Identifiering av vibrationskällor i gjuteriverksamhet

Överdrivna markvibrationer från gjuteriverksamhet kan leda till klagomål från boende samt produktionsrisker. Vid ett tyskt gjutjärnsverk använde ingenjörer vibrationsövervakning för att exakt lokalisera de maskiner som bidrog till dessa utsläpp. Med hjälp av Dewesoft-utrustning identifierades kritiska källor, och riktade motåtgärder föreslogs för att minska påverkan.

Introduktion

Gjuteriindustrin använder en rad tunga maskiner och utrustning, inklusive:

• ugnar,

• skopor,

• hällsystem,

• sandformningsmaskiner,

• kärnskjutare/blåsare,

• kyltransportörer,

• skakningsmaskiner (shakeout),

• slagblästringsmaskiner,

• slipstationer,

• kapmaskiner,

• vibrerande transportörer,

• skovelhissar/pneumatiska transportörer, och

• robotarmar för hantering

Vår kund driver en gjuteriproduktionsanläggning i Tyskland, som tillverkar ett brett spektrum av gjutjärnsprodukter. Produktionsstegen inkluderar smältning, gjutning, kylning, rengöring och efterbearbetning av metallkomponenter, främst gjutjärn, stål, aluminium och andra legeringar.

Under olika produktionssteg används tunga maskiner med kraftfulla motorer, vilket genererar vibrationer under drift. De tunga konstruktionerna och fundamenten i anläggningen sätts därmed också i vibration, ofta vid låga frekvenser.

Eftersom lågfrekventa vibrationer i naturen dämpas mindre under spridning genom marken, utgör de en risk för störningar för boende i närheten eller kan påverka driften av vibrationskänslig teknisk utrustning. I detta fall ligger produktionsanläggningen nära ett bostadsområde, där boende har klagat på höga vibrationsnivåer som påstås härstamma från kundens anläggning.

Problemöversikt

I gjuteriproduktionsprocessen för gjutjärnsdelar är ett kritiskt moment avsandning av de gjutna komponenterna. Under gjutningen hälls flytande metall i en sandform. När metallen svalnar och stelnar framträder komponenten omsluten av ett hårt, klibbigt sandlager.

Huvudsyftet med avsandningen är att helt avlägsna sanden utan att skada delen, för att förbereda den för efterföljande bearbetningsoperationer. För att uppnå detta exciteras vibrationsmotorer integrerade i produktionslinjen medvetet för att generera vibrationer.

Därför är det ofta skakningsmaskiner (shakeout), vibrerande transportörer och stora slipstationer som står för de största vibrationerna på grund av deras massa, obalanserade rörelser och driftfrekvenser nära markens resonans:

• Shakeout-maskiner, som kan vara vibrerande eller roterande system som bryter sandformen och separerar gjutningen, utgör en betydande källa till vibrationsutsläpp.

• Vibrerande transportörer, som flyttar gjutgods eller sand genom processen, kan också bidra avsevärt till lågfrekventa vibrationer.

• Slipstationer genererar medium- till högfrekventa vibrationer på grund av den höga rotationshastigheten hos slipverktygen och påverkan och friktion mellan verktyget och de gjutna komponenterna.

Av denna anledning är det önskvärt, vid förekomst av sådana problem, att undersöka och identifiera de enskilda maskiner som bidrar till förhöjd markrörelse under drift, för att möjliggöra informerade motåtgärder för att minska onödiga vibrationer. När de specifika maskinerna har identifierats kan motåtgärder inkludera:

• Montering av enskilda maskiner med elastisk avkoppling för att undvika överföring

• Justering av driftsfrekvensen på enskilda maskiner för att undvika resonanseffekter, där det är möjligt

• Ersättning av hela maskiner med maskiner som ger lägre vibrationer

• Ersättning av endast kritiska delar av en maskin med delar som har lägre vibrationsnivå

Målet med vår undersökning var att identifiera de maskiner inom anläggningens gränser som avger de mest kritiska vibrationerna.

Utmaningen

Av ekonomiska skäl är det avgörande för kunden att produktionen kan fortsätta utan avbrott, både dagtid och nattetid, vilket ökar risken för att påverka eller störa närboende.

Vi använder tröskelvärden för vibrationshastighet enligt standarder som DIN 4150-2, ISO 2631-serien eller British Standard BS 6472-1. Dessa standarder används för att bedöma vibrationers effekter på människor i byggnader.

I vårt fall möjliggör tröskelvärdena som definieras i DIN-standarden en bedömning av huruvida vibrationer från industriella aktiviteter, såsom de i ett gjuteri, sannolikt kan orsaka obehag eller irritation hos boende. Dessa värden hjälper till att avgöra om driftvibrationer kan leda till klagomål eller kräva motåtgärder.

Därför måste anläggningsoperatören säkerställa att riktvärdena i DIN 4150-2 inte överskrids, även under natten, när standardens riktvärden anger att vibrationsutsläpp i omgivande bostadsbyggnader bör ligga under en nivå som knappt är märkbar för människor.

DIN 4150-2: Viktiga riktvärden för vibrationer

Before the survey, various production steps and, consequently, machines were identified as potential sources of increased vibrations.

It can sometimes be challenging to pinpoint the source of vibration emissions, especially when confronted with a complex system of individual machines operating at similar frequencies and therefore emitting superimposing waves with a highly unpredictable impact on surrounding objects. 

For this reason, the client decided to conduct a multichannel survey, in which the individual machines operate independently and engineers aggregate their vibration emissions to measure and evaluate their potential to harm the nearby residential area. 

Strategin

För att utveckla en strategi för att identifiera de relevanta maskinerna i anläggningen konsulterade vi kunden för att diskutera vilka maskiner som hade störst potential att generera vibrationer.

Vi identifierade åtta produktionsenheter på området som de primära källorna ansvariga för majoriteten av de upplevbara vibrationsutsläppen. Vi utrustade både kandidaterna och mottagarna med accelerationssensorer.

Inledningsvis beslutade vi att registrera markvibrationer både under normal drift och vid stillestånd i anläggningen. Dessutom säkerställde vi att enskilda maskiner, när det var möjligt, kunde drivas isolerat. Genom att arbeta på detta sätt syftade vi till att kvantifiera vibrationsutsläpp från varje maskin, samtidigt som vi fick en förståelse för hur maskinernas utsläpp påverkade varandra och i vilken utsträckning påverkan på omkringliggande bostadsbyggnader kunde bero på överlagringen av de emitterade vågorna.

Datainsamlingen genomfördes med en 16-kanalig Dewesoft SIRIUS-HD-enhet (Figur 1) i kombination med industriella accelerationssensorer, vilka har en känslighet på 0,1 V/g.

Resultatet

De inspelade uppgifterna analyserades i frekvensdomänen med hjälp av en Fast Fourier Transform (FFT)-algoritm (Figur 2) i realtid med DewesoftX datainsamlings- och signalbehandlingsprogramvara. Tre av de åtta enheterna uppvisade förhöjda vibrationsutsläpp inom frekvensområdet 5 Hz till 9 Hz, vilket ibland nådde upp till upplevbara nivåer vid mottagarplatserna.

Två av produktionsenheterna skapade vibrationer vid något olika frekvenser, cirka 8,72 Hz respektive 8,87 Hz, vilket resulterade i en modulerad vågform med en period på ungefär 6,5 sekunder (Figur 3). Ingenjörer refererar till detta fenomen som beating. Toppvärdena i modulationen översteg uppfattningströsklar vid mottagarplatserna.

Baserat på dessa resultat identifierades både de enskilda bidragsgivarna och excitationsmekanismen och påpekades för kunden.

Vi använde en tredimensionell visualisering av spektrogrammet (Figur 4) för att demonstrera korrelationerna för kunden i realtid.

Slutsats

Genom undersökningen var det möjligt att identifiera de primära källorna till vibrationer på området. Övervakning av vibrationer med Dewesoft-utrustning tillhandahöll de data som krävdes för vår analys.

Baserat på de erhållna resultaten organiserade kunden en ersättningsenhet för installation i produktionslinjen.

Vi förväntar oss att skillnaden i driftfrekvens och excitationskrafter kommer att minska vibrationerna till en acceptabel nivå. Planen är att validera denna förväntan med ett acceptanstest efter eftermontering. Eftermontering och acceptanstester återstår.