Diagnostyka drganiowa silników elektrycznych

fot. 1. Pomiar wibrometrem dokonywany jest poprzez przyłożenie czujnika wibrometru do obudowy łożyska maszyny

Łożyska toczne kulowe są najczęściej stosowanym typem łożysk w wirujących maszynach elektrycznych, a zarazem są ich najważniejszą częścią mechaniczną. Badania wykazały, że jedną z częstszych przyczyną awarii silników elektrycznych są uszkodzenia łożysk – stanowią około połowy awarii odnotowanych w badaniach.

Diagnostyka drganiowa jest jedną z metod oceny stanu maszyn wirujących do których zaliczyć można silniki elektryczne. Cykliczne badania umożliwiają wczesne wykrycie nieprawidłowości w pracy silnika i przeprowadzenie działań naprawczych. Takie podejście umożliwia optymalizację kosztów eksploatacji maszyny.

Urządzenia służące do pomiaru drgań całkowitych nazywane są wibrometrami. Pomiar dokonywany jest poprzez przyłożenie czujnika wibrometru do obudowy łożyska maszyny (fot. 1).

Ważnym elementem diagnostyki drganiowej jest analiza wykonanych pomiarów. Do oceny stopnia intensywności drgań całkowitych można użyć normy ISO 10816-1 – „Drgania mechaniczne - ocena drgań maszyn na podstawie pomiarów na częściach nie wirujących”. W normie tej zawarte są kryteria oceny stanu maszyny na podstawie wartości skutecznej prędkości drgań bezwzględnych mierzonych w przedziale częstotliwości 10-1000 Hz. Dane przedstawione w tabeli 1. służą do interpretowania

Tabela 1.

Legenda tabeli:

Klasa I: poszczególne podzespoły silników i urządzeń stanowią integralną część urządzenia podczas normalnej pracy. Przykładem urządzeń w tej kategorii są silniki elektryczne o maksymalnej mocy  15 kW.

Klasa II: średniej wielkości urządzenia (zwykle silniki elektryczne o mocy od 15 kW do 75 kW) bez specjalnych fundamentów, sztywno zamontowane silniki lub urządzenia (do 300 kW) na specjalnych fundamentach.

Klasa III: duże silniki napędowe i inne duże urządzenia z wirującą masą zamontowane na sztywnych i ciężkich podstawach, stosunkowo sztywne w kierunku pomiaru drgań.

Klasa IV: duże silniki napędowe i inne duże urządzenia z wirującą masą zamontowane na podstawach, stosunkowo podatnych w kierunku mierzonych drgań (np. turbo generatory i turbiny gazowych o mocy wyjściowej powyżej 10 MW).

Tabela 2.

Ważnym wskaźnikiem w analizie drgań całkowitych jest współczynnik szczytu.

Współczynnik szczytu (Crest Factor) określony jest jako stosunek wartości szczytowej do wartości skutecznej przebiegu sygnału drgań (RMS) w domenie czasu. Na podstawie wartości tego stosunku możliwe jest zlokalizowanie usterek łożyska. Jednakże metoda Crest Factor ma istotne ograniczenia. Wartość współczynnika szczytu wzrasta w początkowych stanach uszkodzenia łożyska przy wzroście wartości szczytowej. Następnie maleje wraz ze wzrostem uszkodzenia łożyska przy wzroście wartości RMS. Niska wartość współczynnika szczytu oznacza zarówno stan prawidłowy łożyska i stan bliski awarii. Problemem jest zauważenie różnicy pomiędzy tymi dwoma stanami. Opatentowany przez firmę FLUKE algorytm, Crest Factor+ (CF+) obsługiwany przez miernik eliminuje to ograniczenie. Wartość CF+, łatwa do interpretacji dla użytkownika, przedstawiona jest w skali istotności. Im wyższa jest wartość CF+, tym większe są uszkodzenia łożyska (tabela 3).

Tabela 3. Skala istotności uszkodzeń Crest Factor+

Skala Crest Factor	Czynność
	Naprawa nie jest zalecana.
	Natychmiastowa naprawa nie jest konieczna. Należy zwiększyć częstotliwość pomiarów i monitorować stan urządzenia.
	Przeszkolony analityk drgań powinien przy najbliższej okazji przeprowadzić dokładne badania. Należy rozważyć konserwację podczas kolejnej zaplanowanej przerwy w pracy lub okresu serwisowania.
	Przeszkolony analityk drgań powinien jak najszybciej przeprowadzić dokładne badania. Należy rozważyć natychmiastowe wyłączenie urządzenia, aby dokonać naprawy i uniknąć awarii.

Badaniom z wykorzystaniem wibrometru zostały poddane trzy trójfazowe silniki indukcyjne STg 80, z których dwa zostały celowo uszkodzone natomiast jeden z nich został zachowany w idealnym stanie technicznym (fot. 2). W silniku (1) zamontowano wyeksploatowane łożyska toczne, natomiast w silniku (2) została wycięta jedna z łopatek wentylatora. Badania przeprowadzono wibrometrem Fluke 805. Wyniki badań przedstawiono w tabeli 4. Wibrometr analizuje takie parametry opisujące drgania jak przyspieszenie (OV-Acceletation), prędkość (OV-Velocity), przemieszczenie (OV-Displacement). Dodatkowa rejestrowana jest temperatura, która warunkuje stan pracy czynnika smarującego łożysko. Urządzenie posiada interfejs komunikacyjny, dzięki czemu pomiary mogą zostać przeniesione do komputera i poprzez wykorzystanie arkusza kalkulacyjnego odpowiednio przetworzone. 

fot. 2. Badaniom z wykorzystaniem wibrometru zostały poddane trzy trójfazowe silniki indukcyjne STg 80, z których dwa zostały celowo uszkodzone (1, 2) natomiast jeden z nich został zachowany w idealnym stanie technicznym (3).

Wibrometr zarejestrował największą wartość drgań dla sinika (2). Dzieję się tak na wskutek zaistniałego niewyważenia wirnika na wskutek uszkodzenia wentylatora. Dla tego przypadku wartość parametrów przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia są największe w porównaniu do pozostałych pomiarów.

W przypadku silnika z uszkodzonym łożyskiem na jego uszkodzenie wskazują dwa parametry OV-Displacement oraz HF-Acceleration widoczne na wykresie:

Tabela 4. Wyniki badań silników: