Diagnostyka systemów mechatronicznych
Transkrypt
Diagnostyka systemów mechatronicznych
2012-06-11 Diagnostyka systemów mechatronicznych Literatura 1. C. Cempel, Diagnostyka wibroakustyczna maszyn, WNT Warszawa 1989 2. L. Swędrowski, Nowa metoda diagnostyki łożysk silnika indukcyjnego oparta na analizie i pomiarze prądu zasilającego, Politechnika Gdaoska, 2005 3. M. Tadeusiewicz, Signals and systems, Politechnika Łódzka, 2001 4. P. Tavner, L. Ran, J. Penman, H. Sedding , Condition Monitoring of Rotating Electrical Machines, IET 2008 5. Eddy Current Testing at Level 2, INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY VIENNA, 2011 6. B. Drak, P. Zientek, R. Niestrój, J. Kwak, Napięcia i prądy wałowe w silnikach indukcyjnych dużej mocy użytych w organach urabiających kombajnów górniczych, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 76/2007, pp.55-62 7. Kuczyoski K. 2008 – „Zastosowanie termowizji w diagnostyce urządzeo elektrycznych” – Dom Wydawniczy Medium, 2008 8. R. Brutsch i in. „Insulation Failure Mechanisms of Power Generators” IEEE Electrical Insulation Magazine, July/August 2008 — Vol. 24, No.4 © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Diagnostyka systemów mechatronicznych Literatura cd. 9. CIGRE Study Committee SC11, EG11.02, “Hydrogenerator Failures – Results of the Survey,” 2003. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 1 2012-06-11 1. Charakterystyka diagnostyki technicznej. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Miejsce diagnostyki w procesie projektowania, wytwarzania i eksploatacji Diagnostyką nazywamy określenie stanu technicznego danego urządzenia na podstawie oceny pomierzonych sygnałów (symptomów diagnostycznych). Diagnostyka ma miejsce w fazie konstruowania i badania prototypu, w czasie wytwarzania urządzenia oraz szeroko rozumianej eksploatacji.. Celem diagnostyki technicznej jest przewidzenie czasu energia bezawaryjnej pracy, OBIEKT określenie terminów surowiec planowanych remontów i zapobieżenie wypadkom oraz stratom ekonomicznym destrukcyjna dysypacja energii energia produkt symptomy © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 2 2012-06-11 Statystyczna charakterystyka uszkodzeo Ogólne zestawienie lokalizacji uszkodzeo maszyn elektrycznych średniej mocy (USA) Przyczyna awarii Procentowy udział, [%] Łożyska 41% Stojan 37% Wirnik 10% Inne 12% Ogólne zestawienie lokalizacji uszkodzeo hydrogeneratorów (CIGRE, 2003) © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Diagnostyka w procesie projektowania Podczas projektowania urządzenia należy przewidzied możliwośd oceny eksploatacyjnej stanu technicznego poprzez instalację odpowiednich czujników (temperatury, napięcia, drgao etc.) Istotne znaczenie ma projektowy dobór właściwych parametrów urządzenia (gęstośd strat mocy, przeciążalnośd, własności materiałów konstrukcyjnych, wrażliwośd na błędy montażu i eksploatacji) decydujących o czasie życia danego obiektu Prawo Arrheniusa L(T) – czas życia urządzenia, T – temperatura, [ K ] A – stała zależna od badanego obiektu Ea – energia aktywacji k – stała Boltzmanna © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 3 2012-06-11 Diagnostyka w procesie wytwarzania Podczas wytwarzania urządzenia mamy do czynienia z koniecznością połączenia w jedną całośd wielu części składowych, z których potencjalnie każda ma wpływ na wynikową jakośd urządzenia. Za wyjątkiem obiektów o największej wartości lub znaczeniu nie ma praktycznej możliwości kompletnego pomiaru własności wszystkich składników. Decydujący jest czas (koszt) pomiarów – kwalifikacji, który musi byd dodany do ceny wyrobu. Pomiary materiałów (półfabrykatów) wejściowych opierają się w dużej mierze o system certyfikatów i gwarancji. Kontrola międzyoperacyjna i koocowa służy do eliminacji produktów niespełniających wymogów jakościowych. Płytka testowa trójosiowego czujnika przyspieszenia Kontrola wymiarów profab © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Diagnostyka wyrobu W zależności od rodzaju urządzenia zmienia się zakres badao koocowych każdego wyrobu (tzw. próba wyrobu). Przykładowo, dla silników indukcyjnych małej mocy będzie to: pomiar rezystancji uzwojeo, sprawdzenie stanu izolacji, sprawdzenie poprawności oznaczeo koocówek uzwojeo, pomiar prędkości w stanie jałowym. Odbiór techniczny partii wyrobów, lub wprowadzenie modyfikacji technologii (np. zmiana gatunku blachy elektrotechnicznej) skutkuje znacznie szerszym zakresem badao (tzw. próba typu). Dla silników indukcyjnych małej mocy będzie to między innymi: 1. Próba obciążenia znamionowego, 2. Próba cieplna, Laserowy pomiar 3. Próby przeciążenia (elektryczne i mechaniczne), postaci drgao pralki 4. Próba zwarcia 5. Pomiar prędkości drgao 6. Pomiar emisji akustycznej Dla większości powszechnie produkowanych urządzeo próby wyrobu i typu są znormalizowane. Bruel&Kjaer 8338 © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 4 2012-06-11 Diagnostyka eksploatacyjna Awaria urządzenia zazwyczaj pociąga za sobą koniecznośd odłączenia znacznie większego zbioru innych obiektów będących połączonych technologicznie. Powoduje to powstanie dodatkowych, często znacznych strat ekonomicznych wynikających z przerwania procesu produkcyjnego. Dlatego też podstawowe znaczenie ma kontrolowane zastępowanie, remont lub wymiana urządzeo zbliżających się do kooca swojego cyklu życia technicznego. Diagnostyka eksploatacyjna polega na okresowym lub ciągłym (w przypadku drogich lub istotnych technologicznie obiektów ) pomiarze wybranych wielkości fizycznych i porównywaniu uzyskanych wartości z posiadanymi kryteriami poprawności pracy. W większości wypadków pomierzone sygnały muszą byd przetworzone obliczeniowo aby otrzymad żądane symptomy świadczące o rozwijającym się uszkodzeniu. Podstawą do wnioskowania o stanie technicznym badanego obiektu jest posiadanie odpowiedniej bazy danych doświadczalnych uzyskanych dla innych urządzeo tego samego bądź zbliżonego typu. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Metody badao nieniszczących NDT – Nondestructive Testing Opracowane za: C. Cempel, Diagnostyka wibroakustyczna maszyn Metoda Badania wizualne - endoskopowe - fluorescencyjne Badania elektryczne - pomiary prądów i napięd zasilających Badania mechaniczne - pomiary globalnych sił, momentów, przemieszczeo i prędkości Opis Zastosowanie Ograniczenia Ocena obrazu zewnętrznych powierzchni lub wewnętrznych za pośrednictwem kamery i światłowodu Wnikanie w wady powierzchniowe chemikaliów barwnych lub fluorescencyjnych Nieruchome elementy urządzeo Tylko wady powierzchniowe o relatywnie znacznym rozmiarze – rzędu mm. Ocena zmienności wartości skutecznej całego przebiegu lub poszczególnych składników widma częstotliwościowego Obiekty zasilane ze źródeł elektrycznych, Wady tych części obiektu, które są związane z przetwarzaniem energii elektrycznej (uzwojenia, wirniki maszyn elektrycznych), pomiary widmowe wymagają osprzętu komputerowego, znaczny wpływ warunków obciążenia i temperatury Ocena zmienności wartości skutecznej całego przebiegu lub poszczególnych składników widma częstotliwościowego Większośd maszyn i urządzeo Wady montażu urządzenia czy układu technologicznego, pomiary widmowe wymagają osprzętu komputerowego, znaczny wpływ warunków obciążenia i temperatury , często wymagana pre-instalacja dodatkowych przetworników © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 5 2012-06-11 Metody badao nieniszczących NDT – Nondestructive Testing Opracowane za: C. Cempel, Diagnostyka wibroakustyczna maszyn Metoda Badania termiczne - temperatura średnia Opis Zastosowanie Ograniczenia Pomiar zmienności rezystancji uzwojenia Uzwojenia maszyn i urządzeo Dodatkowy osprzęt pomiarowy (mostek do pomiaru pod obciążeniem) - temperatura lokalna Pomiar sygnału z przetwornika temperatury (termopara, termistor, silistor) Prawie dowolne miejsce nieruchomych części Pre-instalacja czujnika, opóźnienie czasowe sygnału w pomiarach dynamicznych - termowizja Pomiar rozkładu strumienia cieplnego wypromieniowanego z badanej powierzchni Nieruchome powierzchnie zewnętrzne Koniecznośd bezpośredniego dostępu, relatywnie znaczny czas użytkowego przetwarzania informacji Ocena zmienności wartości amplitudy i fazy prądów w danym miejscu konstrukcji Nieruchome części przewodzące elektrycznie – metale Wady przypowierzchniowej struktury obiektu o rozmiarach rzędu milimetrów Ocena koncentracji proszku ferromagnetycznego na powierzchni obiektu Nieruchome części ferro-magnetyczne lub wiodące prąd powierzchniowy Wady przypowierzchniowej struktury obiektu o rozmiarach rzędu milimetrów Badania elektromagnetyczne - pomiary prądów wirowych - ferro-proszkowe © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Metody badao nieniszczących NDT – Nondestructive Testing Opracowane za: C. Cempel, Diagnostyka wibroakustyczna maszyn Metoda Badania wibroakustyczne - drgania - emisja akustyczna Badania radiometryczne Badania spektrometryczne Opis Pomiary sygnału czasowego z jednego lub wielu przetworników drgao. Przetwarzanie amplitudowo- fazowe połączone z analizą widmową Zastosowanie Ograniczenia Diagnostyka stanu technicznego urządzenia Drogi osprzęt i oprogramowanie pomiarowe. W przypadku analizy drgao często zachodzi koniecznośd pre-instalacji czujników. Złożony proces przetwarzania danych. Znaczne trudności przy eliminacji sygnałów pasożytniczych, zwłaszcza w akustyce Ocena amplitudowo-fazowa wnikania fali elektromagnetycznej lub strumienia neutronów, analiza tłumienia, rozproszenia i odbicia fali. Nieruchome elementy konstrukcji Drogi i ciężki osprzęt, złożone wnioskowanie, wady materiału o rozmiarze rzędu milimetra, konieczny bezpośredni dostęp Ocena składu chemicznego ubocznych produktów zużycia (smar, olej, filtry) Urządzenia w ruchu po pobraniu próbki do badao Drogie oprzyrządowanie pomiarowe, trudności lokalizacji uszkodzenia. Pomiary sygnału czasowego z jednego lub wielu mikrofonów. Przetwarzanie amplitudowo- fazowe połączone z analizą widmową © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 6 2012-06-11 2. Procesy zużycia. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Fizyczne podstawy procesów zużycia (1) Zużycie trybologiczne Procesem zużycia (materiału, urządzenia) nazywamy utratę własności fizycznych lub eksploatacyjnych danego obiektu. Zużycie to może mied charakter stopniowy lub nagły, może byd odwracalne (renowacja lub wymiana części) bądź nieodwracalne – trwałe uszkodzenie. Zużyciem trybologicznym nazywamy ubytek objętości warstwy wierzchniej powierzchni trącej spowodowany (jedno- lub wielokrotnym) oddziaływaniem powierzchni współpracującej, bezpośrednio lub za pośrednictwem substancji stałych, ciekłych lub gazowych znajdujących się pomiędzy tymi powierzchniami. Jest ono wynikiem procesu ciągłych, niszczących zmian pierwotnego stanu masy, składu chemicznego, struktury i stanu naprężenia materiału powierzchniowej warstwy elementów maszyn, spowodowanego oddziaływaniem elementów współpracujących i środowiska. Wyróżniamy zużycie ścierne, adhezyjne, zmęczeniowe i utlenianie. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 7 2012-06-11 Fizyczne podstawy procesów zużycia (2) Zużycie trybologiczne Zużycie ścierne - - niszczenie powierzchni współpracujących elementów w wyniku skrawającego lub rysującego oddziaływania nierówności powierzchni, cząstek ciał obcych lub produktów zużycia. Zużycie adhezyjne - niszczenie warstwy wierzchniej współpracujących elementów w wyniku powstawania i rozrywania połączeo adhezyjnych, na powierzchniach o dużym powinowactwie chemicznym, mikrozgrzein i mikrospoin tworzących się między wierzchołkami nierówności współpracujących powierzchni. Zużycie zmęczeniowe - miejscowa utrata spójności i związane z nią ubytki materiału spowodowane zmęczeniem materiału w wyniku cyklicznego oddziaływania naprężeo stykowych w warstwach wierzchnich współpracujących elementów. Zużycie przez utlenianie - niszczenie warstwy wierzchniej współpracujących elementów, polegające na powstawaniu powierzchniowych ubytków materiału w wyniku tworzenia się tlenków oraz ich usuwaniu pod działaniem siły tarcia. Warunkiem występowania takiego procesu zużycia, jest szybkośd tworzenia warstewek tlenków większa, niż szybkośd ich ścierania z powierzchni tarcia. Nazywa się je również „zużyciem normalnym”, jest uważane za jedyny dopuszczalny proces zużycia. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Fizyczne podstawy procesów zużycia (3) Zużycie trybologiczne O intensywności zużycia ciernego decydują: Element trący I d - naprężenia mechaniczne na powierzchniach trących, - względna prędkośd powierzchni, Film - temperatura, smarujący - własności filmu smarującego, - obecnośd prądu elektrycznego, - agresywnośd otaczającej atmosfery. Element trący II Przy dużych prędkościach trących się elementów ich temperatura może bardzo szybko rosnąd, co w skrajnym przypadku prowadzi do całkowitego zniszczenia urządzenia. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 8 2012-06-11 Fizyczne podstawy procesów zużycia (4) Zużycie termiczne Zużyciem termicznym nazywamy zmianę własności fizycznych lub chemicznych materiału oraz jego wymiarów geometrycznych wynikających z krótkiej bądź długotrwałej pracy w danej temperaturze. Zużycie termiczne ma charakter nieodwracalny, zwykle towarzyszą mu efekty wynikające z obecności naprężeo mechanicznych, dielektrycznych lub magnetycznych wynikających z zasady działania danego urządzenia. Wzrost temperatury pracy przeważnie skraca czas życia technicznego (prawo Arrheniusa), tym niemniej w wielu przypadkach złożonych oddziaływao środowiskowych podwyższenie temperatury pracy może sprzyjad obniżeniu prawdopodobieostwa awarii - np. kruchośd materiału wzrasta w niskich temperaturach. R. Bruetsch i in.,IEEE Insulation Mag,2008 © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Fizyczne podstawy procesów zużycia (4) Zużycie termiczne Nadmierny wzrost temperatury powoduje uszkodzenie izolacji ograniczającej natężenie prądu elektrycznego. Dodatkowym czynnikiem są występujące przemienne siły elektromagnetyczne, które są przyczyną drgao mechanicznych i w konsekwencji zużycia ciernego warstwy izolacji. Przykładem może byd pękanie ceramicznej izolacji międzyblachowej w skrajnych pakietach rdzenia stojana generatorów dużych mocy powodujące wzrost lokalnych strat mocy i dalsze pogłębienie procesu niszczenia pakietu. J.Bytnar, Maszyny Elektryczne Nr 83/2009 Ważnym czynnikiem sprzyjającym powstawaniu pęknięd i rozwarstwieo są różne wartości współczynników rozszerzalności cieplnej sąsiadujących materiałów © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 9 2012-06-11 Fizyczne podstawy procesów zużycia (5) Zużycie termiczne Uszkodzenie termiczne elementów urządzenia jest często spowodowane błędami montażu, które pociągają za sobą efekty nieprzewidziane przez konstruktora. Niedokładne dokręcenie przewodów zasilających jest przyczyną pojawienia się dodatkowej rezystancji zestyku, na której wydzielają się lokalnie straty mocy. Na drodze przewodzenia strumieo cieplny rozchodzi się po otaczających elementach konstrukcji, w wyniku czego rośni ich temperatura. Niedokładne sprzęgnięcie maszyn powoduje znaczne drgania wału w łożyskach, co jest przyczyną tarcia elementów tocznych o bieżnię łożyska praktycznie bez udziału filmu olejowego. Wydzielające się ciepło jest przyczyną, że oprócz uszkodzeo mechanicznych mamy do czynienia z wytapianiem smaru, co sprzyja dalszemu rozwinięciu się uszkodzeo. Fluke Fluke © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 3. Uszkodzenia łożysk. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 10 2012-06-11 Uszkodzenia łożysk Przyczyny Najczęstsze przyczyny uszkodzeo łożysk to: - niedostateczne smarowanie, - obcy materiał, - korozja, - nadmierne obciążenie, - niewspółosiowośd, - nieodpowiednie pasowanie, - nadmierny luz osiowy, - prądy łożyskowe. Symptomy rozwijającego się uszkodzenia - wysoka temperatura łożyska, - drgania wału łożyskowego, - rosnąca emisja akustyczna FAG Publ.-Nr. WL 82 102/2 DA © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Uszkodzenia łożysk Niedostateczne smarowanie Mikropęknięcia powstałe w wyniku niedostatecznego smarowania wynikającego z: - braku smaru, - zbyt wysokiej temperatury, - obecności wody w łożysku. FAG Publ.-Nr. WL 82 102/2 DA © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 11 2012-06-11 Uszkodzenia łożysk Przeciążenie statyczne Wgniecenia bieżni powstałe w odległości równej podziałce elementów tocznych. Wynikają najczęściej z niewłaściwej technologii montażu łożyska bądź chwilowych znacznych przeciążeo. FAG Publ.-Nr. WL 82 102/2 DA © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Uszkodzenia łożysk Zmęczenie materiału Uszkodzenie zmęczeniowe są zapoczątkowane przez wierzchołki nierówności, wywołujące lokalne spiętrzenie naprężeo. Punktowe odpryski/wyrwy rozszerzają się w kierunku toczenia wałeczków. Wtrącenia - odpryski wywołane obecnością tlenków lub innych ciężkich wtrąceo w stali łożyskowej. Koncentracja naprężeo na brzegach bieżni odpryski powstałe na skutek nieprostoliniowości, braku korekcji lub dużego obciążenia. FAG Publ.-Nr. WL 82 102/2 DA © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 12 2012-06-11 Uszkodzenia łożysk Korozja bieżni łożyska Korozja wżerowa – początkowe stadium korozji spowodowane obecnością wilgoci lub wody w łożysku. Łuszczenie liniowe – uszkodzenie umiejscowione w odstępach odpowiadających rozstawowi wałeczków, spowodowane dalszą pracą łożyska już po jego uszkodzeniu korozyjnym. Przyczyną korozji są: obecnośd cieczy aktywnych chemicznie w łożysku lub jego otoczeniu, uszkodzone uszczelnienia, niewłaściwe smary. FAG Publ.-Nr. WL 82 102/2 DA © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Uszkodzenia łożysk prąd łożyskowy Miejscowe wypalenia - spowodowane przez łuk prądu elektrycznego (niewłaściwe uziemienie), przechodzący przez nieruchome łożysko. Rowkowanie - szereg małych przypaleo osiowych, spowodowanych prądem elektrycznym przepływającym przez obracające się łożysko. Kiedy przepływa przez łożysko prąd elektryczny, a pomiędzy cienką warstwą filmu olejowego powstaje łuk elektryczny, w punktach styku bieżni i elementów tocznych pojawiają się przypalenia. Punkty styku są miejscowo wytapiane w formie żłobków lub pofałdowao rowkowych, które widoczne są gołym okiem. Nadmierny prąd łożyskowy może zniszczyd łożysko nawet w ciągu kilku tygodni! FAG Publ.-Nr. WL 82 102/2 DA © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 13 2012-06-11 Powstawanie prądu łożyskowego przyczyna magnetyczna W każdej maszynie prądu przemiennego mogą wystąpid odchyłki od symetrii osiowej rozkładu pola magnetycznego w przekroju maszyny. Powodem tego może byd asymetria szczeliny (np. ekscentrycznośd wirnika, owalizacja stojana), niesymetryczne uzwojenie, stan przejściowy (rozruch) czy anizotropia arkusza blachy elektrotechnicznej. Powoduje to niesymetryczny, zmienny w czasie rozkład indukcji magnetycznej i w konsekwencji niezerową wartośd całki × Iwał • ljarzmo • Prąd Iwał zamyka się w przekrojach prostopadłych do blach magnetowodu poprzez kadłub stojana, łożyska i wał. Może również płynąd przez oprawy łożyskową maszyny obciążającej . H × Iwał • © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Powstawanie prądu łożyskowego Iph120 ub [V] ib [A] 80 40 0 -40 0 1 2 t [s] 3 4 20 t [s] ugięcie wału wirnika i ekscentrycznośd powodujące z kolei pakietu wirnika względem stojana. Składowa przemienna 12 8 przy tej asymetriiRozruch 3 pola generuje obwodowy strumieo 4 jarzmowy skojarzony z obwodem: wał, łożyska i kadłub. 0 Przy -4 małej prędkości obrotowej grubośd filmu olejowego -8 praktycznie równa zeru pod wpływem ciężaru wirnika jest ub [V] ib [A] 40 0 -20 -40 12 przyczyna magnetyczna Rozruch 1 8 4 0 W-4czasie rozruchu przebiegi prądów fazowych -8 zawierają składową aperiodyczną, których suma tworzy -12 nieruchome 0 1 w przestrzeni 2 3 stałe 4 pole magnetyczne 0 0.2 0.4 0.6 t [s] 0.8 -12 1 0 0.2 40 12 Pomiar prądu łożyskowego Iwał w silniku 20 indukcyjnym o mocy 300 kW w trakcie 84 rozruchu za pomocą przewodu w drążonym 0 0 -4 wale. -20 0.6 t [s] 0.8 1 H × Rozruch 6 ub [V] ib [A] -8 -40 -12 B.Drak i in., Prace Naukowe IMNPE Polit. Wrocł., nr 62, 2008 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 0 t [s] 40 20 0 -20 -40 A 0.4 Iwał 0.8 1.2 t [s] 1.6 2 • 12 © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Rozruch 14 8 4 0 -4 -8 -12 0.4 0.8 1.2 1.6 2 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 ub [V] ib [A] 0.4 0 t [s] t [s] 14 2012-06-11 Powstawanie prądu łożyskowego przyczyna elektryczna stojan wirnik Napięcie PWM u(t) czas du/dt czas Zasilanie uzwojeo stojana z przekształtników PWM jest przyczyną, że w napięciu fazowym występują znaczne stromości impulsów du/dt. Cechą tego typu modulacji napięd fazowych jest wystąpienie tzw. składowej jednakofazowej u0, to jest pojawienie się zmiennej w czasie wartości sumy wszystkich napięd fazowych. Jeśli jednocześnie wszystkie elementy toczne łożysk są odizolowane od bieżni warstwą filmu olejowego, to składowa u0 jest przyczyną gromadzenia się ładunku elektrycznego Q(t)=C u0(t) na powierzchni wirnika. Zarówno chwila jak i czas trwania takiego stanu są przypadkowe, tym niemniej ze względu na stromośd impulsów potencjał wirnika względem uziemionego stojana może osiągnąd dużą wartośd. Po przekroczeniu wartości krytycznej (zależnej od grubości filmu i stromości impulsu), przy której następuje przebicie warstwy oleju i wyładowanie iskrowe o natężeniu nawet kilkudziesięciu amperów. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Powstawanie prądu łożyskowego przyczyna elektryczna O wielkości prądu łożyskowego decydują sprzężenia pojemnościowe pomiędzy uzwojeniami a blachami stojana oraz między stojanem i wirnikiem. Istotne znaczenie ma struktura przekształtnika rozumianego jako całośd: transformator, prostownik, łącze stałoprądowe i falownik. Sied Przekształtnik PWM Iwał © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 15 2012-06-11 Powstawanie prądu łożyskowego przyczyna elektryczna Napięcie przebicia ukr jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalne do czasu trwania impulsu t i jednocześnie również odwrotnie proporcjonalne do grubości filmu d izolującego bieżnie łożyska. wyładowanie iskrowe wyładowania iskrowe Czas trwania impulsu napięciowego jest ściśle określony i wynika z częstotliwości modulacji PWM, natomiast grubośd filmu ma charakter przypadkowy, zależy od bardzo wielu czynników – drgania wirnika, własności smaru, charakter obciążenia silnika itp. J. Erdman, et al., IEEE APEC Conf. Dallas., 1995 © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Powstawanie prądu łożyskowego schemat pojemności pasożytniczych Sied Transformator Prostownik Uzwojenia stojana Falownik Wirnik Łożysko Csw C0 Cs0 C3 C1 C W C2 Kadłub Pojemnośd dla składowej jednakofazowej Trzy typy prądu łożyskowego wynikającego z asymetrii elektrycznej: 1. Wysoka prędkośd obrotowa (łącznik W otwarty) – napięcie jednakofazowe us0 (punktu gwiazdowego uzwojeo) poprzez dzielnik pojemnościowy Csw ,C odkłada się na impedancji łożyska. Po przekroczeniu wytrzymałości filmu olejowego następuje wyładowanie iskrowe. 2. Niska prędkośd obrotowa (łącznik W zwarty) – prąd łożyska iwał = Csw dus0/dt. 3. Wysoka częstotliwośd modulacji – suma prądów fazowych = iCs0 ( prąd jednakofazowy). Prąd ten, zmienny w czasie, jest kompensowany cyrkulacyjnym prądem wałowym o tej samej drodze jak w przypadku wymuszenia magnetycznego © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 16 2012-06-11 Ograniczanie prądu łożyskowego Sied Transformator Prostownik Falownik Filtr Wirnik Uzwojenia stojana ze szczotką uziemiającą Łożysko izolowane Csw Cs0 Ograniczenie prądów łożyskowych uzyskuje się przez: 1. Izolacji elektrycznej zewnętrznej bieżni łożysk; 2. Minimalizację pojemności pasożytniczych dzięki ekranowaniu przewodów zasilających; 3. Brak uziemienia punktu gwiazdowego transformatora; 4. Zastosowanie filtru prądów jednakofazowych; 5. Uziemienie wału wirnika za pomocą specjalnego zestyku szczotkowego. Kadłub Filtr napięd jednakofazowych Zestawienie napięd względem uziemienia dla punktu gwiazdowego uzwojeo stojana UCs0 i nieuziemionego wału Uwał dla różnych konstrukcji napędu a. uziemiony punkt gwiazdowy transformatora, nieizolowane łożyska UCs0=275 V, Uwał = 8.3 V. b. nieuziemiony punkt gwiazdowy transformatora, nieizolowane łożyska, filtr prądów jednakofazowych UCs0=7 V, Uwał = 0.2V. szczotka uziemiająca wał Regal Beloit Corp. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Hałas i drgania łożysk Nowe łożysko charakteryzuje się szerokopasmowym szumem o przyspieszeniu drgao (1-2) m/s2. Pojawienie się impulsów drganiowych o znacznej amplitudzie (nawet do 40 m/s2) sygnalizuje koniecznośd wymiany łożyska. Jeśli nie nastąpi wymiana, to proces degradacji zmęczeniowej elementów łożyska powoduje wzrost luzów osiowych i radialnych przynoszących spadek częstotliwości drgao. Dalsza praca łożyska powoduj e deformację geometrii jego elementów, postępujący wzrost temperatury i w konsekwencji zatarcie łożyska. ISO 10816. © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 17 2012-06-11 Diagnostyka wibracyjna stanu łożysk Monitoring drgao wykonuj się zwykle okresowo, jedynie dla najważniejszych urządzeo jest prowadzony zapis ciągły. Przenośne mierniki zapewniają dokładnośd rzędu ±10%. Dokładnośd ta wynika z niejednoznaczności posadowienia czujnika (za pomocą podstawki magnetycznej lub pre-instalowanego wkręta). Należy pamiętad o separacji galwanicznej od podłoża aby uniknąd zakłóceo spowodowanych prądami błądzącymi w obudowie maszyny. Punkty pomiaru drgao obudowy łożysk Miernik poziomu drgao SVANTEK z wbudowanym analizatorem FFT i zapisem czasowym drgao © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Diagnostyka wibracyjna stanu łożysk współczynnik szczytu Pomiar stosunku wartości maksymalnej do wartości skutecznej odkształconego sygnału (prędkości lub przyspieszenia) jest często stosowaną estymatą poprawności pracy łożyska. Pojawienie się pierwszych uszkodzeo skutkuje pojawieniem się wyraźnych udarów w przebiegu i wzrostem współczynnika szczytu. Rozwijanie się uszkodzeo powoduje powstanie szeregu dodatkowych częstotliwości w widmie drgao i przez to wzrost wypadkowej wartości skutecznej - zmniejszanie wartości współczynnika. czas +20 dB +8 dB AWARIA zagrożenie 0 normalna praca czas © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 18 2012-06-11 Hałas i drgania łożysk dominujące częstotliwości Częstotliwości względem zewnętrznego pierścienia wynikające z pojedynczego uszkodzenia: D d f0 – elementu tocznego, fw – pierścienia wewnętrznego, fz – pierścienia zewnętrznego, fk – koszyka, fn - częstotliwośd obrotów, n – liczba elementów tocznych, d – średnica elementu tocznego, D - średnica podziałowa – kąt pracy łożyska © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Hałas i drgania łożysk metoda obwiedni drgao Sygnał pomierzony przez czujnik przyspieszenia jest prostowany, przez co eliminuje się wysokie częstotliwości. Następnie jest filtrowany dolnoprzepustowo i poddawany transformacji Fouriera. Analiza widmowa pozwala na oddzielenie tych składników drgao o częstotliwościach fj, które wynikają z innych przyczyn związanych z obrotami wirnika – np. niewyważenia czy braku współosiowości. niewyważenie uszkodzenie łożyska CX – machine parts © Paweł Witczak , Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 19