Костюков В.Н., Науменко А.П. Практические основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

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.

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-

груз

ка, его скорость падает, роторные

стержни начинают пересекать силовые

линии магни

тного поля, изменяется

магнит

ный поток и создается сила,

отталкиваю

щая ротор. Собственное поле

ротора вращается в про

тивоположном

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-

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

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

, 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

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

продолжает существовать на выбеге ротора.

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

=2875 мин

-1

(число полюсов p=2) синхронная скорость равна

=60×f

/p=3000 мин

-1

=50 Гц), а частота скольжения S=3000-2875=125

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

- n

)/n

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 f

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).

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

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.

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

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.

Рис. 3.10. Амплитудно-частотный спектр тока при дефекте стержней

Для двигателя с синхронной частотой вращения n

=3000 мин

-1

(число

пар полюсов P=1) и номинальной частотой вращения под нагрузкой

=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-

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

(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

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-