Zur Überwachung des Zustands von Kolbenmaschinen, auch bekannt als Kolbenkompressoren, wurden lange Zeit herkömmliche Schwingungsmessverfahren eingesetzt. Es wurde jedoch deutlich, dass diese Messungen nicht zuverlässig sind, um den Zustand solcher Maschinen zu überwachen. Daher wurden Techniken entwickelt, die speziell für die Überwachung von Kolbenmaschinen geeignet sind. Eine dieser Techniken ist die Überwachung des Absinkens der Kolbenstange, bei der das Absinken der Kolbenstange als Folge des Verschleißes der Reiterbänder überwacht wird. Ein Reiterband ist die Komponente, die dafür sorgt, dass der Kolben durch den Zylinderraum gleitet, ohne die Zylinderwand zu beschädigen. Mit der Zeit verschleißen diese Bänder. Durch die Überwachung des Kolbenstangenabfalls kann festgestellt werden, wann das Reiterband ausgetauscht werden muss, bevor Schäden auftreten. Die Überwachung des Kolbenstangenabfalls trägt zu einer zustandsorientierten Instandhaltungsstrategie (CBM) oder vorausschauenden Wartung bei.
Messungen des Stangenfalls
Die Überwachung des Kolbenstangenabfalls wird bei Hubkolbenmaschinen angewendet, die mit Gleitbändern den Kolben im Zylinder abstützen. Der Zweck der Überwachung des Kolbenstangenabfalls besteht darin, den Verschleiß der Gleitbänder festzustellen. Verschleiß an diesen Gleitbändern kann zu Kontakt (Reibung) zwischen dem Kolben und der Zylinderwand führen, was Schäden zur Folge hat. Die Überwachung des Verschleißes der Führungsbänder ermöglicht es den Betreibern, den Austausch dieser Führungsbänder effizient während einer bereits geplanten Wartungsphase oder eines Stillstands einzuplanen. Darüber hinaus verschafft die frühzeitige Erkennung des Verschleißes der Führungsbänder dem Betreiber Zeit, die Maschine abzuschalten, bevor übermäßige Schäden und (gefährliche) Maschinenausfälle auftreten.
Um Verschleiß an den Reiterbändern festzustellen, muss die Position des Kolbens (relativ zum Referenzpunkt) überwacht werden. Die Messung des tatsächlichen Kolbenhubs ist jedoch aufgrund des hohen Drucks in der Druckkammer sehr schwierig. Anstelle der Messung des tatsächlichen Absinkens des Kolbens wird das Absinken der Kolbenstange gemessen, was wesentlich leichter zugänglich ist. Die Überwachung des Kolbenstangengefälles gibt Aufschluss über den Zustand der Reiterbänder, indem Änderungen der Position der Kolbenstange überwacht werden.
Methoden
Im Allgemeinen werden zwei primäre Methoden zur Überwachung von Stangenabwürfen unterschieden:
Messungen mit einer Näherungssonde
Bei Messungen mit Näherungssonden wird die Sonde vertikal über oder unter der Kolbenstange montiert. Eine Näherungssonde arbeitet mit der Wirbelstromtechnik, die den Abstand zwischen dem Sensor und einem Metallobjekt misst. Im Falle einer Kolbenstangensenkungsmessung wird der Abstand zwischen dem Sensor und der Kolbenstange gemessen. Wenn sich die Kolbenstange relativ zum Sensor bewegt, wird die Änderung des Abstands (Position der Kolbenstange) erfasst. Anhand dieser Messungen kann die Position der Kolbenstange bestimmt werden, woraufhin die Messungen zur Trendbestimmung verwendet werden. Anhand dieses Trends lässt sich dann vorhersagen, wann die Reiterbänder kurz vor dem Verschleiß stehen und ausgetauscht werden müssen.
Mechanische Messungen
Im Allgemeinen werden zwei mechanische Methoden zur Überwachung von Stangenabfällen unterschieden. Bei der ersten Methode wird ein Block aus abrasivem Material verwendet, in dessen Innerem sich ein Raum befindet, der Stickstoff enthält. Dieser Block wird direkt unter der Kolbenstange platziert. Wenn die Kolbenstange aufgrund von Verschleiß am Reiterband absinkt, wird der Block bis zu einem Punkt abgenutzt, an dem Stickstoff austritt. Dieses Stickstoffleck führt zu einem Abfall der Druckversorgung, was einen Alarm oder die Abschaltung der Maschine zur Folge hat.
Die zweite mechanische Methode zur Überwachung des Absinkens der Kolbenstange besteht aus einer Art Rolle, die unter der Kolbenstange angebracht ist. Wenn sich das Reiterband abnutzt, sinkt die Kolbenstange allmählich bis zu einem Punkt, an dem sie die Rolle berührt. Wenn die Kolbenstange mit der Rolle in Berührung kommt, beginnt sich die Rolle zu drehen, wodurch, wie bei der anderen mechanischen Methode, Stickstoff entweicht. Dieses Stickstoffleck führt ebenfalls zu einem Abfall der Druckversorgung, was zu einem Alarm oder zur Abschaltung der Maschine führt.
Der größte Nachteil mechanischer Stangenabwurfsysteme ist die Unmöglichkeit, Messungen durchzuführen und diese Messungen für die Trendbestimmung zu nutzen. Das einzige, was diese mechanischen Systeme bieten, ist ein Alarm, der ausgelöst wird, wenn die Reiterbänder abgenutzt sind. Es gibt keinen Hinweis darauf, wie weit das Reiterband abgenutzt ist. Ein Näherungssensor misst das tatsächliche Absinken der Kolbenstange und damit das Ausmaß des Verschleißes des Reiterbandes. Anhand der Messungen des Näherungssensors kann ein Trend erstellt werden, der eine bessere Wartungsplanung (CBM) ermöglicht.
Annahmen
Um eine zuverlässige Messung der Kolbenstangensenkung zu erhalten, müssen einige Annahmen erfüllt sein. Die Grundannahme für die Überwachung des Kolbenstangenabfalls ist, dass sich der Kolben aufgrund der Schwerkraft am Boden des Zylinders abstützt. Es kann also davon ausgegangen werden, dass eine Änderung der Position der Kolbenstange proportional zur Änderung der Position des Kolbens ist, die auf den Verschleiß des Reiterbandes zurückzuführen ist. Es muss auch davon ausgegangen werden, dass die Position der Kolbenstange nur durch die Wirkung des abgenutzten Reiterbandes verändert wird.
Die Annahme, dass die Änderung der Position der Kolbenstange proportional zur Änderung der Position des Kolbens ist, ergibt sich aus dem Prinzip der ähnlichen Dreiecke. Dieses Prinzip ist in der nachstehenden Abbildung schematisch dargestellt.
Wenn eine Näherungssonde für die Überwachung des Kolbenstangenabfalls verwendet wird, kann die Messung mit Hilfe eines bestimmten Korrekturfaktors korrigiert werden. Dieser Korrekturfaktor basiert auf dem Verhältnis, das sich aus der Differenz zwischen dem gemessenen Absinken der Kolbenstange (B1) und dem tatsächlichen Absinken des Kolbens (B2) ergibt. Durch Anwendung dieses Korrekturfaktors auf die Messung der Kolbenstangenabsenkung wird der tatsächliche Verschleiß des Reiterbandes angezeigt. Die Anwendung eines solchen Korrekturfaktors kann jedoch zu Problemen führen. Wenn ein Messfehler auftritt, wird dieser falsche Messwert mit dem Korrekturfaktor korrigiert, was zu einer falschen Darstellung des tatsächlichen Verschleißes des Reiterbandes führt. Es ist daher sehr wichtig, dass zuverlässige Messungen durchgeführt werden. Eine Reihe von Faktoren, die die Zuverlässigkeit von Stangenabfallmessungen beeinflussen, werden nacheinander besprochen.
Einbau und Anwendung; Besonderheiten
Die Installation des Sensors ist entscheidend für eine zuverlässige Messung. Wir haben die 5 wichtigsten Punkte aufgeführt, die von Interesse sind:
Es ist wichtig, dass der Sensor so nah wie möglich am Zylinder montiert wird. Dies gilt sowohl für Näherungssensoren als auch für mechanische Sensoren. Dadurch wird der Effekt minimiert, der bei der Anwendung des oben erwähnten Korrekturfaktors auf einen Messfehler auftritt. Je näher der Sensor am Kolben montiert ist, desto geringer sind die Auswirkungen von Messfehlern.
Bei größeren Kolben kann die thermische Ausdehnung in der Zeit zwischen einer Kaltabschaltung und einem aktiven Prozess sehr unterschiedlich sein. Es wird daher empfohlen, die Zylinderausrichtung tief auf der Traverse auszurichten, damit Raum für die thermische Ausdehnung vorhanden ist. Sobald sich der Kolben durch die Wärme radial ausdehnt, wird die Kolbenstange relativ zum Kolbenstangensensor angehoben. Dies sollte bei der Montage und der Bestimmung der Position des Kolbenstangensenkungssystems berücksichtigt werden.
Die Annahme, dass sich der Kolben aufgrund der Schwerkraft auf den Boden des Zylinders stützt, ist bei Kolben mit kleinem Durchmesser nicht realistisch. Bei Kolben mit kleinem Durchmesser (weniger als 150 mm) befindet sich ein großer Teil der Kolbenstange im Zylindergehäuse. Eine unsachgemäße Ausrichtung oder Einwirkungen auf das Zylindergehäuse können zu einem schwimmenden Kolben führen. Die Radialkräfte senken den Kolben nicht ab, sondern eine Kombination von Kräften drückt den Kolben nach oben oder zur Seite. In diesem Fall können Sie zwei Näherungssonden anbringen, von denen eine horizontal und die andere vertikal misst (X-Y-Sonden).
Auch die Länge der Kolbenstange kann die Messung beeinflussen. Je länger die Kolbenstange ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie bis zu einem gewissen Grad flexibel ist. Dies ist insbesondere bei Kolben mit großem Durchmesser der Fall. Die Biegsamkeit der Kolbenstange kann die Messung des Kolbenstangenabfalls beeinträchtigen. Um die Auswirkung der Biegung der Kolbenstange auf die Messung der Kolbenstangenabsenkung zu verringern, kann das Signal der Näherungssonde an einem festen Punkt während der Umdrehung der Kurbelwelle gemessen werden. Dies wird als phasengesteuert bezeichnet; es wird ein Phasenbezugspunkt festgelegt, an dem die Messung ausgelöst wird.
Es ist wichtig, dass die Sonde so montiert wird, dass sie keiner Wärmeausdehnung oder Vibration ausgesetzt ist. Wenn sich die Sonde relativ zur Kolbenstange bewegt, wird die Messung unzuverlässig. Darüber hinaus ist es bei Kolben mit großem Durchmesser wichtig, eine Sonde mit einem größeren Messbereich zu verwenden. Bei thermischer Ausdehnung bewegt sich die Kolbenstange nicht aus dem Bereich des Näherungsmesskopfes heraus.
Modul für getriggerten Stababwurf - RecipSys 200
Das zweikanalige Triggered-Rod-Drop-Modul (RecipSys 200) wurde von Istec International entwickelt und eignet sich zur Zustandsüberwachung der Kolbenringe einer Hubkolbenmaschine. „Triggered“ bedeutet, dass die Stangenabsenkungsmessung an einem festen Punkt während der Umdrehung der Kurbelwelle erfolgt. Dadurch lässt sich im Laufe der Zeit ein zuverlässiger Trend erkennen. Viele bestehende Stangensenkungssysteme sind Teil eines größeren Systems, das für große Anwendungen geeignet ist und daher eine kostenintensive Investition erfordert. Das RecipSys 200 hingegen ist sehr kosteneffizient und daher für kleine, mittlere und große Anwendungen einsetzbar.
