Zasady magazynowania silników elektrycznych dużej mocy 2

Transkrypt

1 Janusz Zachwieja Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Zasady magazynowania silników elektrycznych dużej mocy 2 Utrzymanie ciągłości procesu produkcyjnego wymaga od maszyn będących elementami linii technologicznej pozostawania w stanie zdatności pomiędzy cyklami remontowymi. Prawidłowa gospodarka remontowa wymusza dostępność niezbędnej liczby części zapasowych, kompletnych zespołów lub jednostek napędowych. Części te należy zabezpieczyć, głównie przed szkodliwym wpływem środowiska. Podstawowym rodzajem zabezpieczenia jest konserwacja antykorozyjna. Okres zdatności mocno obciążonych silników elektrycznych jest zazwyczaj znacznie krótszy niż maszyn przez nie napędzanych. Tym samym często podlegają one wymianom i remontom. Liczba silników elektrycznych określonego typoszeregu pozostających w gotowości jest w zakładach przemysłowych znacząca. Wymaga to właściwego sposobu ich magazynowania. Budowa silnika elektrycznego prądu zmiennego jest prosta. Jego konstrukcja nie zawiera elementów szczególnie podatnych na niekorzystny wpływ otoczenia, zatem w normalnych warunkach silniki nie wymagają nadzwyczajnych warunków magazynowania. Wystarczy, że pomieszczenie jest suche a panująca w nim temperatura nie powoduje zmian chemicznych smarów, którymi są konserwowane łożyska, będące najbardziej wrażliwymi elementami silnika. Łożyska silnika podlegają obciążeniom zazwyczaj w trakcie eksploatacji. Niewyważenie wirnika, oraz jego niewspółosiowość z wałem maszyny napędzanej są głównymi przyczynami powodującymi przedwczesne zużycie łożysk silnika. Zdarza się jednak, że silniki w pełni sprawne są magazynowane w pomieszczeniach sąsiadujących z halami produkcyjnymi, w których usytuowane są maszyny o udarowym charakterze pracy. Oddziaływanie na podłoże elementów roboczych tych maszyn może być tak silne, mimo posadowienia na specjalnych fundamentach, że występuje propagacja drgań poprzez grunt zarówno na elementy budowli jak też i inne maszyny znajdujące się w ich sąsiedztwie. Rys.. Widok silnika elektrycznego dużej mocy Do grupy silników dużej mocy (Rys.) należą silniki SAS. Są to silniki asynchroniczne na napięcie 6kV, o mocach 4kW, 63kW a nawet 25kW i prędkościach obrotowych nie przekraczających 6 obr min -. Silniki o otwartej budowie są szczególnie wrażliwe na warunki środowiskowe, nie tylko dr hab. inż. Janusz Zachwieja, profesor nadzwyczajny, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej. 2 Artykuł recenzowany. Logistyka 4/25

2 w trakcie eksploatacji, ale również magazynowania. Podstawowym problemem występującym podczas pracy tych silników jest utrzymywanie odpowiedniej własności stanu izolacji uzwojeń. Cel i metody badawcze Celem artykułu jest analiza stanu wytężenia zespołu wał-łożyska wywołanego oddziaływaniem na wirnik drgań posadzki hali magazynu oraz ocena prawdopodobieństwa uszkodzenia przy typowych sposobach posadowienia magazynowanych silników. Silniki rezerwowe poddane badaniom są przechowywane w pomieszczeniu znajdującym się w sąsiedztwie maszyn o udarowym charakterze pracy - młynów kulowych i młyna rolowo-misowego [2]. Pomiar wartości naprężeń w warunkach przemysłowych jest dość złożony. Z tego względu określenia stanu wytężenia łożyska i czopa wału dokonano metodą modelowania numerycznego. Parametry drgań silnika wywołane ruchem podłoża zostały zmierzone w trakcie prowadzonych badań. symulator sztywności podłoża obudowa wirnika wirnik obudowa łożyska ruchome podłoże symulator wymuszenia wymuszenie kierunku drgań a) b) Rys. 2. Widok: a) silnika SAS w trakcie remontu, b) model użyty do obliczeń dynamicznych wirnika silnika Źródło:a) [] Rys. 2. przedstawia widok częściowo zdemontowanego silnika SAS. Jest to maszyna elektryczna o otwartej budowie. Silniki tego typu wymagają precyzyjnego pozycjonowania wirnika względem stojana z uwzględnieniem efektów wywołanych działaniem pola elektro-magnetycznego na obracający się wirnik. Analiza wpływu drgań podłoża na obciążenie elementów silnika została przeprowadzona metodą dynamiki układów wieloczłonowych. Zastosowano model hybrydowy zawierający zarówno człony traktowane jako bryły sztywne: obudowa, tarcza wirnika jak też odkształcalne elementy skończone: wał, podparcie. Zachowano wierne odwzorowanie mas elementów składowych silnika. Przyjęta dla modelu wielkość wymuszenia odpowiada zmierzonej prędkości drgań łożysk silnika, wzbudzonych drganiami posadzki. Wyniki badań Pomiary prędkości drgań łożysk silnika wykonano w sytuacjach, gdy silnik spoczywał bezpośrednio na posadzce betonowej, jak też w przypadku jego posadowienia na palecie drewnianej. Ponieważ cykl produkcyjny przedsiębiorstwa umożliwiał naprzemienną pracę zespołu młynów kulowych lub młyna rolowo-misowego, badania przeprowadzono dla obydwu sposobów wymuszenia. Logistyka 4/25

3 6,5 2 Rys. 3 i Rys. 4. przedstawiają odpowiednio charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe prędkości drgań obudowy łożyska silnika spoczywającego na palecie drewnianej oraz po jej usunięciu. W obydwu przypadkach wymuszenia tj. podczas pracy młyna rolowo-misowego lub pracy młynów kulowych, amplituda drgań była stosunkowo niska, nie przekraczając wartości.3 mm s -. Posadowienie silnika na palecie drewnianej zwiększyło w niewielkim stopniu amplitudę prędkości drgań łożysk. Jest to zrozumiałe, bowiem w takim przypadku zmniejszona została sztywność w strefie kontaktu silnika w podłożem. 3 mms - mms -,, a) b) Rys. 3. Widma prędkości drgań łożyska silnika podczas pracy młynów kulowych a) silnik posadowiony na palecie drewnianej, b) silnik składowany bezpośrednio na posadzce betonowej mms - mms -,, a) b) Rys. 4. Widma prędkości drgań łożyska silnika podczas pracy młyna rolowo-misowego: a) silnik posadowiony na drewnianej palecie, b) silnik składowany bezpośrednio na posadzce betonowej Istotną kwestią jest stwierdzenie w jakim stopniu wymuszenie kinematyczne o małej amplitudzie wpływa na stan obciążenia łożysk. Rys. 5 przedstawia charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe prędkości drgań łożyska silnika pracującego pod nominalnym obciążeniem z prędkością obrotową wirnika 5 obr min -. Amplituda prędkości drgań łożysk silnika nie przekraczała wartości.5 mm s -. Logistyka 4/25

4 8,5 8,5 mms - mms -,, a) b) Rys. 5. Widma prędkości drgań łożyska pracującego silnika. Kierunek drgań a) poziomy, b) pionowy Była więc niewiele większa niż amplituda prędkości drgań łożyska silnika poddanego wymuszeniu drganiami posadzki hali magazynu. Niemniej jednak charakter drgań wirnika silnika pod obciążeniem jest inny. Największą wartość amplitudy posiada składowa o częstotliwości, co można tłumaczyć oddziaływaniem na wirnik pola magnetycznego stojana. Energia tych drgań jest znacząco większa niż energia wibracji o niskich częstotliwościach. a) b) Rys. 6. Rozkład naprężeń kontaktowych między czopem wału i łożyskiem a) wartości minimalne, b) wartości maksymalne Zmiany wartości i rozkładu naprężeń kontaktowych pomiędzy czopem wału i łożyskiem obrazuje Rys. 6. Stan wytężenia jest określony wartościami z przedziału 3 MPa - 75 MPa. Nie są to wartości, które mogą spowodować uszkodzenie wału silnika lub łożyska pod warunkiem, że mają charakter doraźny. Wpływ naprężenia o obliczonych wartościach na wytrzymałość elementów pozostających w kontakcie w dłuższym okresie czasu pozwala określić szczegółowa analiza zmęczeniowa. Logistyka 4/25

5 3, N,E+5 9,E+4 8,E+4 7,E+4 mms - 6,E+4 5,E+4 4,E+4 3,E+4 2,E+4,,E+4,E a) b) s Rys. 7. Wyznaczone numerycznie parametry obciążenia łożyska silnika: a) charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa prędkości drgań, b) zmiany w czasie siły kontaktu między łożyskiem i czopem wału silnika Rys. 7. Przedstawia charakterystykę amplitudowo częstotliwościową prędkości drgań obudowy łożyska dla obciążenia identycznego jak określone doświadczalnie. Przy takiej samej wartości prędkości drgań podłoża obliczona wartość amplitudy prędkości drgań łożyska jest większa niż w rzeczywistości. Jest to spowodowane błędem poczynionym przy określeniu wielkości tłumienia w obszarze kontaktu między posadzką a korpusem silnika oraz pominięciem w obliczeniach tłumienia drgań przez korpus silnika. Podsumowanie Przeprowadzona analiza wykazała, że składowanie silników elektrycznych dużej mocy w magazynach sąsiadujących z maszynami o udarowym charakterze pracy może mieć wpływ na trwałość ich łożysk wówczas, gdy taki stan długo a fala propagowana w gruncie posiada dużą energię. Stosowanie palet drewnianych jako wibroizolacji nie jest rozwiązaniem skutecznie eliminującym niekorzystny wpływ wibracji podłoża. Ponieważ fale parasejsmiczne są przenoszone również na konstrukcję magazynu, lepiej w podobnych przypadkach podjąć działania mające na celu wibroizolację całego budynku [3,4,5]. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i analizy numerycznej dotyczące wpływu drgań podłoża na stan wytężenia w przekrojach wału wirnikach silnika elektrycznego dużej mocy. Silniki są często składowane w pomieszczeniach magazynowych zlokalizowanych w sąsiedztwie maszyn o udarowym charakterze pracy. Drgania posadzki wywołane pracą tych maszyn przenoszą się na korpus silnika oraz wirnik. Amplitudy prędkości drgań są porównywalne z wartościami jakie występują w trakcie eksploatacji silników. Wymuszenia obciążające łożyska nie osiągają jednak poziomu, który mógłby znacząco zmniejszać trwałość łożysk nawet w przypadku, gdy silnik spoczywa bezpośrednio na betonowej posadzce magazynu. Logistyka 4/25

6 Abstract Rules of storing of high-power electric motors The purpose of the study is to provide an overview of the research and numerical analysis of the effects of floor vibrations on stress-strain state in the cross-sections of high power electric motor rotors. Electric motors are often stored in areas near percussive machines. The vibrations of the floor due to ground-wave propagation are transmitted to the motor body and rotor. The vibration velocity amplitudes are compared to the values recorded during motor operation. Loading constraints for bearings do not achieve levels, which would be detrimental to the bearing s life, even if the motor is installed directly on a concrete floor of the storage area. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY []. Pacholski E., Leśnik M., Eksploatacja silników typu SAS w KGHM Polska miedź SA, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /22 (94), s [2]. Zachwieja J., Numerical modelling of vibrations of machine foundations with percussive characteristics of work, Developments in Machinery Design and Control, 5, 27, s , [3]. Zachwieja J, Gołębiowska I., Damping building vibrations excited by surface wave propagating in the ground, Journal of Polish CIMAC, 22 (3), s [4]. Zachwieja J., Gołębiowska I., Efektywność wybranych metod ochrony przeciwdrganiowej konstrukcji wsporczej separatorów, Budownictwo Ogólne, Bydgoszcz 29. [5]. Dulińska J., Kawecki J., Awarie i katastrofy budowlane wywołane działaniami dynamicznymi, XXV Konferencja Naukowo-Techniczna - Awarie Budowlane, Międzyzdroje 2. Logistyka 4/25