Pomiary drgań Zakres ćwiczenia 1) Identyfikacja drgań wywołanych: a - wirowaniem niewyważonego wirnika maszyny elektrycznej, b - degradacją stanu technicznego łożysk, c - drgań wywołanych zjawiskami strykcyjnymi, d - drgań wywołanych 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 drgania radialne (w osi pionowej i poziomej - prostopadłych do osi wału) oraz drgania tarczy łożyskowej (w osi wału) dla trzech identycznych silników indukcyjnych, o różnym zakresie degradacji stanu technicznego (różnym rodzaju uszkodzeń). Badania należy przeprowadzić w stanie jałowym. Pomiarów drgań dokonujemy łącząc kolejno zamontowane na korpusie maszyny akcelerometry ze wzmacniaczem ładunku Rubel & Kjaer 2626 (przepinając odpowiednio oznaczone łącza BNC). Każdorazowo należy wyskalować wzmacniacz wprowadzając czułość przetwornika drgań. Wzmacniacz 2626 zaopatrzony jest w odpowiednie nastawy (Rys. 1.). Wyskalowane są one w [pc/g], natomiast czułość akcelerometrów podana jest (Tabela 1) w [mv/m/s 2 ]. Przeliczenia czułości należy dokonać zgodnie z zależnością: czułość [pc/g] = 1000 * czułość [mv/m/s 2 ] / 9.81, bowiem, jeśli pojemność główna wzmacniacza ładunku c wynosi 1 nf, a q [pc] = 1000(u [mv] * c [nf]), po odpowiednich podstawieniach i przekształceniach otrzymujemy: q [pc/g] = q [pc/m/s 2 ] / 9.81 = 1000 * (czułość [mv/m/s 2 ] * 10 3 * 1 [F] 10-12 ) / 9.81.
Obliczone nastawy czułości [pc/g] należy wpisać do Tabeli 1. Rys. 1. Wzmacniacz ładunku 2626. Opisano funkcje poszczególnych przełączników/nastaw Napięciowy sygnał wyjściowy wzmacniacza 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:\drgania. 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 ładunku Rruel&Kjaer 2626 (Volt/g out) tak, aby maksymalna amplituda sygnału pomiarowego mieściła się w zakresie pomiarowym karty dźwiękowej (zielone pole). Każdorazowo należy zarejestrować sygnał wibracyjny 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 Silnik S 1 Silnik S 2 Silnik S 3 czujnik drgań czułość [mv/m/s 2 ] czułość [pc/g] położenie czujnika plik z danymi pomiarowymi A 1 5,54 radialne - pionowe Untitled001.wav A 2 5,28 równoległe do osi wału Untitled002.wav A 3 6,00 radialne - poziome Untitled003.wav A 1 5,06 radialne - pionowe Untitled004.wav A 2 5,14 równoległe do osi wału Untitled005.wav A 3 5,26 radialne - poziome Untitled006.wav A 1 4,83 radialne - pionowe Untitled007.wav A 2 5,09 równoległe do osi wału Untitled008.wav A 3 6,27 radialne - poziome Untitled009.wav Wzmocnienie wzmacniacza ładunku [Volt/g] Opracowanie danych pomiarowych Pliki dźwiękowe z rozszerzeniem wav są akceptowane przez program narzędziowy Matlab. Wczytanie pliku dźwiękowego do przestrzeni roboczej i nadanie mu nazwy d z indeksem cyfrowym odpowiadającym indeksowi cyfrowemu plików typu wav odbywa się za pomocą komendy: d1 = 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 d1 = d1(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; %transformata Fouriera zarejestrowanego %sygnału wibracyjnego; %normalizacja amplitudy,
y1(1) = 0; %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 wibracji związana z niewyważeniem wału (ekscentrycznością wirnika): f n = 1 * f obr, gdzie: f obr - częstotliwość obrotowa wirnika; 2 - częstotliwości wibracji wywołane luzem mechanicznym: f m = 1/3 * f obr ; f m = 1/2 * f obr ; f m = 2 * f obr ; 3 - częstotliwości wibracji wywołane zjawiskami strykcyjnymi: f m = 2 * f zas ; gdzie: f zas - częstotliwość napięcia zasilającego badany silnik; 4 - częstotliwość wibracji wywołana łopatkami wentylatora: f w = l w * f obr ; 5 - częstotliwość drgań wywołanych strukturą żłobkowo-zębową stojana: f s = f zas * (z s /p(1-s)) oraz f s = f zas * (z s /p(1-s)+2), gdzie: s - poślizg wirnika, w wypadku pomiarów w stanie jałowym można praktycznie przyjąć, że s = 0; 6 - 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 = 1, 2, 3,...
7 - częstotliwości charakterystyczne związane z uszkodzeniem łożyska (obliczone dla łożyska 6205 Z przy użyciu kalkulatora dostępnego na stronie internetowej firmy SKF): Łożysko 6205 Z Prędkość obrotowa wału Prędkość synchroniczna 3000 obr/min Prędkość znamionowa 2780 obr/min Częstotliwość obrotowa 50 [Hz] 46,3 [Hz] bieżni wewnętrznej f i Częstotliwość obrotowa 0 [Hz] 0 [Hz] bieżni zewnętrznej f e Częstotliwość obrotowa 19,9 [Hz] 18,5 [Hz] koszyczka f c Częstotliwość obrotowa kulek łożyska f r 118 [Hz] 109 [Hz] Częstotliwości charakterystyczne uszkodzeń łożyska Główna częstotliwość 271 [Hz] 251 [Hz] wibracji wywołanych uszkodzeniem bieżni wewnętrznej f ip Główna częstotliwość 179 [Hz] 166 [Hz] wibracji wywołanej uszkodzeniem bieżni zewnętrznej f ep Główna częstotliwość wibracji wywołanych uszkodzeniem kulki łożyska f rp 236 [Hz] 218 [Hz] Znalezienie częstotliwości charakterystycznych w zakresie niskich częstotliwości bywa często trudne. Powtarzalne impulsy udarowe, jakimi są powtarzające się kolizje kulek łożyska z miejscem uszkodzenia bieżni wewnętrznej lub zewnętrznej albo kolizje miejsca uszkodzenia kulki z bieżnią wewnętrzną lub zewnętrzną powodują powstanie dodatkowych prążków ujawniających się we fragmencie części wysokoczęstotliwościowej widma, a nawet w całym widmie. Dlatego też wyraźnie zauważalny wzrost amplitud drgań w wysokoczęstotliwościowym zakresie widma jest dostatecznie silną przesłanką pozwalającą domniemywać występowanie uszkodzeń łożyska. Potwierdzeniem będzie odnalezienie częstotliwości charakterystycznych wibracji wywołanych uszkodzeniem łożyska. Procedura poszukiwań polegać będzie na wyprostowaniu przebiegu czasowego, wyznaczeniu obwiedni sygnału poprzez odfiltrowanie składowej niskoczęstotliwościowej a następnie wyznaczeniu transformaty Fouriera obwiedni sygnału. Przy użyciu programu narzędziowego Matlab sekwencja ta może zostać zrealizowana w sposób uproszczony następująco: Y=fft(abs(d1)); yo1=abs(y)*2/48000; yo1(1) = 0; %transformata Fouriera unormowanego %sygnału wibracyjnego poddanego procesowi %wyznaczania wartości bezwzględnej; %normalizacja amplitudy, %1 - wskaźnik indeksowy pliku; %usunięcie składowej stałej.
W wypadku uszkodzenia łożyska w niskoczęstotliwościowej części widma powinny pojawić się prążki odległe o jedną z głównych częstotliwości wibracji wywołanych właśnie uszkodzeniem łożyska. Dla wszystkich 9 zarejestrowanych sygnałach wibracyjnych należy odszukać częstotliwości charakterystyczne związane ze strukturą geometryczną badanego silnika indukcyjnego i jego potencjalnymi uszkodzeniami. Na podstawie analizy widma częstotliwościowego przyspieszeń drgań należy zdiagnozować stan techniczny badanej maszyny. Ocena stanu technicznego Badana maszyna Silnik 1 Silnik 2 Silnik 3 Rodzaj uszkodzenia Dodatkowo należy określić, który z zarejestrowanych sygnałów niesie ze sobą najwięcej informacji diagnostycznych. Instrukcja jest uzupełnieniem ćwiczenia Pomiary drgań ze skryptu Laboratorium pomiarów maszyn elektrycznych. Instrukcję opracował Adam Biernat