hp. Línuritið sýnir
snúningshraða (1/mín) sem fall af snúningshorninu, en það nær yfír 4 hringi eða 2
vinnuhringi. Meðalhraði er 1076 sn/mín og álag 12 kW. Vélin er keyrð undir eðlileg-
um aðstæðum.
Mynd 4. Síað hraðakvikugraf, sama vél og áður. Hér sjáum við að fjórði tíðniþátturinn
er sterkastur. Stórt skarð er í einu útslaginu, ástæðan hefur ekki verið rannsökuð
sérstaklega...Kannski bilun?
Mynd 5. Síað tíðniróf hraðakviku sömu vélar og á mynd 3. Súluritið sýnir útslög krafta
sem fall af tíðnum, tíðnir frá 4 til 16 rad. pr. vinnuhring. Hlutfallslegur samanburður.
Hér er tíðniþáttur 4 sterkastur (4 strokkar). Hann er hafður rauður hér á súluritinu.
Mynd 6. Síað vektorrit. Myndin sýnir sömu vél og á mynd 1. Sérhver vektor eða kraft-
ur táknar ákveðna tíðni í hraðakvikunni. Hér má sjá undir hvaða horni kraftarnir
koma inn á sveifarásinn. Hlutfallslegur samanburður. Fjórði tíðniþátturinn hefur lengst-
an vektor. Hann er rauður og vísar niður til hægri á grafinu.
12