POLITECNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ ELEKTROTECNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA METROLOGII I SYSTEMÓW INFORMACYJNYC ROZPRAWA DOKTORSKA mgr inż. Ariel Dzwonowsi METODA DIAGNOSTYKI ŁOŻYSK NA PODSTAWIE ANALIZY PRZEBIEGÓW PRĄDU I NAPIĘCIA ZASILAJĄCEGO SILNIK INDUKCYJNY Promoor: dr hab. inż. Leon Swędrowsi, prof. PG Gdańs, wrzesień 0
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Spis reści WYKAZ WAŻNIEJSZYC OZNACZEŃ...... 6 STRESZCZENIE....0. WPROWADZENIE...3. CEL, ZAKRES I TEZY PRACY..5.. Cel pracy....5.. Zares pracy..5.3. Tezy pracy.....6 3. PRZEGLĄD METOD DIAGNOSTYKI ŁOŻYSK W SILNIKAC INDUKCYJNYC....7 3.. Podsawowe informace doyczące diagnosyi łożys....7 3.. Budowa łożys..8 3.3. Uszodzenia łożys... 3.4. Wybrane meody diagnosyi łożys....5 3.4.. Meody wibroausyczne diagnosyi łożys.....6 3.4... Pomiar emiowanych drgań......6 3.4... Pomiar impulsów udarowych...6 3.4..3. Pomiar emiowanego hałasu.....9 3.4..4. Meoda obwiedni wysooczęsoliwościowych...9 3.4.. Meody prądowe diagnosyi łożys...3 3.4... Meoda analizy widma prądu soana w sanie pracy usalone...33 3.4... Saysyczna meoda adapacyna czasowo częsoliwościowa.....35 3.4..3. Meoda deeci uszodzeń z wyorzysaniem weora Para....36 3.5. Podsumowanie...39 4. NOWA METODA DIAGNOSTYKI ŁOŻYSK SILNIKÓW INDUKCYJNYC...4 4.. Proponowana meoda....4 4.. Podsawy maemayczne proponowane meody diagnosyi łożys.....44 4.3. Podsumowanie......50 5. BADANIA SYMULACYJNE...5 --
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny 5.. Wprowadzenie.......5 5.. Obwodowy model maemayczny silnia inducynego......55 5.3. Wynii badań modelu maemaycznego silnia inducynego.....6 5.3.. Widmo mocy chwilowe dla silnia nieuszodzonego...6 5.3.. Widmo mocy chwilowe dla silnia uszodzonego....63 5.3... Silni z uszodzeniem bieżni zewnęrzne łożysa.....64 5.3... Silni z uszodzeniem bieżni wewnęrzne łożysa....66 5.3..3. Silni z uszodzeniem elemenu ocznego łożysa.....69 5.4. Podsumowanie.....7 6. BADANIA EKSPERYMENTALNE USZKODZEŃ ŁOŻYSK Z WYKORZYSTANIEM NOWEJ METODY DIAGNOSTYCZNEJ.....74 6.. 6.. Sposób przeprowadzania badań nową meodą.....74 Sanowiso badawcze....76 6... Część sprzęowa sanowisa badawczego...76 6... Część programowa sanowisa badawczego...8 6.3. Pomiary esowe....89 6.3.. Pomiary wyonane wibromerem laserowym.....90 6.3.. Pomiary wyonane sysemem DREAM......9 6.3.3. Pomiary wyonane amerą ermowizyną......93 6.3.4. Podsumowanie.....94 6.4. Badania silniów inducynych z symulowanymi uszodzeniami łożys w oparciu o analizę sygnałów elerycznych....95 6.4.. Widmo mocy chwilowe dla silnia nieuszodzonego...95 6.4.. Widmo mocy chwilowe dla silnia z uszodzeniem łożysa symulowanym przez drgania wzbudnia o częsoliwości f h = 40 z....96 6.4.3. Widmo mocy chwilowe dla silnia z uszodzeniem łożysa symulowanym przez drgania wzbudnia o częsoliwości f h = 7,3 z.....97 6.4.4. Widmo mocy chwilowe dla silnia z uszodzeniem łożysa symulowanym przez drgania wzbudnia o częsoliwości f h = 30 z....99 6.4.5. Podsumowanie... 00-3-
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny 6.5. Badania silniów inducynych z rzeczywisymi uszodzeniami łożys w oparciu o analizę mocy chwilowe.. 0 6.5.. Widmo mocy chwilowe dla silnia nieuszodzonego. 0 6.5.. Widmo mocy chwilowe dla silnia z uszodzeniem pierścienia zewnęrznego łożysa..... 03 6.5.3. Widmo mocy chwilowe dla silnia z uszodzeniem pierścienia wewnęrznego łożysa.... 08 6.6. Podsumowanie..... 3 7. ANALIZA METROLOGICZNA UKŁADU POMIAROWEGO... 7 7.. Wsęp... 7 7.. Niepewność pomiaru mocy chwilowe w uładzie z przeworniiem napięcia i przeworniiem prąd-napięcie... 8 7... Niepewność pomiaru napięcia u(u).... 9 7... Warianca esymaci przewornia napięciowego u ( u ). 0 7... Warianca pomiaru napięcia arą awizyci danych u (u wy ).. 7...3. Warianca złożona esymay napięcia 4 7... Niepewność pomiaru prądu... 5 7... Warianca esymaci przeładni przewornia prąd-napięcie - u ( i ). 6 7... Warianca złożona esymay prądu u (i). 8 7..3. Niepewność pomiaru mocy chwilowe u(p)... 9 7.3 Niepewność pomiaru mocy chwilowe w uładzie z boczniiem i dzielniiem napięcia.. 3 7.3.. Niepewność pomiaru napięcia... 3 7.3... Warianca esymaci przeładni dzielnia napięciowego u ( D )... 33 7.3... Warianca złożona esymay napięcia u (u) 34 7.3.. Niepewność pomiaru prądu... 35 7.3... Warianca esymaci przełożenia prądu na napięcie dla bocznia - u (R b ) 36 7.3... Warianca złożona esymay prądu u (i). 37 7.3.3 Niepewność pomiaru mocy chwilowe u(p) 38 7.4. Podsumowanie 38-4-
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny 8. PODSUMOWANIE, WNIOSKI KOŃCOWE ORAZ NAJWAŻNIEJSZE OSIĄGNIĘCIA.... 40 8.. Podsumowanie 40 8.. Wniosi ońcowe 43 8.3. Ważniesze osiągnięcia auora. 44 8.4. Kieruni dalszych badań. 44 LITERATURA.. 46 ZAŁĄCZNIK. 5 ZAŁĄCZNIK. 56 ZAŁĄCZNIK 3. 58-5-
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Wyaz ważnieszych oznaczeń u warość średnia napięcia wyściowego wy u warość średnia napięcia weściowego i warość średnia prądu ą naporu, ąy przesunięcia fazowego między prądem i napięciem R błąd graniczny rezysora R, podany przez producena w specyfiaci R błąd graniczny rezysora R, podany przez producena w specyfiaci u poprawa wsazania wzorca u Q poprawa wsazania ary pomiarowe â warość szczyowa ampliudy przyspieszenia drgań ã warość sueczna ampliudy przyspieszenia drgań B d średnica uli lub roli C współczynni udaru c współczynni wrażliwości d średnica łożysa D doładność łożysa E esymaor warości oczeiwane f częsoliwość napięcia zasilaącego f c częsoliwość oszya f e częsoliwość dodaowe sładowe harmoniczne prądu soana f g częsoliwość harmoniczne prądu soana f częsoliwość charaerysyczna dla uszodzenia elemenów łożysa f in częsoliwość przeaczania elemenów ocznych po wewnęrznym pierścieniu f n częsoliwość próbowania f ou częsoliwość przeaczania elemenów ocznych po zewnęrznym pierścieniu f r częsoliwość obroowa wału f rol częsoliwość ule - 6 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny f s częsoliwość żłobowa f sy częsoliwość synchroniczna g przypieszenie ziemsie współczynni udziału sładowe o częsoliwości w przebiegu prądu h indes podsawowe srefy żłobowe poziom hałasu generowanego przez łożyso I warość sueczna prądu I weor prądów soana i prąd weściowy i() warość chwilowa prądu i () warość chwilowa prądu z uwzględnieniem sładowe moduluące I m ampliuda prądu J momen bezwładności wirnia silnia K współczynni urozy współczynni rozszerzenia D przeładnia dzielnia napięciowego i przeładnia przewornia prąd-napięcie u przeładnia przewornia napięciowego L macierz inducyności własnych l długość elemenu ocznego N liczba próbe sygnału n prędość obroowa N b liczba ule lub role NR liczba żłobów wirnia NS liczba żłobów soana p liczba par biegunów p() warość mocy chwilowe P d średnica podziałowa łożysa p () chwilowa moc czynna, zmodulowana przez sygnał o częsoliwości Q aość łożysa R opory ruchu łożysa - 7 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny R macierz rezysanci własnych i wzaemnych R rezysanca pierwszego rezysora dzielnia napięciowego równa 0 Ω R rezysanca drugiego rezysora dzielnia napięciowego równa 0 MΩ R b rezysanca bocznia równa 0, Ω s poślizg wirnia silnia inducynego czas T rwałość łożysa T em momen eleromagneyczny generowany przez silni T ex momen zewnęrzny przenoszony przez sprzęgło U warość sueczna napięcia u napięcie weściowe U warość sueczna napięcia u(i) niepewność pomiaru prądu u(p) niepewność pomiaru mocy chwilowe u() warość chwilowa napięcia u(u) niepewność pomiaru napięcia u warianca u (i) warianca pomiaru prądu u ( D ) warianca esymaci przeładni dzielnia napięciowego u ( DB ) warianca esymaci ypu B przeładni dzielnia napięciowego u ( u ) warianca esymaci przeładni przeładnia napięciowego u (R b ) warianca esymaci przełożenia prądu na napięcie dla bocznia u (u) warianca pomiaru napięcia u (u wy ) warianca pomiaru napięcia arą awizyci danych U i niepewność rozszerzona pomiaru prądu u napięcie podane ze wzorca u i niepewność warości prądu wyściowego alibraora U m ampliuda napięcia u m niepewność wyniaąca z błędu granicznego mulimeru u mb niepewność wyniaąca z błędu granicznego mulimeru u md niepewność wyniaąca z błędu granicznego mulimeru - 8 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny U p niepewność rozszerzona pomiaru mocy chwilowe u Q wsazanie ary pomiarowe u r niepewność pomiaru wyniaąca z rozrzuu wyniów mierzonych u rb niepewność pomiaru wyniaąca z rozrzuu wyniów mierzonych u rd niepewność pomiaru wyniaąca z rozrzuu wyniów mierzonych U u niepewność rozszerzona pomiaru napięcia u we napięcie na weściu przewornia napięciowego u wy napięcie wyściowe V poziom drgań generowanych przez łożyso V weor napięć v n prędość uderzeń łożysa pracuącego poprawnie x zmienna losowa Λ permeanca szczeliny powierzne σ odchylenie sandardowe ψ weor srumieni sprzężonych pulsaca napięcia pulsaca sładowe moduluące przebieg prądu Definice Moc chwilowa iloczyn warości chwilowych prądu i napięcia zasilaącego Częsoliwości charaerysyczne Częsoliwości uszodzeniowe częsoliwości drgań mechanicznych, wywołane przez uszodzone łożysa, óre zależą od onsruci łożysa oraz prędości obroowe i wsazuą na uszodzenia poszczególnych elemenów łożysa częsoliwości charaerysyczne dla oreślonych ypów uszodzeń łożysa - 9 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Sreszczenie Rozprawa doyczy pomiarów diagnosycznych łożys silniów inducynych. Temaya a es sale rozwiana ze względu na fa, iż według danych saysycznych łożysa są naczęsszą przyczyną awarii silniów inducynych. W pracy, na podsawie lieraury, doonano ryyczne analizy wybranych meod diagnosyi łożys silniów inducynych, oparych na pomiarach i analizie różnych wielości fizycznych. Dale auor pracy zaproponował wyorzysanie do diagnosyi łożys silniów inducynych meodę oparą na pomiarach i analizie iloczynu warości chwilowych prądu i napięcia zasilaącego maszyny. Przeprowadzono rozważania maemayczne, powierdzaące możliwość wyorzysania zaproponowane meody do diagnosyi łożys. W pracy przedsawiono również wynii badań modelu maemaycznego silnia inducynego, związane z wyorzysaniem nowe meody analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny do diagnosyi łożys silniów inducynych. W ramach realizaci pracy opracowano sysem pomiarowy, przeznaczony do badań silniów inducynych z symulowanymi oraz rzeczywisymi uszodzeniami łożys. Inegralną częścią ego sysemu es opracowana przez auora niniesze rozprawy specalisyczna apliaca Analiza Łożysa umożliwiaąca diagnozowanie uszodzeń łożys zgodnie z proponowaną meodą. W pracy zaprezenowano również wynii przeprowadzonych na sanowisu badawczym pomiarów wyonanych na silniach inducynych z symulowanymi oraz rzeczywisymi uszodzeniami łożys. Rozdział pierwszy wprowadza w emayę rozprawy z podreśleniem znaczenia pomiarów diagnosycznych łożys silniów inducynych. Rozdział drugi zawiera cel, ezy oraz zares niniesze rozprawy doorsie. Podsawowe zagadnienia związane z budową i ryeriami aości łożys przedsawiono w rozdziale rzecim rozprawy. W rozdziale ym zaprezenowano aże podsawowe przyczyny uszodzeń łożys oraz doonano przeglądu znanych z lieraury i sosowanych meod diagnosyi łożys silniów inducynych. Przedsawiono główne - 0 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny meody wibracyne oraz prądowe ze względu na fa, iż meody e są naczęście wyorzysywane do moniorowania sanu echnicznego łożys. W rozdziale czwarym pracy szczegółowo opisano proponowaną meodę diagnosyi łożys oparą na analizie przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silnii inducyne. Omówiono podsawy maemayczne e meody diagnosyi łożys silniów inducynych, podaąc wynii obliczeń eoreycznych iloczynu warości chwilowych prądu i napięcia wraz ze wsazaniem sładowych widma, możliwych do wyorzysania w diagnosyce łożys. Przedsawiono również zaley nowe meody w porównaniu z obecnie sosowanymi meodami prądowe diagnosyi łożys silniów inducynych. W rozdziale piąym przedsawiono opis maemayczny i badania symulacyne obieu silnia inducynego. Zaprezenowano wynii przeprowadzonych przez auora pracy badań uproszczonego modelu maemaycznego edne fazy silnia inducynego opracowanego w programie PSpice. W rozdziale ym przedsawiono również obwodowy model maemayczny silnia inducynego, wyorzysany do dalszych badań symulacynych. Zaprezenowano wynii badań ego modelu maemaycznego dla różnych ypów uszodzeń łożys silniów inducynych przy różnych warościach momenu obciążenia maszyn oraz doonano ich analizy, ze wsazaniem sładowych możliwych do wyorzysania w diagnosyce łożys. W rozdziale szósym opisane zosało sanowiso badawcze, wraz z opracowanym przez auora niniesze rozprawy sysemem pomiarowym, wyorzysane do diagnosyi łożys silniów inducynych opare na analizie mocy chwilowe, pobierane przez silni inducyny. W rozdziale ym przedsawiono również wynii badań esperymenalnych, wyonanych na sanowisu badawczym, z wyorzysaniem wibromeru laserowego, sysemu diagnosyi wibracyne DREAM oraz amery ermowizyne. Zamieszczono aże wynii badań silniów inducynych z symulowanymi oraz rzeczywisymi uszodzeniami łożys. Uzysane wynii poddano szczegółowe analizie. W rozdziale siódmym przeprowadzono analizę merologiczną wyorzysanego do badań uładu pomiarowego. Zaprezenowano wynii obliczeń niepewności - -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny pomiarowych dla dwóch uładów pomiarowych: z przeworniami napięcie-napięcie i prąd-napięcie oraz dla uładu z boczniiem i dzielniiem napięcia. Końcowa część rozprawy zawiera podsumowanie, wniosi ońcowe oraz propozyce ierunów dalszych badań. - -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny. Wprowadzenie Silni inducyny es naczęście spoyaną maszyną w przemyśle szacue się, że ooło 65% energii eleryczne wywarzane na świecie, zużywane es przez en rodza maszyn. Bezawaryne funconowanie urządzeń, ich właściwa diagnosya oraz obsługa sały się bardzo ważnym elemenem współczesnego przemysłu oraz zagadnieniem eonomicznym, opłacalnym do przeanalizowania. Koszy maszyn oraz przesou produci wyniaące z ich uszodzeń liczone są nieiedy w milionach euro. W porównaniu z naładami poniesionymi na rzecz diagnosyi, dzięi óre możliwe es dużo wcześniesze zaplanowanie remonu maszyny i niedopuszczenie do e awarii, są o znaczące woy. Dlaego diagnosya echniczna urządzeń, es obecnie a rozpowszechniona i widoczna praycznie w ażde gałęzi przemysłu. Według licznych źródeł, głównym źródłem awarii obieów ruchomych są uszodzenia ich łożys (rysune.). Rys... Przyczyny awarii silniów inducynych: uszodzenia łożys, uszodzenia soana, 3 uszodzenia wirnia, 4 pozosałe uszodzenia Dae o podsawę do swierdzenia, że o właśnie ich moniorowanie es luczowym elemenem nadzorowania obieów, w szczególności silniów. W ym celu mierzone i wyorzysywane są różne wielości fizyczne maszyny, aie a emperaura, wibraca, zawisa ausyczne, srumień magneyczny czy prąd soana. Z mierzonymi wielościami fizycznymi powiązane są onrene meody diagnosyczne. Diagnosya maszyn i urządzeń zamue się oreśleniem aualnego sanu echnicznego urządzeń w celu podwyższenia ich rwałości, niezawodności - 3 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny i efeywności działania. Ze względu na fa, że nawięszy procen awarii silniów elerycznych es spowodowany uszodzeniem łożys, en dział diagnosyi rozwia się szczególnie dynamicznie. Rozwó echnii i posęp umożliwiaą worzenie coraz bardzie sompliowanych procesów producynych. Wywarzane w czasie aich procesów produy maą charaeryzować się nisim naładem pracy, surowców, oraz minimalnymi oszami. Taie założenia mogą być spełnione przy masymalne rwałości, niezawodności i wydaności linii producyne. Urzymanie maszyn sanowi znaczny procen oszów wielu załadów. Procesy zużycia i sarzenia się maszyn przebiegaą w sposób ciągły. Zdarzaące się uszodzenia nie zawsze są wyniiem nagłych awarii. Koszy zaplanowanych remonów są przeważnie znacznie niższe od sra producynych poniesionych z yułu nagłego zarzymania produci. Diagnosya maszyn elerycznych pozwala na ocenę sanu echnicznego urządzenia bez onieczności ego demonażu poprzez analizę generowanych przez nie sygnałów diagnosycznych i porównanie ych sygnałów z nominalnymi. Zasosowanie nowoczesnych, nieniszczących i anich meod diagnosyi wspomaganych echnią ompuerową umożliwia zmnieszenie oszów produci i zwięszenie niezawodności esploaacyne maszyn elerycznych. - 4 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny. CEL, ZAKRES I TEZY PRACY.. Cel pracy Celem pracy es opracowanie, analiza eoreyczna oraz weryfiaca doświadczalna nowe meody do diagnosyi łożys w silniach inducynych, opare na analizie przebiegów prądu i napięcia zasilaącego maszynę. Rozwiązanie problemu wymaga opracowania, wyonania i przeprowadzenia badań symulacynych i doświadczalnych silniów inducynych z różnymi ypami uszodzeń łożys. Celem rozprawy es również opracowanie algorymu do wniosowania diagnosycznego, óry pozwoli na podniesienie rafności oreślania sanu echnicznego łożys proponowaną meodą. Rozwiązanie problemu wymaga wyonania wspomaganego ompuerowo sanowisa diagnosycznego, przeznaczonego do pomiarów wielości zasilaących badane maszyny, a w szczególności do analizy sygnałów diagnosycznych oraz przeprowadzenie analizy merologiczne zaproponowanego uładu pomiarowego... Zares pracy Zares prezenowane pracy obemue m.in. realizacę nasępuących zadań:. Przeprowadzenie sudium lieraurowego, maące na celu ocenę sueczności znanych meod diagnosyi łożys w silniach inducynych,. Wyonanie wsępnych badań symulacynych, 3. Wyonanie szczegółowych badań symulacynych obwodowego modelu maemaycznego silnia inducynego, 4. Przygoowanie obieów do badań, 5. Weryfiaca przygoowanych obieów meodą wibracyną, 6. Zaproponowanie nowe meody diagnosyi łożys silniów inducynych, 7. Przeprowadzenie analizy merologiczne zaproponowanego uładu, 8. Opracowanie ompuerowego sysemu do diagnosyi łożys silniów inducynych oparego na nowe meodzie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni, 9. Przeprowadzenie badań diagnosycznych łożys silniów inducynych oparych na zaproponowane meodzie. - 5 -
.3. Tezy pracy Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Teza główna pracy W silniu inducynym mogą wysąpić uszodzenia elemenów uładu eleromagneycznego lub uszodzenia elemenów mechanicznych. Z danych saysycznych wynia, iż naczęście awariom w maszynach inducynych ulegaą łożysa Urządzenia do diagnosyi łożys przeważnie wyorzysuą meody wibracyne. Przy brau bezpośredniego dosępu do silnia nie mogą być edna sosowane. W aich przypadach diagnosya możliwa es w oparciu o pomiar i analizę wielości zasilaących silni. Sosowane doychczas meody diagnosyczne, opare na analizie widma prądu zasilaącego nie zapewniaą wysoiego prawdopodobieńswa rafności diagnoz. Dlaego eż celowe es opracowanie nowe meody diagnosyczne do wyrywania uszodzeń łożys w silniach inducynych na podsawie pomiaru i analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego maszynę a aże opracowania wspomaganego ompuerowo sanowisa wraz z sysemem do wniosowania diagnosycznego. Działania e umożliwią poprawę rafności oceny sanu echnicznego łożys, zmnieszaąc ym samym liczbę awarii maszyn, co związane es ze zmnieszeniem zagrożenia dla życia ludziego, środowisa nauralnego oraz ze wzrosem eonomiczne efeywności esploaowanych maszyn. Tezy szczegółowe pracy. Diagnosya silniów inducynych opara na analizie iloczynu warości chwilowych prądu i napięcia zasilaącego maszynę umożliwi poprawne wyrywanie i rozróżnianie uszodzeń łożys.. Opracowana meoda będzie posiadała nowe właściwości, niespoyane w doychczas znanych meodach. - 6 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny 3. Przegląd meod diagnosyi łożys w silniach inducynych W rozdziale ym zosały przedsawione wynii sudiów lieraurowych przeprowadzonych przez auora rozprawy. Omówiono podsawowe zagadnienia związane z budową łożys oraz ryeriami ich aości, nasępnie przedsawiono podsawowe przyczyny uszodzeń łożys. Doonano również przeglądu znanych z lieraury i sosowanych meod diagnosyi łożys silniów inducynych. Przedsawiono główne meody wibracyne oraz prądowe ze względu na fa, iż meody e są naczęście wyorzysywane do moniorowania sanu echnicznego łożys. 3.. Podsawowe informace doyczące diagnosyi łożys Sysemy nadzoru diagnosycznego łożys wyorzysuą sygnały generowane w węzłach łożysowych nadzorowanych maszyn. Z punu widzenia diagnosyi łożys ważne es a naczęssze onrolowanie zmian sanu dynamicznego maszyn w węzłach łożysowych, w celu oreślenia ypu uszodzenia oraz sopnia ego zaawansowania. Podeście aie pozwala zapobiec suom niespodziewanych awarii maszyn i wcześnie podąć odpowiednie działania zapobiegawcze oraz naprawcze. Moniorowanie sanu dynamicznego węzłów łożysowych umożliwia przeprowadzenie remonów, óre wyniaą z aualnego sanu echnicznego maszyny, co pozwala również na zaniechanie, nieednoronie przedwczesnych, remonów zapobiegawczych, związanych z czasem pracy dane maszyny oraz remonów poawarynych, w przypadu wysąpienia awarii [9,, 30, 68, 79]. Przeprowadzanie remonów, uwarunowanych sanem maszyny, umożliwia wyznaczenie opymalnego czasu porzebnego na obsługę echniczną, co pozwala na oszczędności finansowe, związane z ponoszeniem oszów na nieporzebne przeglądy i nieprzewidziane awarie. Obsługa echniczna maszyn opara na moniorowaniu ich sanu echnicznego es naańszą meodą esploaaci maszyn i pozwala na wyonywanie napraw maszyn wedy, gdy wymaga ego ich san echniczny [30, 68]. - 7 -
3.. Budowa łożys Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Właściwa onsruca i dobór łożysa powinny pozwolić na uzysanie a namnieszych oporów ruchu przy przenoszeniu obciążenia z elemenów wiruących na orpus a aże doładne pozyconowanie części wiruących [7, 3]. Pod względem budowy łożysa dzielą się na dwa podsawowe rodzae: ślizgowe i oczne. W łożysach ślizgowych nie wysępuą ruchome elemeny pośredniczące. Czop wału lub inny obroowy elemen umieszczony es w cylindryczne panewce (części łożysa współpracuące z czopem) z pasowaniem luźnym. Powierzchnia czopa wału ślizga się po powierzchni panewi lub bezpośrednio po powierzchni oworu łożysa. Oznacza o, iż w czasie pracy wysępue arcie ślizgowe. Dla prawidłowego funconowania łożys ślizgowych onieczne es odpowiednio dobrane ich smarowanie. Ze względu na rodza środa smarnego i echnii smarowania łożysa ślizgowe dzielą się na: a) suche w órych smarowanie odbywa się oresowo smarem sałym bądź eż procesu smarowania nie przeprowadza się w ogóle, b) powierzne w órych odległość pomiędzy panewą a wałem urzymywana es przez poduszę powierzną, wywarzaącą się na sue dosarczania do panewi sprężonego powierza, c) oleowe w órych w części orpusu łożysa znadue się ole. W łożysach ych podczas ruchu wału wywarza się ciena warswa oleu (zw. film oleowy). Łożysa oleowe można podzielić na: hydrodynamiczne w órych nasępue samoczynne worzenie filmu oleowego (w ym wypadu w łożysu ślizgowym musi isnieć ieszeń smarna). Smarowaniem hydrodynamicznym es smarowanie zw. pierścieniem luźnym, hydrosayczne w órych ole dosarczany es do panewi pod ciśnieniem [7, 3, 36]. Łożysa ślizgowe naczęście sosowane są w drobnych onsrucach o bardzo małych obciążeniach (np. w zegarach), w urządzeniach pracuących przy dużych prędości obroowych, w syuacach, w órych onieczne es sosowanie łożys dzielonych sranych, przy przenoszeniu dużych obciążeń oraz przy obciążeniach udarowych, gdy wymagane es łumienie drgań wału. - 8 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Znacznie częście wyorzysywane są łożysa oczne. Podsawowymi elemenami łożysa ocznego są: elemeny oczne, oszy, pierścienie (zewnęrzny i wewnęrzny) z bieżniami. Budowa łożysa ocznego przedsawiona es na rysunu 3.. Elemenami ocznymi w łożysu ocznym są uli lub wałeczi o szałcie walca, soża bądź baryłi. Elemeny e przeaczaą się pomiędzy bieżniami pierścieni łożysa, przenosząc obciążenia w ruchu łożys. Rys.3.. Budowa łożysa ocznego [36] W łożysu ocznym wyróżnia się bieżnie: główną, óra przenosi obciążenia w głównym ierunu działania łożysa, oraz bieżnie pomocnicze, służące do przenoszenia obciążeń działaących w innym ierunu niż główny i prowadzenia elemenów ocznych. Pierścień zewnęrzny łożysa osadzony es w oprawie, naomias pierścień wewnęrzny umieszczony es na czopie wału [7, 3, 48]. Ważnym elemenem łożysa es oszy, órego zadaniem es oddalanie od siebie elemenów ocznych, eliminowanie arcia ślizgowego pomiędzy elemenami ocznymi i zapewnienie ich równomiernego rozmieszczenia na obwodzie łożysa, nieiedy również ich prowadzenie. Ponado oszy zapewnia urzymanie zwarości łożysa, a przede wszysim nierozłączności zespołu elemenów ocznych [7, 3, 36]. W celu zapewnienia niezawodności pracy łożys ocznych onieczne es ich odpowiednie smarowane. Środe smaruący łożysa oczne worzy między elemenami ocznymi, bieżniami i oszyami warswę oddzielaącą, zapobiegaąc zawisom arcia mealu o meal. Głównym zadaniem smaru es zaem zmnieszenie ściernego i zmęczeniowego zużycia powierzchni. Środe smarny zabezpiecza również powierzchnie łożys przed orozą. Do smarowania łożys używa się dwóch rodzaów środa smarnego: w łożysach pracuących w emperaurze do 70 C sosue się smary plasyczne; w emperaurze wyższe od 80 C lepsze wynii osiąga się przy sosowaniu - 9 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny oleów mineralnych. Dobór odpowiedniego smaru i sysemu smarowania zależy od rodzau łożysa i ego warunów pracy. Ze względu na rodza smaru oraz echnię uszczelnienia łożysa oczne można podzielić na: a) łożysa uszczelnione w órych uszczela naczęście es wyonana z worzywa szucznego a łożyso smarowane es smarem plasycznym, órego rwałość użyowa es dłuższa od rwałości łożysa. W ym wypadu na ogół nie ma onieczności dodaowego smarowania łożysa, b) łożysa z uszczelnieniem częściowym, w órych wypływaniu smaru plasycznego zapobiega uszczelnienie wyonane w posaci mealowego pierścienia, c) łożysa bez własnych uszczelnień, w órych uszczelnianie odbywa się poprzez specalne porywi z uszczelami gumowymi lub z worzyw szucznych, zamonowane na ońcu osi lub na wale. Ważne es aby w ażdym przypadu maeriał, z órego wyonano uszczeli był odpowiedni do rodzau oleu lub smaru plasycznego [7, 3, 48]. Do naważnieszych zale łożys ocznych można zaliczyć: mnieszy współczynni arcia niż onwenconalnych ślizgowych łożys hydrodynamicznych nieznacznie więszy od inemaycznego sayczny współczynni arcia, co powodue małą wrażliwość na waruni pracy czyli rozruch i zarzymanie urządzenia, dużą szywność podparcia, małą wrażliwość na rodza subsanci smarowne, ławy monaż i demonaż. Łożysa oczne ławo przenoszą drgania na obudowę, w związu z czym ich praca wywołue wysoi poziom szumu, co sanowi wadę z punu widzenia onsrucynego maszyny. Szum en może być edna wyorzysany ao sygnał diagnosyczny, umożliwiaący moniorowanie sanu echnicznego łożys w czasie ich normalne pracy, bez onieczności demonażu silnia. [7, 9,, 3, 36, 48] - 0 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny 3.3. Uszodzenia łożys Uszodzenia łożys obawiaą się ubyiem lub znieszałceniem ich masy, co prowadzi do całowiego zniszczenia łożysa. W normalnych warunach pracy przy zrównoważonym obciążeniu poawiaą się uszodzenia wsue zmęczenia maeriału. Defey e na ogół maą posać pęnięć zloalizowanych pod powierzchnią bieżni oraz elemenów ocznych, óre sopniowo powięszaą się przyczyniaąc się do generowania dodaowych wibraci oraz wzrosu poziomu hałasu podczas pracy łożysa. Dalsze narażenia łożys prowadzą do poawienia się pęnięć powoduących wyłuszczenie obszaru bieżni i elemenów ocznych. Rozrasaące się wyłuszczenie prowadzi do zanieczyszczenia smaru i powodue loalne przeciążenia na całym obwodzie bieżni, co suue nierównomierną pracą łożysa [30, 48, 68]. Na rozwó uszodzeń i przyspieszenie ego procesu wpływ ma szereg różnych czynniów. Generalnie źródła powsawania uszodzeń łożys można podzielić na dwie grupy [30, 68, 69]: a) uszodzenia nauralne, b) uszodzenia przedwczesne. Uszodzenia nauralne powsaą w wyniu zużycia i przeroczenia nominalne rwałości. Naomias przyczyn powsawania uszodzeń przedwczesnych es wiele i można ua wyróżnić: niewłaściwie przeprowadzony proces monażowy (es o naczęssza przyczyna przedwczesnych uszodzeń łożys). Naczęście es o uszodzenie uszczelnień, złe przyręcenie ołnierza czy niedoładne oczyszczenie oprawy, niewłaściwie przeprowadzony proces producyny niedosaeczne wyończenie elemenów podczas szlifowania bądź nieodpowiednia obróba cieplna, błędy w sonsruowanym węźle łożysowym - np. znaczne luzy w obudowie i nieudanym pasowaniu, nieodpowiednie dobranie łożysa do warunów pracy (przeciążenie łożysa), niewłaściwy przeró obudowy lub zła geomeria, waruni zewnęrzne wpływaące bezpośrednio na pracę łożysa np. oroza, drgania zewnęrzne, przepływ prądu elerycznego, nieodpowiednią obsługę węzła onsrucynego. - -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny W celu zdefiniowania ryeriów aości łożys wprowadzono nasępuący zesaw cech [9, 0,, 68]: rwałość (T) czas pracy w danych warunach pracy, doładność rozumiana ao wielość chwilowego odchylenia środa łożysa od pozyci (D) robocze, opory ruchu (R) wielość momenu napędowego wymaganego do urzymania zadanych obroów, poziom drgań (V), poziom hałasu generowanego przez łożyso (). Na podsawie przedsawionego powyże zesawu cech sformułowano nasępuące ogólne ryerium aości łożys Q [0, 63]: Q = a T b D c R d e V (3.) gdzie: a, b, c, d, e współczynnii wagowe. Ze względu na wzaemną zależność poziomu drgań i pozosałych cech opisuących aość łożysa można zapisać równanie (3.) posaci: Q V (3.) Z zależności (3.) wynia, że aość łożysa es odwronie proporconalna do poziomu drgań. Oznacza o, iż minimalne drgania łożysa świadczą o ego dobre aości, naomias więsze warości poziomu drgań oznaczaą obniżenie aości Q łożysa [0, 63]. Proces zużycia łożysa od poawienia się pierwszego obawu do całowiego zniszczenia przebiega w nasępuących rzech eapach [48, 63]:. faza szumowa,. faza drganiowa, 3. faza ermiczna. Pierwszy eap faza szumowa rwa od momenu rozpoczęcia pracy łożysa do poawienia się pierwszych maro uszodzeń. Obawia się ona szeroopasmowym - -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny szumem, órego warość szczyowa o ampliudzie przyspieszenia drgań es na poziomie 0, 0, g. Eap drugi faza drganiowa poawia się po fazie szumowe i es suiem coraz więszych ubyów masowych. Powodue o obniżenie warości przyspieszenia i średnie częsoliwości drgań. W osanim eapie - fazie ermiczne poawiaą się coraz więsze ubyi oraz znieszałcenia powoduące wzros oporów ruchu. Powsae silne arcie, powoduące wzros emperaury łożysa [48]. Niezależnie od mechanizmu powsania uszodzenia, łożysa oczne z defeem generuą mechaniczne wibrace o częsoliwościach związanych z prędościami obroowymi ego elemenów. Te częsoliwości, óre związane są z bieżniami i elemenami ocznymi mogą zosać wyznaczone na podsawie wymiarów łożysa i prędości obroowe silnia. Technia analizy mechanicznych wibraci sprowadza się przeważnie do obserwaci ych częsoliwości celem oreślenia sanu łożysa. Do częsoliwości charaerysycznych dla uszodzonego łożysa, óre mogą poawić się w widmie wibraci należą [5, 6, 8, 0, 3, 4, 5, 3, 35, 60, 68, 7, 7, 75]: a) częsoliwość oszya, b) częsoliwość przeaczania po zewnęrznym pierścieniu, c) częsoliwość przeaczania po wewnęrznym pierścieniu, d) częsoliwość ule. Częsoliwość oszya Ten elemen wibraci poawia się w syuaci, gdy eden z elemenów ocznych ma mnieszą lub więszą średnicę niż pozosałe. Poawiaą się wedy oscylace wału z częsoliwością: f c n B d n = cos 0,4 60 θ P (3.3) d 60 gdzie: f c częsoliwość oszya. - 3 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Częsoliwość przeaczania po zewnęrznym pierścieniu Obecność e sładowe wynia z fau przeaczania się pierścienia po ulach, a nie po gładie powierzchni. Kona pierścienia z ażdą oleną ulą powodue przemieszczenie wału, co w onsewenci suue powsaniem wibraci o częsoliwości: f ou = n Bd 60 Pd n cosθ Nb 0,4 Nb (3.4) 60 gdzie: f częsoliwość przeaczania elemenów ocznych po zewnęrznym ou pierścieniu, n prędość obroowa [obr/min], N b B d P d liczba ule lub role, średnica uli lub roli [mm], średnica podziałowa łożysa [mm], θ ą naporu [ ]. Częsoliwość przeaczania po wewnęrznym pierścieniu Ta sładowa poawia się w przypadu, gdy wewnęrzna bieżnia łożysa nie es doładnie orągła, lecz ma ubye. W chwilach onau elemenów ocznych z ubyiem bieżni nasępue przemieszczenie wału, co w onsewenci powodue powsanie wibraci o częsoliwości: f in n = 60 fc N b = n Bd 60 Pd n cosθ Nb 0,6 Nb (3.5) 60 gdzie: f częsoliwość przeaczania po wewnęrznym pierścieniu. in Częsoliwość ule Ta sładowa wibraci poawia się, gdy szał uli nie es idealnie orągły. W chwilach onau bieżni łożysa z nieregularną ulą nasępue przemieszczenie wału, co powodue w onsewenci poawienie się wibraci o częsoliwości: - 4 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny n P d Bd f = cos θ rol (3.6) 60 Bd Pd gdzie: f częsoliwość ule. rol Ze wzorów (3.4) i (3.5) na częsoliwość przeaczania się elemenów ocznych po zewnęrznym f ou i wewnęrznym pierścieniu f in wynia, iż do wyznaczenia częsoliwości charaerysycznych onieczna es znaomość onsruci łożysa. Jedna częsoliwości charaerysyczne bieżni dla więszości łożys o liczbie ule między 6 a można wyznaczyć na podsawie przybliżonych zależności: f f ou in = 0,4 n f (3.7) = 0,6 n f r r (3.8) gdzie: f częsoliwość przeaczania się ule po bieżni zewnęrzne, ou fin n fr częsoliwość przeaczania po wewnęrznym pierścieniu, liczba ule w łożysu, częsoliwość obroowa wirnia silnia. Powyższe zależności pozwalaą zdefiniować zaresy częsoliwości, w órych należy poszuiwać sładowych o częsoliwościach przeaczania się elemenów ocznych po bieżni wewnęrzne lub zewnęrzne, bez porzeby doładne znaomości budowy łożysa [8, 0, 4, 60, 74, 75]. Nie umożliwiaą one edna doładnego oreślenia częsoliwości sładowych charaerysycznych dla oreślonych ypów uszodzeń łożys, co w przypadu meod wyorzysuących do analizy sygnału widmo o duże rozdzielczości może spowodować błędną deecę sładowych. 3.4. Wybrane meody diagnosyi łożys Meody diagnosyi łożys polegaą na pomiarze i analizie sygnałów diagnosycznych wywarzanych wsue powsawania uszodzeń lub nieprawidłowego monażu łożys. W diagnosyce łożys ocznych silniów inducynych sosowane są meody opare na różnych podsawach fizycznych. Naczęście są o pomiary wibraci, - 5 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny emperaury, zawis ausycznych i prądu [5, 3, 68, 69]. Dosępne na rynu urządzenia do diagnosyi łożys przeważnie wyorzysuą meody wibracyne. 3.4.. Meody wibroausyczne diagnosyi łożys Wśród meod wibroausycznych diagnosyi łożys ocznych można wyróżnić meody opare na pomiarach emiowanych drgań, pomiarach emiowanego hałasu, pomiarach impulsów udarowych oraz meodę obwiedni wysooczęsoliwościowe [4, 9, 0,, 48, 68]. 3.4... Pomiar emiowanych drgań Meody opieraące się na pomiarze emiowanych drgań, opieraą się na śledzeniu endenci zmian poziomu drgań w szeroich pasmach częsoliwości (0 z 0 z) w czasie. Warości graniczne drgań łożys oreślone są w odpowiednich normach międzynarodowych i raowych publiacach [4, 4, 48]. Zaleami ego ypu meod są: wniosowanie o sanie echnicznym maszyny na podsawie ednego pomiaru, prosa obsługa oraz nisa cena oprzyrządowania. Meody e nie pozwalaą edna na precyzyne oreślenie rodzau uszodzenia, nie umożliwiaą aże opracowania prognozy dalszego rozwou uszodzenia. Dane uzysane z pomiarów na ogół charaeryzuą się dużą nieednoznacznością. Jes o wyniiem zarówno podaności na załócenia z innych źródeł drgań, a również dużych rudności w ocenie sympomów przy nisim poziomie ampliud badanych sygnałów. Trudności w loalizaci przyczyn nadmiernego poziomu drgań sprawiaą, że meody e sosowane są we wsępnych diagnozach sanu łożys ocznych. 3.4... Pomiar impulsów udarowych Jeżeli w łożysu wysępue mealiczny ona współpracuących powierzchni, o w rezulacie powsaą siły dysrene, odzwierciedlaące się w przebiegu czasowym drgań łożys w posaci charaerysycznych impulsów udarowych. Szeroość ych impulsów, zależna es od charaeru uszodzenia oraz warunów pracy łożysa. Impulsy e na ogół są zby małe, aby wzbudzić obszary drgań własnych maszyny w zaresie iludziesięciu z. Obserwaca obszarów drgań własnych pozwala na wyizolowanie impulsów z ogólnego sygnału drganiowego, co umożliwia - 6 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny diagnozowanie sanu łożys na podsawie uzysanych impulsów udarowych [9,, 48, 68, 69]. Meoda a pozwala na uzysanie dobrych rezulaów w dziedzinie oceny sanu echnicznego łożys, posiada edna dwie wady. Pierwszą wadą es onieczność odseparowania sygnałów diagnosycznych od załóceń pochodzących z innych źródeł niż łożysa. Drugą wadą e meody es bra powarzalności charaerysy mobilności węzłów łożysowych, co powodue onieczność indywidualnego poszuiwania obszarów drgań własnych, nawe dla węzłów o idenyczne onsruci. Wśród meod diagnosyi łożys, oparych na pomiarze impulsów udarowych można wyróżnić: a) SPM, b) pomiaru współczynnia szczyu, c) pomiaru urozy. a) Meoda SPM (ang. Shoc Pulse Mehod) Meoda SPM es edną z nabardzie znanych i nalepie rozpowszechnionych meod w dziedzinie diagnosyi wibracyne [4, 8, 48, 68]. Problem brau powarzalności charaerysy mobilności węzłów łożysowych w e meodzie rozwiązany zosał poprzez deecę i pomiar impulsów udarowych w obszarze rezonansowym przewornia drgań. Podeście o pozwoliło na doświadczalne usalenie sali oceny aości łożys, przy uwzględnieniu wielość łożysa i ego prędości obroowe. Empirycznie oreślono prędość uderzeń pracuącego poprawnie [48]: v n łożysa v n = β n d γ (3.9) gdzie: n prędość obroowa łożysa [obr/min], d średnica wewnęrzna łożysa [mm], β, γ współczynnii usalone doświadczalnie. Ocena sanu łożysa polega na porównaniu aualnie zmierzonego poziomu prędości uderzeń z poziomem oreślonym dla łożysa pracuącego poprawnie. Meodę ą cechue możliwość analizy rendu, oraz możliwość wczesnego wyrywania uszodzeń. Wadą es naomias duża zależność wyniów pomiarów od sposobu zamocowania przewornia oraz bra możliwości idenyfiaci rodzau - 7 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny uszodzenia łożysa. W onsewenci na podsawie wyniów pomiarów meodą SPM nie można uworzyć prognozy czasu pracy maszyny do wysąpienia awarii. Koleną wadą e meody es fa, iż w maszynach wolnoobroowych (prędości obroowe rzędu 50 00 obr/min) w łożysach nieuszodzonych również wysępuą impulsy udarowe. Diagnozowanie ego ypu maszyn meodą SPM dae mało wiarygodne wynii. b) Pomiar współczynnia szczyu Meoda a opiera się na sprawdzeniu sosunu warości szczyowe sygnału do ego warości sueczne w danym zaresie częsoliwości [48]. Naczęście mierzone es przyspieszenie drgań: C = a a (3.0) gdzie: a warość szczyowa ampliudy przyspieszeń drgań, a warość sueczna ampliudy przyspieszeń drgań. W meodzie e isona es obserwaca zmiany sosunu w czasie wzros sosunu warości wsazue na pogorszenie sanu łożysa. Wadą e meody es onieczność wyonywania pomiarów wraz z począiem użyowania łożysa w celu oreślenia rendu rozwou uszodzeń i prognozy czasu pracy urządzenia do awarii. Prognoza a es edna mało precyzyna. c) Pomiar urozy Jes o saysyczna meoda opara o pomiar współczynnia urozy ( impulsywności ) K sygnału przyspieszenia drgań. Prayczny esymaor procesu opisany es zależnością [5, 7, 77, 78]: K ( x u) 4 E = (3.) σ gdzie: E esymaor warości oczeiwane, x zmienna losowa, u warość średnia, σ odchylenie sandardowe. - 8 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Dla sygnału o gaussowsim rozładzie ampliud, bezwymiarowy współczynni K es równy 3. Jeśli uroza przymue warość więszą niż 3 może o świadczyć o spłaszczeniu rozładu, óry prawdopodobnie związany es z wysępowaniem impulsów w sygnale czasowym. Wielość współczynnia K zależna es od zaresu częsoliwości, w órym doonywany es pomiar. Nie zależy edna od prędości i obciążenia łożysa. Meoda umożliwia ocenę uszodzenia łożysa bez znaomości hisorii pracy urządzenia. Do oceny sanu łożysa na ogół wysarczaący es poedynczy pomiar. Wadą e meody es fa, iż w przypadu poawienia się sygnałów impulsowych innych niż pochodzące od łożysa, zwyle nie es możliwe osiągnięcie dobrych rezulaów diagnosycznych [77]. 3.4..3. Pomiar emiowanego hałasu Meoda częście sosowana do oreślenia źródeł hałasu niż do diagnosyi esploaacyne. Powodem ego es fa, iż badania naczęście przeprowadzane są w warunach przemysłowych, gdzie pomiar hałasu emiowanego przez onreny węzeł łożysowy es bardzo rudny. Mirofon pomiarowy odbiera hałas, óry es wypadową fal ausycznych pochodzących z różnych źródeł. Meoda rzado sosowana, ze względu na słabe możliwości diagnozy i onieczność przeprowadzania pomiarów w warunach laboraorynych w celu uzysania miarodanych wyniów. 3.4..4. Meoda obwiedni wysooczęsoliwościowych Jes o nabardzie rozpowszechniona meoda diagnosyi wibroausyczne łożys. Na ogół uważana es za napewnieszą dla zasosowania w diagnosyce wibroausyczne łożys. Meoda pozwala na doładne oreślenie rodzau uszodzenia, sopnia ego zaawansowania a aże umożliwia wyrycie uszodzeń we wczesne fazie rozwou [4, 48, 68]. Sposób polega na specyficzne analizie drgań rezonansowych maszyny. Króorwałe impulsy widoczne w przebiegach czasowych sygnału drganiowego maszyny mogą być spowodowane uszodzeniami elemenu ocznego, oszya lub prześciem elemenu ocznego przez punowe uszodzenie bieżni łożysowe. Defey łożysa powoduą generacę ciągów udarowych z częsoliwościami charaerysycznymi (zależności od 3.3 do 3.6) dla poszczególnych elemenów łożysa, óre naładaą się na całowiy sygnał drganiowy w puncie pomiaru. Udary e - 9 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny wzbudzaą do drgań rezonansowych onsrucę maszyny w ym obudowę łożysa, powoduąc wzros poziomu sładowych woół częsoliwości rezonansowych. Isoa meody obwiedni sprowadza się do wydzielenia przebiegu nisoczęsoliwościowego A() z mierzonego sygnału s() i doonania analizy speralne z przebiegu A(): s ( ) = A( )* f ( ) (3.) gdzie: A() przebieg oresowy nisoczęsoliwościowy, f() moduluący przebieg wysooczęsoliwościowy. W rezulacie analizy w widmie drgań poawiaą się sładowe harmoniczne, órych częsoliwości oreślaą rodza uszodzenia, a ich ampliuda związana es z głęboością uszodzenia. W abeli 3. zesawiono częsoliwości sładowych widma wibraci charaerysyczne dla oreślonych ypów uszodzeń łożys ocznych. Wyorzysanie analizy widmowe w połączeniu z analizą obwiedni pozwala na precyzyne oddzielenie informaci o uszodzonym łożysu ocznym od załóceń zewnęrznych i umożliwia śledzenie rozwou uszodzenia łożys [68]. Do zale meody obwiedni należą: częsoliwości mierzonych wibraci, przy e meodzie mieszczą się zwyle w przedziale 0-5 z, możliwość odseparowania użyecznych informaci diagnosycznych od wpływu załóceń zewnęrznych, możliwość diagnozy na podsawie poedynczego pomiaru, bez znaomości hisorii pracy maszyny, możliwość doładnego oreślenia rodzau uszodzenia, możliwość oreślenia sopnia zaawansowania uszodzenia, możliwość opracowania prognozy czasu pracy maszyny do awarii. Wadą meody obwiedni es onieczność doładne znaomości onsruci i geomerii łożysa, prędości obroowe wału oraz wysępowania obszarów rezonansowych. - 30 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny Tabela 3.. Częsoliwości sładowych widma wibraci charaerysyczne dla oreślonych ypów uszodzeń łożys ocznych [0, 30, 68] Typ uszodzenia Obró wirnia doooła zewnęrznego pierścienia Nieednorodne promieniowe naprężenia w łożysu Nieosiowe usawienie zewnęrznego pierścienia Główne częsoliwości moduluące f r f r f ou Uwagi Zużycie zewnęrznego pierścienia f ou Ubyi na zewnęrznym pierścieniu f ou ; =,, 3, Zani ampliud ze Zużycie wewnęrznego pierścienia f r ; =,, 3, wzrosem Wgłębienia na wewnęrznym pierścieniu f in Zużycie oszya i elemenów ocznych f c lub (f r - f c ) Wgłębienia i odprysi na elemenach ocznych łożysa f rol ; =,, 3, Uszodzenia ilu powierzchni łożysa f ou f in = n f r lub Bra fou - f r lub (fr - f c )(n ) (fr - f c )(n ) Obró pierścienia w gnieździe łożysa f r ; =,, 3, Wady smarowania Wzros poziomu drgań 3.4.. Meody prądowe diagnosyi łożys Zdarzaą się syuace, w órych bezpośredni dosęp do maszyny, w óre należy przeprowadzić czynności diagnosyczne nie es możliwy lub eż zbliżenie się do nie może być niebezpieczne dla obsługuącego ą personelu. Alernaywą dla meod wibracynych es wyorzysanie do diagnosyi łożys wielości elerycznych zasilaących silni. Naczęście sosowana es meoda analizy widma prądu zasilaącego maszynę [30, 67, 68]. Meoda a polega na moniorowaniu prądu soana i wyorzysue fa, że sładowe harmoniczne ego prądu zależą bezpośrednio od rozładu pola magneycznego w szczelinie powierzne pomiędzy wirniiem i soanem. Ponieważ wirni obraca się przy udziale łożys, ażde ich uszodzenie powodue promieniowy ruch wirnia i odchylenie od normalnego położenia. Konsewencą ego zawisa es zmiana wzaemnego położenia wirnia względem soana, co suue - 3 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny zmianą wielości szczeliny powierzne pomiędzy nimi. Zmiany e powoduą nierównomierność rozładu induci magneyczne. Nierównomierność a opisywana es ao ombinaca odchylenia w ierunu zgodnym i przeciwnym do wirowania wirnia. Nasępswem e nierównomierności es zmiana inducyności uzwoeń silnia, co suue poawieniem się dodaowych sładowych harmonicznych prądu soana. Częsoliwości f e ych sładowych opisane są zależnością [6, 4, 5, 35, 5, 67, 68, 7, 74]: f s = f = f ± (3.3) p e f r gdzie: f częsoliwość napięcia sieci zasilaące [z], fr częsoliwość roaci wirnia [z], s poślizg wirnia, p liczba par biegunów silnia, współczynni równy,, 3 Ponieważ łożysa ulowe wspieraą wirni, wszelie defey łożysa wywołuą ruch promieniowy między wirniiem a soanem silnia. Mechaniczne przemieszczenia, óre wyniaą z uszodzeń łożys, powoduą zmiany szczeliny powierzne silnia w sposób, óry można opisać ao ombinacę escenryczności wiruących w ierunu zgodnym z ieruniem ruchu wirnia i przeciwnym do ruchu wirnia. Zmiany e odpowiedzialne są za powsanie harmonicznych prądu soana o możliwych do oreślenia częsoliwościach f g, związanych z częsoliwościami wibraci silnia i częsoliwością zasilania w nasępuący sposób: f = f ± (3.4) g f gdzie: fg f częsoliwość harmoniczne prądu soana [z], edna z charaerysycznych częsoliwości wibraci [z], Częsoliwości charaerysyczne wibraci łożys można oreślić na podsawie znanych zależności, opisanych w rozdziale 3.3. W publiaci [68] przedsawiono meodę pomiarową, polegaącą na analizie widmowe sygnału prądu soana i deeci sładowych o częsoliwościach związanych z uszodzeniami łożys, opisaną w rozdziale 3.4... - 3 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny 3.4... Meoda analizy widma prądu soana w sanie pracy usalone Diagnosya łożys w silniu inducynym opara o analizę widma prądu soana w sanie pracy usalone polega na obserwaci częsoliwości charaerysycznych związanych z onsrucą łożysa (rozdział 3.3). Obecność sładowych harmonicznych o częsoliwościach charaerysycznych w widmie prądu zasilaącego świadczy o obecności defeu. Naomias ampliudy ych sładowych zależą zarówno od momenu obciążenia silnia a i od rozmiaru uszodzenia. W promieniowo obciążonych łożysach miesca syu bieżni i ule podlegaą nawięszym obciążeniom. Fa en powodue powsanie uszodzeń na sue zmęczenia maeriału przede wszysim ych elemenów łożysa. Częsoliwość obrou uli es wywołana ruchem obroowym woół własne osi ażde uli. Ponieważ uszodzenie na powierzchni uli będzie syało się zarówno z wewnęrzną a i z zewnęrzną bieżnią podczas ażdego obrou, częsoliwość uszodzenia uli będzie równa dwurone częsoliwości wibraci, wyznaczone ze wzoru (3.6). Naomias uszodzenia oszya suuą zazwycza unieruchomieniem ule, co prowadzi do ślizgania się ule po bieżni. Wsue ego zawisa generowane są wibrace wysoie częsoliwości. Sładową o nawięsze ampliudzie, obecną w widmie częsoliwościowym prądu soana es sładowa podsawowa napięcia zasilaącego. Ampliuda e sładowe es znacznie więsza od ampliud sładowych o częsoliwościach charaerysycznych dla uszodzeń łożys. Fa en w dużym sopniu urudnia deecę sładowych charaerysycznych dla uszodzeń. Dlaego w celu zmnieszenia ampliudy sładowe podsawowe napięcia zasilaącego i podniesienia doładności pomiaru sładowych o częsoliwościach związanych z uszodzeniami łożys zasosowano ułady ondyconowania sygnałów. Auor publiaci [68] wyorzysał adapacyny filr środowo zaporowy, eliminuący sładową podsawową napięcia zasilaącego i nadążaący za zmianami częsoliwości sładowe podsawowe sieci zasilaące. Nasępnie sygnał pomiarowy es wzmacniany oraz poddawany filraci przez filr anyaliasingowy. W e meodzie analizy widma prądu soana orzymane przebiegi prądu ransformowane są na posać cyfrową. Sygnały dale poddawane są analizie widmowe poprzez zasosowanie szybie ransformay Fouriera (FFT). Analizę wyonue się przy wyorzysaniu widma sygnału - 33 -
Meoda diagnosyi łożys na podsawie analizy przebiegów prądu i napięcia zasilaącego silni inducyny prądu o rozdzielczości /8 z. Dale doonue się wyodrębnienia z widma poszuiwanych sładowych o częsoliwościach charaerysycznych dla uszodzeń łożys. Auor publiaci [68] doonue oceny sanu echnicznego łożys na podsawie analizy 63 sładowych widma prądu, powsałych w wyniu zmodulowania częsoliwością charaerysyczną dla uszodzenia sładowych prądu silnia wyniaących z napięcia zasilaącego i/lub prędości obroowe. Obecność powyższych sładowych świadczy o poawieniu się uszodzenia w łożysu naomias ampliudy ych sładowych powiązane są ze sopniem zaawansowania uszodzenia. Przyładowy schema bloowy uładu pomiarowego do diagnosyi łożys silniów inducynych meodą analizy widma prądu soana przedsawiony zosał na rysunu 3.3 [68]. N L3 L L P FN W FA A/C K M Rys.3.3. Schema bloowy uładu pomiarowego do diagnosyi łożys silniów inducynych poprzez pomiar i analizę widmową prądu zasilaącego: M maszyna badana, P przeworni prądowy, FN filr środowo-zaporowy, W wzmacniacz sygnału, FA filr anyaliasingowy, A/C przeworni analogowo-cyfrowy, K ompuer lasy PC Do zale e meody należy zaliczyć dużą liczbę rodzaów uszodzeń przez nią wyrywanych oraz możliwość sosowania w miescach niedosępnych dla personelu. Wadą meody analizy widma prądu soana es dosyć rudne wyszuiwanie harmonicznych w widmie prądu soana, ponieważ ampliudy sładowych, związanych z uszodzeniami łożys, są niewielie w porównaniu z innymi sładowymi widma prądu, a zaem meoda nie nadae się do wyrywania uszodzeń w ich wczesne fazie. - 34 -