Причины и способы устранения вибрации электродвигателей

Причины возникновения

Вибрации электрических машин могут возникать на холостом ходу, тогда источник дефекта имеет магнитную природу (неправильный воздушный зазор между статором и ротором, отслоение лака обмоток и так далее) или в момент пуска и под нагрузкой, тогда источник проблемы механический.

К механическим источникам вибрации можно отнести изгиб вала (может быть как следствием, так и причиной), нарушение центровки ротора, перегрев подшипников (например, из-за отсутствия смазки), ослабление резьбовых соединений крепления элементов электродвигателя. Также режим использования электродвигателя (генератор или движитель) может объяснить причину возникновения неисправности, например, поломка лопастей электровентилятора или нарушение соосности муфты при вращении гидроагрегатов.

Что такое система сбора данных и анализа результатов измерений

Традиционный сбор статических данных дает нам представление об измерениях периодически, но не может уловить динамические изменения ударных нагрузок на конструкцию, вибрацию двигателя или изменения шума окружающей среды. Это затрудняет использование данных в системах прогнозной диагностики. Особенностью современных систем сбора данных — Data Acquisition System, или DAQ (пример таких систем компании Keysight показан на рис. 4) — является возможность динамического сбора данных, что позволяет им сканировать каждый измерительный канал, делать несколько выборок измерений и не зависеть от внешних условий [5, 6].

Рис. 4. Современные системы сбора данных DAQ компании Keysight

Такой подход к сбору данных обеспечивает точность и снижает количество ошибок, часто связанных со сбором и анализом данных от динамически меняющихся процессов, и накапливать исторические данные для систем прогнозной аналитики. Это предоставит возможность оптимизировать конструкцию привода и выявить его слабые места, например частоты механического и электрического резонанса двигателя электромобиля, которые при сложном спектре сигнала вибрации можно определить только в частотной области, а потом детально проанализировать их уже во временной. Или после исследований промышленных приводов в различных режимах эксплуатации и получения профилей вибрации последние можно использовать в качестве шаблонов и внести в конечную систему аналитики конкретного приложения.

Вибрационные характеристики

При замере вибрации измеряют её вертикальную и горизонтальную составляющие (или как ещё называют осевая и поперечная). Существует несколько понятий вибрационных характеристик, давайте разберемся какими они бывают и в чем измеряются:

• Виброскорость (измеряется в миллиметрах на секунду, мм/с) – величина, характеризующая перемещение точки измерения вдоль оси электродвигателя.
• Виброускорение (измеряется в метрах на секунду в квадрате, м/с2) – прямая зависимость вибрации от силы её вызвавшей. Виброперемещение (измеряется в микрометрах, мкм) – величина амплитуды, показывающая расстояние между крайними точками при вибрации.

При замерах вибрационных характеристик, как правило, замеряют виброскорость, так как она наиболее точно описывает характер проблемы. При этом измеряют не наибольшее значение виброскорости, а её среднеквадратичное значение (СКЗ). По причине того, что все стрелочные приборы по принципу действия (которые использовались ранее) являются интегрирующими. Допустимые нормы вибрации электродвигателей приведены в Правилах эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ) и в ГОСТ ИСО 10816.

Так как существует множество разнообразных электрических машин ГОСТ Р 56646-2015 поможет разобраться, какой именно стандарт из группы ГОСТ ИСО 10816 применим к конкретному электродвигателю. Например, для компрессоров, двигателей с насосом и других применений электропривода могут быть различные нормы и требования по проведению замеров.

В этих документах приведены основные требования, нормы, рекомендации, классы вибрационного состояния и прочее.

Как правильно устанавливать датчик вибрации?

Большинство машин состоят из нескольких вращающихся компонентов. Моторы насосы, компрессоры, вентиляторы, ленточные конвейеры, редукторы представляют собой вращающиеся механизмы, которые часто используются в машинах.

Большинство вращающихся механизмов имеют подшипники, которые поддерживают вес вращающихся частей и воспринимают нагрузку, связанную с вращательным и колебательным движением. Как правило, подшипники воспринимают большую часть нагрузки, поэтому неудивительно, что в подшипниках часто возникают поломки и проявляются первые признаки неисправностей.

В связи с этим, измерение вибрации выполняют, как правило, на подшипниках, на которые устанавливают акселерометр.

Поскольку заключение о техническом состоянии машин составляется на основе полученных данных измерения, необходимо очень внимательно относиться к процедуре сбора данных. Важно помнить, что точность измерения данных значительно зависит от способа установки акселерометра на измеряемый объект.

Каким образом нужно устанавливать акселерометр для получения точных данных измерения?

Ниже даны основные принципы:

1. Акселерометр необходимо устанавливать как можно ближе к подшипнику

Представьте, что доктор слушает Ваше сердце через толстый слой одежды, при этом поместив стетоскоп в области почек, а не сердца. В таком случае Вы, вероятнее всего, усомнились бы в точности поставленного диагноза.

Аналогично, при измерении вибрации машин датчик необходимо устанавливать как можно ближе к подшипнику, а именно как можно ближе к осевой линии подшипника, что исключает возможность искажения данных во время измерения.

2. Акселерометр должен быть закреплен надежно

Для получения точных данных измерения акселерометр должен в точности повторять колебательные движения машины, на которой он установлен. Для этого акселерометр необходимо устанавливать так, чтобы он не качался и не перемещался. Ненадежно установленный акселерометр генерирует сигналы, искаженные из-за его собственных колебаний.

Существуют несколько способов установки акселерометра, но наиболее распространенным является крепление на магнитное основание, поскольку данный вид монтажа обеспечивает надежность измерения и в то же время удобен для пользователя. Магнитное основание позволяет надежно фиксировать акселерометр на объект измерения и выполнять измерения сразу на нескольких машинах с помощью одного акселерометра. Установка и снятие акселерометра с помощью магнитного основания требует минимум времени.

Для обеспечения надежной фиксации акселерометра на объект измерения, магнитное основание должно быть ровным и плотно прилегать к поверхности измеряемого объекта. Монтажная поверхность должна быть очищена от мусора, ржавчины и отслоившейся краски.

3. Акселерометр необходимо устанавливать в правильном направлении

В различных ситуациях акселерометр устанавливают в разных направлениях.

Например, для определения параллельной несоосности акселерометр устанавливают на подшипник в радиальном направлении, а для выявления угловой несоосности — в осевом.

Сигнал, генерируемый акселерометром, зависит от направления, в котором установлен датчик, поскольку амплитуда механических колебаний изменяется в различных направлениях.

Монтажная поверхность должна быть магнитной (сталь, никель, кобальт сплавы).

Избегайте ударов и нагрева магнитного основания, поскольку это ведет к ухудшению магнитных свойств.

4. Акселерометр необходимо устанавливать в одной и той же измерительной точке

Для получения надежных данных измерения необходимо использовать один и то же акселерометр и устанавливать его в одной и той же точке измерения. При возможности, всегда выполняйте измерения с помощью одного и того же датчика, установленного в одном и том же месте.

5. Акселерометр необходимо устанавливать на твердых поверхностях

Недопустимо устанавливать акселерометр на гибкие поверхности машины, поскольку это приведет к искажению спектра из-за колебаний гибкой части машины.

Нельзя устанавливать акселерометр на очень легкие по весу объекты, иначе сигнал вибрации будет искажен под действием веса акселерометра. Как правило, общий вес акселерометра и магнита должен быть меньше 10 % от веса измеряемого объекта.

6. Уход за акселерометром

В случае небрежного обращения акселерометр может выдавать некорректные данные. Необходимо очень осторожно крепить акселерометр на монтажную поверхность и следить, чтобы не возникло удара в результате сильного магнитного притяжения. Для этого наклоните магнит и подведите акселерометр к измеряемой поверхности под углом, а после соприкосновения магнита с поверхностью осторожно выпрямите магнит до полного соприкосновения поверхностей.

Для того, чтобы демонтировать акселерометр с измеряемой поверхности ни в коем случае не тяните за акселерометр. Следует обхватить акселерометр вместе с основанием и наклонить в сторону.

Кабель акселерометра не должен закручиваться (переламываться), а должен быть надежно закреплен таким образом, чтобы не допустить его повреждения. Закрученный или свободно перемещающийся кабель может искажать данные спектра вибрации.

7. Личная безопасность

При проведении измерений вибраций необходимо всегда соблюдать меры безопасности. Во время сбора данных вибраций следует учитывать три основных вида опасностей: ушибы движущими частями, поражение электрическим током и повреждения, вызванные магнитными свойствами частей.

Во-первых, во время монтажа акселерометра необходимо следить за тем, чтобы кабель не попадал в движущиеся компоненты. Несмотря на то, что быстроразъёмное соединение сводит данный вид риска к минимуму, нельзя полагаться только на это. Помимо кабеля в движущиеся части может попадать свободная одежда, длинные волосы и ремни.

Во-вторых, ни в коем случае нельзя устанавливать акселерометр на поверхность под напряжением, поскольку это может стать причиной поражения электрическим током.

В-третьих, не держите магнитное основание вблизи чувствительных к магниту предметов, таких как кредитные карты, дискеты, видеоплёнки, кассетные ленты и часы, так как они могут быть повреждены магнитными полями.

Также существуют другие виды опасностей, которые могут возникать при проведении измерений вибрации, поэтому перед началом работ необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией по эксплуатации и технике безопасности.

Приборы для измерения вибрации

Приборы для измерения вибрации делятся на несколько типов: виброметр, виброграф и виброанализатор. Виброметр, простейший прибор, определяет только один параметр (СКЗ виброскорости). Виброграф, пишущий прибор, регистрирующий амплитуду колебаний. Эти два прибора помогут выявить только превышения норм.

Выявить причины (на основании замеряемых параметров) нарушений вибрационных характеристик сможет лишь виброанализатор. Существую одноканальные и многоканальные виброанализаторы, эти приборы позволяют загрузить в них программу измеряемых параметров с компьютера, что после замеров позволит произвести анализ, сделать расчёт и выявить источник вибраций. При использовании виброанализатора, на электродвигатель навешиваются датчики вибрации. Таким образом можно точно установить причину неисправности и меры её устранения.

Какие машины нуждаются в контроле за вибрацией?

В первую очередь, необходимо выполнять мониторинг критического оборудования. Ведь, к примеру, нецелесообразно обследовать сначала людей с идеальным состоянием здоровья, а затем переходить к тем пациентам, которые действительно нуждаются в лечении. То же самое касается мониторинга технического состояния оборудования. Во избежание непредвиденных и дорогостоящих поломок регулярный мониторинг вибрации требуется выполнять для следующих машин:

• Машины, которые требуют дорогостоящего, длительного или сложного ремонта;
• Машины, которые выполняют очень важные функции в производственном процессе или работе предприятия в целом;
• Машины, которые часто выходят из строя;
• Машины, надежность которых крайне важна;
• Машины, которые влияют на безопасность людей и состояние окружающей среды.

Как работает датчик вибрации?

Для точного измерения вибрации необходимо правильно устанавливать датчик вибрации на измеряемый объект. Существует несколько видов датчиков для измерения вибрации, наиболее широко применяемым является акселерометр, так как он имеет множество преимуществ по сравнению с другими типами датчиков.

Акселерометр – это датчик, который генерирует электрический сигнал, пропорциональный величине ускорения вибрирующего объекта, на котором установлен датчик.

Ускорение вибрирующего компонента – это быстрота изменения скорости вибрирующего компонента.

Сигнал ускорения, генерируемый акселерометром, поступает в инструмент, который, в свою очередь, преобразует его в сигнал виброскорости. В зависимости от выбора пользователя, сигнал может быть представлен в виде временного сигнала или спектра вибрации. Спектр виброскорости получают из временного сигнала виброскорости с помощью алгоритма Быстрого Преобразования Фурье.

Ниже представлен простой пример сбора данных вибрации.

Алгоритм выявления неисправности

Для определения и устранения причин вибрации электродвигателя существует несложный алгоритм. Осмотреть работающий электродвигатель на предмет отсутствия незакрученных болтов, крышек, надежность крепления двигателя к раме. Далее необходимо рассоединить двигатель и приводимый им в движение механизм. Если вибрация пропала, то причина в соединительной муфте (нарушение центровки полумуфт, разный вес пальцев и так далее).

Если после отсоединения приводного механизма вибрация на холостом ходу присутствует. Значит причина в самом электродвигателе, при отключении питания (когда двигатель на выбеге) должна прекратиться вибрация. Если при отключенном питании она прекратилась, то всему виной воздушный зазор между статором и ротором. При затухающей амплитуде вибраций при отключенном питании, причина в механическом дефекте ротора (изгиб, трещина, дефект роторной бочки) или дефекте полумуфты.

Если при снятой полумуфте вибрация отсутствует, значит – в полумуфте, в противном случае необходимо снимать ротор для динамической балансировки на станке или выявления повреждений обмоток. При диагностике электродвигателя на подшипниках качения их неисправность легко выявить – повышенный шум и сильный нагрев.

Дефект подшипников скольжения будет проявляться под нагрузкой, если выявить причины вибрации под нагрузкой не удаётся, то, скорее всего, виноваты подшипники, необходимо их заменить или отдельно продиагностировать (например, датчики вибрации подключить к месту установки подшипников).

При выявлении повышенного нагрева подшипников необходимо также замерять уровень вибрационных характеристик, потому как сам по себе подшипник редко является источником проблемы, скорее, как следствие.

Важно понимать, что на ответственных механизмах (турбоагрегаты ГЭС, электродвигатели в АЭУ, электроприводы гидростанций и так далее) замер уровня вибрации должен производиться регулярно, в соответствии с графиком технического обслуживания. Замеры должны проводить представители завода-изготовителя или специалисты организации, имеющей лицензию на проведение такого типа работ. Замеры вибрационных характеристик с замером температуры подшипников должны быть отражены в формуляре электрической машины.

Теперь вы знаете, почему возникает вибрация электродвигателя, а также как происходит определение и устранение причин. Надеемся, предоставленная инструкция помогла найти и решить проблему!

Количество каналов измерения

• Одноканальный – одновременно измеряет данные только по одному каналу. При этом может одновременно измерять виброускорение, виброскорость и виброперемещение;
• Одноканальный с приставкой расширения на несколько каналов – измеряет данные с нескольких датчиков, но частота опроса каналов значительно уменьшается;
• Многоканальный с параллельным опросом всех каналов – очень полезный прибор в сложных случаях, так как результат диагностики дефектов намного достовернее. Но такие приборы сложнее переносить и разворачивать на месте измерения. И, конечно, они дороже.

Система сбора данных на основе DAQ970A/DAQ973A

DAQ970A/DAQ973A — это новая система сбора данных компании Keysight, представляющая собой базовый блок с тремя слотами, в котором используется измерительный блок от уже хорошо зарекомендовавшего себя цифрового мультиметра компании (рис. 5). В этом недорогом и компактном устройстве при его модульной гибкости сочетаются преимущества проверенных временем средств измерений Keysight и универсальных входов со встроенным преобразователем сигнала [7].

Рис. 5. Система сбора данных DAQ970A/DAQ973A компании Keysight со сменными модулями

Ключевые возможности и технические характеристики системы сбора данных DAQ970A/DAQ973A:

• базовый блок с тремя слотами;
• встроенный 6,5-разрядный цифровой мультиметр с базовой точностью измерения напряжения постоянного тока не хуже 0,003%;
• скорость сканирования: до 450 каналов/с;
• 9 подключаемых модулей, в том числе новый 4-канальный оцифровщик одновременной выборки;
• до 120 каналов на базовый блок;
• память сканирования: до 1 млн точек;
• измеряет и преобразует 14 видов входных сигналов, включая: температуру, напряжение постоянного и переменного тока, частоту, сопротивление методом 2- и 4-проводного измерения, частоту и период сигналов;
• наличие портов LAN и USB для легкого подключения к компьютеру, DAQ973A поставляется с дополнительным GPIB (интерфейс подключения к шине цифровых измерительных приборов);
• большой цветной дисплей с диагональю 4,3 дюйма для простоты настройки и просмотра данных;
• поддержка USB-накопителя для копирования/регистрации данных в автономных приложениях;
• возможность работы с программным обеспечением BenchVue из комплекта Path Wave с расширенными возможностями измерений во временной/частотной области.

Для целей, являющихся темой данной статьи, система сбора данных DAQ970A используется с модулем-дигитайзером (модулем преобразователя аналоговых сигналов в цифровые) DAQM909A, также предлагаемым компанией Keysight [8]. Внешний вид модуля показан на рис. 6.

Рис. 6. Модуль-дигитайзер DAQM909A системы сбора данных DAQ970A и DAQ973A

Модуль DAQM909A позволяет системе сбора данных DAQ970A и DAQ973A выполнять динамический сбор данных для таких приложений, как гармонические и шумовые искажения, анализ шин питания и акустическая характеристика электромеханических устройств. Каждый канал можно независимо запрограммировать на один из четырех режимов входа и текущие настройки источника. Три из этих модулей, объединенные в общий базовый блок, могут обеспечить одновременную оцифровку двенадцати каналов.

Ключевые возможности и технические характеристики модуля DAQM909A системы сбора данных DAQ970A/DAQ973A:

• 4 канала одновременной выборки с дифференциальными входами;
• частота дискретизации: до 100 квыб/с (в частотной области) и до 800 квыб/с (во временной области) с разрешением 24 бит;
• выбор диапазона дифференциального входа: до 36 В (пик.);
• питание для датчика IEPE: 2–4 мА;
• память для сбора данных/канал: 16–48 млн выб.

Причины повышения ударных импульсов

1. Загрязнение смазки подшипника во время монтажа, во время хранения, в процессе эксплуатации.
2. Ухудшение эксплуатационных свойств смазочного материала в процессе эксплуатации приводящее к несоответствию применяемой смазки условиям работы подшипника.
3. Вибрация механизма, создающая повышенную нагрузку на подшипник. Ударные импульсы не реагируют на вибрацию, отражают ухудшение условий работы подшипника.
4. Отклонение геометрии деталей подшипника от заданной, в результате неудовлетворительного монтажа подшипника.
5. Неудовлетворительная центровка валов.
6. Повышенный зазор в подшипнике.
7. Ослабление посадки подшипника.
8. Ударные воздействия на подшипник, возникающие в результате работы зубчатого зацепления, соударений деталей.
9. Неисправности электромагнитной природы электрических машин.
10. Кавитация перекачиваемой среды в насосе, при которой в результате захлопывания газовых каверн в перекачиваемой среде непосредственно создаются ударные волны.
11. Вибрацией подсоединенных трубопроводов или арматуры, связанной с нестабильностью потока перекачиваемой среды.
12. Повреждение подшипника.