Pomiary drgań - Instytut Maszyn Elektrycznych

Pomiary hałasu
Zakres ćwiczenia
1) Identyfikacja hałasu wywołanego:
a – drganiami kadłuba silnika związanymi z:
- degradacją stanu technicznego łożysk,
- zjawiskami strykcyjnymi,
- siłami pochodzenia magnetoelektrycznego
- niewyważeniem wirnika
c – przepływem areodynamicznym (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 sygnał akustyczny emitowany przez trzy identyczne silniki
indukcyjne, o różnym zakresie degradacji stanu technicznego (różnym rodzaju uszkodzeń).
Badania należy przeprowadzić w stanie jałowym. Pomiarów drgań dokonujemy kolejno dla
trzech kierunków położenia mikrofonu pomiarowego: x1 - wzdłuż osi wirnika, x2 - poziomo,
poprzecznie do osi wirnika, x3 - pionowo, poprzecznie do osi wirnika. Odległość pomiędzy
powierzchnią obiektu a mikrofonem powinna wynosić ~ 3 x największy wymiar obiektu, w
tym wypadku 1 m. Do pomiaru należy użyć mikrofonu zintegrowanego ze wzmacniaczem
(zakres pomiarowy: 50, 60, 70, 80, 90 i 100 dB) i miernikiem poziomu ciśnienia
akustycznego [dB] - SM3. Urządzenie dodatkowo wyposażone jest w filtr dolnoprzepustowy
o częstotliwości odcięcia 5 kHz.
Napięciowy sygnał wyjściowy mikrofonu pomiarowego 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:\halas.
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 mikrofonu (50, 60, 70, 80, 90 lub 100 dB) tak, aby maksymalna
amplituda sygnału pomiarowego mieściła się w zakresie pomiarowym karty dźwiękowej.
Każdorazowo należy zarejestrować sygnał akustyczny 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
szum tła
Silnik S1
Silnik S2
Silnik S3
Położenie
mikrofonu
Czułość mikrofonu
[dB]
x1
x2
x3
x1
x2
x3
x1
x2
x3
Wskazania miernika
poziomu ciśnienia
akustycznego [dB]
plik z danymi
pomiarowymi
Untitled001.wav
Untitled002.wav
Untitled003.wav
Untitled004.wav
Untitled005.wav
Untitled006.wav
Untitled007.wav
Untitled008.wav
Untitled009.wav
Untitled010.wav
Opracowanie danych pomiarowych
Pliki dźwiękowe z rozszerzeniem „wav” są akceptowane przez program narzędziowy
Matlab. Wczytanie pliku dźwiękowego do przestrzeni roboczej i nadanie mu nazwy „h” z
indeksem cyfrowym odpowiadającym indeksowi cyfrowemu plików typu „wav” odbywa się
za pomocą komendy:
h1 = 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
h1 = h1(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;
y1(1) = 0;
%transformata Fouriera zarejestrowanego
%sygnału akustycznego;
%normalizacja amplitudy,
%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 dźwięku związana z niewyważeniem wału (ekscentrycznością wirnika):
fn = 1 * fobr,
gdzie: fobr - częstotliwość obrotowa wirnika;
2 - częstotliwości dźwięku wywołane zjawiskami strykcyjnymi:
fm = 2 * fzas;
gdzie: fzas - częstotliwość napięcia zasilającego badany silnik;
3 - częstotliwość dźwięku wywołana łopatkami wentylatora:
fw = lw * fobr;
4 - częstotliwość dźwięku wywołana przepływem aerodynamicznym (szerokie spektrum
częstotliwości),
5 - 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 = 0 1, 2, 3, ...
s - poślizg wirnika, w wypadku pomiarów w stanie jałowym można
praktycznie przyjąć, że s = 0;
6 - częstotliwości charakterystyczne związane z uszkodzeniem łożyska (obliczone dla łożyska
6205 Z przy użyciu kalkulatora dostępnego na stronie internetowej firmy SKF):
Częstotliwość obrotowa bieżni
wewnętrznej fi
Częstotliwość obrotowa bieżni
zewnętrznej fe
Częstotliwość obrotowa koszyczka
fc
Częstotliwość obrotowa kulek
łożyska fr
Łożysko 6205 Z
Prędkość obrotowa wału
Prędkość synchroniczna
Prędkość znamionowa
3000 obr/min
2780 obr/min
50 [Hz]
46,3 [Hz]
0 [Hz]
0 [Hz]
19,9 [Hz]
18,5 [Hz]
118 [Hz]
109 [Hz]
Częstotliwości charakterystyczne uszkodzeń łożyska
271 [Hz]
251 [Hz]
Główna częstotliwość wibracji
wywołanych uszkodzeniem bieżni
wewnętrznej fip
Główna częstotliwość wibracji
wywołanej uszkodzeniem bieżni
zewnętrznej fep
Główna częstotliwość wibracji
wywołanych uszkodzeniem kulki
łożyska frp
179 [Hz]
166 [Hz]
236 [Hz]
218 [Hz]
Znalezienie częstotliwości charakterystycznych w zakresie niskich częstotliwości
bywa często trudne. Powtarzalne impulsy akustyczne związane z uszkodzeniem łożysk i
pracą wentylatora powodują powstanie dodatkowych prążków ujawniających się we
fragmencie części wysokoczęstotliwościowej widma, a nawet w całym widmie. Dlatego
sygnał wysokoczęstotliwościowy należy poddać analizie poprzez wyznaczenie transformaty
Fouriera obwiedni sygnału akustycznego podobnie jak to miało miejsce w przypadku analizy
sygnału wibracyjnego. Dla wszystkich 9 zarejestrowanych sygnałów akustycznych należy
odszukać częstotliwości charakterystyczne związane z układem wentylacyjnym, strukturą
geometryczną badanego silnika indukcyjnego i jego potencjalnymi uszkodzeniami. W celu
wyeliminowania ewentualnego wpływu otoczenia należy dodatkowo przeanalizować
strukturę częstotliwościową sygnału szumu tła Wyniki analizy częstotliwościowej należy
zapisać w Tabeli 2.
Tabela 2
Badana
maszyna
Ocena stanu technicznego
Silnik 1
Silnik 2
Silnik 3
Rodzaj
uszkodzenia
Położenie
mikrofonu
x1
x2
x3
Uszkodzenie łożyska
Niewyważenie dynamiczne
wirnika
Silnik bez wad
Częstotliwości charakterystyczne znalezione w widmie sygnału akustycznego
[Hz]
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
6
6
6
7
7
7
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
6
6
6
7
7
7
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
6
6
6
7
7
7
Dodatkowo należy określić, który z zarejestrowanych sygnałów niesie ze sobą
najwięcej informacji diagnostycznych.
2) Pomiar mocy akustycznej
Obiektem pomiarowym jest silnik komutatorowy szeregowy Celma o następujących
danych znamionowych:
Moc znamionowa:
Napięcie zasilania:
Prąd znamionowy:
Obroty znamionowe:
400 W
220V
2,5 A
1450 obr/min
Pomiaru dokonujemy mikrofonem wyposażonym we wskaźnik poziomu ciśnienia
akustycznego w dB. Pomiaru należy dokonać dla 5 prędkości obrotowych silnika (w zakresie
dopuszczalnych prędkości obrotowych, pomiaru dokonujemy miernikiem optycznym
bezkontaktowym), oraz dla trzech położeń mikrofonu. Z uwagi na to, że silnik komutatorowy
szeregowy nie jest obciążony, należy zwrócić szczególną uwagę na proces regulacji prędkości
obrotowej. W celu ułatwienia pozycjonowania mikrofonu należy posłużyć się
prostopadłościanem odniesienia. Wyniki pomiaru należy umieścić w Tabeli 3.
Tabela 3
Prędkość
obrotowa
[obr/min]
Napięcie
zasilania
[V]
1000
2000
3000
4000
5000
~39
~43
~47
~54
~59
Położenie mikrofonu
x1
Lpx1
Średnie ciśnienie
akustyczne [dB]
x2
x3
Ciśnienie akustyczne [dB]
Lpx2
Lpx3
Moc
akustyczna
LN [W]
Lpśr = (Lpx1+Lpx2+Lpx3)/3
Przy obliczaniu mocy akustycznej LN na podstawie znajomości ciśnienia akustycznego Lpśr i
odległości mikrofonu od powierzchni badanego obiektu r należy przyjąć, że powierzchnią
zamkniętą otaczającą źródło dźwięku jest półkula o promieniu r. Wyniki obliczeń należy
zamieścić w Tabeli 3. Na ich podstawie narysować wykres zależności mocy akustycznej od
prędkości obrotowej silnika komutatorowego.
Instrukcja jest uzupełnieniem ćwiczenia „Pomiary drgań” ze skryptu Laboratorium pomiarów maszyn
elektrycznych.
Instrukcję opracował Adam Biernat