Виброакустического диагностирования
 Скачать 2.49 Mb.
|
|
f o (f o – частота вращения вала), причем обе эти си- лы имеют одинаковое направление. Вибрационные сигналы от них нахо- дятся в фазе друг с другом. Чистый статический дисбаланс создает силь- ный пик амплитуды на частоте ротора f o в спектре вибрации. Амплитуда этого пика зависит от степени серьезности дисбаланса и пропорциональ- на квадрату частоты вращения вала. Относительные уровни вибрации подшипников на частоте f o зависят от положения тяжелого места на про- дольной оси ротора. 3.1.4. Моментный дисбаланс Причиной моментного дисбаланса могут быть перекосы насаживае- мых на вал узлов: коллектора, контактных и бандажных колец, рабочих ко- лес и многие другие причины. При моментном дисбалансе в состоянии, когда приводной двигатель отключен от питающей сети, ротор идеально уравновешен и может оста- навливаться в любом положении. При переводе ротора из неподвижного, статического состояния в динамическое, вращающееся, претерпевает изме- нение совокупность сил, действующих на ротор и распределенных вдоль оси. Наряду со статическими моментами на ротор начнут действовать ди- намические усилия, приводящие к дисбалансу. Учитывая условия возник- новения такого дисбаланса, его принято называть моментным дисбалансом, т.е. возникающим при вращении. Моментный дисбаланс обуславливают динамические силы, связанные с продольной угловой асимметрией распре- деления масс на роторе - в отличие от статического дисбаланса, когда не учитывалось распределение масс вдоль продольной оси ротора. Ротор (Рис. 3.4) с исходными дисбалансами собран таким образом, что первичные небалансы оказались действующими навстречу друг другу. В итоге это привело к тому, что в статике, при неподвижном роторе дисба- лансы ротора уравновесят друг друга. При этом ось ротора и ось инерции пересекаются в центре масс. F1 F2 Рис. 3.4. Схема расположения дисбалансирующих масс при динамическом дисбалансе 25 Совершенно иная картина сил, действующих на подшипник, будет иметь место при приведении ротора во вращение. Ротор с моментным дисбалансом может быть статически сбалансиро- ван. Однако при вращении он приводит к появлению на подшипниках цен- тробежных сил, которые имеют противоположные фазы. При исследова- нии спектров без фазовой информации невозможно различить статический и динамический дисбалансы. Для коррекции последнего требуется много- плоскостная балансировка, тогда как статический дисбаланс теоретически может быть исправлен единственной корректирующей массой. 3.1.5. Динамический дисбаланс Комбинация статического и моментного дисбаланса называют дина- мическим дисбалансом. При динамическом дисбалансе ось ротора и ось инерции не пересекаются или пересекаются не в центре масс. Вращение этого ротора вызовет значительный уровень вибрации на его подшипниках. Типичным примером динамического дисбаланса является дисбаланс ротора консольного насоса. 3.1.6. Прогиб вала Дисбаланс, связанный с прогибом вала, часто остаточный, также мо- жет вызываться дефектами изготовления (остаточные деформации, неодно- родность вала, тепловая нестабильность электрических машин и др.), де- фектами монтажа (в торцевых гаечных соединениях, перекосы в шпоноч- ных соединениях, нарушение натяга дисков и др.), дефектами эксплуатации (задевания, в результате неравномерного охлаждения, нагрева ротора или нарушения зазоров и др.). 3.1.7. Дисбаланс консольных машин На агрегатах консольным ротором, например, в вентиляторе, при дис- балансе ротора создается сильная вибрация на частоте f o в осевом направ- лении, а также некоторая вибрация в радиальном направлении на ближай- шем к ротору подшипнике. Это объясняется тем, что дисбаланс создает изгибающий момент вала и вызывает осевые движения корпуса подшип- ника. 3.1.8. Признаки дисбаланса В случае дисбаланса сигнал виброускорения на фоне первой гармони- ки частоты вращения вала часто насыщен средне- и высокочастотной и слу- чайной составляющими, возбуждаемыми даже исправными подшипниками качения и другими источниками (рис. 3.2). Дисбаланс наиболее четко проявляется при измерении виброскорости. 26 При этом амплитуда первой гармоники f o виброскорости преобладает над всеми остальными (если нет других дефектов). Для различных видов дисбаланса характерно следующее: - если амплитуды виброскоростей на конечных опорах ротора на оборотной частоте одинаковы, синфазны и имеют устойчивый характер, то это статический дисбаланс; - если амплитуды виброскоростей на конечных опорах ротора на оборотной частоте одинаковы и противофазны, то это моментный дисба- ланс; - если амплитуды виброскоростей на конечных опорах ротора на оборотной неодинаковы, не синфазны и не противофазны, то это динамиче- ский дисбаланс. При механическом дисбалансе параметры вибрации зависят от часто- ты вращения ротора и практически не зависят от режима работы агрегата, внешних условий работы и температуры агрегата. Вибрация может прояв- ляться как в радиальном, так и осевом направлениях, однако, в силу зави- симости от жесткости подшипника, обычно горизонтально-радиальная вибрация преобладает над вертикальной. При этом часто наблюдаются более интенсивные колебания опор корпуса ротора с дисбалансом, а влияние его колебаний на вибрацию сопряженных агрегатов, особенно в случае применения гибких муфт, обычно относительно невелико. В данном случае (Рис. 3.2.) амплитуда первой гармоники на частоте 50 Гц значительно больше амплитуды остальных гармоник. Следовательно, можно предположить, что данный агрегат имеет дисбаланс ротора. Уровень виброскорости (Рис. 3.5. ) достаточно велик и превышает допус- тимый порог согласно Руководящему документу [11] по эксплуатационным нор- мам вибрации. Уровень виброперемещения (Рис. 3.6. ) также велик и также пре- вышает порог согласно [11], установленный для данного агрегата. Наличие большого уровня вибраций с оборотной частотой, возможно, привело к ослабле- нию креплений подшипников ротора и агрегата в целом. Поэтому необходимо проверить крепление не только агрегата в целом, но и крепление всех соедине- ний. При анализе сигналов необходимо тщательно проверять частоту обо- ротной гармоники. Так, при реальной частоте вращения двигателя около 2880 мин -1 частота оборотной гармоники будет соответствовать 48 Гц. При недостаточной разрешающей способности спектрального анализа (более 1 Гц) составляющие с частотой сети (50 Гц ± 2%) и составляющая с оборот- ной частотой (48 Гц) сольются в одну спектральную линию. Поэтому для проведения достоверного анализа необходимо иметь разрешающую спо- 27 собность анализатора по частоте не менее 0.5-1 Гц, что соответствует вре- мени выборки сигнала 2-1 сек. Пример спектра сигнала виброускорения с разрешающей способностью 0.5 Гц приведен на рисунке 3.7. Рис. 3.5. Амплитудно-частотный спектр виброскорости при дисбалансе Рис. 3.6. Спектр виброперемещения при дисбалансе 28 Рис. 3.7. Спектр сигнала с разрешающей способностью 0.5 Гц. 3.2. Диагностические признаки неисправностей электродвигателей Электродвигатель представляет собой сложное сочетание взаимосвя- занных колебательных систем с несколькими источниками возмущающих сил. Каждый из источников имеет свой характерный спектр вибрации. В зависимости от типа, конструктивного исполнения и скорости вращения электрических машин в спектре вибрации может преобладать тот или иной источник. Двигатель переменного тока. Существует два типа двигателей пере- менного тока: синхронные и асинхронные. Двигатели любого из этих типов могут питаться однофазным либо трехфазным электрическим током. В про- мышленности обычно применяют трехфазные установки из-за их более вы- сокой эффективности. Синхронные электродвигатели гораздо менее распространены, чем асинхронные, однако их используют в некоторых специальных приложени- ях, требующих абсолютного постоянства скорости, а также для коррекции коэффициента мощности. Синхронные и асинхронные двигатели похожи во многих отношениях, но отличаются в некоторых деталях. Статор двигателя переменного тока имеет несколько проволочных обмоток из провода, уложенного в пазах статора. 29 Этих пазов всегда зна- чительно больше, чем обмо- ток, поэтому последние пе- реплетаются достаточно сложным образом. Когда на обмотки подается перемен- ный ток, внутри статора создается вращающееся магнитное поле. Скорость этого вращения зависит от числа обмоток, то есть ко- личества полюсов. В трехфазном двигателе три обмотки формируют два магнитных по- люса вследствие совместного действия их электрических токов, разность фаз которых составляет 120 градусов. При сетевой частоте сети 50 Гц и двух полюсах статора, частота вращения поля будет 50 оборотов в секунду или 3000 мин -1 . Если имеется 4 полюса (6 обмоток), то поле будет вращать- ся со скоростью 1500 мин -1 и так далее. Синхронный двигатель. Если внутри статора разместить постоянно намагниченный в поперечном направлении круглый ротор, то последний будет закручиваться магнитным притяжением со скоростью вращения поля. Она называется синхронной скоростью, а такая конструкция - синхронным электродвигателем. Он вращается в точности синхронно с сетевой часто- той. Синхронные двигатели применяются в электрических часах для обес- печения точности хода. Их также применяют в промышленности. В этих двигателях ротор является электромагнитом и возбуждается постоянным током. Синхронные электродвигатели обладают одной интересной особен- ностью: если ротор перевозбужден, то есть если его магнитное поле пре- вышает определенную величину, то двигатель ведет себя подобно конден- сатору в сети питания. Это может использоваться для коррекции коэффи- циента мощности промышленных предприятий, эксплуатирующих большое количество асинхронных двигателей. Асинхронный двигатель. Отличие асинхронного двигателя от син- хронного заключается в том, что его ротор не является постоянным магни- том. Он состоит из электропроводных стержней, расположенных вдоль оси и вставленных в специальные пазы, которые равномерно распределены по окружности. Стержни соединены друг с другом (закорочены, как говорят электрики) кольцами, которые привариваются к их концам с обеих сторон 30 ротора. Такая конструкция имеет сходство с небольшим беличьим колесом, поэтому асинхронные двигатели называют также двигателями с беличьим колесом. Каждая пара стержней представляет собой замкнутый виток, го- воря языком теории магнетизма. Ротор намагничивается индукционным электрическим током в стержнях, который вызван переменным магнитным полем статора. Для простоты можно представить себе следующую картину: вращающееся поле статора проносится мимо стержней ротора, и поэтому последние находятся в переменном магнитном поле. Из-за этого в них воз- никают индукционные токи, которые создают собственное магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора имеют противоположную поляр- ность, а сам ротор как бы отталкивается от статора и получает крутящий момент, приводящий его в движение. Рис. 3.8. 31 Поскольку асинхронные двигатели используют принцип магнитного отталкивания, а не притяжения, их также называют двигателями с индук- ционным отталкиванием. Если бы в системе не было трения, то ротор вращался бы с синхронной скоростью, а сам двигатель после начала вращения уже не создавал бы полезного крутящего момента. При этих условиях стержни ротора враща- лись бы синхронно с полем статора, и в них не возникали бы индукционные токи. Как только к двигателю прикладывается на- грузка, его скорость падает, роторные стержни начинают пересекать силовые линии магнитного поля, изменяется магнитный поток и создается сила, отталкивающая ротор. Собственное поле ротора вращается в противоположном направлении, а скорость этого вращения зависит от приложенной нагрузки. Отсюда следу- ет, что реальная частота вращения всегда меньше синхронной (сетевой). Разность между ними называют скольжением. Чем больше скольжение, тем выше индукционные токи в роторных стержнях и тем больше крутящий момент (то есть чем больше ротор отстает, тем сильней его толкает магнит- ное поле). При этомв обмотках статора также возрастает ток, чтобы под- держать токи в стержнях. Таким образом, фактическая скорость асинхрон- ного двигателя всегда зависит от нагрузки. Электродвигателям присущи все механические повреждения, характерные для роторных машин, но с неко- торыми особенностями. 3.2.1. Термический изгиб ротора Неравномерный нагрев ротора из-за неравномерного распределения тока в стержнях вызывает его деформацию, или изгиб. Этот изгиб ротора приводит к дисбалансу со всеми обычными для него симптомами. Наличие термического изгиба можно установить по отсутствию дисбаланса на хо- лодном двигателе. Локальный нагрев бывает настолько серьезным, что поврежденный стержень может расплавиться и застрять в воздушном зазоре. 3.2.2. Эксцентриситет воздушного зазора Если воздушный зазор неоднороден, то силы, действующие на ротор, будут несбалансированны. В результате возникнет сильная вибрация на уд- военной частоте питающей сети (100 Гц) (Рис. 3.9. ), имеющая электромаг- нитную природу. Магнитное притяжение обратно пропорционально квад- 32 рату расстояния между ротором и статором, поэтому даже небольшой экс- центриситет вызовет относительно высокую вибрацию. Этот тип магнит- ной асимметрии также снижает к.п.д. двигателя, причем иногда до 10 % и приводит к преждевременному износу подшипников. Такой дефект может возникнуть вследствие не жесткости основания, из-за чего деформируется корпус двигателя. Эта компонента исчезает сразу после отключения пита- ния, что является диагностическим признаком данного дефекта. 3.2.3. Ослабление ротора Иногда металлические пластины ротора могут скользить по валу. Обычно такое явление скачкообразно зависит от температуры. В результа- те, возникает серьезная вибрация на частоте f o и ее гармониках. Этот тип неисправности иногда очень трудно определить, особенно из-за его скачко- образности. Внезапные изменения нагрузки или напряжения в сети могут инициировать скольжение ротора. 3.2.4. Эксцентриситет ротора Если ротор имеет некруглое сечение, то, даже будучи отбалансирован- ным, он возбуждает вибрацию на оборотной частоте f o , а также порождает не- сбалансированные магнитные силы, приводящие к вибрации на частоте про- хождения полюсов (произведение частоты скольжения на число полюсов). 3.2.5. Электрически наведенная вибрация Электрическим машинам присущи все дефекты роторного оборудова- ния, которые осложняются чисто электрическими эффектами. Магнитост- рикция, то есть деформация магнитных материалов в присутствии магнит- ного поля, вызывает вибрацию на частоте 100 Гц во всех электрических устройствах, например, двигателях, генераторах, трансформаторах и т.д. В электродвигателях имеет место магнитное притяжение между статором и ротором, которое изменяется с частотой f эм =100 Гц. Поэтому статор также вибрирует с частотой 100 Гц (Рис. 3.9. ). Этот магнитный эффект иногда трудно отличить от второй гармоники оборотной частоты 2f o в машинах, работающих на 3000 об/мин. Вибрация, наведенная электромагнитным по- лем, исчезает сразу же после отключения питания, в то время как вторая гармоника 2f o продолжает существовать на выбеге ротора. 33 Рис. 3.9. Электрическая составляющая вибрации на частоте 100 Гц Удвоенная сетевая частота (120 Гц в США и 100 Гц в России и Евро- пе) всегда имеет вибрационную компоненту в спектре электродвигателя. С этой частотой изменяется притяжение между статором и ротором, а, кроме того, и металлические элементы изменяют свои размеры в присутствии пе- ременного магнитного поля из-за магнитострикции. Если в двигателе имеется несоосность, например, неконцентричность статора и ротора, то магнитные силы между ними будут не сбалансирова- ны, и значительно увеличится вибрация на частоте 100 Гц. Это явление на- зывают механической асимметрией. Если магнитное поле статора неодно- родно, например, в случае разрывов или замыканий обмоток, то вибрация на частоте 100 Гц тоже увеличится. Такое состояние называется магнитной асимметрией. Оба типа асимметрии снижают к.п.д. двигателя, увеличивая его энергопотребление и уменьшая выходную механическую мощность. 3.2.6. Вибрация вследствие скольжения Нарушения в роторных стержнях вызывают вибрацию на частоте, равной произведению частоты скольжения на количество полюсов электро- двигателя. Например, в двухполюсном двигателе, каждый стержень совпа- дает хотя бы с одним из полюсов вращающегося поля статора два раза за цикл проскальзывания. Этот цикл равен отношению синхронной частоты (сетевой) к частоте скольжения. Так, в электродвигателе с частотой враще- ния n o =2875 мин -1 (число полюсов p=2) синхронная скорость равна n c =60 ×f c /p=3000 мин -1 (f c =50 Гц), а частота скольжения S=3000-2875=125 34 мин -1 (2,1 Гц). Тогда цикл есть 3000/125 = 24. То есть каждые 24 оборота ротора один и тот же стержень совпадет с вращающимся магнитным полю- сом одной и той же полярности, а каждые 12 оборотов - с каким-то из двух полюсов. Относительное скольжение s=(n c - n o )/n c Если один из роторных стержней из-за трещины или излома имеет более высокое сопротивление чем остальные, то при совпадении с полюсами в нем индуцируется меньший ток, а, значит, в данной точке цикла проскальзывания наблюдается меньший крутящий момент. Таким образом, величина последне- го модулируется частотой прохождения стержня через полюс (произведение частоты скольжения на удвоенное число полюсов). В результате в спектре по- является соответствующая вибрационная компонента, а также боковые поло- сы вокруг оборотной частоты |