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 _

161

диальном, так и осевом направлениях, однако, в силу зависимости от жесткости

подшипника, обычно горизонтально-радиальная вибрация преобладает над вер-

тикальной. При этом часто наблюдаются более интенсивные колебания опор

корпуса ротора с дисбалансом, а влияние его колебаний на вибрацию сопря-

женных агрегатов, особенно в случае применения гибких муфт, обычно относи-

тельно невелико.

В данном случае (Рисунок 7-2) амплитуда первой гармоники на частоте

50 Гц значительно больше амплитуды остальных гармоник. Следовательно,

можно предположить, что данный агрегат имеет дисбаланс ротора.

Уровень виброскорости (Рисунок 7-8) достаточно велик и превышает

допустимый порог согласно Руководящему документу [11] по

эксплуатационным нормам вибрации. Уровень виброперемещения (Рисунок

7-9) также велик и также превышает порог согласно [11], установленный для

данного агрегата. Наличие большого уровня вибраций с оборотной частотой,

возможно, привело к ослаблению креплений подшипников ротора и агрегата в

целом. Поэтому необходимо проверить крепление не только агрегата в целом,

но и крепление всех соединений.

Рисунок 7-8 – Амплитудно-частотный спектр виброскорости при дисбалансе

При анализе сигналов необходимо тщательно проверять частоту оборот-

ной гармоники. Так, при реальной частоте вращения двигателя около 2880 мин-

1 частота оборотной гармоники будет соответствовать 48 Гц. При недостаточ-

ной разрешающей способности спектрального анализа (более 1 Гц) составляю-

щие с частотой сети (50 Гц ± 2%) и составляющая с оборотной частотой (48 Гц)

сольются в одну спектральную линию. Поэтому для проведения достоверного

анализа необходимо иметь разрешающую способность анализатора по частоте

не менее 0.5-1 Гц, что соответствует времени выборки сигнала, 2-1 сек. Пример

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

162

спектра сигнала виброускорения с разрешающей способностью 0.25 Гц приве-

ден на рисунке 7.10. (Рисунок 7-10)

Рисунок 7-9 - Спектр виброперемещения при дисбалансе

Рисунок 7-10 - Спектр сигнала с разрешающей способностью 0.25 Гц

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

163

7.2. Диагностические признаки неисправностей

электродвигателей

Электродвигатель представляет собой сложное сочетание взаимосвязан-

ных колебательных систем с несколькими источниками возмущающих сил.

Каждый из источников имеет свой характерный спектр вибрации. В зависимо-

сти от типа, конструктивного исполнения и скорости вращения электрических

машин в спектре вибрации может преобладать тот или иной источник.

Двигатель переменного тока (Рисунок 7-11). Существует два типа двига-

телей переменного тока: синхронные и асинхронные. Двигатели любого из этих

типов могут питаться однофазным либо трехфазным электрическим током. В

промышленности обычно применяют трехфазные установки из-за их более вы-

сокой эффективности.

Рисунок 7-11 – Разрез асинхронного электродвигателя

Синхронные электродвигатели гораздо менее распространены, чем асин-

хронные, однако их используют в некоторых специальных приложениях, тре-

бующих абсолютного постоянства скорости, а также для коррекции коэффици-

ента мощности. Синхронные и асинхронные двигатели похожи во многих от-

ношениях, но отличаются в некоторых деталях.

Статор двигателя переменного тока имеет несколько проволочных обмо-

ток из провода, уложенного в пазах статора. Этих пазов всегда значительно

больше, чем обмоток, поэтому последние переплетаются достаточно сложным

образом.

Когда на обмотки подается переменный ток, внутри статора создается

вращающееся магнитное поле. Скорость этого вращения зависит от числа об-

моток, то есть количества полюсов.

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

164

В трехфазном двигателе три

обмотки формируют два магнитных

полюса вследствие совместного дей-

ствия их электрических токов, раз-

ность фаз которых составляет 120

градусов. При сетевой частоте сети

50 Гц и двух полюсах статора, часто-

та вращения поля будет 50 с

-1

или

3000 мин

-1

. Если имеется 4 полюса

(6 обмоток), то поле будет вращаться

со скоростью 1500 мин

-1

и так далее.

Синхронный двигатель. Если внутри статора разместить постоянно на-

магниченный в поперечном направлении круглый ротор, то последний будет

закручиваться магнитным притяжением со скоростью вращения поля. Она на-

зывается синхронной скоростью, а такая конструкция - синхронным электро-

двигателем. Он вращается в точности синхронно с сетевой частотой.

Синхронные двигатели применяются в электрических часах для обеспе-

чения точности хода. Их также применяют в промышленности. В этих двигате-

лях ротор является электромагнитом и возбуждается постоянным током. Син-

хронные электродвигатели обладают одной интересной особенностью: если ро-

тор перевозбужден, то есть если его магнитное поле превышает определенную

величину, то двигатель ведет себя подобно конденсатору в сети питания. Это

может использоваться для коррекции коэффициента мощности промышленных

предприятий, эксплуатирующих большое количество асинхронных двигателей.

Асинхронный двигатель. Отличие асинхронного двигателя от синхронно-

го заключается в том, что его ротор не является постоянным магнитом. Он со-

стоит из электропроводных стержней, расположенных вдоль оси и вставленных

в специальные пазы, которые равномерно распределены по окружности

(Рисунок 7-12). Стержни соединены друг с другом (закорочены, как говорят

электрики) кольцами, которые привариваются к их концам с обеих сторон ро-

тора. Такая конструкция имеет сходство с небольшим беличьим колесом, по-

этому асинхронные двигатели называют также двигателями с беличьим коле-

сом. Каждая пара стержней представляет собой замкнутый виток. Ротор намаг-

ничивается 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 возникают индукционные токи, которые создают собственное маг-

нитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора имеют противополож-

ную полярность, а сам ротор как бы отталкивается от статора и получает кру-

тящий момент, приводящий его в движение.

Т.к. асинхронные двигатели используют принцип магнитного отталкива-

ния, а не притяжения, их также называют двигателями с индукционным оттал-

киванием. Если бы в системе не было трения, то ротор вращался бы с синхрон-

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

165

ной скоростью, а сам двигатель после начала вращения уже не создавал бы по-

лезного крутящего момента.

Рисунок 7-12 – Беличье колесо

При этих условиях стержни ротора вращались бы синхронно с полем ста-

тора, и в них не возникали бы индукционные токи. Как только к двигателю

прикладывается нагрузка, его скорость падает, роторные стержни начинают пе-

ресекать силовые линии магнитного поля, изменяется магнитный поток и соз-

дается сила, отталкивающая ротор. Собственное поле ротора вращается в про-

тивоположном направлении, а скорость этого вращения зависит от приложен-

ной нагрузки. Отсюда следует, 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 магнитное поле). При этом в обмотках статора также

возрастает ток, чтобы поддержать токи в стержнях. Таким образом, фактиче-

ская скорость асинхронного двигателя всегда зависит от нагрузки.

Электродвигателям присущи все механические повреждения, характер-

ные для роторных машин, но с некоторыми особенностями.

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

166

7.2.1. 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 холодном двигателе.

Локальный нагрев бывает настолько серьезным, что поврежденный стер-

жень может расплавиться и застрять в воздушном зазоре.

7.2.2. Эксцентриситет воздушного зазора

Если воздушный зазор неоднороден, то силы, действующие на ротор, бу-

дут несбалансированны. В результате возникнет сильная вибрация на удвоен-

ной частоте питающей сети (100 Гц) (Рисунок 7-13), имеющая электромагнит-

ную природу. Магнитное притяжение обратно пропорционально квадрату рас-

стояния между ротором и статором, поэтому даже небольшой эксцентриситет

вызовет относительно высокую вибрацию. Этот тип магнитной асимметрии

также снижает к.п.д. двигателя, причем иногда до 10 % и приводит к прежде-

временному износу подшипников. Такой дефект может возникнуть вследствие

не жесткости основания, из-за чего деформируется корпус двигателя. Эта ком-

понента исчезает сразу после отключения питания, что является диагностиче-

ским признаком данного дефекта.

Рисунок 7-13 - Маска спектра вибрации при эксцентриситете статора

Эксцентриситет воздушного зазора приводит к несовпадению оси враще-

ния ротора с осью статора. Неравномерность зазора зависит от точности изго-

товления отдельных деталей, качества сборки, углового положения ротора.

Дифференциальный воздушный зазор не должен превысить 5 % для асинхрон-

ных двигателей и 10 % для синхронных электродвигателей.

Эксцентриситет статора приводит к появлению вибрации на второй гар-

монике сетевой частоты

(при числе пар полюсов

), или в общем случае

. При этом в спектре, как правило, присутствуют первая и вторая оборот-

ные гармоники (Рисунок 7-14).

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

167

Рисунок 7-14 – Электрическая составляющая вибрации на частоте 100 Гц

7.2.3. Ослабление ротора

Иногда металлические пластины ротора могут скользить по валу. Обычно

такое явление скачкообразно зависит от температуры. В результате, возникает

серьезная вибрация на частоте

f и ее гармониках. Этот тип неисправности

иногда очень трудно определить, особенно из-за его скачкообразности. Внезап-

ные изменения нагрузки или напряжения в сети могут инициировать скольже-

ние ротора.

7.2.4. Эксцентриситет ротора

Если ротор имеет некруглое сечение, то, даже будучи отбалансирован-

ным, он возбуждает вибрацию на оборотной частоте

f и ее гармониках, а так-

же порождает несбалансированные магнитные силы, приводящие к вибрации

на частоте прохождения полюсов - произведение частоты скольжения на число

полюсов (Рисунок 7-15).

Проблемы с ротором, например, неравномерность высоты пазов, вызы-

вают появление гармоник на частотах пазовой частоты – произведение частоты

вращения на количество пазов (Рисунок 7-16).

7.2.5. Частота прохождения пазов

Еще одна компонента в спектре вибрации электродвигателя - так назы-

ваемая частота прохождения пазов, равная произведению числа пазов статора

на частоту вращения вала. В пазах статора находятся обмотки, и из-за их ко-

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

168

нечного количества возникает неоднородность или гребенчатость вращающего-

ся магнитного поля, которая в свою очередь вызывает вибрацию. Стержни ро-

тора тоже закреплены в своих пазах, поэтому иногда частотой прохождения па-

зов ротора называют частоту прохождения стержней. Эти частоты можно опре-

делить, умножив частоту вращения ротора на количество пазов (Табл. 7-1,

Рисунок 7-16).

Рисунок 7-15 - - Маска спектра вибрации при эксцентриситете ротора

Рисунок 7-16 - Маска спектра вибрации при обрыве витков статора

7.2.6. Повреждение обмоток статора или изоляции

Повреждение обмоток статора или изоляции характеризуется величиной

2-й гармоники сетевой частоты (

100

f Гц

) в спектре виброскорости. Кроме

того появляются составляющие на частоте, равной произведению количества

стержней ротора и частоты вращения. В спектре огибающей появляются гар-

моники частоты вращения. Повышается температура на поверхности корпуса в

месте повреждения на 20-30°. Перегрев статора может даже изогнуть корпус.

Вибрация в последнем случае непрерывно возрастает при работе (Рисунок 7-16,

Рисунок 7-17).

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

169

Рисунок 7-17 – Маска спектра при повреждении обмоток статора

или изоляции

Рисунок 7-18 – Типичный спектр вибрации при нарушении

целостности витков статора

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

170

Таблица 7-1 - Рекомендуемые числа пазов ротора асинхронных

двигателей с короткозамкнутым ротором

Число Число пазов ротора

полю-

сов

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

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

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

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)

96 78, 82, 110, 112, 114 79, 80, 81, 83, 109, 111, 113

60 44, 46, 74, 76 57, 69, 77, 7S, 79

68, 72, 74, 76, 104, 106, 108, 110,

112, 114

70, 71, 73, 87, 93, 107, 109

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

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.