1. Elektros pagrindai vibracijos analitikui

Prieš diagnozuojant variklio defektus pagal vibracijos spektrus, būtina suprasti pagrindinius elektros dažnius, kurie sukelia variklio vibraciją.

1.1. Linijos dažnis (LF)

Kintamosios srovės maitinimo dažnis: 50 Hz didžiojoje Europos, Azijos, Afrikos ir Rusijos dalyje; 60 Hz Šiaurės Amerikoje ir kai kuriose Pietų Amerikos bei Azijos dalyse. Visos variklio elektromagnetinės jėgos kyla iš šio dažnio.

1.2. Dvigubas linijos dažnis (2×LF)

Svetainė dominuojantis elektromagnetinės jėgos dažnis Kintamosios srovės varikliuose. 50 Hz sistemoje 2×LF = 100 Hz; 60 Hz sistemoje, 2×LF = 120 Hz. Magnetinė traukos jėga tarp statoriaus ir rotoriaus per elektros ciklą pasiekia maksimumą du kartus, todėl 2×LF yra pagrindinis kiekvieno kintamosios srovės variklio "elektrinių virpesių" dažnis.

1.3. Sinchroninis greitis ir slydimas

Statoriaus magnetinis laukas sukasi sinchroniniu greičiu:

kur P yra polių skaičius. Indukcinio variklio rotorius visada sukasi šiek tiek lėčiau. Šis skirtumas yra slydimas:

Tipinis pilnos apkrovos slydimas standartiniams indukciniams varikliams: 1–5%. 2 polių varikliui, kurio dažnis yra 50 Hz: N_s = 3000 aps./min., tikrasis greitis ≈ 2940–2970 aps./min.

1.4. Stulpo praėjimo dažnis (F_p)

Greitis, kuriuo rotoriaus poliai "slysta" pro statoriaus polius. Rezultatas yra universalus — nepriklausomai nuo polių skaičiaus:

Varikliui, veikiančiam 50 Hz dažniu ir turinčiam 2% slydimą: F_p = 2 × 0,02 × 50 = 2 Hz. Šis dažnis pasireiškia kaip būdingos šoninės juostos sulaužytų rotoriaus strypų spektruose.

1.5. Rotoriaus strypo pralaidumo dažnis

Kur R yra rotoriaus strypų skaičius. Šis dažnis ir jo šoninės juostos tampa reikšmingos, kai rotoriaus strypai yra pažeisti.

1.6. Pagrindinė dažnių nuorodų lentelė

StatoriusRotoriusApvijosOro tarpasMechaninisAšinis Bet koks oro tarpo iškraipymas tiesiogiai pakeičia magnetinę trauką, o tai iš karto pakeičia virpesių modelį. Simbolis ± žymi šonines juostas (moduliaciją).

2. Diagnostinių metodų apžvalga

Nė vienas metodas negali aptikti visų elektros variklio defektų. Patikima diagnostikos programa apjungia kelis vienas kitą papildančius metodus:

VibracijaMCSAESAMCATermografija Nė vienas metodas nesuteikia pilno diagnozavimo. Primygtinai rekomenduojamas kombinuotas diagnostinis metodas.

2.1. Vibracijos spektrinė analizė

Pagrindinė daugelio besisukančių įrenginių diagnostikos priemonė. Ant guolių korpusų esantys akselerometrai fiksuoja spektrus, atskleidžiančius mechaninius defektus (disbalansą, išlyginimo požymius, guolių susidėvėjimą) ir kai kuriuos elektrinius defektus (nelygų oro tarpą, atsilaisvinusias apvijas). Tačiau, Vien vibracijos analizė negali aptikti visų variklio elektros gedimų.

2.2. Variklio srovės charakteristikų analizė (MCSA)

Srovės fiksatorius vienoje fazėje fiksuoja srovės spektrą. Nutrūkę rotoriaus strypai sukuria šonines juostas ties LF ± F p. MCSA atliekama internetu ir yra visiškai neinvazinė.

2.3. Elektrinių signalų analizė (ESA)

MCC vienu metu analizuoja įtampos ir srovės spektrus. Aptinka maitinimo įtampos asimetriją, harmoninius iškraipymus ir maitinimo kokybės problemas.

2.4. Variklio grandinės analizė (MCA)

An neprisijungęs Fazės-fazės varžos, induktyvumo, impedanso ir izoliacijos varžos matavimo bandymas. Būtinas techninės priežiūros metu.

2.5. Temperatūros stebėjimas

Statoriaus apvijų temperatūros ir guolių temperatūros tendencijos iš anksto įspėja apie perkrovą, aušinimo problemas ir izoliacijos pablogėjimą.

3. Statoriaus defektai

Statoriaus defektai yra maždaug atsakingi už 23–37% visų variklio gedimų. Statorius yra stacionari dalis, kurioje yra sluoksniuota geležies šerdis ir apvijos. Defektai sukelia vibraciją pirmiausia 2׎emų dažnių (100 Hz / 120 Hz) ir jo kartotiniai.

3.1. Statoriaus ekscentriškumas — netolygus oro tarpas

Oro tarpas tarp rotoriaus ir statoriaus paprastai yra 0,25–2 mm. Net 10% variantas sukuria išmatuojamą elektromagnetinės jėgos disbalansą.

Priežastys

• Minkšta pėda – dažniausia priežastis
• Susidėvėję arba pažeisti guolių korpusai
• Rėmo deformacija dėl netinkamo transportavimo ar montavimo
• Terminis deformavimas eksploatavimo sąlygomis
• Prastas gamybos tolerancijos lygis

Spektrinis parašas

• Paprastai dominuojantis 2×LF radialinio greičio spektre
• Dažnai lydimas nedidelio padidėjimo 1X ir 2 kartus dėl nesubalansuotos magnetinės traukos (UMP)
• Statinis ekscentricitetas: dominuoja 2×LF su maža moduliacija
• Dinaminis komponentas: šoninės juostos ties 2×LF ± 1X gali pasirodyti

Sunkumo įvertinimas

Pastaba: tai yra iliustracinės gairės, o ne oficialus standartas. Visada lyginkite su paties įrenginio pradiniais duomenimis.

Patvirtinimo testas

Išjungimo bandymas (momentinis bandymas): stebėdami vibraciją, išjunkite variklį. Jei 2×LF pikas smarkiai krenta – per kelias sekundes, daug greičiau nei mechaninis riedėjimas laisvąja eiga, – šaltinis yra elektromagnetinis.

3.2. Atsilaisvinusios statoriaus apvijos

Kiekvieno darbo ciklo metu statoriaus apvijos yra veikiamos 2×LF elektromagnetinių jėgų. Bėgant metams, mechaninis tvirtinimas (epoksidinė derva, lakas, pleištai) gali susidėvėti. Atsilaisvinusios apvijos vibruoja esant 2×LF įtampai ir didėjančia amplitude, todėl dėl trinties spartėja izoliacijos nusidėvėjimas.

Spektrinis parašas

• Vyraujanti radialinė vibracija
• 2×LF gali būti mažiau stabilus – nedideli amplitudės svyravimai
• Sunkiais atvejais: harmonikos ties 4×LF, 6×LF

Pasekmės

Tai yra žalingas apvijų izoliacijai — sukelia pagreitėjusį degradavimą, nenuspėjamus įžeminimo gedimus ir visišką statoriaus gedimą, dėl kurio reikia atsukti.

3.3. Atsilaisvinęs maitinimo kabelis – fazės asimetrija

Prastas kontaktas sukuria varžos asimetriją. 1% įtampos asimetrija sukelia maždaug 6–10% srovės asimetrija. Nesubalansuotos srovės sukuria atgal besisukantį magnetinio lauko komponentą.

Spektrinis parašas

• 2×LF amplitudė padidėja dėl nesubalansuotos magnetinės traukos
• Kai kuriais atvejais, šoninės juostos, esančios šalia ±⅓×LF (~16,7 Hz 50 Hz sistemose) aplink 2×LF piką
• Srovės spektre (MCSA): padidėjusi neigiamos sekos srovė

Praktiniai patikrinimai

• Patikrinkite visus kabelių galus, šynų jungtis, kontaktorių kontaktus
• Išmatuokite fazių varžą – 1% atstumu vienas nuo kito
• Išmatuokite maitinimo įtampą visose trijose fazėse – asimetrija neturėtų viršyti 1%
• Kabelių prijungimo dėžutės IR termografija

3.4. Statoriaus laminavimas su trumpuoju jungimu

Pažeista tarpsluoksninė izoliacija leidžia cirkuliuoti sūkurinėms srovėms, sukurdamos lokalizuotus karštuosius taškus. Ne visada aptinkama vibracijos spektruose. IR termografija yra pagrindinis aptikimo metodas. Neprisijungus: elektromagnetinio šerdies bandymas (EL-CID bandymas).

3.5. Trumpasis jungimas tarp posūkių

Trumpasis jungimas tarp apvijų sukuria lokalizuotą cirkuliuojančios srovės kilpą, sumažindamas efektyvius vijų skaičių paveiktoje ritėje. Padidina 2×LF, padidėjusi trečioji žemo dažnio srovės harmonika ir fazinės srovės asimetrija. Geriausiai aptinkama atliekant MCA viršįtampio testą neprisijungus.

2×LF1X / 2XŠoninės juostos Išjungimo bandymas patvirtina elektromagnetinę kilmę: jei 2×LF smarkiai sumažėja išjungus energiją (daug greičiau nei riedėjimo laisvąja eiga metu), šaltinis yra elektromagnetinis.

4. Rotoriaus defektai

Rotoriaus defektai sudaro maždaug 5–10% variklio gedimų tačiau dažnai sunkiausia juos anksti aptikti.

4.1. Sulūžę rotoriaus strypai ir įtrūkę galiniai žiedai

Kai strypas sulūžta, srovės persiskirstymas sukuria vietinę magnetinę asimetriją – iš esmės "magnetinę sunkiąją dėmę", kuri sukasi slydimo dažniu statoriaus lauko atžvilgiu.

Vibracijos parašas

• 1X piko su šoninės juostos ties ± F_p. 50 Hz / 2% slydimui: šoninės juostos ties 1X ± 2 Hz
• Sunkiais atvejais: papildomos šoninės juostos ties ± 2F_p, ± 3 °F_p
• 2×LF taip pat gali rodyti F_p šoninės juostos

MCSA parašas

MCSA sunkumo skalė

Svarbu: MCSA reikalinga pastovi apkrova, artima vardinėms sąlygoms. Esant dalinei apkrovai, šoninės juostos amplitudė sumažėja.

Laiko bangos forma

Sulaužyti rotoriaus strypai sukuria savybę "plakimo" modelis — amplitudė moduliuoja ties polių praėjimo dažniu. Dažnai matoma prieš tai, kai išryškėja spektrinės šoninės juostos.

1X±Fp šoninės juostosMCSA šoninės juostos Skilusius rotoriaus strypus geriausia patvirtinti MCSA metodu. Vibracijos spektras rodo defektą; MCSA leidžia kiekybiškai įvertinti defekto sunkumą.

4.2. Rotoriaus ekscentriškumas (statinis ir dinaminis)

Statinis ekscentriškumas

Veleno centrinės linijos poslinkis nuo statoriaus kiaurymės. Sukuria padidėjusį 2×LF. Srovės metu: rotoriaus plyšio harmonikos ties f_RBPF ± LF.

Dinaminis ekscentriškumas

Rotoriaus centras sukasi aplink statoriaus kiaurymę. Gamina 1X su 2×LF šoninėmis juostomis ir padidintas rotoriaus strypo pralaidumo dažnis. Srovės šoninės juostos ties LF ± f_puvinys.

Praktiškai abu tipai paprastai būna vienu metu – modelis yra superpozicija.

4.3. Terminio rotoriaus lankas

Dideliuose varikliuose gali susidaryti temperatūros gradientas, dėl kurio laikinai išsilenkia. 1X, kuris kinta priklausomai nuo laiko po paleidimo – paprastai didėja 15–60 minučių, o tada stabilizuojasi. Fazės kampas kinta, vystantis lankstui. Atskirti nuo mechaninio disbalanso (kuris yra stabilus) galima stebint 1X amplitudę ir fazę 30–60 minučių po paleidimo.

4.4. Elektromagnetinio lauko poslinkis (ašinis poslinkis)

Jei rotorius yra ašiniu būdu pasislinkęs Statoriaus atžvilgiu elektromagnetinio lauko pasiskirstymas ašine kryptimi tampa asimetriškas. Rotorius patiria osciliaciją Ašinė elektromagnetinė jėga ties 2×LF.

Priežastys

• Neteisingas rotoriaus ašies padėties nustatymas surinkimo metu arba po guolio keitimo
• Guolių susidėvėjimas, dėl kurio atsiranda per didelis ašinis laisvumas
• Varomosios mašinos veleno trauka
• Šiluminis plėtimasis eksploatacijos metu

Ašinė elektromagnetinė jėgaPoslinkis / iškyšaStatoriaus CLAptikimas Ašinis 2×LF, kuris akimirksniu išnyksta išjungus maitinimą, yra pagrindinis skirtumas nuo mechaninių priežasčių.

5. Su guoliais susiję elektros defektai

5.1. Guolių srovės ir EDM

Įtampa tarp veleno ir korpuso sukelia srovės tekėjimą guoliais. Šaltiniai: magnetinė asimetrija, dažnio keitiklio bendrojo režimo įtampa, statinis krūvis. Pasikartojantys iškrovimai sukuria mikroskopines duobes (Elektroerozinis apdirbimas) vedantis į fleitos — tolygiai išdėstyti grioveliai ant lenktynių ratų.

Spektrinis parašas

• Guolių defektų dažniai (BPFO, BPFI, BSF) su labai vienodais, "švariais" pikais
• Padidėjusi aukšto dažnio triukšmo riba pagreičio spektre
• Pažangus: būdingas "plokštelės" garsas

Prevencija

• Izoliuoti guoliai (dengti žiedai)
• Veleno įžeminimo šepetėliai (ypač skirti VFD taikymams)
• Bendrojo režimo filtrai VFD išėjime
• Įprastas veleno įtampos matavimas — mažesnis nei 0,5 V pikas

6. Kintamo dažnio pavaros (VFD) efektai

6.1. Dažnio keitimas

Visi variklio elektros dažniai keičiasi proporcingai VFD išėjimo dažniui. Jei VFD veikia 45 Hz dažniu, 2×LF tampa 90 Hz. Aliarmo juostos turi būti prisitaikantis prie greičio.

6.2. PWM harmonikos

Spektruose matomas perjungimo dažnis (2–16 kHz) ir šoninės juostos. Gali sukelti girdimą triukšmą ir guolio sroves.

6.3. Sukamasis sužadinimas

Žemos eilės harmonikos (5-oji, 7-oji, 11-oji, 13-oji) sukuria sukimo momento pulsacijas, kurios gali sužadinti sukimo natūraliuosius dažnius.

6.4. Rezonansinis sužadinimas

Kai dažnio keitiklis (VFD) veikia tam tikru greičio diapazonu, sužadinimo dažniai gali viršyti struktūrinius natūralius dažnius. Įrangai, varomai VFD, turėtų būti sudaryti kritinio greičio žemėlapiai.

7. Diferencinės diagnostikos santrauka

ElektrosMechaninis2×LF analizėRotoriaus defektai Išjungimo momento testas yra pirmoji diagnostikos medžio šaka. Patvirtinus elektrinę kilmę, dominuojantis dažnis ir kryptis susiaurina diagnozę.

8. Instrumentinė ir matavimo technika

8.1. Vibracijos matavimo reikalavimai

8.2. „Balanset-1A“ variklio diagnostikai

Nešiojamas dviejų kanalų vibrometras Balanset-1A („VibroMera“) teikia pagrindines variklio vibracijos diagnostikos galimybes:

Diagnozavus ir ištaisius variklio gedimą, „Balanset-1A“ gali būti naudojamas rotoriaus balansavimas vietoje — užbaigti visą diagnostikos ir taisymo darbo eigą neišimant variklio.

8.3. Geriausia matavimo praktika

• Trys kryptys — vertikaliai, horizontaliai ir ašiai — ant kiekvieno guolio. Ašinė kryptis yra labai svarbi elektromagnetinio lauko poslinkiui.
• Paruoškite paviršius — pašalinti dažus, rūdis, kad būtų užtikrintas patikimas akselerometro sujungimas
• Pastoviosios būsenos sąlygos — nominalus greitis, apkrova, temperatūra
• Įrašyti eksploatavimo sąlygas — greitis, apkrova, įtampa, srovė su kiekvienu matavimu
• Nuoseklus laikas — tos pačios sąlygos tendencijų palyginimui
• Išjungimo bandymas įtarus elektrinę vibraciją – per kelias sekundes, užtikrina patikimą šaltinio identifikavimą

9. Norminės nuorodos

• GOST R ISO 20816-1-2021 — Vibracija. Mašinų vibracijos matavimas ir įvertinimas. 1 dalis. Bendrosios gairės.
• GOST R ISO 18436-2-2005 — Būklės stebėsena. Vibracijos būklės stebėsena. 2 dalis. Mokymai ir sertifikavimas.
• ISO 20816-1:2016 — Mechaniniai virpesiai. Matavimas ir vertinimas. 1 dalis: Bendrosios gairės.
• ISO 10816-3:2009 — Mašinų vibracijos įvertinimas. 3 dalis: Pramoninės mašinos >15 kW.
• IEC 60034-14:2018 — Sukamosios elektros mašinos. 14 dalis. Mechaniniai virpesiai.
• IEEE 43-2013 — Rekomenduojama izoliacijos varžos bandymo praktika.
• IEEE 1415-2006 — Indukcinių mašinų techninės priežiūros bandymų vadovas.
• NEMA MG 1-2021 — Varikliai ir generatoriai. Vibracijos ribos ir bandymai.
• ISO 1940-1:2003 — Rotorių balansavimo kokybės reikalavimai.

10. Išvada

1. 2×LF yra pagrindinis elektromagnetinis indikatorius. Ryškus pikas, esantis lygiai dvigubai didesniame nei maitinimo dažnyje, aiškiai rodo elektromagnetinio šaltinio buvimą. Išjungimo bandymas patvirtina šį faktą.
2. Kryptis svarbi. Radialinis 2×LF → oro tarpas / apvijos / maitinimas. Ašinis 2×LF + 1X → elektromagnetinio lauko poslinkis — vienas iš labiausiai destruktyvių defektų.
3. Šoninės juostos pasakoja istoriją. ± ⅓×LF → maitinimo kabelio problemos. ± F_p → sugedę rotoriaus strypai. Šoninės juostos modelis dažnai yra diagnostiškesnis nei pagrindinis pikas.
4. Spektrinė skiriamoji geba yra labai svarbi. Dviejų polių varikliams, kurių dažnis yra 50 Hz, 2X ir 2×LF skiriasi tik ~2 Hz. Privaloma ≤ 0,5 Hz skiriamoji geba.
5. Sujunkite metodus. Vibracija + MCSA + MCA + termografija. Nė vienas metodas neapima visų defektų.
6. Pasikalbėkite su elektrikais. Variklių remonto personalas turi nepakeičiamų žinių apie konkrečius variklius, jų istoriją ir tiekimo sąlygas.

Rekomenduojamas darbo eiga

Diagnostiniai veiksmaiMCSAPatvirtinimas Sistemingai laikykitės šios sekos. Išjungimo testas (2 veiksmas) trunka kelias sekundes ir patikimai atskiria elektrinį ir mechaninį šaltinius.

Šiuolaikiniai nešiojamieji dviejų kanalų vibrometrai, tokie kaip Balanset-1A Suteikia lauko inžinieriams galimybę atlikti spektrinių virpesių analizę su variklio defektams nustatyti reikalinga skiriamąja geba ir fazės tikslumu – nuo nelygių oro tarpų aptikimo iki kryžminės fazės analizės ir vėlesnio rotoriaus balansavimo vietoje.