1. Podstawy elektryczne dla analityka drgań

Zanim zdiagnozujesz usterki silnika na podstawie widma drgań, konieczne jest zrozumienie kluczowych częstotliwości elektrycznych, które powodują drgania silnika.

1.1. Częstotliwość linii (LF)

Częstotliwość zasilania prądem przemiennym: 50 Hz w większości krajów Europy, Azji, Afryki i Rosji; 60 Hz w Ameryce Północnej oraz w niektórych częściach Ameryki Południowej i Azji. Wszystkie siły elektromagnetyczne w silniku pochodzą z tej częstotliwości.

1.2. Podwójna częstotliwość linii (2×LF)

The dominująca częstotliwość siły elektromagnetycznej w silnikach prądu przemiennego. W systemie 50 Hz, 2×LF = 100 Hz; w systemie 60 Hz, 2×LF = 120 Hz. Siła przyciągania magnetycznego między stojanem a wirnikiem osiąga szczyt dwukrotnie w ciągu cyklu elektrycznego, co sprawia, że 2×LF jest podstawową częstotliwością "drgań elektrycznych" każdego silnika prądu przemiennego.

1.3. Prędkość synchroniczna i poślizg

Pole magnetyczne stojana obraca się z prędkością synchroniczną:

gdzie P to liczba biegunów. Wirnik silnika indukcyjnego zawsze obraca się nieco wolniej. Ta różnica jest poślizg:

Typowy poślizg przy pełnym obciążeniu dla standardowych silników indukcyjnych: 1–5%. Dla silnika dwubiegunowego przy 50 Hz: N_s = 3000 obr./min, rzeczywista prędkość ≈ 2940–2970 obr./min.

1.4. Częstotliwość przejścia przez biegun (F_p)

Szybkość, z jaką bieguny wirnika "prześlizgują się" obok biegunów stojana. Rezultatem jest uniwersalny — niezależnie od liczby biegunów:

Dla silnika pracującego z częstotliwością 50 Hz i poślizgiem 2%: F_p = 2 × 0,02 × 50 = 2 Hz. Częstotliwość ta pojawia się jako charakterystyczne pasma boczne w widmach pękniętych prętów wirnika.

1.5. Częstotliwość przejść prętów wirnika

Gdzie R to liczba prętów wirnika. Częstotliwość ta i jej pasma boczne stają się istotne, gdy pręty wirnika ulegają uszkodzeniu.

1.6. Tabela referencyjna częstotliwości kluczowych

StojanWirnikUzwojeniaSzczelina powietrznaMechanicznyOsiowy Każde zniekształcenie szczeliny powietrznej bezpośrednio zmienia siłę przyciągania magnetycznego, co natychmiast zmienia wzór drgań. Symbol ± oznacza pasma boczne (modulację).

2. Przegląd metod diagnostycznych

Żadna pojedyncza technika nie jest w stanie wykryć wszystkich usterek silników elektrycznych. Solidny program diagnostyczny łączy w sobie wiele uzupełniających się metod:

WibracjeMCSAESAMCATermografia Żadna pojedyncza metoda nie zapewnia pełnego pokrycia. Zdecydowanie zaleca się skojarzone podejście diagnostyczne.

2.1. Analiza widmowa drgań

Podstawowe narzędzie do diagnostyki większości urządzeń wirujących. Akcelerometry na obudowach łożysk rejestrują widma ujawniające defekty mechaniczne (niewyważenie, niewspółosiowość, zużycie łożysk) oraz niektóre defekty elektryczne (nierównomierna szczelina powietrzna, luźne uzwojenia). Jednakże, sama analiza drgań nie jest w stanie wykryć wszystkich usterek elektrycznych silnika.

2.2. Analiza sygnatury prądu silnika (MCSA)

Cęgi prądowe na jednej fazie rejestrują widmo prądu. Złamane pręty wirnika tworzą pasma boczne na LF ± F p. Badanie MCSA wykonuje się online i jest całkowicie nieinwazyjne.

2.3. Analiza sygnatury elektrycznej (ESA)

Analizuje jednocześnie widma napięcia i prądu w rozdzielnicy MCC. Wykrywa asymetrię napięcia zasilania, zniekształcenia harmoniczne i problemy z jakością zasilania.

2.4. Analiza obwodu silnika (MCA)

Jakiś nieaktywny Pomiar rezystancji międzyfazowej, indukcyjności, impedancji i rezystancji izolacji. Niezbędny podczas przestojów konserwacyjnych.

2.5. Monitorowanie temperatury

Monitorowanie trendu temperatury uzwojenia stojana i łożysk pozwala na wczesne ostrzeganie o przeciążeniu, problemach z chłodzeniem i degradacji izolacji.

3. Wady stojana

Wady stojana są odpowiedzialne za około 23–37% wszystkich awarii silników. Stojan to nieruchoma część zawierająca laminowany rdzeń żelazny i uzwojenia. Wady powodują drgania głównie w 2×LF (100 Hz / 120 Hz) i jego wielokrotności.

3.1. Mimośrodowość stojana — nierównomierna szczelina powietrzna

Szczelina powietrzna między wirnikiem a stojanem jest typowa 0,25–2 mm. Nawet odmiana 10% powoduje mierzalną nierównowagę siły elektromagnetycznej.

Powoduje

• Miękka stopa — najczęstsza przyczyna
• Zużyte lub uszkodzone obudowy łożysk
• Deformacja ramy spowodowana niewłaściwym transportem lub montażem
• Odkształcenia cieplne w warunkach eksploatacyjnych
• Niska tolerancja produkcyjna

Sygnatura widmowa

• Typowo dominujący 2×LF w widmie prędkości radialnej
• Często towarzyszy temu niewielki wzrost 1X oraz 2X z powodu niezrównoważonego przyciągania magnetycznego (UMP)
• Ekscentryczność statyczna: dominuje 2×LF z niewielką modulacją
• Składnik dynamiczny: pasma boczne w 2×LF ± 1X może się pojawić

Ocena stopnia zagrożenia

Uwaga: To tylko przykładowe wytyczne, a nie formalny standard. Zawsze porównuj z danymi bazowymi maszyny.

Test potwierdzający

Test wyłączania zasilania (test trzaskowy): Podczas monitorowania wibracji wyłącz silnik. Jeśli szczyt 2×LF gwałtownie spada — w ciągu kilku sekund, znacznie szybciej niż w przypadku mechanicznego wybiegu — źródło jest elektromagnetyczne.

3.2. Luźne uzwojenia stojana

Uzwojenia stojana są poddawane działaniu sił elektromagnetycznych o częstotliwości 2×LF w każdym cyklu pracy. Z biegiem lat mechaniczne zamocowania (żywica epoksydowa, lakier, kliny) mogą ulec degradacji. Luźne uzwojenia drgają z częstotliwością 2×LF ze wzrastającą amplitudą, co przyspiesza zużycie izolacji poprzez fretting.

Sygnatura widmowa

• Przeważnie drgania promieniowe
• 2×LF może być mniej stabilny — niewielkie wahania amplitudy
• Ciężkie przypadki: harmoniczne przy 4×LF, 6×LF

Konsekwencje

To jest niszczy izolację uzwojeń — prowadzi do przyspieszonej degradacji, nieprzewidywalnych zwarć doziemnych i całkowitej awarii stojana, wymagającej przezwojenia.

3.3. Luźny kabel zasilający — asymetria fazowa

Słaby kontakt powoduje asymetrię oporu. Nawet Asymetria napięcia 1% powoduje około Asymetria prądu 6–10%. Niezrównoważone prądy tworzą składową pola magnetycznego obracającą się wstecz.

Sygnatura widmowa

• Amplituda 2×LF wzrasta z powodu niezrównoważonego przyciągania magnetycznego
• W niektórych przypadkach, pasma boczne w pobliżu ±⅓×LF (~16,7 Hz w systemach 50 Hz) wokół szczytu 2×LF
• W widmie prądu (MCSA): podwyższony prąd o kolejności przeciwnej

Kontrole praktyczne

• Sprawdź wszystkie zakończenia kabli, połączenia szyn zbiorczych i styki styczników
• Pomiar rezystancji międzyfazowej — w zakresie 1% od siebie
• Zmierz napięcie zasilania we wszystkich trzech fazach — asymetria nie powinna przekraczać 1%
• Termografia IR skrzynki kablowej

3.4. Zwarte laminacje stojana

Uszkodzenie izolacji międzywarstwowej umożliwia cyrkulację prądów wirowych, tworząc lokalne punkty zapalne. Nie zawsze są one wykrywalne w widmach drgań — Termografia IR jest podstawową metodą wykrywania. Offline: test rdzenia elektromagnetycznego (test EL-CID).

3.5. Zwarcie międzyzwojowe

Zwarcie międzyzwojowe tworzy lokalną pętlę prądu krążącego, zmniejszając efektywną liczbę zwojów w danej cewce. Powoduje to wzrost 2×LF, podwyższona trzecia harmoniczna niskiego napięcia prądu i asymetria prądu fazowego. Najlepiej wykryć poprzez test udarowy MCA w trybie offline.

2×LF1X / 2XWstęgi boczne Test wyłączania zasilania potwierdza pochodzenie elektromagnetyczne: jeśli wartość 2×LF gwałtownie spada po odłączeniu zasilania (znacznie szybciej niż podczas wybiegu), źródło ma charakter elektromagnetyczny.

4. Wady wirnika

Wady wirnika odpowiadają za około 5–10% awarii silnika ale często najtrudniej je wykryć na wczesnym etapie.

4.1. Złamane pręty wirnika i pęknięte pierścienie końcowe

Gdy pęka pręt, redystrybucja prądu powoduje lokalną asymetrię magnetyczną — w efekcie powstaje "ciężki punkt magnetyczny", który obraca się z częstotliwością poślizgu względem pola stojana.

Sygnatura wibracji

• 1X szczyt z pasma boczne przy ± F_p. Dla poślizgu 50 Hz / 2%: pasma boczne przy 1X ± 2 Hz
• Ciężkie przypadki: dodatkowe pasma boczne przy ± 2F_p, ± 3F_p
• 2×LF może również pokazać F_p wstęgi boczne

Podpis MCSA

Skala ciężkości MCSA

Ważne: MCSA wymaga stałego obciążenia w warunkach zbliżonych do znamionowych. Przy częściowym obciążeniu amplituda wstęgi bocznej spada.

Przebieg czasu

Złamane pręty wirnika powodują charakterystyczny "wzór "bicia” — amplituda moduluje się z częstotliwością przejścia przez biegun. Często widoczne, zanim pasma boczne widma staną się widoczne.

1X±Fp pasma bocznePasma boczne MCSA Uszkodzone pręty wirnika najlepiej potwierdzić za pomocą analizy MCSA. Widmo drgań sugeruje usterkę; analiza MCSA pozwala na ilościową ocenę stopnia uszkodzenia.

4.2. Mimośrodowość wirnika (statyczna i dynamiczna)

Mimośród statyczny

Przesunięcie osi wału względem otworu stojana. Powoduje podniesienie 2×LF. Prąd: harmoniczne żłobka wirnika przy F_RBPF ± LF.

Dynamiczna ekscentryczność

Środek wirnika krąży wokół środka otworu stojana. Wytwarza 1X z 2×wstęgami bocznymi LF i podwyższona częstotliwość przejść prętów wirnika. W prądzie: pasma boczne przy LF ± f_gnić.

W praktyce zazwyczaj obydwa typy występują równocześnie — wzorzec jest superpozycją.

4.3. Łuk wirnika termicznego

Duże silniki mogą wytwarzać gradient temperatury powodujący tymczasowe wygięcie. 1X, który zmienia się w czasie po uruchomieniu — zazwyczaj rośnie przez 15–60 minut, a następnie stabilizuje się. Kąt fazowy zmienia się wraz z rozwojem smyczka. Aby odróżnić go od niewyważenia mechanicznego (które jest stabilne), należy monitorować amplitudę i fazę 1X przez 30–60 minut po uruchomieniu.

4.4. Przesunięcie pola elektromagnetycznego (przesunięcie osiowe)

Jeśli wirnik jest przesunięty osiowo W stosunku do stojana rozkład pola elektromagnetycznego staje się asymetryczny osiowo. Wirnik doświadcza drgań osiowa siła elektromagnetyczna przy 2×LF.

Powoduje

• Nieprawidłowe ustawienie osiowe wirnika podczas montażu lub po wymianie łożyska
• Zużycie łożysk powodujące nadmierny luz osiowy
• Nacisk wału z napędzanej maszyny
• Rozszerzalność cieplna podczas pracy

Siła osiowa EMPrzesunięcie / nawisStojan CLWykrywanie Kluczowym czynnikiem odróżniającym przyczynę od mechanicznej jest zjawisko Axial 2×LF, które zanika natychmiast po wyłączeniu zasilania.

5. Wady elektryczne związane z łożyskami

5.1. Prądy łożyskowe i EDM

Napięcie między wałem a obudową powoduje przepływ prądu przez łożyska. Źródła: asymetria magnetyczna, napięcie wspólne przetwornicy częstotliwości, ładunek elektrostatyczny. Powtarzające się wyładowania tworzą mikroskopijne wżery (Obróbka elektroerozyjna) prowadząc do żłobkowanie — rowki równomiernie rozmieszczone na bieżniach.

Sygnatura widmowa

• Częstotliwości występowania wad łożysk (BPFO, BPFI, BSF) z bardzo jednorodnymi, "czystymi" szczytami
• Podwyższony poziom szumów o wysokiej częstotliwości w widmie przyspieszenia
• Zaawansowany: charakterystyczny dźwięk "tarki"

Zapobieganie

• Łożyska izolowane (pierścienie powlekane)
• Szczotki uziemiające wał (szczególnie do zastosowań w przemiennikach częstotliwości)
• Filtry trybu wspólnego na wyjściu VFD
• Regularny pomiar napięcia wału — poniżej szczytu 0,5 V

6. Efekty napędu o zmiennej częstotliwości (VFD)

6.1. Przesunięcie częstotliwości

Wszystkie częstotliwości elektryczne silnika zmieniają się proporcjonalnie do częstotliwości wyjściowej przetwornicy częstotliwości (VFD). Jeśli przetwornica częstotliwości pracuje z częstotliwością 45 Hz, 2×LF zmienia się na 90 Hz. Pasma alarmowe muszą być… adaptacyjny do prędkości.

6.2. Harmoniczne PWM

Częstotliwość przełączania (2–16 kHz) i pasma boczne pojawiają się w widmach. Mogą powodować słyszalny szum i prądy łożyskowe.

6.3. Wzbudzenie skrętne

Niższe harmoniczne (5., 7., 11., 13.) wytwarzają pulsacje momentu obrotowego, które mogą wzbudzać naturalne częstotliwości skrętne.

6.4. Wzbudzenie rezonansowe

Podczas pracy przemiennika częstotliwości w pewnym zakresie prędkości, częstotliwości wzbudzenia mogą przekraczać częstotliwości drgań własnych konstrukcji. Dla urządzeń napędzanych przemiennikami częstotliwości należy opracować mapy prędkości krytycznych.

7. Podsumowanie diagnostyki różnicowej

ElektrycznyMechanicznyAnaliza 2×LFWady wirnika Test trzaskowy po wyłączeniu zasilania to pierwszy krok w drzewie diagnostycznym. Po potwierdzeniu pochodzenia prądu, dominująca częstotliwość i kierunek zawężają diagnozę.

8. Techniki pomiarowe i pomiarowe

8.1. Wymagania dotyczące pomiaru drgań

8.2. Balanset-1A do diagnostyki silnika

Przenośny wibrometr dwukanałowy Balanset-1A (VibroMera) zapewnia podstawowe możliwości diagnostyki drgań silnika:

Po zdiagnozowaniu i usunięciu wady silnika można zastosować Balanset-1A wyważanie wirnika na miejscu — wykonanie pełnego procesu diagnostycznego i naprawczego bez konieczności demontażu silnika.

8.3. Najlepsze praktyki pomiarowe

• Trzy kierunki — pionowo, poziomo i osiowo — na każdym łożysku. Przesunięcie osiowe ma kluczowe znaczenie dla przemieszczenia pola elektromagnetycznego.
• Przygotuj powierzchnie — usuń farbę i rdzę, aby zapewnić niezawodne połączenie akcelerometru
• Warunki stacjonarne — prędkość nominalna, obciążenie, temperatura
• Rejestruj warunki operacyjne — prędkość, obciążenie, napięcie, prąd przy każdym pomiarze
• Stały czas — te same warunki dla porównań trendów
• Test wyłączania zasilania gdy podejrzewa się drgania elektryczne — zajmuje to kilka sekund, zapewnia niezawodną identyfikację źródła

9. Odniesienia normatywne

• GOST R ISO 20816-1-2021 — Wibracje. Pomiar i ocena drgań maszyn. Część 1. Wytyczne ogólne.
• GOST R ISO 18436-2-2005 — Monitorowanie stanu. Monitorowanie stanu wibracyjnego. Część 2. Szkolenia i certyfikacja.
• ISO 20816-1:2016 — Drgania mechaniczne. Pomiar i ocena. Część 1: Wytyczne ogólne.
• Norma ISO 10816-3:2009 — Ocena drgań maszyn. Część 3: Maszyny przemysłowe >15 kW.
• IEC 60034-14:2018 — Maszyny elektryczne wirujące. Część 14: Drgania mechaniczne.
• IEEE 43-2013 — Zalecany sposób postępowania przy badaniu rezystancji izolacji.
• IEEE 1415-2006 — Przewodnik po testach konserwacyjnych maszyn indukcyjnych.
• NEMA MG 1-2021 — Silniki i generatory. Limity drgań i testy.
• ISO 1940-1:2003 — Wymagania jakościowe dotyczące wyważenia wirników.

10. Wnioski

1. 2×LF jest podstawowym wskaźnikiem elektromagnetycznym. Wyraźny szczyt o częstotliwości dwukrotnie wyższej od częstotliwości zasilania silnie sugeruje obecność źródła elektromagnetycznego. Test wyłączania zasilania potwierdza to.
2. Kierunek ma znaczenie. Promieniowe 2×LF → szczelina powietrzna / uzwojenia / zasilanie. Osiowy 2×LF + 1X → przesunięcie pola elektromagnetycznego — jedno z najbardziej destrukcyjnych defektów.
3. Wstęgi boczne opowiadają historię. ± ⅓×LF → problemy z kablem zasilającym. ± F_p → pęknięte pręty wirnika. Wzór wstęgi bocznej jest często bardziej diagnostyczny niż szczyt główny.
4. Rozdzielczość widmowa ma kluczowe znaczenie. W przypadku silników dwubiegunowych o częstotliwości 50 Hz, wartości 2X i 2×LF różnią się zaledwie o ok. 2 Hz. Rozdzielczość ≤ 0,5 Hz jest obowiązkowa.
5. Łączenie metod. Wibracje + MCSA + MCA + Termografia. Żadna pojedyncza metoda nie obejmuje wszystkich defektów.
6. Porozmawiaj z elektrykami. Pracownicy zajmujący się naprawą silników posiadają niezastąpioną wiedzę na temat konkretnych silników, ich historii i warunków dostaw.

Zalecany przepływ pracy

Kroki diagnostyczneMCSAWeryfikacja Postępuj zgodnie z tą sekwencją systematycznie. Test wyłączania zasilania (krok 2) trwa kilka sekund i niezawodnie odróżnia źródło elektryczne od mechanicznego.

Nowoczesne przenośne wibrometry dwukanałowe, takie jak Balanset-1A umożliwiają inżynierom terenowym wykonywanie analizy drgań widmowych z rozdzielczością i dokładnością fazową wymaganą do identyfikacji usterek silnika — od wykrywania nierównomiernych szczelin powietrznych, przez analizę faz krzyżowych, po późniejsze wyważanie wirnika na miejscu.