Pomiary hałasu Zakres ćwiczenia 1) Identyfikacja hałasu wywołanego: a drganiami kadłuba silnika związanymi z: - degradacją stanu technicznego łożysk, - zjawiskami strykcyjnymi, - siłami pochodzenia magnetoelektrycznego - niewyważeniem wirnika c przepływem areodynamicznym (pracą wentylatora). Obiektami pomiarowymi są silniki indukcyjne Wiefama STK90 S-2 o następujących danych znamionowych: Moc znamionowa: 1,5 kw Napięcie zasilania: 380/220V Prąd znamionowy: 3,7 A Obroty znamionowe: 2780 obr/min cosφ: 0,82 Dodatkowe dane dla celów diagnostycznych: Ilość par biegunów: p = 1 Ilość zębów stojana: z s = 24 Ilość zębów wirnika: z w = 17 (ze skosem) Łożyska: 6205 Z Ilość łopatek wentylatora: l w = 10 Należy zarejestrować sygnał akustyczny emitowany przez trzy identyczne silniki indukcyjne, o różnym zakresie degradacji stanu technicznego (różnym rodzaju uszkodzeń). Badania należy przeprowadzić w stanie jałowym. Pomiarów drgań dokonujemy kolejno dla trzech kierunków położenia mikrofonu pomiarowego: - wzdłuż osi wirnika, - poziomo, poprzecznie do osi wirnika, - pionowo, poprzecznie do osi wirnika. Odległość pomiędzy powierzchnią obiektu a mikrofonem powinna wynosić ~ 3 x największy wymiar obiektu, w tym wypadku 1 m. Do pomiaru należy użyć mikrofonu zintegrowanego ze wzmacniaczem (zakres pomiarowy: 50, 60, 70, 80, 90 i 100 db) i miernikiem poziomu ciśnienia akustycznego [db] - SM3. Urządzenie dodatkowo wyposażone jest w filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia 5 khz. Napięciowy sygnał wyjściowy mikrofonu pomiarowego podawany jest na wejście oscyloskopu (możliwość podglądu sygnału pomiarowego) i wejście Line in karty dźwiękowej komputera. W celu rejestracji sygnału wibracyjnego należy otworzyć aplikację Creative - Creative recorder. Następnie wybrać parametry rejestracji Recording Settings (częstotliwość próbkowania: 48 khz, bitów :16, sygnał monofoniczny, przepustowość: 94 kb/s), poziom rejestracji Recording Source (Line in: 50%, poprzez Creative Sourround Mixer) oraz określić katalog w którym zapisywane będą pliki z danymi pomiarowymi. Zaleca się zapisać pliki z danymi pomiarowymi w katalogu:
D:\halas. Plikom z danymi pomiarowymi nadawana jest automatycznie nazwa: Untitled001.wav przy czym wskaźnik zwiększany jest automatycznie przy każdym kolejnym pomiarze. Przed dokonaniem pomiarów wykorzystując opcję monitor należy odpowiednio dopasować wzmocnienie wzmacniacza mikrofonu (50, 60, 70, 80, 90 lub 100 db) tak, aby maksymalna amplituda sygnału pomiarowego mieściła się w zakresie pomiarowym karty dźwiękowej. Każdorazowo należy zarejestrować sygnał akustyczny o czasie trwania ok. 1,5 sek. (rejestrację rozpoczynamy przyciskając przycisk record w oknie interfejsu Creative Recorder, kończymy przyciskając przycisk stop ). Czas trwania pomiaru ukazuje się w oknie obok. Praktycznie oznacza to, że w chwili, gdy pojawi się czas pomiaru 1 sek. należy natychmiast zakończyć rejestrację. Pomiarów należy dokonać w określonej kolejności (Tabela 1): Tabela 1 Obiekt badany szum tła Silnik S 1 Silnik S 2 Silnik S 3 Położenie mikrofonu Czułość mikrofonu [db] Wskazania miernika poziomu ciśnienia akustycznego [db] plik z danymi pomiarowymi Untitled001.wav Untitled002.wav Untitled003.wav Untitled004.wav Untitled005.wav Untitled006.wav Untitled007.wav Untitled008.wav Untitled009.wav Untitled010.wav Opracowanie danych pomiarowych Pliki dźwiękowe z rozszerzeniem wav są akceptowane przez program narzędziowy Matlab. Wczytanie pliku dźwiękowego do przestrzeni roboczej i nadanie mu nazwy h z indeksem cyfrowym odpowiadającym indeksowi cyfrowemu plików typu wav odbywa się za pomocą komendy: h1 = wavread( nazwa_pliku ); Przed przystąpieniem do analizy częstotliwościowej sygnału pomiarowego należy go odpowiednio unormować. Normalizacja polega na wycięciu odcinka czasowego sygnału pomiarowego trwającego dokładnie 1 sekundę. W tym celu sprawdzamy ilość zarejestrowanych próbek instrukcją: r = size(d1);
odpowiedzią jest następująca informacja: r(1) = ilość wierszy (ilość próbek pomiarowych); r(2) = 1 (ilość kolumn), przy czym wektor danych pomiarowych p jest wektorem kolumnowym. Następnie instrukcją h1 = h1(r(1) 48000+1:r(1)); znormalizować wielkość pliku z danymi (długość danych pomiarowych) do 1 sekundy (1 sekunda sygnału pomiarowego zawiera 48000 próbek). Normalizacji dokonujemy na końcowym fragmencie danych pomiarowych, gdyż z uwagi na występujące stany nieustalone początkowy fragment sygnału pomiarowego może być zniekształcony. Tak przygotowane dane pomiarowe można poddać analizie częstotliwościowej: Y=fft(d1); y1=abs(y)*2/48000; y1(1) = 0; %transformata Fouriera zarejestrowanego %sygnału akustycznego; %normalizacja amplitudy, %1 - wskaźnik indeksowy pliku y z widmem %częstotliwościowym; %usunięcie składowej stałej. Wizualizacji charakterystyki częstotliwościowej dokonać można komendą: f=[1:24000]-1; plot(f,y1(1:24000)); grid; %oś częstotliwości, %częstotliwość składowej stałej = 0 W widmie częstotliwościowym odszukać należy drgania o częstotliwościach charakterystycznych dla danego rodzaju uszkodzenia maszyny: 1 - częstotliwość dźwięku związana z niewyważeniem wału (ekscentrycznością wirnika): f n = 1 * f obr, gdzie: f obr - częstotliwość obrotowa wirnika; 2 - częstotliwości dźwięku wywołane zjawiskami strykcyjnymi: f m = 2 * f zas ; gdzie: f zas - częstotliwość napięcia zasilającego badany silnik; 3 - częstotliwość dźwięku wywołana łopatkami wentylatora: f w = l w * f obr ; 4 - częstotliwość dźwięku wywołana przepływem aerodynamicznym (szerokie spektrum częstotliwości),
5 - częstotliwość drgań wywołanych strukturą żłobkowo-zębową stojana i ekscentrycznością wirnika: f s = f zas * ((z s ±k)/p * (1-s)) oraz f s = f zas * ((z s ±k)/p(1-s)+2), gdzie: k = 0 1, 2, 3,... s - poślizg wirnika, w wypadku pomiarów w stanie jałowym można praktycznie przyjąć, że s = 0; 6 - częstotliwości charakterystyczne związane z uszkodzeniem łożyska (obliczone dla łożyska 6205 Z przy użyciu kalkulatora dostępnego na stronie internetowej firmy SKF): Częstotliwość obrotowa bieżni wewnętrznej f i Częstotliwość obrotowa bieżni zewnętrznej f e Częstotliwość obrotowa koszyczka f c Częstotliwość obrotowa kulek łożyska f r Główna częstotliwość wibracji wywołanych uszkodzeniem bieżni wewnętrznej f ip Główna częstotliwość wibracji wywołanej uszkodzeniem bieżni zewnętrznej f ep Główna częstotliwość wibracji wywołanych uszkodzeniem kulki łożyska f rp Łożysko 6205 Z Prędkość obrotowa wału Prędkość synchroniczna Prędkość znamionowa 3000 obr/min 2780 obr/min 50 [Hz] 46,3 [Hz] 0 [Hz] 0 [Hz] 19,9 [Hz] 18,5 [Hz] 118 [Hz] 109 [Hz] Częstotliwości charakterystyczne uszkodzeń łożyska 271 [Hz] 251 [Hz] 179 [Hz] 166 [Hz] 236 [Hz] 218 [Hz] Znalezienie częstotliwości charakterystycznych w zakresie niskich częstotliwości bywa często trudne. Powtarzalne impulsy akustyczne związane z uszkodzeniem łożysk i pracą wentylatora powodują powstanie dodatkowych prążków ujawniających się we fragmencie części wysokoczęstotliwościowej widma, a nawet w całym widmie. Dlatego sygnał wysokoczęstotliwościowy należy poddać analizie poprzez wyznaczenie transformaty Fouriera obwiedni sygnału akustycznego podobnie jak to miało miejsce w przypadku analizy sygnału wibracyjnego. Dla wszystkich 9 zarejestrowanych sygnałów akustycznych należy odszukać częstotliwości charakterystyczne związane z układem wentylacyjnym, strukturą geometryczną badanego silnika indukcyjnego i jego potencjalnymi uszkodzeniami. W celu wyeliminowania ewentualnego wpływu otoczenia należy dodatkowo przeanalizować strukturę częstotliwościową sygnału szumu tła Wyniki analizy częstotliwościowej należy zapisać w Tabeli 2. Tabela 2 Badana maszyna Ocena stanu technicznego Silnik 1 Silnik 2 Silnik 3
Rodzaj uszkodzenia Położenie mikrofonu Uszkodzenie łożyska Niewyważenie dynamiczne Silnik bez wad wirnika Częstotliwości charakterystyczne znalezione w widmie sygnału akustycznego [Hz] 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 Dodatkowo należy określić, który z zarejestrowanych sygnałów niesie ze sobą najwięcej informacji diagnostycznych.
2) Pomiar mocy akustycznej Obiektem pomiarowym jest silnik komutatorowy szeregowy Celma o następujących danych znamionowych: Moc znamionowa: Napięcie zasilania: Prąd znamionowy: Obroty znamionowe: 400 W 220V 2,5 A 1450 obr/min Pomiaru dokonujemy mikrofonem wyposażonym we wskaźnik poziomu ciśnienia akustycznego w db. Pomiaru należy dokonać dla 5 prędkości obrotowych silnika (w zakresie dopuszczalnych prędkości obrotowych, pomiaru dokonujemy miernikiem optycznym bezkontaktowym), oraz dla trzech położeń mikrofonu. Z uwagi na to, że silnik komutatorowy szeregowy nie jest obciążony, należy zwrócić szczególną uwagę na proces regulacji prędkości obrotowej. W celu ułatwienia pozycjonowania mikrofonu należy posłużyć się prostopadłościanem odniesienia. Wyniki pomiaru należy umieścić w Tabeli 3. Tabela 3 Prędkość obrotowa [obr/min] Napięcie zasilania [V] 1000 ~39 2000 ~43 3000 ~47 4000 ~54 5000 ~59 Położenie mikrofonu Średnie ciśnienie akustyczne [db] Ciśnienie akustyczne [db] L px1 L px2 L px3 L pśr = (L px1 +L px2 +L px3 )/3 Moc akustyczna L N [W] Przy obliczaniu mocy akustycznej L N na podstawie znajomości ciśnienia akustycznego L pśr i odległości mikrofonu od powierzchni badanego obiektu r należy przyjąć, że powierzchnią zamkniętą otaczającą źródło dźwięku jest półkula o promieniu r. Wyniki obliczeń należy zamieścić w Tabeli 3. Na ich podstawie narysować wykres zależności mocy akustycznej od prędkości obrotowej silnika komutatorowego. Instrukcja jest uzupełnieniem ćwiczenia Pomiary drgań ze skryptu Laboratorium pomiarów maszyn elektrycznych. Instrukcję opracował Adam Biernat