Diagnostyka systemów mechatronicznych

Transkrypt

2012-06-11
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
Literatura cd.
9. CIGRE Study Committee SC11, EG11.02, “Hydrogenerator Failures
– Results of the Survey,” 2003.
1
2012-06-11
1. Charakterystyka diagnostyki technicznej.
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
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)
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
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
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
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.
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
5
2012-06-11
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
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
6
2012-06-11
2. Procesy zużycia.
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.
7
2012-06-11
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.
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.
8
2012-06-11
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
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
9
2012-06-11
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
3. Uszkodzenia łożysk.
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
Niedostateczne smarowanie
Mikropęknięcia powstałe w wyniku
niedostatecznego smarowania wynikającego z:
- braku smaru,
- zbyt wysokiej temperatury,
- obecności wody w łożysku.
11
2012-06-11
Przeciążenie statyczne
Wgniecenia bieżni powstałe w odległości
równej podziałce elementów tocznych.
Wynikają najczęściej z niewłaściwej
technologii montażu łożyska
bądź chwilowych znacznych przeciążeo.
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.
12
2012-06-11
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.
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!
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
•
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
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.
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
15
2012-06-11
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
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
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.
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.
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
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
18
2012-06-11
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
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
19

Diagnostyka systemów mechatronicznych

Transkrypt

Podobne dokumenty

INSTALACJE NISKOPRĄDOWE:

Centrum Komputerowe Politechniki Łódzkiej

BRIEF Przedmiot zamówienia Opracowanie nowego logo oraz

Szanowni Państwo, czuję się zaszczycony, że znalazłem się w

Centrum Komputerowe Politechniki Łódzkiej

W skrócie - Uniwersytet Łódzki

Zaproszenie na odczyt pt. "Techniki przyrostowe i inżynieria

Piękne doświadczenie, fascynujące wyjaśnienie.