Pomiary drgań - Instytut Maszyn Elektrycznych

Pomiary drgań
Zakres ćwiczenia
1) Identyfikacja drgań wywołanych:
a - wirowaniem niewyważonego wirnika maszyny elektrycznej,
b - degradacją stanu technicznego łożysk,
c - drgań wywołanych zjawiskami strykcyjnymi,
d - drgań wywołanych pracą wentylatora.
Obiektami pomiarowymi są silniki indukcyjne Wiefama STK90 S-2 o następujących
danych znamionowych:
Moc znamionowa:
Napięcie zasilania:
Prąd znamionowy:
Obroty znamionowe:
cosφ:
1,5 kW
380/220V
3,7 A
2780 obr/min
0,82
Dodatkowe dane dla celów diagnostycznych:
Ilość par biegunów:
Ilość zębów stojana:
Ilość zębów wirnika:
Łożyska:
Ilość łopatek wentylatora:
p=1
zs = 24
zw = 17 (ze skosem)
6205 Z
lw = 10
Należy zarejestrować drgania radialne (w osi pionowej i poziomej - prostopadłych do
osi wału) oraz drgania tarczy łożyskowej (w osi wału) dla trzech identycznych silników
indukcyjnych, o różnym zakresie degradacji stanu technicznego (różnym rodzaju uszkodzeń).
Badania należy przeprowadzić w stanie jałowym. Pomiarów drgań dokonujemy łącząc
kolejno zamontowane na korpusie maszyny akcelerometry ze wzmacniaczem ładunku Rubel
& Kjaer 2626 (przepinając odpowiednio oznaczone łącza BNC). Każdorazowo należy
wyskalować wzmacniacz wprowadzając czułość przetwornika drgań. Wzmacniacz 2626
zaopatrzony jest w odpowiednie nastawy (Rys. 1.). Wyskalowane są one w [pC/g], natomiast
czułość akcelerometrów podana jest (Tabela 1) w [mV/m/s2]. Przeliczenia czułości należy
dokonać zgodnie z zależnością:
czułość [pC/g] = 1000 * czułość [mV/m/s2] / 9.81,
bowiem, jeśli pojemność główna wzmacniacza ładunku c wynosi 1 nF, a
q [pC] = 1000(u [mV] * c [nF]),
po odpowiednich podstawieniach i przekształceniach otrzymujemy:
q [pC/g] = q [pC/m/s2] / 9.81 = 1000 * (czułość [mV/m/s2] * 103 * 1 [F] 10-12) / 9.81.
Obliczone nastawy czułości [pC/g] należy wpisać do Tabeli 1.
Rys. 1. Wzmacniacz ładunku 2626.
Opisano funkcje poszczególnych przełączników/nastaw
Napięciowy sygnał wyjściowy wzmacniacza podawany jest na wejście oscyloskopu
(możliwość podglądu sygnału pomiarowego) i wejście „Line in” karty dźwiękowej
komputera. W celu rejestracji sygnału wibracyjnego należy otworzyć aplikację „Creative” „Creative recorder”. Następnie wybrać parametry rejestracji – Recording Settings
(częstotliwość próbkowania: 48 kHz, bitów :16, sygnał monofoniczny, przepustowość: 94
kb/s), poziom rejestracji – Recording Source (Line–in: 50%, poprzez Creative Sourround
Mixer) oraz określić katalog w którym zapisywane będą pliki z danymi pomiarowymi. Zaleca
się zapisać pliki z danymi pomiarowymi w katalogu:
D:\drgania.
Plikom z danymi pomiarowymi nadawana jest automatycznie nazwa:
Untitled001.wav
przy czym wskaźnik zwiększany jest automatycznie przy każdym kolejnym pomiarze. Przed
dokonaniem pomiarów wykorzystując opcję „monitor” należy odpowiednio dopasować
wzmocnienie wzmacniacza ładunku Rruel&Kjaer 2626 (Volt/g – out) tak, aby maksymalna
amplituda sygnału pomiarowego mieściła się w zakresie pomiarowym karty dźwiękowej
(zielone pole). Każdorazowo należy zarejestrować sygnał wibracyjny o czasie trwania ok. 1,5
sek. (rejestrację rozpoczynamy przyciskając przycisk „record” w oknie interfejsu „Creative
Recorder”, kończymy przyciskając przycisk „stop”). Czas trwania pomiaru ukazuje się w
oknie obok. Praktycznie oznacza to, że w chwili, gdy pojawi się czas pomiaru 1 sek. należy
natychmiast zakończyć rejestrację. Pomiarów należy dokonać w określonej kolejności
(Tabela 1):
Tabela 1
Obiekt
badany
Silnik S1
Silnik S2
Silnik S3
czujnik czułość2 czułość
drgań [mV/m/s ] [pC/g]
A1
A2
A3
A1
A2
A3
A1
A2
A3
5,54
5,28
6,00
5,06
5,14
5,26
4,83
5,09
6,27
położenie czujnika
plik z danymi
pomiarowymi
radialne - pionowe
równoległe do osi wału
radialne - poziome
radialne - pionowe
równoległe do osi wału
radialne - poziome
radialne - pionowe
równoległe do osi wału
radialne - poziome
Untitled001.wav
Untitled002.wav
Untitled003.wav
Untitled004.wav
Untitled005.wav
Untitled006.wav
Untitled007.wav
Untitled008.wav
Untitled009.wav
Wzmocnienie
wzmacniacza
ładunku
[Volt/g]
Opracowanie danych pomiarowych
Pliki dźwiękowe z rozszerzeniem „wav” są akceptowane przez program narzędziowy
Matlab. Wczytanie pliku dźwiękowego do przestrzeni roboczej i nadanie mu nazwy „d” z
indeksem cyfrowym odpowiadającym indeksowi cyfrowemu plików typu „wav” odbywa się
za pomocą komendy:
d1 = wavread(‘nazwa_pliku’);
Przed przystąpieniem do analizy częstotliwościowej sygnału pomiarowego należy go
odpowiednio unormować. Normalizacja polega na wycięciu odcinka czasowego sygnału
pomiarowego trwającego dokładnie 1 sekundę. W tym celu sprawdzamy ilość
zarejestrowanych próbek instrukcją:
r = size(d1);
odpowiedzią jest następująca informacja:
r(1) = ilość wierszy (ilość próbek pomiarowych);
r(2) = 1 (ilość kolumn),
przy czym wektor danych pomiarowych „p” jest wektorem kolumnowym. Następnie
instrukcją
d1 = d1(r(1) – 48000+1:r(1));
znormalizować wielkość pliku z danymi (długość danych pomiarowych) do 1 sekundy (1
sekunda sygnału pomiarowego zawiera 48000 próbek). Normalizacji dokonujemy na
końcowym fragmencie danych pomiarowych, gdyż z uwagi na występujące stany nieustalone
początkowy fragment sygnału pomiarowego może być zniekształcony. Tak przygotowane
dane pomiarowe można poddać analizie częstotliwościowej:
Y=fft(d1);
y1=abs(Y)*2/48000;
%transformata Fouriera zarejestrowanego
%sygnału wibracyjnego;
%normalizacja amplitudy,
y1(1) = 0;
%1 - wskaźnik indeksowy pliku „y” z widmem
%częstotliwościowym;
%usunięcie składowej stałej.
Wizualizacji charakterystyki częstotliwościowej dokonać można komendą:
f=[1:24000]-1;
%oś częstotliwości,
%częstotliwość składowej stałej = 0
plot(f,y1(1:24000));
grid;
W widmie częstotliwościowym odszukać należy drgania o częstotliwościach
charakterystycznych dla danego rodzaju uszkodzenia maszyny:
1 - częstotliwość wibracji związana z niewyważeniem wału (ekscentrycznością wirnika):
fn = 1 * fobr,
gdzie: fobr - częstotliwość obrotowa wirnika;
2 - częstotliwości wibracji wywołane luzem mechanicznym:
fm = 1/3 * fobr;
fm = 1/2 * fobr;
fm = 2 * fobr;
3 - częstotliwości wibracji wywołane zjawiskami strykcyjnymi:
fm = 2 * fzas;
gdzie: fzas - częstotliwość napięcia zasilającego badany silnik;
4 - częstotliwość wibracji wywołana łopatkami wentylatora:
fw = lw * fobr;
5 - częstotliwość drgań wywołanych strukturą żłobkowo-zębową stojana:
fs = fzas * (zs/p(1-s)) oraz fs = fzas * (zs/p(1-s)+2),
gdzie: s - poślizg wirnika, w wypadku pomiarów w stanie jałowym można
praktycznie przyjąć, że s = 0;
6 - częstotliwość drgań wywołanych strukturą żłobkowo-zębową stojana i ekscentrycznością
wirnika:
fs = fzas * ((zs±k)/p * (1-s)) oraz fs = fzas * ((zs±k)/p(1-s)+2),
gdzie: k = 1, 2, 3, ...
7 - częstotliwości charakterystyczne związane z uszkodzeniem łożyska (obliczone dla łożyska
6205 Z przy użyciu kalkulatora dostępnego na stronie internetowej firmy SKF):
Łożysko 6205 Z
Prędkość obrotowa wału
Prędkość synchroniczna
Prędkość znamionowa
3000 obr/min
2780 obr/min
50 [Hz]
46,3 [Hz]
Częstotliwość obrotowa
bieżni wewnętrznej fi
Częstotliwość obrotowa
0 [Hz]
0 [Hz]
bieżni zewnętrznej fe
Częstotliwość obrotowa
19,9 [Hz]
18,5 [Hz]
koszyczka fc
Częstotliwość obrotowa kulek
118 [Hz]
109 [Hz]
łożyska fr
Częstotliwości charakterystyczne uszkodzeń łożyska
Główna częstotliwość
271 [Hz]
251 [Hz]
wibracji wywołanych
uszkodzeniem bieżni
wewnętrznej fip
Główna częstotliwość
179 [Hz]
166 [Hz]
wibracji wywołanej
uszkodzeniem bieżni
zewnętrznej fep
Główna częstotliwość
236 [Hz]
218 [Hz]
wibracji wywołanych
uszkodzeniem kulki łożyska
frp
Znalezienie częstotliwości charakterystycznych w zakresie niskich częstotliwości
bywa często trudne. Powtarzalne impulsy udarowe, jakimi są powtarzające się kolizje kulek
łożyska z miejscem uszkodzenia bieżni wewnętrznej lub zewnętrznej albo kolizje miejsca
uszkodzenia kulki z bieżnią wewnętrzną lub zewnętrzną powodują powstanie dodatkowych
prążków ujawniających się we fragmencie części wysokoczęstotliwościowej widma, a nawet
w całym widmie. Dlatego też wyraźnie zauważalny wzrost amplitud drgań w
wysokoczęstotliwościowym zakresie widma jest dostatecznie silną przesłanką pozwalającą
domniemywać występowanie uszkodzeń łożyska. Potwierdzeniem będzie odnalezienie
częstotliwości charakterystycznych wibracji wywołanych uszkodzeniem łożyska. Procedura
poszukiwań polegać będzie na wyprostowaniu przebiegu czasowego, wyznaczeniu obwiedni
sygnału poprzez odfiltrowanie składowej niskoczęstotliwościowej a następnie wyznaczeniu
transformaty Fouriera obwiedni sygnału. Przy użyciu programu narzędziowego Matlab
sekwencja ta może zostać zrealizowana w sposób uproszczony następująco:
Y=fft(abs(d1));
yo1=abs(Y)*2/48000;
yo1(1) = 0;
%transformata Fouriera unormowanego
%sygnału wibracyjnego poddanego procesowi
%wyznaczania wartości bezwzględnej;
%normalizacja amplitudy,
%1 - wskaźnik indeksowy pliku;
%usunięcie składowej stałej.
W wypadku uszkodzenia łożyska w niskoczęstotliwościowej części widma powinny
pojawić się prążki odległe o jedną z głównych częstotliwości wibracji wywołanych właśnie
uszkodzeniem łożyska.
Dla wszystkich 9 zarejestrowanych sygnałach wibracyjnych należy odszukać
częstotliwości charakterystyczne związane ze strukturą geometryczną badanego silnika
indukcyjnego i jego potencjalnymi uszkodzeniami. Na podstawie analizy widma
częstotliwościowego przyspieszeń drgań należy zdiagnozować stan techniczny badanej
maszyny.
Badana maszyna
Rodzaj uszkodzenia
Ocena stanu technicznego
Silnik 1
Silnik 2
Silnik 3
Dodatkowo należy określić, który z zarejestrowanych sygnałów niesie ze sobą
najwięcej informacji diagnostycznych.
Instrukcja jest uzupełnieniem ćwiczenia „Pomiary drgań” ze skryptu Laboratorium pomiarów maszyn
elektrycznych.
Instrukcję opracował Adam Biernat