Ćwiczenie 2 - Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
do użytku wewnętrznego
ĆWICZENIE 2
Identyfikacja źródeł sygnałów wibroakustycznych na podstawie
analizy częstotliwościowej
Cel ćwiczenia
Poznanie zależności pomiędzy różnymi przyczynami generacji sygnałów wibroakustycznych,
a ich widmem częstotliwościowym, na przykładzie silnika elektrycznego. Nabranie
doświadczenia w zastosowaniu analizy częstotliwościowej do identyfikacja źródeł sygnałów
wibroakustycznych.
Przebieg ćwiczenia
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Pomiar hałasu silnika, poznanie metody pomiaru.
Identyfikacja hałasu mechanicznego i wentylacyjnego.
Identyfikacja hałasu magnetycznego.
Identyfikacja uszkodzeń uzwojeń.
Identyfikacja uszkodzeń mechanicznych.
Zadanie 2.1
Hałas wytwarzany przez maszyny i urządzenia może być ważnym parametrem
monitorującym ich jakość oraz bieżący stan techniczny. Do rozpoznania ewentualnych
uszkodzeń i dalszych porównań przydatna jest znajomość wyników pomiarów hałasu
nieuszkodzonego silnika (metryczka).
Do pomiaru hałasu niezbędna jest odpowiednia aparatura, pomieszczenie oraz znajomość
procedur pomiarowych.
2.1.1 Podstawowe informacje
W celu uzyskania dokładnych i powtarzalnych wyników pomiarów akustycznych niezbędne
jest zapewnienie, między innymi, odpowiedniego środowiska, w którym przeprowadza się
próbę.
Pomiar mocy akustycznej wypromieniowywanej przez badany obiekt wymaga jego
odizolowania od innych źródeł hałasu, które mogłyby zakłócać w sposób bezpośredni wynik
pomiaru. Drugim elementem, który może mieć wpływ na uzyskiwane wyniki są odbicia fali
dźwiękowej od płaszczyzn i obiektów otaczających mierzone źródło. Fale bezpośrednio
wypromieniowane i odbite mogą tworzyć lokalne wzmocnienia lub osłabienia mierzonego
poziomu ciśnienia akustycznego. Aby uniknąć takiego zjawiska, trzeba do pomiarów
wykorzystywać środowisko bezechowe – to znaczy takie, w którym wypromieniowana fala
akustyczna rozchodzi się we wszystkich kierunkach bez przeszkód i nie występują odbicia,
czyli echo. Pole akustyczne w takim środowisku nazywane jest polem swobodnym. Warunki
takie spełnia otwarta przestrzeń lub pomieszczenia bezechowe.
Przykładem takiego pomieszczenia jest komora bezechowa Instytutu Mechatroniki
i Systemów Informatycznych.
W celu oceny przydatności danego pomieszczenia do pomiarów akustycznych należy
zapoznać się odpowiednimi normami przedmiotowymi.
Dr inż. Witold Kubiak
1
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
do użytku wewnętrznego
Wszystkie urządzenia do pomiarów akustycznych opierają się na wykorzystaniu mikrofonu
do przetwarzania zmian ciśnienia powietrza, będącego efektem fali akustycznej, na sygnał
elektryczny. Sygnał ten jest poddawany wzmocnieniu, filtrowaniu (kondycjonowany) oraz
uśredniany w czasie. Charakterystyki filtrów oraz czas uśredniania zależą od typu obiektu
i są podawane w odpowiednich normach przedmiotowych.
Najczęściej mierzoną wielkością przy pomiarach dźwięku jest skorygowany poziom ciśnienia
akustycznego podawany w jednostkach względnych, decybelach [dB].
L pA = 10 ⋅ log
gdzie:
p2
p 02
[dB]
p [Pa] - skorygowana, uśredniona czasie wartość bezwzględna ciśnienia
akustycznego
p 0 [Pa] - wartość ciśnienia akustycznego odniesienia wynosząca 20·10-6 [Pa]
Przy analizie częstotliwościowej wykorzystuje się uśrednione, jednostronne widma
wyświetlane w jednostkach względnych wartości skutecznych, jako najlepiej oddających
zawartość energetyczną sygnału w danym paśmie częstotliwości.
k=0
FA (k )



G A (k ) = 2 ⋅ FA (k ) dla 1 ≤ k ≤ N / 2 − 1 
0
N / 2 ≤ k ≤ N − 1

gdzie:
−j
1
N −1
FA (k ) = ⋅ ∑0 f A (n ) ⋅ e
N
2 πkn
N
- dyskretne przekształcenie Fourier’a
Do dalszych porównań i rozpoznania ewentualnych uszkodzeń przydatna jest znajomość
pomiarów hałasu nieuszkodzonego silnika (metryczka).
2.1.2 Zapoznanie z systemem pomiarowym
2.1.2.1 Wykorzystując gotową aplikację analizatora FFT w systemie PULSE zapoznać się
z parametrami pomiaru: częstotliwość próbkowania, zakres częstotliwości, liczba
próbek, liczba uśrednień, okno czasowe, krzywa korekcji.
2.1.2.2 Wykorzystując aplikację analizatora FFT zapoznać się z parametrami wyświetlania
wyników pomiaru: wartość całkowita, wartość maksymalna, odczyt kursora itp.
2.1.2.3 Zapoznać się z metodą archiwizacji uzyskanych wyników, ustalić sposób kodowania
plików i wersji.
2.1.3 Kalibracja systemu pomiarowego
2.1.3.1 Wykorzystując kalibrator B&K 4230 dokonać kalibracji całego toru pomiarowego
systemu PULSE. W razie konieczności zmodyfikować czułość mikrofonu.
Wynik kalibracji zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement”.
2.1.4 Pomiar hałasu kompletnego silnika przy zasilaniu znamionowym
2.1.4.1 Zapoznać się z metodami i procedurami stosowanymi przy pomiarach akustycznych
rożnych obiektów (np. silników elektrycznych) – omówienie tematu, wskazanie
odpowiednich norm przedmiotowych.
2.1.4.2 Wykonać pomiar hałasu kompletnego, nieuszkodzonego silnika w warunkach
zasilania znamionowego, bez obciążenia.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement1”.
Dr inż. Witold Kubiak
2
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
do użytku wewnętrznego
Zadanie 2.2
Ze względu na różne przyczyny powstawania hałasu, dokładna analiza częstotliwościowa
umożliwia identyfikację źródeł oraz diagnozowanie ewentualnych uszkodzeń.
W przypadku silników elektrycznych jednym ze źródeł jest hałas generowany przez ruch
obrotowy. Hałas ten nazywamy hałasem mechanicznym.
W większości wypadków, na wspólnym wale w silniku osadzony jest też wentylator lub
wentylatory (zewnętrzne, wewnętrzne), zapewniające odpowiednie chłodzenie. Praca
wentylatorów powoduje ruch powietrza i w rezultacie wytwarzanie hałasu wentylacyjnego.
2.2.1 Podstawowe informacje
Częstotliwości hałasu mechanicznego są ściśle skorelowane z prędkością obrotową silnika
wyrażoną w obrotach na sekundę (inaczej w Hz).
Oczywiście, w zależności od konstrukcji danego elementu mechanicznego mogą
występować wyższe harmoniczne i podharmoniczne, np. zależne od średnicy i liczby kulek
w łożyskach.
Na hałas mechaniczny ma wpływ posadowienie (mocowanie) silnika i podatność (sztywność)
konstrukcji.
Hałas wentylacyjny ma zazwyczaj charakter szerokopasmowego szumu będącego efektem
turbulencyjnego ruch powietrza.
Dodatkowo mogą wystąpić pojedyncze tony wywołane zjawiskiem syrenowym, np. przy
jednakowej liczbie łopatek wentylatora i otworów lub przegród w osłonie. Częstotliwość tych
tonów będzie równa iloczynowi prędkości obrotowej i liczby łopatek.
Ze względu na ukształtowanie kanałów wentylacyjnych mogą wystąpić też efekty gwizdów,
których częstotliwość nie będzie skorelowana z prędkością obrotową.
2.2.2
Pomiar hałasu mechanicznego i wentylacyjnego przy zasilaniu obniżonym
napięciem
2.2.2.1 Wykonać pomiar hałasu kompletnego, nieuszkodzonego silnika w warunkach
zasilania obniżonym napięciem (zmniejszając hałas magnetyczny), bez obciążenia.
Ustawienie mikrofonu identyczne jak w punkcie 2.1.4.2.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement2”.
2.2.2.2 Zdemontować wentylator (ponownie zamontować osłonę). Wykonać pomiar hałasu
silnika w warunkach zasilania obniżonym napięciem, bez obciążenia.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement3”.
2.2.2.3 Zdemontować osłonę. Wykonać powtórnie pomiar hałasu silnika w warunkach
zasilania obniżonym napięciem, bez obciążenia.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement5”.
2.2.2.4 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki powyższych prób porównać
widma, wskazać na źródła mechaniczne i/lub wentylacyjne.
2.2.2.5 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki próby dla zasilania napięciem
znamionowym („Measurement1”), porównać widma i wartości całkowite. Ocenić
udział hałasu mechanicznego i wentylacyjnego w wypadkowym hałasie silnika.
Zadanie 2.3
Wszystkie urządzenia elektromagnetyczne zasilanie napięciem przemiennym lub zmiennym
(np. pulsującym) wytwarzają drgania magnetyczne, a co za tym idzie hałas magnetyczny.
Istnieją dwie przyczyny powstawania hałasu magnetycznego: magnetostrykcja – polegająca
na kurczeniu lub wydłużaniu elementów magnetowodów pod wpływem strumienia
magnetycznego oraz drgania części pod wpływem sił magnetycznych występujących
w szczelinach pomiędzy nimi (przyciąganie lub odpychanie części namagnesowanych).
Dr inż. Witold Kubiak
3
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
do użytku wewnętrznego
2.3.1 Podstawowe informacje
Bez względu na źródło pochodzenia hałasu magnetycznego, jego częstotliwość jest ściśle
skorelowana z częstotliwością napięcia zasilającego.
Zarówno siły magnetostrykcyjne jak i siły magnetyczne, wywołujące drgania, zależą od
modułu amplitudy gęstości strumienia (indukcji). Dlatego hałas magnetyczny charakteryzuje
się dyskretnymi częstotliwościami harmonicznymi będącymi wielokrotnością podwojonej
częstotliwości zasilania.
2.3.2 Pomiar hałasu magnetycznego
2.3.2.1 Wykorzystując silnik ze zdemontowanym wentylatorem i osłoną wykonać pomiar
hałasu silnika przy zasilaniu znamionowym napięciem, bez obciążenia. Ustawienie
mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement6”.
2.3.2.2 Wykorzystując silnik ze zdemontowanym wentylatorem i osłoną wykonać pomiar
hałasu silnika przy zasilaniu napięciem podwyższonym o 20%, bez obciążenia.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement7”.
2.3.2.3 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki powyższych prób porównać
widma, wskazać harmoniczne hałasu magnetycznego.
2.3.2.4 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki próby dla kompletnego silnika,
zasilanego napięciem znamionowym („Measurement1”), porównać widma i wartości
całkowite. Ocenić udział hałasu magnetycznego w wypadkowym hałasie silnika.
Zadanie 2.4
Uszkodzenia uzwojeń, np. zwarcie kilku zwojów, częściowe przebicie do masy,
niekoniecznie musi spowodować zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych. Nierównomierny
rozpływ prądów w układzie trójfazowym będzie powodować również nierównomierny rozkład
pola magnetycznego i zaburzenia w wytwarzanym momencie elektromagnetycznym.
Dodatkowo pojawią się duże, nieskompensowane, siły, promieniowe pomiędzy wirnikiem
i stojanem. Skrajnym przypadkiem jest zanik zasilania jednej fazy.
Silnik nadal będzie pracował, jednak jego hałas będzie wyraźnie wskazywał na awarię.
2.4.1 Podstawowe informacje
Przy niesymetrycznym rozkładzie pola magnetycznego w maszynie można się spodziewać
wzrostu całkowitego poziomu wytwarzanego hałasu, zmiany widma hałasu magnetycznego
oraz pojawienia się lub wzmocnienia harmonicznych skorelowanych z prędkością obrotową.
2.4.2 Pomiar hałasu silnika trójfazowego w stanach awaryjnych uzwojeń
2.4.2.1 Powtórnie zamontować wentylator i osłonę. Zasilić silnik znamionowym napięciem.
W jednej z faz włączyć szeregowo rezystancję symulującą częściowe uszkodzenie
uzwojeń. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez obciążenia. Ustawienie mikrofonu
identyczne jak w poprzednich punktach.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement8”.
2.4.2.2 Rozłączyć całkowicie jedną fazę zasilania silnika. Wykonać pomiar hałasu silnika,
bez obciążenia.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement9”.
2.4.2.3 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki poprzednich prób porównać
widma i wartości całkowite, wskazać dodatkowe harmoniczne hałasu. Ocenić
możliwość diagnozowania uszkodzeń uzwojeń poprzez pomiar hałasu silnika.
Dr inż. Witold Kubiak
4
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
do użytku wewnętrznego
Zadanie 2.5
Uszkodzenia mechaniczne, np. uszkodzenia łożysk skrzywienia wału, pęknięcia lub
odpadnięcie części powinno dawać efekt w zmianie hałasu mechanicznego maszyny.
Zmiany sztywności mocowania lub konstrukcji maszyny mogą powodować wzmocnienie
wszystkich drgań za wyjątkiem szumu wentylacji.
Czasami długotrwała praca w zanieczyszczonym środowisku przemysłowym może
spowodować osadzanie się brudu na wirujących częściach maszyny, powodując
niewyważenie.
2.5.1 Podstawowe informacje
Większość przyczyn mechanicznych hałasu jest powiązana z prędkością obrotową silnika
dlatego w widmach hałasu należy obserwować niskie częstotliwości.
Niewyważenie powoduje duże drgania całego obiektu (jako ciała sztywnego)
z częstotliwością równą prędkości obrotowej silnika wyrażoną w obrotach na sekundę
(inaczej w Hz). Mogą się pojawić wyższe harmoniczne tej częstotliwości.
2.5.2 Pomiar hałasu silnika trójfazowego przy niewyważeniu wirnika
2.5.2.1 Zamontować masę niewyważenia na wale głównym silnika. Zasilić silnik
znamionowym napięciem. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez obciążenia.
Ustawienie mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement9”.
2.5.2.2 Bez zmiany niewyważenia, poluzować śruby mocujące silnik do podłoża. Zasilić
silnik znamionowym napięciem. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez obciążenia.
Ustawienie mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement10”.
2.5.2.3 Zdemontować masę niewyważenia (nie zmieniać mocowania silnika do podłoża).
Zasilić silnik znamionowym napięciem. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez
obciążenia. Ustawienie mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach.
Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym „Measurement11”.
2.5.2.4 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki poprzednich prób porównać
widma i wartości całkowite, wskazać zmiany harmonicznych hałasu. Ocenić
możliwość diagnozowania uszkodzeń mechanicznych poprzez pomiar hałasu
silnika.
W celu polepszenia możliwości diagnostycznych zastosować ZOOM (zmianę
rozdzielczości i pasma dla niskich częstotliwości). Eksperymentować ze skalą
logarytmiczną i liniową oraz krzywą korekcji (wykonać dodatkowe pomiary bez
korekcji).
Zadanie 2.6 Wpływ rodzaju zasilania na hałas (pokaz opcjonalny)
Współczesne urządzenia mechatroniczne często zasilane są z elektronicznych zasilaczy,
których napięcia wyjściowe nie są gładkie, sinusoidalne. Najbardziej rozpowszechnione są
falowniki i czopery wykorzystujące Modulację Szerokości Impulsu MSI (Pulse Width
Modulation PWM). Napięcia wyjściowe tych urządzeń są serią impulsów o stałej amplitudzie,
różnym wypełnieniu i różnej częstotliwości powtarzania.
Efekty akustyczne takiego zasilania, głównie hałasu magnetycznego, zależą od
częstotliwości impulsowania. Aby ograniczyć odczuwany przez ludzi hałas, powodowany tym
sposobem zasilania, zwiększa się częstotliwość impulsowania poza zakres największej
wrażliwości ludzkiego ucha.
2.6.1
Pomiar hałasu silnika trójfazowego zasilanego z falownika - pokaz
Ostatnia edycja 8 maja 2012
Dr inż. Witold Kubiak
5