Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н., Тарасов Е.В. Основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

171

7.2.7. Электрически наведенная вибрация

Электрическим машинам присущи все дефекты роторного оборудования,

которые осложняются чисто электрическими эффектами. Магнитострикция, то

есть деформация магнитных материалов в присутствии магнитного поля, вызы-

вает 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 Гцf

эм

100

. Поэтому статор также вибрирует с частотой 100 Гц

(Рисунок 7-14). Этот магнитный эффект иногда трудно отличить от второй гар-

моники оборотной частоты

2 f в машинах, работающих на 3000 мин

-1

. Вибра-

ция, наведенная электромагнитным полем, исчезает сразу же после отключения

питания, в то время как гармоника

2 f продолжает существовать на выбеге ро-

тора.

Удвоенная сетевая частота (120 Гц в США и 100 Гц в России и Европе)

практически всегда имеет вибрационную компоненту в спектре электродвига-

теля. С этой частотой изменяется притяжение между статором и ротором, а,

кроме того, и металлические элементы изменяют свои размеры в присутствии

переменного магнитного поля из-за магнитострикции.

Если в двигателе имеется несоосность, например, неконцентричность

статора и ротора, то магнитные силы между ними будут несбалансированы и

значительно увеличится вибрация на частоте 100 Гц. Это явление называют ме-

ханической асимметрией. Если магнитное поле статора неоднородно, напри-

мер, в случае разрывов или замыканий обмоток, то вибрация на частоте 100 Гц

тоже увеличится. Такое состояние называется магнитной асимметрией. Оба ти-

па асимметрии снижают к.п.д. двигателя, увеличивая его энергопотребление и

уменьшая выходную механическую мощность.

7.2.8. Вибрация вследствие скольжения

Нарушения в роторных стержнях вызывают вибрацию на частоте, равной

произведению частоты скольжения на количество полюсов электродвигателя.

Например, в двухполюсном двигателе, каждый стержень совпадает хотя бы с

одним из полюсов вращающегося поля статора два раза за цикл проскальзыва-

ния. Этот цикл равен отношению синхронной частоты (сетевой) к частоте

скольжения. Так, в электродвигателе с частотой вращения

2875

= минn

(число пар полюсов

) синхронная скорость

)50(3000/60

Гцfминpfn

CCC

==×=

, а частота скольжения

)1,2(12528703000

ГцминS

=-= . Тогда цикл есть

125

3000

. То есть

каждые 24 оборота ротора один и тот же стержень совпадет с вращающимся

магнитным полюсом одной и той же полярности, а каждые 12 оборотов - с ка-

ким-то из двух полюсов. Относительное скольжение

nnns /)(

Если один из роторных стержней из-за трещины или излома имеет более

высокое сопротивление чем остальные, то при совпадении с полюсами в нем

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

172

индуцируется меньший ток, а, значит, в данной точке цикла проскальзывания

наблюдается меньший крутящий момент. Таким образом, величина последнего

модулируется частотой прохождения стержня через полюс (произведение час-

тоты скольжения на удвоенное число полюсов). В результате в спектре появля-

ется соответствующая вибрационная компонента, а также боковые полосы во-

круг оборотной частоты

f и ее гармоник с шагом, равным произведению 2S

(1S - частота скольжения - Slip) на число пар магнитных полюсов.

Разрушение, растрескивание или коррозия роторных стержней является

достаточно частым видом неисправностей асинхронных двигателей, особенно

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 по-

явлению трещин и изломов в местах соединения с закорачивающими кольцами.

Асинхронные двигатели с дефектными роторными стержнями вызывают

вибрацию, которая медленно меняется по амплитуде на удвоенной частоте

скольжения. Это явление называется биениями. Этоо часто можно заметить на

слух, а также измерить. Амплитуда и частота биений зависят от нагрузки дви-

гателя. Кроме того, этот эффект проявляется на пазовой частоте в виде ее моду-

ляции частотой скольжения.

7.2.9. Закороченные пластины

Ротор и статор двигателя переменного тока собирают из отдельных тон-

ких изолированных друг от друга пластин. Это ослабляет паразитные вихревые

токи и уменьшает бесполезный нагрев статора и ротора. Если в каком-то месте

происходит замыкание пластин, то возникает локальное повышение температу-

ры и термическая деформация. Закорачивание пластин также сопровождается

повышенными уровнями вибрации на частоте 100 Гц.

7.2.10. Дефекты роторных стержней

Важным типом неисправности больших электродвигателей является рас-

трескивание и сопровождающие его нагрев и разрушение роторных стержней.

Особенно это характерно для двигателей, испытывающих частые запуски под

нагрузкой. При запуске, стержни подвергаются наиболее сильному воздейст-

вию: скорость ротора в этот момент много меньше синхронной, и поэтому по

стержням проходит самый высокий ток. Большие токи вызывают нагрев и рас-

ширение стержней. Из-за разного электрического сопротивления стержни на-

греваются 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 воз-

растает ток в соседних стержнях, компенсируя снижение тока в дефектном. Та-

кой сценарий приводит к локальному нагреву и деформации ротора.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

173

Повреждение стержней ротора или короткозамкнутого кольца приводит к

электрической несимметрии ротора асинхронного двигателя и появлению в

крутящем моменте составляющей

f2 пульсирующей с частотой скольжения.

Угловые колебания ротора под действием пульсирующего момента приводят к

угловой модуляции частоты вращения ротора

и появлению вокруг нее боко-

вых составляющих с частотой скольжения. Кроме того, поврежденные стержни

или трещины в короткозамкнутом кольце будут проявляться в виде модуляции

3 f ,

4 f ,

5 f частотой скольжения (Рисунок 7-19).

Рисунок 7-19 - Маска спектра вибрации при дефекте стержней ротора

Временная реализация сигнала при этом, как правило, приобретает харак-

терный вид (Рисунок 7-20), по которому можно легко сказать, что, либо сигнал

промодулирован низкочастотной составляющей, либо зафиксированы биения.

Рисунок 7-20 – Сигнала с ППД при дефекте стержней ротора

В спектре вибрации этот дефект проявляется в виде 100 Гц компоненты

модулированной частотой скольжения (Рисунок 7-22). При этом возможно по-

явление и вибрации на частоте 50 Гц также модулированной частотой скольже-

ния (Рисунок 7-22). Иногда дефект стержней ротора проявляется в виде появле-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

174

ния пазовой частоты, модулированной удвоенной сетевой частотой, и оборот-

ных гармоник, модулированных частотой скольжения (Рисунок 7-16). Иногда

амплитуда составляющих с частотой

RBPF

f2 может превышать амплитудой в

RBPF

f .

Рисунок 7-21 – Спектр сигнала при дефекте стержней ротора

Рисунок 7-22 – Спектр сигнала при дефекте стержней ротора

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

175

Рисунок 7-23 – Временная реализация сигнала с ППД

при дефекте стержней ротора

Рисунок 7-24 - Спектр огибающей с ППД в направлении Z

при дефекте стержней ротора

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

176

Рисунок 7-25- Спектр огибающей с ППД в направлении X

при дефекте стержней ротора

Обрыв или трещины в клетке беличьего колеса или короткозамкнутые

витки в фазном роторе вызывают сильную вибрацию на гармониках частоты

вращения, окруженных боковыми полосами частот. Трещины в стержнях бе-

личьего колеса часто проявляются на третьей, четвертой и пятой гармониках

частоты вращения, окруженных боковыми полосами частот. Ослабление креп-

ления стержней беличьего колеса проявляется на стержневой частоте. В этом

случае пик стержневой частоты окружен боковыми полосами двойной сетевой

частоты. Часто пик второй гармоники стержневой частоты выше, чем первый.

7.2.11. Диагностирование состояния роторных стержней

Состояние роторных стержней асинхронного двигателя можно опреде-

лить с помощью спектрального анализа тока. Такой анализ должен проводиться

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

удвоенной частотой скольжения, потому что такой мгновенный спад имеет

место как для северного, так и для южного полюсов. Вследствие закона

сохранения энергии снижение крутящего момента сопровождается спадом

входного тока электродвигателя с такой же частотой. Эти периодические спады

фактически являются амплитудной модуляцией. Величина модуляции

соответствует серьезности дефекта.

Для обнаружения модуляции тока нужно выполнить его частотный ана-

лиз и проверить наличие боковых полос вокруг сетевой частоты 50 Гц, отстоя-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

177

щих на величину удвоенной частоты скольжения. Это можно сделать, устано-

вив на одну из фаз входной цепи электрический зажим и соединив его с анали-

затором спектра.

Вместо зажима-клеммы, можно использовать обыкновенный трансфор-

матор тока. Его обычно размещают рядом с устройством включения, а не с са-

мим двигателем, особенно при очень больших размерах последнего. Положение

трансформатора относительно двигателя несущественно - временная реализа-

ция 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 развиваться 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.

Если уровни боковых полос на 55-60 дБ ниже сетевого пика (50 Гц), то

считают, что стержни находятся в хорошем состоянии, но если эта разность

меньше 40 дБ, то они повреждены. При известном количестве стержней можно

откалибровать систему так, чтобы она связывала фактическое число поврежде-

ний с уровнями боковых полос.

Амплитудно-частотный спектр тока потребления по одной фазе питания

трехфазового асинхронного электродвигателя (Рисунок 7-26) содержит ярко

выраженные гармоники частоты питающей сети: 50 Гц, 100 Гц, 150 Гц. Ампли-

туда второй (100 Гц) и третьей (150 Гц) гармоник меньше соответственно на 51

дБ (350 раз) и 40 дБ (100) раз. Вокруг основной гармоники тока питания 50 Гц

выделяются симметрично расположенные боковые частоты, отстоящие от нее

на ±3 Гц и ±6 Гц, которые представляют собой первую и вторую гармонику ди-

агностического сигнала, модулирующего амплитуду тока потребления.

Для двигателя с синхронной частотой вращения

3000

= минn

(число

пар полюсов

) и номинальной частотой вращения под нагрузкой

2910

= минn

частота скольжения

Гц

)

2910

3000

(

, а произведе-

ние

Гц

. Таким образом, эти боковые частоты являются гар-

мониками удвоенной частоты скольжения

, что свидетельствует о наличии

дефектного стержня в роторе электродвигателя. Амплитуда максимальной

(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 замыкаю-

щего кольца.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

178

Рисунок 7-26 – Амплитудно-частотный спектр тока при дефекте стержней

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

179

Таблица 7-2 - Формулы для расчета частот возбуждения колебаний

Частоты вибраций в электродвигателях

Причина вибрации Формула Обозначения

Перемагничивание активного же

леза

приводного электродвигателя

ЭМС

=×

- частота тока сети

Пульсации магнитного потока:

в воздушном зазоре приводного электро-

двигателя постоянного тока

fkz

××

k=1;2 – номер гармоники;

–

число зубцов якоря

(ротора) двигателя

асинхронных электродвигателей

(1)

fms

éù

êú

ëû

m – число 2 или 0

– число полюсов;

s – скольжение

Частота колебаний элементов коллек-

торно-щеточного узла и ее гармоники

kfk

××

–

число коллекторных

пластин

Частота колебаний воздушного п

отока

вентилятора из-за неравномерности по-

тока

ЛВ

fzi

××

–

передаточное число

редуктора вентилятора

Линейная частота сети (линейная элек-

трическая частота ) и ее гармоники

;

С C

fkf

Пазовая частота (частота прохода стерж-

ня ротора)

;

RBPFRBPF

RBPF

fNf

=×

Частота прохода поля и ее гармоники

ППSC

fNfsf

=×=××

Частота односторонней электромагнит-

ной силы притяжения ротора к статору

RBPF

– число пазов ро

тора

(равно числу стержней)

– число полюсов;

– частота скольжения;

= f

/p – синхронная маг-

нитная частота (часто

та

вращения магнитного по-

ля)

Частоты пульсации магнитного потока в воздушном зазоре

электродвигателей постоянного тока

kfz

××

Я1

– ч

исло зубцов якоря

(ротора) двигателя

асинхронных электродвигателей

(1)

fms

éù

êú

ëû

m – число 2 или 0;

– число полюсов;

s – удельное скольжение

Частоты периодического изменения магнитной проводимости воздушного зазора:

в машинах постоянного тока

kfz

××

в асинхронных электродвигателях

(1)2

С RBPF

fNs

éù

-±

êú

ëû

в синхронных электродвигателях

(1)

С RBPF

fNs

éù

êú

ëû

Я2

число пазов якоря

(ротора) двигателя

Пазовая частота статора

CTCT

ffz

=×

СТ

– число пазов статора

Частота прохода обмотки (витков)

ОБОБ

ffN

=×

ОБ

– число обмоток (об-

щее число витков)

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

180

7.3. Газогидродинамические источники вибрации

7.3.1. Источники вибрации

Гидродинамические источники иногда являются определяющими в спек-

трах вибрации большинства насосов. Так у лопастных насосов гидродинамиче-

скими источниками вибрации являются: вихреобразование в потоке рабочей

среды, неоднородность потока, турбулентные пульсации давления, воздушная и

паровая кавитации. У шестеренных и поршневых насосов гидродинамическими

источниками вибрации являются: пульсации давления в рабочих камерах, не-

равномерность давления во всасывающем и нагнетательном трактах, гидравли-

ческие удары, собственные колебания столбов жидкости в каналах гидроблока,

вихреобразования при обтекании потоком жидкости местных сопротивлений

внутри гидроблока, кавитационные явления, удары клапанов.

К гидродинамическим источникам вибрации у винтовых и пластинчатых

насосов в первую очередь можно отнести: вихреобразования и отрыв вихрей у

стенок плохо обтекаемых деталей, турбулентные пульсации потока жидкости и

гидродинамические пульсации, обусловленные их принципом действия.

7.3.2. Вихреобразование

При обтекании тела вязким потоком за ним образуются вихри. Они за

счет энергии потока постепенно увеличиваются в размере и, по достижении оп-

ределенной (критической) величины, отрываются от тела. При достаточно

больших числах Рейнольдса Re ³ (10

¸10

) 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 образова-

нию вибрации и шума.

Рассмотренная схема образования вибрации и шума предполагает суще-

ствование регулярной вихревой дорожки Кармана. Однако в действительности

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 вихреоб-

разования в лопастном аппарате становится широкополосным.

7.3.3. Неоднородность потока

Если перед рабочим колесом лопастного насоса имеется тело (направ-

ляющая лопатка, стойка подшипника и т. д.), вследствие вязкости жидкости за

обтекаемым телом в потоке образуется кромочный след, местные скорости в

котором резко отличаются от средней скорости потока. При попадании лопасти

колеса в кромочный след входная относительная скорость, равная векторной

сумме абсолютной и окружной скоростей, изменяется по величине и по направ-

лению, что влечет за собой изменение угла атаки. В момент резкого изменения

угла атаки с лопасти сбегает вихрь. Этот вихрь инициирует циркуляцию вокруг

профиля, которая согласно теореме Жуковского порождает на нем импульс си-

лы. Последний возбуждает вибрацию лопасти и звуковой импульс в рабочей

среде.