МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

Морская Государственная Академия

им. Адмирала Ф.Ф.Ушакова

Утверждаю

Начальник СМФ, доцент

_____________Косолап Ю.Г.

«_____»____________20___г.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Основы теории надежности и диагностики»

для специальности 150900 − «Эксплуатация перегрузочного оборудования портов и транспортных терминалов».

Новороссийск 2008 г.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Основы теории надежности и диагностики» составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 150900 − «Эксплуатация перегрузочного оборудования портов и транспортных терминалов» и примерной типовой программы по дисциплине ДС.10-01-Основы теории надежности и диагностики, утвержденной Минобразования РФ 31.10.2001 г.

Составитель: доц., к.т.н. Аблязов К.А.

Рецензент: доц., к.т.н. Таламанов В.Н.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Основы теории надежности и диагностики» рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Подъемно-транспортные машины и комплексы» МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова «___»_________20___г. Протокол № ____

Начальник кафедры «ПТМ и К» И.С. Катрюк

«____»__________ 20____ г.

Лабораторная работа №1. Оценка технического состояния подъемно-транспортного оборудования по уровню вибрации прибором vtm-33. Введение в мониторинг вибрации машин.

Многократно показано, что вибрационная характеристика работающей машины дает гораздо больше информации о ее внутреннем состоянии, чем любые другие неразрушающие тесты. Подшипник с небольшим развивающимся дефектом вызывает характерное изменение вибрации, и то же самое справедливо для дисбалансов, несоосностей и многих других неисправностей. Правильно проведенный вибрационный анализ позволяет обнаружить малые развивающиеся механические дефекты задолго до того, как они начнут представлять угрозу для целостности машины, и тем самым заранее спланировать мероприятия по обслуживанию. В этом случае руководство предприятия управляет производственными мощностями, а не наоборот.

Измерение и анализ вибрации - это краеугольный камень Обслуживания по Состоянию, являющегося полной противоположностью исторически первого метода Работа до поломки. Многочисленные исследования, например, исследование Института Энергетики США (Electric Power Research Institute) 1990 г., показали, что в среднем американская промышленность тратит около 17 долларов в год на одну л.с. на обслуживание машин в режиме “Работа” до поломки. Правильно примененная методика обслуживания по состоянию снижает эти затраты приблизительно до 9 долларов на 1л.с,

История применения анализа вибрации для обслуживания машин.

Первым анализатором вибрации был человеческий мозг, соединенный с органами осязания и слуха; впрочем, при соответствующей тренировке он и по сей день остается одним из тончайших инструментов. Многие опытные специалисты способны определить неисправность машины на слух, прикладывая щетку или отвертку одним концом к уху, а другим - к машине, чтобы услышать звук подшипников. Человеческий слуховой аппарат чрезвычайно приспособлен к распознаванию звуковых структур и зачастую может уловить отчетливый голос такого дефекта, как скол на беговой дорожке шарикоподшипника и др.

Чтобы привнести в этот процесс постоянство, согласованность и возможность запоминать историю, необходимо дополнить вибрационные измерения числовым представлением результатов и как-то сохранять записи, Именно в этом человеческий виброанализатор дает сбой. Поэтому развитие механических и электрических методом было неизбежным.

Первые виброметры появились в 50-х гг. и измеряли общий или широкополосный уровень вибрации машины: но вибросмещению или по виброскорости. Немного позднее виброметры были дополнены аналоговыми фильтрами с подстройкой, чтобы различии, отдельные частотные составляющие и получать, таким образом, нечто вроде спектра вибрации.

1970-е ознаменовались появлением персонального компьютера и изобретением цифровой обработки сигналов. Это привело к возникновению БПФ анализатора и позволило быстро рассчитывать частотный спектр но записанному вибрационному сигналу. Первые такие анализаторы были очень громоздкими и весили до 35 кг, из-за чего они больше подходили для лабораторных исследований, чем для пиленых измерений.

Восьмидесятые годы принесли широкое распространение микропроцессорной технологии, которая позволила получить действительно портативный цифровой анализатор сигналов с автономным питанием. Именно этот прибор, оснащенный программным обеспечением для управления сбором данных и их хранением, произвел революцию в вибродиагностике машин.

Расположение измерительных точек.

Общее правило состоит в том, чтобы разметан, измерительный датчик кик можно ближе к подшипнику и так, чтобы между ними был достаточно прочный массивный металлический элемент. Избегайте крышек подшипников, которые изготовлены из тонкого металла и являются плохими проводниками вибрации. Если возможно; выбирайте точки измерений так; чтобы между подшипником и чувствительным датчиком не было

НЕТ

НЕТ

Accelerometer Location

соединения металл-металл, как, например, в случае соединения торцевой крышки и корпуса статора двигателя. Не следует также выбирать измерительные точки на корпусах вентиляторов, установленных на концах двигателей.

Было обнаружено, что для двигателя мощностью менее 50л.с. обычно достаточно одной измерительной точки, но для двигателей мощностью более 50 л.с. каждый подшипник должен иметь свою измерительную точку. На всех машинах, которые особенно чувствительны к повреждениям подшипников и где дефекты последних необходимо обнаруживать как можно раньше, каждый подшипник должен иметь, по возможности, свою собственную измерительную точку.

Ориентация датчиков вибрации.

В любой программе мониторинга машин чрезвычайно важно, чтобы данные каждый раз собирались совершенно одинаковым образом. Это необходимо для сопоставимости результатов и возможности построения по ним временных трендов. По этой причине не рекомендуется использовать датчики, которые удерживаются вручную. Значительно более надежные данные обеспечиваются при креплении датчика к поверхности машины на шпильке.

Трехкоординатные измерения.

Для более точного определения дефектов машины очень полезно измерять вибрацию в каждой измерительной точке по трем направлениям. Эти направления называются Осевое, Радиальное и Тангенциальное.

Радиальное (Radial)

Осевое (Axial)

Осевое направление параллельно исследуемому валу, радиальное направлено по радиусу от датчика к центру вала, а тангенциальное перпендикулярно и первому, и второму. Сборщики данных фирмы Predict/DLI обычно используют трехосевой акселерометр. Это фактически три датчика в общем корпусе, которые сориентированы в трех ортогональных направлениях, помеченных как радиальное, тангенциальное и осевое.

Датчик крепится встроенным винтом к специальному установочному месту (блоку), конструкция которого гарантирует, что датчик всегда ориентирован одинаковым образом. Измерительные каналы датчика могут быть приписаны различным осям измерений по отношению к машине. Например, если датчик установлен на корпусе подшипника горизонтального вала сверху, то канал 1 будет соответствовать вертикальному направлению, канал 2 – горизонтальному и перпендикулярному оси вала, а канал 3 – параллельному оси вала. Эти направлении называются соответственно Радиальным, Тангенциальным и Осевым. Программное обеспечение обслуживания по состоянию фирмы Predict/DLI использует для такой установки аббревиатуру RTA (Radial, Tangential, Axial). Очень важно, чтобы это программное обеспечение знало точную ориентацию датчиков. Эта информация является частью Руководства по Анализу и Контролю Вибрации (PAKB/VTAG), о котором речь пойдет далее.

Примеры Ориентации.

На следующем рисунке показаны шесть возможных положений датчика на горизонтальной машине.

Для вертикальных машин, R означает радиальное, Т – горизонтальное и А – вертикальное.

Установочные места (блоки).

Цилиндрический установочный блок фирмы DLI представляет из себя бронзовый диск с центральным резьбовым отверстием и направляющим пазом сбоку, куда вставляют фиксатор (ключ) датчика.

Чувствительная ось, направленная вдоль крепежного винта, соответствует каналу 1, ось, проходящая по радиусу от центра к фиксирующему пазу, - каналу 2, и, наконец, ось, перпендикулярная первым двум, - каналу 3. Блок обычно прикрепляется к машине с помощью прочного клея типа Versilok 204.

Как отмечалось выше, очень важно, чтобы программное обеспечение диагностики знало ориентацию установленных блоков. В случае замены блока, новый должен быть ориентирован тем же самым образом. Правильная ориентация каждого установочного блока указана в PAKB/VTAG податливости основания, особенно для вертикальных машин. Если тангенциальная вибрация на оборотной частоте IX значительно выше радиальной, то предполагаем разболтанность, в противном случае - дисбаланс. Податливость основания может быть вызвана ослаблением болтов, коррозией или растрескиванием арматуры.

Электрически наведенная вибрация.

Электрическим машинам присущи все дефекты роторного оборудования, которые осложняются чисто электрическими эффектами. Магнитострикция, то есть деформация магнитных материалов в присутствии магнитного поля, вызывает вибрацию на частоте 100 Гц во всех электрических устройствах, например, двигателях, генераторах, трансформаторах и т.д. В электродвигателях имеет место магнитное притяжение между статором и ротором, которое изменяется с частотой 100 Гц. Поэтому статор также вибрирует с частотой 100 Гц. Этот магнитный эффект иногда трудно отличить от второй гармоники оборотной частоты 2Х в машинах, работающие на 3000 об/мин. Вибрация, наведенная электромагнитным полем, исчезает сразу же после отключен: питания, в то время как вторая гармоника 2Х продолжает существовать на выбеге ротора.

Двигатель переменного тока.

Статор

фазнал сеть перемен­ного тока

магнитное поле

Существует два типа двигателей переменного тока: синхронные и асинхронный. Двигатели любого из этих типов могут питаться однофазным либо трехфазным электрическим током. В промышленности обычно применяют трехфазные установки из за их более высокой эффективности. Синхронные электродвигатели гораздо менее распространены, чем асинхронные, однако и используют в некоторых специальных приложениях, требующих абсолютного постоянства скорости, а также для коррекции коэффициента мощности. Синхронные и Асинхронные двигатели похожи во многих отношениях, но отличаются в некоторых деталях.

Статор двигателя переменного тока имеет несколько проволочных обмоток, проходящих через пазы. Этих пазов всегда значительно больше, чем обмоток, поэтому последние переплетаются достаточно сложным образом. Когда на обмотки подается переменный ток, внутри статора создается вращающееся магнитное поле. Скорость этого вращения зависит от числа обмоток, то есть количество полюсов. В трехфазном двигателе три обмотки формируют два магнитных полюса вследствие совместного действия их электрических токов, разность фаз которых составляет 120 градусов. При сетевой частоте сети 50 Гц и двух полюсах статора, частота вращения поля будет 50 оборотов в секунду или 3000 об/мин. Если имеется 4 полюса (6 обмоток), то поле будет вращаться со скоростью 1800 об/мин и так далее.

Синхронный двигатель.

Если внутри статора разместить постоянно намагниченный в поперечном направлении круглый ротор, то; последний будет закручиваться магнитным притяжением со скоростью вращения поля. Она называется синхронной скоростью, а такая конструкция - синхронным электродвигателем. Он вращается в точности синхронно с сетевой частотой. Синхронные двигатели применяются в электрических часах для обеспечения точности хода. Их также применяют в промышленности. В этих двигателях ротор является электромагнитом н возбуждается постоянным током.

Синхронные электродвигатели обладают одной интересной особенностью: если ротор перевозбужден, то есть если его магнитное поле превышает определенную величину, то двигатель ведет себя подобно конденсатору в сети питания. Это может использоваться для коррекции коэффициента мощности промышленных предприятий, эксплуатирующих большое количество асинхронных двигателей.

Асинхронный двигатель.

Отличие асинхронного двигателя от синхронного заключается в том, что его ротор не является постоянным магнитом. Он состоит из электропроводных стержней, расположенных вдоль оси и вставленных в специальные пазы, которые равномерно распределены окружности. Стержни соединены друг с другом (закорочены, как говорят электрики) кольцами, которые привариваются к их концам с обеих сторон ротора, конструкция имеет сходство с небольшим беличьим колесом, поэтому асинхронные двигатели называют двигателями с беличьим колесом. Каждая пара стержней представляет из себя замкнутый виток, говоря языком теории магнетизма. Ротор намагничивается индукционным электрическим током в стержнях, который вызван переменным магнитным полем статора. Для простоты можно представить себе следующую картину: вращающееся поле статора проносится мимо стержней ротора, и поэтому последние находятся в переменном магнитном поле. Из-за этого в них возникают индукционные токи, которые создают собственное магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора имеют противоположную полярность, а сам ротор как бы отталкивается от статора и получает крутящий момент, приводящий его в движение.

Поскольку асинхронные двигатели используют принцип магнитного отталкивания, а не притяжения, их также называют двигателями с индукционным отталкиванием.

Если бы в системе не было трения, то ротор вращался бы с синхронной скоростью, а сам двигатель после начала вращения уже не создавал бы полезного крутящего момента. При этих условиях стержни ротора вращались бы синхронно с полем статора, и в них не возникали бы индукционные токи. Как только к двигателю прикладывается нагрузка, его скорость падает, роторные стержни начинают пересекать силовые линии магнитного поля, изменяется магнитный поток и создается сила, отталкивающая ротор. Собственное поле ротора вращается в противоположном направлении, а скорость этого вращения зависит от приложенной нагрузки. Отсюда следует, что реальная частота вращения всегда меньше синхронной (сетевой). Разность между ними называют проскальзыванием. Чем больше проскальзывание, тем выше индукционные токи в роторных стержнях и тем больше крутящий момент (то есть чем больше ротор отстает, тем сильней его толкает магнитное поле). При этом в обмотках статора также возрастает ток, чтобы поддержать токи в стержнях.

Таким образом, фактическая скорость асинхронного двигателя всегда зависит от нагрузки.

Механические источники вибрации электродвигателей.

Электродвигателям присущи все механические повреждения, характерные для роторных машин, но с некоторыми особенностями.

Термический изгиб ротора.

Неравномерный нагрев ротора из-за неравномерного распределения тока в стержнях вызывает его деформацию, или изгиб. Этот изгиб ротора приводит к дисбалансу со всеми обычными для него симптомами. Наличие термического изгиба можно установить по отсутствию дисбаланса на холодном двигателе.

Локальный нагрев бывает настолько серьезным, что поврежденный стержень может расплавиться и застрять в воздушном зазоре.

Эксцентриситет воздушного зазора.

Если воздушный зазор неоднороден, то силы, действующие на ротор, будут несбалансированны. В результате возникнет сильная вибрация на частоте 100 Гц, имеющая электромагнитную природу. Магнитное притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния между ротором и статором, поэтому даже небольшой эксцентриситет вызовет относительно высокую вибрацию. Этот тип магнитной асимметрии также снижает к.п.д. двигателя, причем иногда до 10 процентов. Такой дефект может возникнуть вследствие не жесткости основания, из-за чего деформируется корпус двигателя.

Ослабление ротора.

Иногда металлические пластины ротора могут скользить по валу. Обычно такое явление скачкообразно зависит от температуры. В результате, возникает серьезная вибрация на частоте IX и ее гармониках. Этот тип неисправности иногда очень трудно определить, особенно из-за его скачкообразности. Внезапные изменения нагрузки или напряжения в сети могут инициировать скольжение ротора.

Эксцентриситет ротора.

Если ротор имеет некруглое сечение, то даже будучи отбалансированным, он возбуждает вибрацию на оборотной частоте IX, а также порождает несбалансированные магнитные силы, приводящие к вибрации на частоте прохождения полюсов (произведение частоты проскальзывания число полюсов). Эта вторая компонента исчезает сразу после отключения питания, что является диагностическим признаком данного дефекта.

Ослабление обмоток.

Если электрические обмотки статора хоть чуть-чуть ослабнут, то увеличится уровень вибрации на частоте 100 Гц. Такое состояние очень опасно, потому что сопровождается нарушением изоляции, а это ведет к короткому замыканию отдельных витков и, в конце концов, к замыканию обмоток на землю и выходу статора из строя. В некоторых больших машинах, таких как генераторы переменного тока, ослабление обмоток приводит к появлению в спектре полупорядковых субгармоник возбуждающей частоты 100 Гц.

Электрические источники вибрации.

Удвоенная сетевая частота (120 Гц в США и 100 Гц в России) всегда имеет вибрационную компоненту в спектре электродвигателя. С этой частотой изменяется притяжение между статором и ротором, а кроме того и металлические элементы изменяют свои размеры в присутствии переменного магнитного поля из-за магнитострикции.

Если в двигателе имеется несоосность, например, неконцентричность статора и ротора, то магнитные силы между ними будут не сбалансированы, и значительно увеличится вибрация на частоте 100 Гц. Это явление называют механической асимметрией. Если магнитное поле статора неоднородно, например, в случае разрывов или замыканий обмоток, то вибрация на частоте 100 Гц тоже увеличится. Такое состояние называется магнитной асимметрией. Оба типа асимметрии снижают к.п.д. двигателя, увеличивая его энергопотребление и уменьшая выходную механическую мощность

Вибрация вследствие проскальзывания.

Нарушения в роторных стержнях вызывают вибрацию на частоте, равной произведению частоты проскальзывания на количество полюсов электродвигателя. Например, в двухполюсном электродвигателе, каждый стержень совпадает хотя бы с одним из полюсов вращающегося поля статора два раза за цикл проскальзывания. Этот цикл равен отношению синхронной частоты (сетевой; к частоте проскальзывания. Так, в электродвигателе с частотой вращения 2875 об/мин синхронная скорость равна 3000 об/мин (50 Гц), а частота проскальзывания - 3000 - 2875 = 125 об/мин. Тогда uhkj проскальзывания есть 3000/125 = 24. То есть каждые 24 оборота ротора один и тот же стержень совпадет с вращающимся магнитным полюсом одной и той же полярности, а каждые 12 оборотов - с каким-то из двух полюсов.

Если один из роторных стержней из-за трещины или излома имеет более высокое сопротивление чем остальные, то при совпадении с полюсами в нем индуцируется меньший ток, а, значит в данной точке цикла проскальзывания наблюдается меньший крутящий момент. Таким образом, величина последнего модулируется частотой прохождения стержня через полюс (произведение частоты проскальзывания на удвоенное число полюсов). В результате в спектре появляется соответствующая вибрационная компонента, а также боковые полосы вокруг оборотной частоты IX и ее гармоник с шагом, равным произведению 2S (IS - частота проскальзывания - Slip) на число магнитных полюсов.

Разрушение, растрескивание или коррозия роторных стержней является довольно общим типом неисправности асинхронных двигателей, особенно тех, которые часто запускаются и останавливаются под нагрузкой. Стартовый ток гораздо выше рабочего. Он создает в стержнях механические напряжения и вызывает их нагрев. Стержни с максимальным сопротивлением нагреваются сильнее, в результате возникает неравномерное распределение температуры по окружности ротора и неравномерное расширение его стержней. Это ведет к появлению трещин и изломов в местах соединения с закорачивающими кольцами.

Асинхронные двигатели с дефектными роторными стержнями вызывают вибрацию, которая медленно меняется по амплитуде на удвоенной частоте проскальзывания. Это явление называется биениями. Его часто можно заметить на слух, а также измерить. Амплитуда и частота биений зависят от нагрузки двигателя.

_:

Частота прохождения пазов.

Еще одна компонента в спектре вибрации электродвигателя - так называемая частота прохождения пазов, равная произведению числа лазов статора на частоту вращения вала. В пазах статора находятся обмотки, и из-за их конечного количества возникает неоднородность или гребенчатость вращающегося магнитного поля, которая в свою очередь вызывает вибрацию. Стержни ротора тоже закреплены в своих пазах, поэтому иногда частотой прохождения пазов называют частоту прохождения стержней. Она отлична от описанной выше.

Закороченные пластины.

Ротор и статор двигателя переменного тока собирают из отдельных тонких изолированных друг от друга пластин. Это ослабляет паразитные вихревые токи и уменьшает бесполезный нагрев статора и ротора. Если в каком-то месте происходит замыкание пластин, то возникает локальное повышение температуры и термическая деформация. Закорачивание пластин также сопровождается повышенными уровнями вибрации на частоте 100 Гц.

Дефекты роторных стержней.

Важным типом неисправности больших электродвигателей является растрескивание и сопровождающие его нагрев и разрушение роторных стержней. Особенно это характерно для двигателей, испытывающих частые запуски под нагрузкой. При запуске, стержни подвергаются наиболее сильному воздействию: скорость ротора в этот момент много меньше синхронной, и поэтому по стержням проходит самый высокий ток. Большие токи вызывают нагрев и расширение стержней. Из-за разного электрического сопротивления стержни нагреваются и расширяются неравномерно. В результате образуются трещины в местах сварных соединений стержней с закорачивающим кольцом. Как только это происходит, сопротивление стержня резко возрастает, увеличивается его нагрев, и, как следствие, трещина еще больше развивается. Одновременно возрастает ток в соседних стержнях, компенсируя снижение тока в дефектном.

Такой сценарий приводит к локальному нагреву и деформации ротора. См. пункт Термический Изгиб Ротора, приведенный выше.

Мониторинг роторных стержней с помощью анализа электрического тока.

Состояние роторных стержней асинхронного двигателя можно определить с помощью частотного анализа тока. Такой анализ должен проводиться с высоким частотным разрешением.

Крутящий момент двигателя слегка уменьшается всякий раз, когда дефектный стержень пересекает магнитный полюс. Это происходит с удвоенной частотой проскальзывания, потому что такой мгновенный спад имеет место как для северного, так и для южного полюсов. Вследствие закона сохранения энергии снижение крутящего момента сопровождается спадом входного тока электродвигателя с такой же частотой.

зажим для съема токовой характеристики

Эти периодические спады фактически являются амплитудной модуляцией. Величина модуляции соответствует серьезности дефекта.

Для обнаружения модуляции тока нужно выполнить его частотный анализ и проверить наличие боковых полос вокруг сетевой частоты 50 Гц, отстоящих на величину удвоенной частоты проскальзывания. Это можно сделать, установив на одну из фаз входной цепи электрический зажим, соединив его с анализатором спектров.

Вместо зажима - клеммы, можно использовать обыкновенный трансформатор тока. Его обычно размещают рядом с устройством включения, а не с самим двигателем, особенно при очень больших.

Шестеренчатые насосы.

Шестеренчатые насосы обычно применяются для подачи смазочного масла, причем они почти всегда имеют большую вибрационную составляющую на частоте зубчатого зацепления, равна произведению числа зубьев колеса на частоту его вращения. Эта вибрационная составляющая сильно зависит от выходного давления насоса.

Порядки

Если в связанные с частотой зубчатого зацепления, например, внезапное появление гармоник или боковых полос, то это может означать наличие трещины или другого повреждения зуба.

1. Цель работы: Научить курсантов измерять виброскорость с помощью прибора VTM-33. По уровню вибраций оценивать техническое состояние различных механизмов.