ZASTOSOWANIE ANALIZY SYGNAŁÓW AKUSTYCZNYCH DO WYKRYWANIA USZKODZEŃ WIRNIKÓW I ŁOŻYSK W SILNIKACH INDUKCYJNYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 9/ Macin Pawlak Politechnika Wocławska ZASTOSOWANIE ANALIZY SYGNAŁÓW AKUSTYCZNYCH DO WYKRYWANIA USZKODZEŃ WIRNIKÓW I ŁOŻYSK W SILNIKACH INDUKCYJNYCH APPLICATION OF ACOUSTIC SIGNAL ANALYSIS TO INDUCTION MOTOR ROTOR AND BEARING FAULTS DETECTION Abstact: It is known that electical and mechanical ailues appeaing in the induction moto cause inceased vibation emission o the machine. This phenomenon is commonly used to identiy condition o the moto using diagnostic devices equipped with acceleometes. It can be noted that vibation phenomenon is oten accompanied by inceased noise in the aulty moto, which can be used as a symptom o ailue. Contay to the vibation signals, measuement o acoustic signals does not equie installing any sensos in the machine and can be peomed non-invasively om a distance. This pape pesents the possibility o using the analysis o acoustic signal emitted by the woking moto o detection o beaings ailues and boken oto bas. Also the constuction details o designed acoustic analyze, which was utilized in expeimental eseach wee pesented. 1. Wstęp Silniki indukcyjne stanowią największą gupę silników elektycznych stosowanych w ozmaitych układach napędowych. Podukowane są w badzo szeokim zakesie mocy od kilku watów do kilku megawatów. Do ich największych zalet można zaliczyć postą konstukcję, zwatą budowę, dużą pzeciążalność, niską cenę oaz względnie dużą niezawodność. Z tego powodu są najchętniej wykozystywane do pacy, jako napędy maszyn pacujących w ciężkich waunkach śodowiskowych. Statystyki podają, że stanowią one pzeszło 90% wszystkich silników elektycznych zainstalowanych na świecie []. Najczęściej występują, jako napędy pojedynczych uządzeń, lecz ównie często stanowią zespoły napędowe całych linii podukcyjnych. Pomimo ich wysokiej niezawodności, w takcie ich eksploatacji mogą wystąpić uszkodzenia w częściach elektycznych obwodu stojana i winika oaz w elementach mechanicznych zaówno samego silnika, jak i maszyny oboczej. Szacuje się, że największą gupę uszkodzeń (40-50%) stanowią uszkodzenia łożysk tocznych. Następnie plasują się uszkodzenia stojana (30-40%), uszkodzenia winika (ok. 10%) oaz inne, niesklasyikowane uszkodzenia (ok. 10%) []. W zakładach pzemysłowych, a szczególnie w maszynach oboczych twozących zintegowany ciąg technologiczny, nagła awaia silnika stanowi poważny poblem, gdyż potai zatzymać poces technologiczny na dłuższy czas, geneując dla pzedsiębiostwa ogomne staty. Aby temu zapobiec, w najbadziej newalgicznych częściach pocesu technologicznego instaluje się specjalistyczną apaatuę diagnostyczną, któa na bieżąco monitouje stan techniczny pacujących maszyn i uządzeń. Najczęściej jednak uządzenia diagnostyczne wymagają zainstalowania odpowiednich czujników pomiaowych w monitoowanych napędach, co powoduje konieczność ingeencji w ich konstukcję, pzez co nie zawsze jest możliwe do zealizowania. Dlatego też, w ostatnich latach w wielu ośodkach badawczych na świecie, powadzone są intensywne badania naukowe, mające na celu znalezienie takich metod diagnostycznych, któe pozwolą na skuteczną diagnostykę maszyn w stanie ich nomalnej pacy, bez potzeby ozłączania obwodów zasilających oaz bez konieczności instalowania specjalistycznych czujników pomiaowych. Niniejszy eeat jest odpowiedzią na te potzeby i pzedstawia możliwości zastosowania analizy sygnałów akustycznych emitowanych pzez uszkodzony silnik, do wykywania uszkodzeń łożysk oaz pzewanych pętów klatki winika. Pzedstawiono ównież szczegóły konstukcyjne wykonanego pototypu analizatoa akustycznego, któy był wykozystywany w badaniach ekspeymentalnych.. Wybane metody wiboakustyczne stosowane w diagnostyce silników indukcyjnych.1. Wykywanie uszkodzeń łożysk Łożyska toczne utzymują winik maszyny w osi obotu oaz pzenoszą obciążenia, pzy zacho-

2 00 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 9/011 waniu minimalnych opoów toczenia. Stanowią one mechaniczne, uchome połączenie pomiędzy winikiem a kopusem silnika. W pzypadku wystąpienia uszkodzeń w łożyskach tocznych mogą pojawić się niepożądane zjawiska, takie jak: zwiększone opoy uchu, a tym samym większy pąd pobieany pzez silnik, wzost tempeatuy, wzost amplitudy geneowanych dgań oaz wzost hałasu. Do wykywania uszkodzeń łożysk powszechnie stosuje się metodę analizy częstotliwościowej sygnału pzyspieszenia dgań. Metoda ta pozwala ównież na klasyikację odzaju uszkodzenia, spośód któych wyóżnić można następujące pzypadki: uszkodzenia elementów tocznych, uszkodzenia bieżni wewnętznej, uszkodzenia bieżni zewnętznej, uszkodzenia koszyka. Każdy odzaj uszkodzenia wywołuje właściwe dla siebie zjawiska wiboakustyczne, polegające na pojawieniu się chaakteystycznych składowych częstotliwościowych w widmie pzyspieszenia dgań. Ponieważ wibacje kopusu maszyny powodują emisję hałasu, chaakteystyczne składowe częstotliwościowe będą występować ównież w widmie sygnału akustycznego, któy może być zaejestowany za pomocą mikoonów usytuowanych w pobliżu badanego silnika. Znajomość budowy geometycznej łożyska oaz watości pędkości obotowej silnika pozwala na wyznaczenie chaakteystycznych częstotliwości uszkodzeniowych, kozystając z poniższych wzoów [1],[]: bz bw k ko N k Nk d cos 1 D d cos 1 D (1) () D d cos 1 (3) d D 1 d cos 1 D (4) n (5) 60 gdzie: częstotliwość obotowa, bz częstotliwość związana z uszkodzeniem bieżni wewnętznej, bw częstotliwość związana z uszkodzeniem bieżni wewnętznej, k częstotliwość związana z uszkodzeniem elementu tocznego, ko częstotliwość związana z luzami i uszkodzeniem koszyka, n pędkość obotowa winika, d śednica elementu tocznego, D śednica podziałowa łożyska, kąt pacy łożyska (0 dla łożyska kulkowego zwykłego), N k liczba elementów tocznych łożyska. Na podstawie powyższych częstotliwości chaakteystycznych wylicza się częstotliwości uszkodzeniowe oaz ich kotności: u k (6) l gdzie: k =1,, 3,, u częstotliwość dgań związana z danym uszkodzeniem łożyska, l częstotliwość chaakteystyczna łożyska... Wykywanie uszkodzeń winika Do najczęstszych uszkodzeń winików zalicza się pzewane pęty klatek oaz pęknięte pieścienie zwieające. Uszkodzenia pętów winika należą do magnetycznych źódeł pocesów wiboakustycznych w maszynie elektycznej. Silnik indukcyjny jest maszyną, w któej następuje zamiana enegii elektycznej na enegię mechaniczną. Wytwazanie momentu napędowego w SI polega na wykozystaniu sił w szczelinie powietznej między winikiem a stojanem pochodzących od ich obwodów magnetycznych. Siła adialna w szczelinie powietznej jest unkcją czasu. Siła ta ma składowe o następujących częstotliwościach: podwojonej częstotliwości sieciowej s, częstotliwości zależnej od pędkości obotowej i liczby pa biegunów p oaz jej dugiej hamonicznej p, częstotliwości sumacyjno-óżnicowych: s ± p oaz s ± p. Pzy założeniu, że pąd zasilający opócz składowej podstawowej posiada ównież wyższe hamoniczne, można dojść do wniosku, że widmo sygnałów wiboakustycznych silnika z uszkodzonym winikiem będzie zawieało składowe związane z częstotliwością sieci zasilającej oaz wymienione częstotliwości sumacyjno óżnicowe. W związku z tym, jedną z metod wykywania uszkodzeń winików może być analiza częstotliwościowa sygnałów wiboakustycznych, polegająca na ekstakcji chaakteystycznych składowych z widma sygnału dganiowego lub akustycznego [1]. 3. Analizato sygnałów akustycznych Na potzeby badań ekspeymentalnych została opacowana konstukcja tzykanałowego analizatoa sygnałów akustycznych, któy ejestuje

3 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 9/ sygnały akustyczne pochodzące z tzech mikoonów pomiaowych, a następnie pzesyła je za pośednictwem inteejsu USB do komputea, na któym jest zainstalowane opogamowanie diagnostyczne. Na ysunku 1 pzedstawiono schemat blokowy analizatoa akustycznego. Głównym elementem uządzenia jest 8-bitowy mikokontole ATmega18 odziny AVR, któy steuje pacą pzetwoników A/C, zapisuje póbki pomiaowe do pamięci, a następnie pzesyła je do komputea za pośednictwem szybkiego łącza USB. Analogowy inteejs wejściowy analizatoa stanowią tzy pogamowalne wzmacniacze wejściowe, do ealizacji, któych zastosowano niskoszumowe wzmacniacze opeacyjne ze stopniem wejściowym wykozystującym tanzystoy JFET. wnętzna pamięć ejestatoa ma pojemność 51kB, co umożliwia zapisanie maksymalnie ok. 80 tysięcy póbek dla każdego kanału pomiaowego. Opogamowanie analizatoa akustycznego zostało napisane w języku Object Pascal, w śodowisku Boland Delphi 7.0. Do najważniejszych zadań pogamu należą: paametyzacja analizatoa i steowanie pocesem akwizycji danych, analiza częstotliwościowa zmiezonych sygnałów, pezentacja wyników pomiaów i analiz (pzebiegi czasowe, widma częstotliwościowe) oaz achiwizacja póbek pomiaowych. Zaejestowane sygnały akustyczne mogą być zapisane na dysku komputea w postaci plików tekstowych, zawieających póbki pomiaowe oaz w omacie plików typu (*.mat), ozpoznawalnym pzez opogamowanie MATLAB-SIMULINK. Dzięki temu możliwe jest dalsze pzetwazanie zmiezonych sygnałów, pzy wykozystaniu zaawansowanych metod diagnostycznych. Na ysunku pzedstawiono otogaię analizatoa akustycznego waz z mikoonami pomiaowymi. Rys.1. Schemat blokowy analizatoa akustycznego. W oli mikoonów pomiaowych zastosowano znane pzetwoniki elektetowe typu WM-61A podukowane pzez imę Panasonic, któe posiadają płaską chaakteystyką częstotliwościową w całym paśmie akustycznym (0Hz-0kHz). Pomimo stosunkowo niskiej ceny, mikoony te odznaczają się badzo dobymi paametami, dzięki czemu są powszechnie wykozystywane m.in. w poesjonalnej apaatuze pomiaowej do analizy właściwości akustycznych pomieszczeń estadowych. Pzetwoniki A/C posiadają 14-bitową ozdzielczość i umożliwiają ejestację sygnałów w pełnym zakesie częstotliwości akustycznych (0Hz-0kHz). Póbki sygnałów pomiaowych gomadzone są w wewnętznej pamięci RAM uządzenia, a po zakończeniu akwizycji wysyłane są do komputea pzez inteejs USB. We- Rys.. Fotogaia analizatoa akustycznego. 4. Badania ekspeymentalne silnika z uszkodzeniami łożysk i winika 4.1. Pzedmiot i zakes badań W badaniach ekspeymentalnych wykozystano silnik indukcyjny INDUKTA SG100L-4B-M o mocy 3kW i znamionowej pędkości obotowej 1400 ob/min. Silnik ten był spzęgnięty z pądnicą DC, ealizującą unkcję obciążenia. Badany silnik wyposażony był w zestaw wymiennych winików, w któych zamodelowano óżne waianty uszkodzeń klatki (pzewane pęty od 1 do 10). Opócz tego winiki posiadały wymienne łożyska, w któych spepaowano tzy odzaje uszkodzeń: uszkodzenie elementu

4 0 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 9/011 tocznego (kulki), uszkodzenie bieżni wewnętznej, uszkodzenie bieżni zewnętznej. Na stanowisku laboatoyjnym zainstalowane były pzyządy do pomiau napięć, pądów azowych, pędkości obotowej silnika oaz momentu obciążenia. Badania podzielono na dwie części: pomiay akustyczne silnika z uszkodzonym winikiem oaz pomiay akustyczne silnika z uszkodzonym łożyskiem. Badany silnik zasilany był bezpośednio z sieci enegetycznej i pacował pzy óżnych watościach momentu obciążenia: 0%, 5%, 50%, 75% i 100%, w odniesieniu do momentu znamionowego M N. Dla każdego waiantu uszkodzenia ejestowano sygnały akustyczne pochodzące z tzech mikoonów pomiaowych, ozstawionych w óżnych odległościach od badanego silnika. Zaejestowane sygnały akustyczne emitowane pzez uszkodzony silnik zostały poddane dalszym pzekształceniom, w celu znalezienia najlepszych metod analizy tych sygnałów, pod kątem pzydatności ich do celów diagnostyki. Podstawowym pzekształceniem stosowanym pzy analizie częstotliwościowej była szybka tansomata Fouiea (FFT), któej poduktem było widmo amplitudowe sygnału akustycznego. Opócz tego, analizie częstotliwościowej poddana została obwiednia sygnału akustycznego oaz obwiednia unkcji autokoelacji tego sygnału [3, 4]. 4.. Uszkodzenia winika wyniki badań Sygnały akustyczne, zaejestowane podczas badań ekspeymentalnych silnika z uszkodzonym winikiem, zostały poddane analizie częstotliwościowej pzy wykozystaniu metody FFT. Celem tych analiz było znalezienie w widmie tych sygnałów chaakteystycznych składowych częstotliwościowych, związanych z uszkodzonym winikiem. W celu edukcji pzecieku widmowego, pzed wykonaniem tansomacji ouieowskiej póbki sygnałów pomiaowych zostały pzemnożone pzez unkcję okna FlatTop. Opeacja ta dodatkowo zwiększyła dokładność odwzoowania amplitud poszukiwanych składowych spektalnych w wyznaczonych widmach [5]. Na ysunku 3 pzedstawiono widma częstotliwościowe sygnałów akustycznych zaejestowanych dla silnika z winikiem nieuszkodzonym (W0) oaz z winikiem, w któym pzewano 3 pęty klatki (W3). Na podstawie znajomości pędkości silnika i częstotliwości sieci zasilającej wyznaczono położenie chaakteystycznych składowych spektalnych ( s, s, ). Amplituda [V] Uszkodzone 3 pęty Winik nieuszkodzony s [Hz] Rys.3. Widmo sygnału akustycznego dla winików W0 oaz W3. Poównując widmo dla winika uszkodzonego oaz nieuszkodzonego, można stwiedzić, że są one do siebie badzo podobne. W związku z tym można somułować wniosek, że klasyczna analiza FFT sygnału akustycznego nie nadaje się do wykywania uszkodzeń winika. Pzyczyną tego jest akt, że sygnał akustyczny opócz niskoczęstotliwościowych składowych związanych z uszkodzeniami silnika zawiea całą gamę składowych o wyższych częstotliwościach, któe ulegają dodatkowym intemodulacjom. Ponadto sygnał ten jest na ogół mocno zaszumiony, co powoduje, że ekstakcja składowych uszkodzeniowych o małych amplitudach jest badzo tudna, a często niemożliwa. Jedną z metod ekstakcji niskoczęstotliwościowych składowych sygnału zmodulowanego jest demodulacja amplitudowa, polegająca na wyznaczeniu obwiedni tego sygnału. Do tego celu można zastosować tansomatę Hilbeta, któa na podstawie póbek sygnału zeczywistego oblicza jego część uojoną, pzesuniętą o 90 stopni w stosunku do sygnału zeczywistego. Moduł tak uzyskanego sygnału zespolonego stanowi obwiednię piewotnego sygnału zmodulowanego. Widmo wyznaczonej obwiedni pozwoli uzyskać inomację o częstotliwościach modulujących [6]. Aby dodatkowo polepszyć czytelność tego widma, można pzed wyznaczeniem obwiedni znaleźć unkcję autokoelacji zeczywistego sygnału akustycznego, a następnie zastosować opisaną wyżej metodę analizy obwiedni. Uzyskane w ten sposób widma będą badziej czytelne, pozbawione szumów, co znacznie ułatwi ekstakcję chaakteystycznych składowych częstotliwościowych związanych z uszkodze- s

5 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 9/ niem silnika. Metoda ta została szezej opisana w [3, 4]. Na ysunku 4 pzedstawiono widmo obwiedni unkcji autokoelacji sygnału akustycznego dla silnika z nieuszkodzonym winikiem oaz z winikiem z 3 pzewanymi pętami klatki. Amplituda [V] x bz- bz bz+ Uszk. bieżnia zewn. Łożysko nieuszk. bz+ bz bz [Hz] Rys.5. Widmo obwiedni unkcji autokoelacji sygnału akustycznego dla pzypadku uszkodzenia bieżni zewnętznej łożyska. Rys.4. Widmo obwiedni unkcji autokoelacji sygnału akustycznego dla winików W0 oaz W3 w zakesie częstotliwości 0-150Hz. W poównaniu z ysunkiem 3 można stwiedzić, że uzyskane widmo jest badzo wyaziste i zawiea wiele składowych spektalnych powiązanych z częstotliwością obotową. Ponadto daje się zauważyć wyaźna óżnica pomiędzy widmem silnika uszkodzonego a nieuszkodzonego. Pzepowadzone badania dowiodły, że nawet w pzypadku pzewania tylko jednego pęta klatki winika, w widmie pojawiły się chaakteystyczne składowe, któe jednoznacznie klasyikują ten winik do gupy winików uszkodzonych. Z tego względu można stwiedzić, że analiza sygnałów akustycznych może być z powodzeniem wykozystana, jako bezinwazyjna metoda diagnostyczna do wykywania uszkodzeń winików, w napędach z silnikami indukcyjnymi klatkowymi Uszkodzenia łożysk wyniki badań W badaniach ekspeymentalnych silnika z uszkodzonym łożyskiem do analizy diagnostycznej wykozystano metodę analizy częstotliwościowej obwiedni unkcji autokoelacji sygnałów akustycznych. Na ysunkach 5-7 pzedstawiono widma obwiedni unkcji autokoelacji sygnałów akustycznych zaejestowanych dla poszczególnych uszkodzeń łożyska, w zestawieniu z widmem obliczonym dla łożyska nieuszkodzonego. Poszczególne składowe spektalne, chaakteyzujące dany typ uszkodzenia zostały obliczone na podstawie zależności (1) (6). Rys.6 Widmo obwiedni unkcji autokoelacji sygnału akustycznego dla pzypadku uszkodzenia elementów tocznych łożyska. Rys. 7. Widmo obwiedni unkcji autokoelacji sygnału akustycznego dla pzypadku uszkodzenia bieżni wewnętznej łożyska. Pzedstawione wyniki analiz diagnostycznych wskazują jednoznacznie, że we wszystkich pzebadanych pzypadkach uszkodzenia łożyska uzyskano badzo dobą widoczność składowych uszkodzeniowych. Szczególnie wyazi-

6 04 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 9/011 sty jest pzypadek uszkodzenia dwóch kulek (ys.6), dla któego amplituda składowej k pzyjmuje dominującą watość. Z kolei widmo uzyskane dla pzypadku uszkodzenia bieżni wewnętznej (ys.7) chaakteyzuje się znaczącym wzostem wszystkich składowych uszkodzeniowych oaz badzo dobą pzejzystością. Na podstawie pzepowadzonych badań można stwiedzić, że zastosowanie analizy częstotliwościowej obwiedni unkcji autokoelacji sygnału akustycznego umożliwia skuteczną detekcję uszkodzeń występujących w łożysku. Znajomość wymiaów geometycznych łożyska pozwala dodatkowo na identyikację typu uszkodzenia. 5. Podsumowanie Pzepowadzone badania ekspeymentalne wykazały, że pacujący układ napędowy, w któym występują uszkodzenia mechaniczne lub elektyczne, emituje sygnały akustyczne zawieające symptomy tych uszkodzeń. Dlatego też, pzy zastosowaniu odpowiednich metod analizy tych sygnałów możliwe jest zapojektowanie i wykonanie systemu diagnostycznego do monitoowania i diagnostyki maszyn i uządzeń elektycznych. Na podstawie pzepowadzonych badań można stwiedzić, że zastosowanie klasycznej analizy częstotliwościowej sygnału akustycznego nie pozwala uzyskać zadowalających ezultatów. Dopieo wykozystanie badziej złożonych unkcji analitycznych, takich jak: unkcja autokoelacji oaz analiza spektalna obwiedni umożliwiają skuteczną detekcję i identyikację uszkodzeń silnika, takich jak uszkodzenia łożysk czy uszkodzenia klatki winika. Pzy pojektowaniu apaatuy diagnostycznej wykozystującej sygnały akustyczne należy wziąć pod uwagę specyiczne właściwości al dźwiękowych. W szczególności należy pamiętać o zależności bawy sygnału dźwiękowego od odległości mikoonów od źódła, od kształtu i geometii pomieszczenia oaz od ozmieszczenia pzestzennego mikoonów pomiaowych. Z uwagi na akt, że diagnostyczne cechy zawate w sygnale akustycznym mają stosunkowo małe watości, niezbędne jest stosowanie wysokiej, jakości mikoonów i niskoszumowych wzmacniaczy w toach pomiaowych. Do wad akustycznych detektoów uszkodzeń zaliczyć można ównież stosunkowo dużą ważliwość na hałas pochodzący od źódeł zewnętznych. 6. Liteatua [1] Cempel C., Diagnostyka wiboakustyczna maszyn, PWN, Waszawa 1989 [] Kowalski Cz.T., Monitoowanie i diagnostyka uszkodzeń silników indukcyjnych z wykozystaniem sieci neuonowych, PNIMNiPE PW. n 57, se. Monogaie, n 18, Wocław 005 [3] Kupczyński K., Akustyczny detekto uszkodzeń silnika indukcyjnego, Magisteska paca dyplomowa, Politechnika Wocławska 010 [4] Pawlak M, Kupczyński K., Akustyczny detekto uszkodzeń silnika indukcyjnego, PNIMNiPE PW., Studia i Mateiały 010, n 30, s [5] Pawlak M., Zastosowanie unkcji okien czasowych w diagnostyce winików silników indukcyjnych, PNIMNiPE PW. Studia i Mateiały. 008, n 8, s [6] Zieliński T.P., Cyowe pzetwazanie sygnałów. Od teoii do zastosowań, WKŁ, Waszawa 007 Paca naukowa inansowana ze śodków na naukę w latach jako pojekt badawczy ozwojowy N R Auto d inż. Macin Pawlak, Politechnika Wocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiaów Elektycznych, ul. Smoluchowskiego 19, Wocław, tel. (71) 30491, e- mail: macin.pawlak@pw.woc.pl. Recenzent Po. d hab. inż. Andzej Bytna