ĆWICZENIE 2 Identyfikacja źródeł sygnałów wibroakustycznych na podstawie analizy częstotliwościowej Cel ćwiczenia Poznanie zależności pomiędzy różnymi przyczynami generacji sygnałów wibroakustycznych, a ich widmem częstotliwościowym, na przykładzie silnika elektrycznego. Nabranie doświadczenia w zastosowaniu analizy częstotliwościowej do identyfikacja źródeł sygnałów wibroakustycznych. Przebieg ćwiczenia 2.1 Pomiar hałasu silnika, poznanie metody pomiaru. 2.2 Identyfikacja hałasu mechanicznego i wentylacyjnego. 2.3 Identyfikacja hałasu magnetycznego. 2.4 Identyfikacja uszkodzeń uzwojeń. 2.5 Identyfikacja uszkodzeń mechanicznych. Zadanie 2.1 Hałas wytwarzany przez maszyny i urządzenia może być ważnym parametrem monitorującym ich jakość oraz bieżący stan techniczny. Do rozpoznania ewentualnych uszkodzeń i dalszych porównań przydatna jest znajomość wyników pomiarów hałasu nieuszkodzonego silnika (metryczka). Do pomiaru hałasu niezbędna jest odpowiednia aparatura, pomieszczenie oraz znajomość procedur pomiarowych. 2.1.1 Podstawowe informacje W celu uzyskania dokładnych i powtarzalnych wyników pomiarów akustycznych niezbędne jest zapewnienie, między innymi, odpowiedniego środowiska, w którym przeprowadza się próbę. Pomiar mocy akustycznej wypromieniowywanej przez badany obiekt wymaga jego odizolowania od innych źródeł hałasu, które mogłyby zakłócać w sposób bezpośredni wynik pomiaru. Drugim elementem, który może mieć wpływ na uzyskiwane wyniki są odbicia fali dźwiękowej od płaszczyzn i obiektów otaczających mierzone źródło. Fale bezpośrednio wypromieniowane i odbite mogą tworzyć lokalne wzmocnienia lub osłabienia mierzonego poziomu ciśnienia akustycznego. Aby uniknąć takiego zjawiska, trzeba do pomiarów wykorzystywać środowisko bezechowe to znaczy takie, w którym wypromieniowana fala akustyczna rozchodzi się we wszystkich kierunkach bez przeszkód i nie występują odbicia, czyli echo. Pole akustyczne w takim środowisku nazywane jest polem swobodnym. Warunki takie spełnia otwarta przestrzeń lub pomieszczenia bezechowe. Przykładem takiego pomieszczenia jest komora bezechowa Instytutu Mechatroniki i Systemów Informatycznych. W celu oceny przydatności danego pomieszczenia do pomiarów akustycznych należy zapoznać się odpowiednimi normami przedmiotowymi. Dr inż. Witold Kubiak 1
Wszystkie urządzenia do pomiarów akustycznych opierają się na wykorzystaniu mikrofonu do przetwarzania zmian ciśnienia powietrza, będącego efektem fali akustycznej, na sygnał elektryczny. Sygnał ten jest poddawany wzmocnieniu, filtrowaniu (kondycjonowany) oraz uśredniany w czasie. Charakterystyki filtrów oraz czas uśredniania zależą od typu obiektu i są podawane w odpowiednich normach przedmiotowych. Najczęściej mierzoną wielkością przy pomiarach dźwięku jest skorygowany poziom ciśnienia akustycznego podawany w jednostkach względnych, decybelach [db]. gdzie: L pa 2 p = 10 log [db] p 2 0 p [Pa] - skorygowana, uśredniona czasie wartość bezwzględna ciśnienia akustycznego p [Pa] - wartość ciśnienia akustycznego odniesienia wynosząca 20 10-6 [Pa] 0 Przy analizie częstotliwościowej wykorzystuje się uśrednione, jednostronne widma wyświetlane w jednostkach względnych wartości skutecznych, jako najlepiej oddających zawartość energetyczną sygnału w danym paśmie częstotliwości. F ( k) F ( k) FA GA ( k) = 2 A dla 0 2πkn j gdzie: ( ) ( ) N A k k = 0 1 k N / 2 1 N / 2 k N 1 1 N 1 = f 0 A n e - dyskretne przekształcenie Fourier a N Do dalszych porównań i rozpoznania ewentualnych uszkodzeń przydatna jest znajomość pomiarów hałasu nieuszkodzonego silnika (metryczka). 2.1.2 Zapoznanie z systemem pomiarowym 2.1.2.1 Wykorzystując gotową aplikację analizatora FFT w systemie PULSE zapoznać się z parametrami pomiaru: częstotliwość próbkowania, zakres częstotliwości, liczba próbek, liczba uśrednień, okno czasowe, krzywa korekcji. 2.1.2.2 Wykorzystując aplikację analizatora FFT zapoznać się z parametrami wyświetlania wyników pomiaru: wartość całkowita, wartość maksymalna, odczyt kursora itp. 2.1.2.3 Zapoznać się z metodą archiwizacji uzyskanych wyników, ustalić sposób kodowania plików i wersji. 2.1.3 Kalibracja systemu pomiarowego 2.1.3.1 Wykorzystując kalibrator B&K 4230 dokonać kalibracji całego toru pomiarowego systemu PULSE. W razie konieczności zmodyfikować czułość mikrofonu. Wynik kalibracji zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement. 2.1.4 Pomiar hałasu kompletnego silnika przy zasilaniu znamionowym 2.1.4.1 Zapoznać się z metodami i procedurami stosowanymi przy pomiarach akustycznych rożnych obiektów (np. silników elektrycznych) omówienie tematu, wskazanie odpowiednich norm przedmiotowych. 2.1.4.2 Wykonać pomiar hałasu kompletnego, nieuszkodzonego silnika w warunkach zasilania znamionowego, bez obciążenia. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement1. Dr inż. Witold Kubiak 2
Zadanie 2.2 Ze względu na różne przyczyny powstawania hałasu, dokładna analiza częstotliwościowa umożliwia identyfikację źródeł oraz diagnozowanie ewentualnych uszkodzeń. W przypadku silników elektrycznych jednym ze źródeł jest hałas generowany przez ruch obrotowy. Hałas ten nazywamy hałasem mechanicznym. W większości wypadków, na wspólnym wale w silniku osadzony jest też wentylator lub wentylatory (zewnętrzne, wewnętrzne), zapewniające odpowiednie chłodzenie. Praca wentylatorów powoduje ruch powietrza i w rezultacie wytwarzanie hałasu wentylacyjnego. 2.2.1 Podstawowe informacje Częstotliwości hałasu mechanicznego są ściśle skorelowane z prędkością obrotową silnika wyrażoną w obrotach na sekundę (inaczej w Hz). Oczywiście, w zależności od konstrukcji danego elementu mechanicznego mogą występować wyższe harmoniczne i podharmoniczne, np. zależne od średnicy i liczby kulek w łożyskach. Na hałas mechaniczny ma wpływ posadowienie (mocowanie) silnika i podatność (sztywność) konstrukcji. Hałas wentylacyjny ma zazwyczaj charakter szerokopasmowego szumu będącego efektem turbulencyjnego ruch powietrza. Dodatkowo mogą wystąpić pojedyncze tony wywołane zjawiskiem syrenowym, np. przy jednakowej liczbie łopatek wentylatora i otworów lub przegród w osłonie. Częstotliwość tych tonów będzie równa iloczynowi prędkości obrotowej i liczby łopatek. Ze względu na ukształtowanie kanałów wentylacyjnych mogą wystąpić też efekty gwizdów, których częstotliwość nie będzie skorelowana z prędkością obrotową. 2.2.2 Pomiar hałasu mechanicznego i wentylacyjnego przy zasilaniu obniżonym napięciem 2.2.2.1 Wykonać pomiar hałasu kompletnego, nieuszkodzonego silnika w warunkach zasilania obniżonym napięciem (zmniejszając hałas magnetyczny), bez obciążenia. Ustawienie mikrofonu identyczne jak w punkcie 2.1.4.2. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement2. 2.2.2.2 Zdemontować wentylator (ponownie zamontować osłonę). Wykonać pomiar hałasu silnika w warunkach zasilania obniżonym napięciem, bez obciążenia. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement3. 2.2.2.3 Zdemontować osłonę. Wykonać powtórnie pomiar hałasu silnika w warunkach zasilania obniżonym napięciem, bez obciążenia. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement5. 2.2.2.4 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki powyższych prób porównać widma, wskazać na źródła mechaniczne i/lub wentylacyjne. 2.2.2.5 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki próby dla zasilania napięciem znamionowym ( Measurement1 ), porównać widma i wartości całkowite. Ocenić udział hałasu mechanicznego i wentylacyjnego w wypadkowym hałasie silnika. Zadanie 2.3 Wszystkie urządzenia elektromagnetyczne zasilanie napięciem przemiennym lub zmiennym (np. pulsującym) wytwarzają drgania magnetyczne, a co za tym idzie hałas magnetyczny. Istnieją dwie przyczyny powstawania hałasu magnetycznego: magnetostrykcja polegająca na kurczeniu lub wydłużaniu elementów magnetowodów pod wpływem strumienia magnetycznego oraz drgania części pod wpływem sił magnetycznych występujących w szczelinach pomiędzy nimi (przyciąganie lub odpychanie części namagnesowanych). Dr inż. Witold Kubiak 3
2.3.1 Podstawowe informacje Bez względu na źródło pochodzenia hałasu magnetycznego, jego częstotliwość jest ściśle skorelowana z częstotliwością napięcia zasilającego. Zarówno siły magnetostrykcyjne jak i siły magnetyczne, wywołujące drgania, zależą od modułu amplitudy gęstości strumienia (indukcji). Dlatego hałas magnetyczny charakteryzuje się dyskretnymi częstotliwościami harmonicznymi będącymi wielokrotnością podwojonej częstotliwości zasilania. 2.3.2 Pomiar hałasu magnetycznego 2.3.2.1 Wykorzystując silnik ze zdemontowanym wentylatorem i osłoną wykonać pomiar hałasu silnika przy zasilaniu znamionowym napięciem, bez obciążenia. Ustawienie mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement6. 2.3.2.2 Wykorzystując silnik ze zdemontowanym wentylatorem i osłoną wykonać pomiar hałasu silnika przy zasilaniu napięciem podwyższonym o 20%, bez obciążenia. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement7. 2.3.2.3 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki powyższych prób porównać widma, wskazać harmoniczne hałasu magnetycznego. 2.3.2.4 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki próby dla kompletnego silnika, zasilanego napięciem znamionowym ( Measurement1 ), porównać widma i wartości całkowite. Ocenić udział hałasu magnetycznego w wypadkowym hałasie silnika. Zadanie 2.4 Uszkodzenia uzwojeń, np. zwarcie kilku zwojów, częściowe przebicie do masy, niekoniecznie musi spowodować zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych. Nierównomierny rozpływ prądów w układzie trójfazowym będzie powodować również nierównomierny rozkład pola magnetycznego i zaburzenia w wytwarzanym momencie elektromagnetycznym. Dodatkowo pojawią się duże, nieskompensowane, siły, promieniowe pomiędzy wirnikiem i stojanem. Skrajnym przypadkiem jest zanik zasilania jednej fazy. Silnik nadal będzie pracował, jednak jego hałas będzie wyraźnie wskazywał na awarię. 2.4.1 Podstawowe informacje Przy niesymetrycznym rozkładzie pola magnetycznego w maszynie można się spodziewać wzrostu całkowitego poziomu wytwarzanego hałasu, zmiany widma hałasu magnetycznego oraz pojawienia się lub wzmocnienia harmonicznych skorelowanych z prędkością obrotową. 2.4.2 Pomiar hałasu silnika trójfazowego w stanach awaryjnych uzwojeń 2.4.2.1 Powtórnie zamontować wentylator i osłonę. Zasilić silnik znamionowym napięciem. W jednej z faz włączyć szeregowo rezystancję symulującą częściowe uszkodzenie uzwojeń. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez obciążenia. Ustawienie mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement8. 2.4.2.2 Rozłączyć całkowicie jedną fazę zasilania silnika. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez obciążenia. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement9. 2.4.2.3 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki poprzednich prób porównać widma i wartości całkowite, wskazać dodatkowe harmoniczne hałasu. Ocenić możliwość diagnozowania uszkodzeń uzwojeń poprzez pomiar hałasu silnika. Dr inż. Witold Kubiak 4
Zadanie 2.5 Uszkodzenia mechaniczne, np. uszkodzenia łożysk skrzywienia wału, pęknięcia lub odpadnięcie części powinno dawać efekt w zmianie hałasu mechanicznego maszyny. Zmiany sztywności mocowania lub konstrukcji maszyny mogą powodować wzmocnienie wszystkich drgań za wyjątkiem szumu wentylacji. Czasami długotrwała praca w zanieczyszczonym środowisku przemysłowym może spowodować osadzanie się brudu na wirujących częściach maszyny, powodując niewyważenie. 2.5.1 Podstawowe informacje Większość przyczyn mechanicznych hałasu jest powiązana z prędkością obrotową silnika dlatego w widmach hałasu należy obserwować niskie częstotliwości. Niewyważenie powoduje duże drgania całego obiektu (jako ciała sztywnego) z częstotliwością równą prędkości obrotowej silnika wyrażoną w obrotach na sekundę (inaczej w Hz). Mogą się pojawić wyższe harmoniczne tej częstotliwości. 2.5.2 Pomiar hałasu silnika trójfazowego przy niewyważeniu wirnika 2.5.2.1 Zamontować masę niewyważenia na wale głównym silnika. Zasilić silnik znamionowym napięciem. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez obciążenia. Ustawienie mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement9. 2.5.2.2 Bez zmiany niewyważenia, poluzować śruby mocujące silnik do podłoża. Zasilić silnik znamionowym napięciem. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez obciążenia. Ustawienie mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement10. 2.5.2.3 Zdemontować masę niewyważenia (nie zmieniać mocowania silnika do podłoża). Zasilić silnik znamionowym napięciem. Wykonać pomiar hałasu silnika, bez obciążenia. Ustawienie mikrofonu identyczne jak w poprzednich punktach. Wynik próby zapisać w rekordzie pomiarowym Measurement11. 2.5.2.4 Przywołując z pamięci komputera zapisane wyniki poprzednich prób porównać widma i wartości całkowite, wskazać zmiany harmonicznych hałasu. Ocenić możliwość diagnozowania uszkodzeń mechanicznych poprzez pomiar hałasu silnika. W celu polepszenia możliwości diagnostycznych zastosować ZOOM (zmianę rozdzielczości i pasma dla niskich częstotliwości). Eksperymentować ze skalą logarytmiczną i liniową oraz krzywą korekcji (wykonać dodatkowe pomiary bez korekcji). Zadanie 2.6 Wpływ rodzaju zasilania na hałas (pokaz opcjonalny) Współczesne urządzenia mechatroniczne często zasilane są z elektronicznych zasilaczy, których napięcia wyjściowe nie są gładkie, sinusoidalne. Najbardziej rozpowszechnione są falowniki i czopery wykorzystujące Modulację Szerokości Impulsu MSI (Pulse Width Modulation PWM). Napięcia wyjściowe tych urządzeń są serią impulsów o stałej amplitudzie, różnym wypełnieniu i różnej częstotliwości powtarzania. Efekty akustyczne takiego zasilania, głównie hałasu magnetycznego, zależą od częstotliwości impulsowania. Aby ograniczyć odczuwany przez ludzi hałas, powodowany tym sposobem zasilania, zwiększa się częstotliwość impulsowania poza zakres największej wrażliwości ludzkiego ucha. 2.6.1 Pomiar hałasu silnika trójfazowego zasilanego z falownika - pokaz Ostatnia edycja 8 maja 2012 Dr inż. Witold Kubiak 5