Виброакустического диагностирования
 Скачать 2.49 Mb.
|
|
f o и ее гармоник с шагом, равным произведе- нию 2S (1S - частота скольжения - Slip) на число пар магнитных полюсов. Разрушение, растрескивание или коррозия роторных стержней явля- ется довольно общим типом неисправности асинхронных двигателей, осо- бенно тех, которые часто запускаются и останавливаются под нагрузкой. Стартовый ток гораздо выше рабочего. Он создает в стержнях механические напряжения и вызывает их нагрев. Стержни с максимальным сопротивлением нагреваются сильнее, в результате возникает неравномерное распределение температуры по окружности ротора и неравномерное расширение его стержней. Это ведет к появлению трещин и изломов в местах соединения с закорачивающими кольцами. Асинхронные двигатели с дефектными роторными стержнями вызы- вают вибрацию, которая медленно меняется по амплитуде на удвоенной частоте скольжения. Это явление называется биениями. Его часто можно заметить на слух, а также измерить. Амплитуда и частота биений зависят от нагрузки двигателя. Кроме того, этот эффект проявляется на пазовой часто- те в виде ее модуляции частотой скольжения. 3.2.7. Частота прохождения пазов Еще одна компонента в спектре вибрации электродвигателя - так на- зываемая частота прохождения пазов, равная произведению числа пазов статора на частоту вращения вала. В пазах статора находятся обмотки, и из- за их конечного количества возникает неоднородность или гребенчатость вращающегося магнитного поля, которая в свою очередь вызывает вибра- цию. Стержни ротора тоже закреплены в своих пазах, поэтому иногда час- тотой прохождения пазов ротора называют частоту прохождения стержней. Эти частоты можно определить умножив частоту вращения ротора на коли- чество пазов (Таблица 3.1). 35 Таблица 3.1 Рекомендуемые числа пазов ротора асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором Число Число пазов ротора по- люсов пазов статора без скоса пазов со скосом пазов 12 9*, 15* 18 11* 12* 15* 21* 22 14*, (18),19*, 22*, 26, 28*, (30), 31, 33, 34, 35 24 15*,(16)*, 17*, 19, 32 18, 20, 26, 31, 33, 34, 35 30 22, 38 (18), 20, 21, 23, 24, 37, 39, 40 36 26, 28, 44, 46 25, 27, 29, 43, 45, 47 42 32, 33, 34, 50. 52 2 48 38, 40, 56, 53 37, 39, 41, 55, 57, 59 12 9* 15* 18 10*, 14* 18*, 22* 24 15* 16* 17, (32) 16,18, (20), 30, 33, 34, 35, 36 36 26, 44, 46 (24), 27, 28, 30, (32) , 34, 45, 48 42 (34) ,(50), 52, 54 (33), 34, (38), (51), 53 48 34, 38, 56, 58, 62, 64 (36), (3S), (39), 40, (44) ,57, 59 60 50, 52, 68, 70, 74 48, 49, 51, 56, 64, 69, 71 4 72 62, 64, 80, 82, 86 61, 63, 68, 76, 81, 83 36 26, 46, (48) 28*, 33, 47, 49, 50 54 44, 50, 64, 66, 68 42, 43, 51, 65, 67 72 56, 58, 62, 82, 84, 86, 88 57, 59, 60, 61, 83, 85, 87, 90 6 90 74, 76, 78, 80, 100, 102,104 75, 77, 79, 101, 103, 105 48, (34), 36, 44, 62, 64 35, 44, 61, 63, 65 72 56, 58, 86, 88, 90 56, 57, 59, 85, 87, 89 84 66, (68), 70, 98, 100, 102, 104 (68), (69), (71), (97), (99), (101) 8 96 78, 82, 110, 112, 114 79, 80, 81, 83, 109, 111, 113 60 44, 46, 74, 76 57, 69, 77, 7S, 79 90 68, 72, 74, 76, 104, 106, 108, 110, 112, 114 70, 71, 73, 87, 93, 107, 109 10 120 86, 88, 92, 94, 96, 98, 102, 104, 106, 134, 1Зб, 138, 140, 142, 146 99, 101, 103,117, 123,137, 139 72 56, 64, 80, 88 69,75,80,89,91. 92 90 68, 70, 74, 88, 98, 106, 108, 110 (71), (73), 86, 87, 93, 94, (107). (109) 108 86, 68, 92, 100, 116, 124, 128, 130,132 84, 89, 91, 104, 105, 111,112, 125, 127 12 144 124, 128, 136, 152,160, 164, 166, 168, 170, 172 125, 127, 141, 147, 161, 163 Примечания: 1, В скобках указаны числа пазов, при которых возможно повышение вибрации двигателей 2. Звездочкой отмечены числа пазов, применяемые, в основном, в машинах малой мощно- сти. 36 3.2.8. Закороченные пластины Ротор и статор двигателя переменного тока собирают из отдельных тон- ких изолированных друг от друга пластин. Это ослабляет паразитные вихре- вые токи и уменьшает бесполезный нагрев статора и ротора. Если в каком-то месте происходит замыкание пластин, то возникает локальное повышение температуры и термическая деформация. Закорачивание пластин также со- провождается повышенными уровнями вибрации на частоте 100 Гц. 3.2.9. Дефекты роторных стержней Важным типом неисправности больших электродвигателей является растрескивание и сопровождающие его нагрев и разрушение роторных стержней. Особенно это характерно для двигателей, испытывающих частые запуски под нагрузкой. При запуске, стержни подвергаются наиболее силь- ному воздействию: скорость ротора в этот момент много меньше синхрон- ной, и поэтому по стержням проходит самый высокий ток. Большие токи вызывают нагрев и расширение стержней. Из-за разного электрического сопротивления стержни нагреваются и расширяются неравномерно. В результате образуются трещины в местах сварных соединений стержней с закорачивающим кольцом. Как только это происходит, сопротивление стержня резко возрастает, увеличивается его нагрев, и, как следствие, трещина еще больше развивается. Одновременно возрастает ток в соседних стержнях, компенсируя снижение тока в дефект- ном. Такой сценарий приводит к локальному нагреву и деформации ротора. 3.2.10. Мониторинг роторных стержней с помощью анализа электриче- ского тока Состояние роторных стержней асинхронного двигателя можно опре- делить с помощью спектрального анализа тока. Такой анализ должен про- водиться с высоким частотным разрешением и в динамическом диапазоне более 60 дБ. Крутящий момент двигателя слегка уменьшается всякий раз, когда дефектный стержень пересекает магнитный полюс. Это происходит с удво- енной частотой скольжения, потому что такой мгновенный спад имеет ме- сто как для северного, так и для южного полюсов. Вследствие закона со- хранения энергии снижение крутящего момента сопровождается спадом входного тока электродвигателя с такой же частотой. Эти периодические спады фактически являются амплитудной модуляцией. Величина модуля- ции соответствует серьезности дефекта. Для обнаружения модуляции тока нужно выполнить его частотный 37 анализ и проверить наличие боковых полос вокруг сетевой частоты 50 Гц, отстоящих на величину удвоенной частоты скольжения. Это можно сде- лать, установив на одну из фаз входной цепи электрический зажим и соеди- нив его с анализатором спектра. Вместо зажима-клеммы, можно использовать обыкновенный транс- форматор тока. Его обычно размещают рядом с устройством включения, а не с самим двигателем, особенно при очень больших размерах последнего. Положение трансформатора относительно двигателя несущественно - вре- менная реализация тока будет той же самой. При этом испытании двигатель должен работать под нагрузкой, так как в противном случае скольжение будет очень низким и не будет разви- ваться необходимый для обнаружения дефекта крутящий момент. В трехфазных двигателях достаточно измерять только одну фазу. Анализатор должен быть обладать высоким разрешением в диапазоне от 40 Гц до приблизительно 70 Гц. Так как, при скорости вращения 1460 мин -1 частота скольжения будет 1500-1460=40 мин -1 , то есть 0.667 Гц. Тогда боковые полосы будут следовать с шагом 1.334 Гц. Желательно иметь спек- тральное разрешение в 1600 линий, чтобы отличить боковые полосы удво- енной частоты скольжения от других боковых полос, вызванных измене- ниями нагрузки и т.п. Если уровни боковых полос на 55-60 дБ ниже сетевого пика (50 Гц), то считают, что стержни находятся в хорошем состоянии, но если эта раз- ность меньше 40 дБ, то они повреждены. При известном количестве стерж- ней можно откалибровать систему так, чтобы она связывала фактическое число повреждений с уровнями боковых полос. Амплитудно-частотный спектр тока потребления по одной фазе пита- ния трехфазового асинхронного электродвигателя (Рис. 3.10. ) содержит ярко выраженные гармоники частоты питающей сети: 50 Гц, 100 Гц, 150 Гц. Амплитуда второй (100 Гц) и третьей (150 Гц) гармоник меньше соответственно на 51 дБ (350 раз) и 40 дБ (100) раз. Вокруг основной гар- моники тока питания 50 Гц выделяются симметрично расположенные бо- ковые частоты, отстоящие от нее на ±3 Гц и ±6 Гц, которые представляют собой первую и вторую гармонику диагностического сигнала, модулирую- щего амплитуду тока потребления. 38 Рис. 3.10. Амплитудно-частотный спектр тока при дефекте стержней Для двигателя с синхронной частотой вращения n e =3000 мин -1 (число пар полюсов P=1) и номинальной частотой вращения под нагрузкой n H =2910 мин -1 частота скольжения S=(3000-2910)/60=1,5 Гц, а произведе- ние 2S·P=2·1,5·1=3 Гц. Таким образом, эти боковые частоты являются гар- мониками удвоенной частоты скольжения 2S, что свидетельствует о нали- чии дефектного стержня в роторе электродвигателя. Амплитуда макси- мальной (первой слева) гармоники на 43 Дб (144 раза) меньше амплитуды питающего тока. Согласно вышеприведенному критерию (-40 дБ) дефект обрыва стержня развивается и близок к завершению, т.е. полному обрыву стержня от замыкающего кольца. 3.3. Гидродинамические источники вибрации насосов 3.3.1. Источники вибрации Гидродинамические источники иногда являются определяющими в спектрах вибрации большинства насосов. Так у лопастных насосов гидро- динамическими источниками вибрации являются: вихреобразование в по- токе рабочей среды, неоднородность потока, турбулентные пульсации дав- ления, воздушная и паровая кавитации. У шестеренных и поршневых насо- 39 сов гидродинамическими источниками вибрации являются: пульсации дав- ления в рабочих камерах, неравномерность давления во всасывающем и на- гнетательном трактах, гидравлические удары, собственные колебания стол- бов жидкости в каналах гидроблока, вихреобразования при обтекании по- током жидкости местных сопротивлений внутри гидроблока, кавитацион- ные явления, удары клапанов. К гидродинамическим источникам вибрации у винтовых и пластинча- тых насосов в первую очередь можно отнести: вихреобразования и отрыв вихрей у стенок плохо обтекаемых деталей, турбулентные пульсации пото- ка жидкости и гидродинамические пульсации, обусловленные их принци- пом действия. 3.3.2. Вихреобразование При обтекании тела вязким потоком за ним образуются вихри. Они за счет энергии потока постепенно увеличиваются в размере по достижении опре- деленной (критической) величины отрываются от тела. При достаточно больших числах Рейнольдса Re ³ (10 2 ¸ 10 5 ) вихри отрываются поочередно с двух сторон от тела и образуется регулярная вихревая дорожка Кармана. При отрыве вихря на теле возникает импульс силы, который приводит к образованию вибрации и шума. Рассмотренная схема образования вибрации и шума предполагает су- ществование регулярной вихревой дорожки Кармана. Однако в действи- тельности значения чисел Re в лопастных насосах больше вышеуказанных и регулярной дорожки Кармана может не быть, кроме того, характерные скорости и размеры меняются от сечения к сечению лопасти. Поэтому спектр вибрации от вихреобразования в лопастном аппарате становится широкополосным. 3.3.3. Неоднородность потока Если перед рабочим колесом лопастного насоса имеется какое-то тело (направляющая лопатка, стойка подшипника и т. д.), вследствие вязкости жидкости за обтекаемым телом в потоке образуется кромочный след, мест- ные скорости в котором резко отличаются от средней скорости потока. При попадании лопасти колеса в кромочный след входная относительная ско- рость, равная векторной сумме абсолютной и окружной скоростей, изменя- ется по величине и по направлению, что влечет за собой изменение угла атаки. В момент резкого изменения угла атаки с лопасти сбегает вихрь. Этот вихрь индуцирует циркуляцию вокруг профиля, которая согласно теореме Жуковского порождает на нем импульс силы. Последний возбуждает виб- 40 рацию лопасти и звуковой импульс в рабочей среде. Лопасть рабочего колеса при вращении регулярно набегает на неод- нородность потока, вследствие чего возбуждаемые при этом вибрация и шум проявляются на лопастной частоте. Вибрация на этой частоте возникает также при взаимодействии неод- нородного потока, выходящего из рабочего колеса, с лопастями сзади стоя- щего направляющего (спрямляющего) аппарата. Вибрация и шум насосов от неоднородности потока снижаются при увеличении зазора между лопастями рабочего колеса и неподвижными (ста- торными) лопатками, а также путем подбора рационального сочетания их чисел. При равномерной частотной характеристике корпуса насоса во всем диапазоне лопастных частот интенсивность вибрации и шума от неодно- родности потока растет в 4…6-й степени от окружной скорости. В общем случае неоднородность потока возбуждает вибрацию в об- ласти частот от 10f о до 50f о или (1-4)f л . При этом, вибросигнал содержит составляющие: - на частоте вращения ротора и ее гармониках; - на лопаточной частоте (f л или BPF) и ее гармониках; - на боковых частотах вокруг лопаточной частоты и ее гармониках и субгармониках. В частности: 1. Разброс газодинамических (гидродинамических) характеристик ло- пастей, выражающийся в нарушении расчетной формы лопастей, может приводить к появлению составляющих на лопаточной частоте и ее модуля- ции гармониками оборотной частоты (f л ± k f o ); 2. При динамическом эксцентриситете рабочего колеса относи- тельно языка или направляющего аппарата на входе или выходе (в основ- ном, при очень малых значениях зазора) также может появиться амплитуд- ная модуляция лопаточной частоты f л и ее гармоник m f л оборотной часто- той f o и ее гармониками k f o , т.е. составляющие m f л ± k f o (Рис. 3.11) ; 3. Статический эксцентриситет в большинстве случаев не очень сильно влияет общий на уровень вибрации и существенно может прояв- ляться лишь в случае малых зазоров между рабочим колесом и языком спи- рали отвода; 4. При неравномерном эксплуатационном износе лопастей могут появляться f o и ее гармоники k f o , лопаточные частоты m f л и их модуляци- онные составляющие ± k f o 41 Рис. 3.11. Спектр вибрации центробежного компрессора при динамическом эксцентриситете 3.3.4. Турбулентные пульсации давления Поток жидкости, движущейся вдоль поверхности твердого тела, при оп- ределенных числах Re становится турбулентным в пристеночном слое. Воз- никновение вибрации обтекаемого тела в этом случае связано с непосредст- венным воздействием на поверхность тела пульсаций поля давлений, вызван- ных пульсацией скоростей турбулентного пограничного слоя. Величина квад- рата среднеквадратичного давления, пропорциональная интенсивности вибра- ции, зависит в четвертой степени от скорости потока, т. е. амплитуда пульса- ций давления определяется динамическим напором. Спектр вибрации обте- каемой поверхности аналогичен спектру пульсаций давления на стенке. Тур- булентные пульсации давления, как гидродинамические источники вибрации, в лопастных машинах имеют второстепенное значение. 3.3.5. Кавитация Существует несколько различных форм начальной стадии кавитации. В лопастных (осевых и центробежных) насосах принято различать пузырь- ковую, профильную и вихревую формы. Процесс возникновения кавитационных импульсов давления от пу- зырьковой кавитации схематически представляется следующим образом. В набегающем на тело потоке содержится очаг кавитации – пузырек. Попав в 42 зону разрежения вблизи обтекаемого тела, он начинает расти под действи- ем растягивающих напряжений. Рост продолжается до тех пор, пока кине- тическая энергия присоединенной к пузырьку массы воды полностью не израсходуется, т. е. рост пузырька заканчивается за зоной разрежения; уве- личивающийся пузырек сносится потоком в область повышенного давле- ния, где он начинает сокращаться. Находящийся внутри пузырька газ ока- зывает демпфирующее влияние, и пузырек, прежде чем захлопнуться, со- вершает несколько сжатий и расширений. Эти процессы сопровождаются выделением виброакустической энергии, причем основная доля энергии из- лучается на стадии сжатия. Пузырьковая форма кавитации обычно развива- ется около тел с плавными обводами, например стоек водорезов. Кавитация является одним из самых мощных источников вибрации и шума насосов. Причем на виброакустические характеристики насосов су- щественное влияние оказывает уже начальная стадия кавитации, возни- кающая в небольших по площади областях. При профильной кавитации на обтекаемом теле (профиле) образуется прозрачная или непрозрачная каверна. Как правило, на лопастях рабочих колес насосов имеет место профильная кавитация с непрозрачной каверной. Каверна начинает свое развитие у входной кромки обтекаемого профиля. От хвостовой части каверны непрерывно отделяются различных размеров и форм участки, которые затем сносятся потоком и замыкаются. Вся каверна при этом заполнена отдельными пузырьками, которые в месте, где она на- чинается, существуют независимо друг от друга и сливаются воедино в средней ее части. Вихревая кавитация развивается в ядрах вихрей, образующихся на свободных концах лопастей осевых колес. Возникновение перечисленных форм кавитации подвержено мас- штабному эффекту и происходит при давлениях в зоне разрежения боль- ших, чем давление упругости водяных паров. Под масштабным эффектом кавитации понимается влияние не только геометрических размеров, но и величин скорости, давления, температуры, степени насыщенности жидко- сти воздухом – вообще всех параметров, которыми могут различаться пото- ки, обтекающие геометрически подобные тела. Из названных форм начальной стадии кавитации наибольшей виброа- кустической мощностью обладают вихревая (в осевых насосах) и профиль- ная (в центробежных насосах). Эти формы кавитации по мере увеличения ее интенсивности проходят газовую и паровую стадии. При снижении дав- ления (увеличении скорости потока) наступает такой момент, когда газовые пузырьки в результате анизотропной направленной диффузии растворенно- 43 го в воде газа начинают резко расти в объеме. Происходит дегазация жид- кости, которую часто называют газовой кавитацией; так как при дегазации возникают импульсы давлений, то рост пузырька имеет циклический ха- рактер. При дальнейшем понижении давления, т.е. с увеличением растяги- вающих жидкость напряжений, возникает паровая стадия кавитации. Вибрация и шум, вызываемые кавитацией, занимают широкий спектр частот. Причем ранние стадии кавитации проявляются в высокочастотной части спектра; с увеличением интенсивности кавитации спектр расширяет- ся в область средних и низких частот. Когда кавитация переходит в срыв- ную стадию, низкочастотные вибрации бывают настолько сильными, что могут вызвать поломку насоса. Интенсивность ( |