1. Omów przyczyny powstawania uszkodzeń w wirnikach klatkowych i metody ich wykrywania. 

.

Przerwy w prętach klatki

+ są wynikiem wadliwego wykonania lub wypalenia pręta u nasady pierścienia

- dodatkowe składowe w prądach fazowych zależne od poślizgu

- pojawienie się zmiennych składowych w momencie elektrycznym

- mały wpływ na strumień unipolarny

- niewielka zmiana widma wibroakustycznego

- niewielkie zmiany w prądach klatki

Wirnik:

-na podstawie analizy widmowej prądu stojana- w widmie prądu stojana uszkodzeniom wirnika towarzysza harmoniczne poślizgowe o częstotliwościach: f₁=(1±2ks)f_s,

-na podstawie analizy wektora przestrzennego prądów stojana: f_p=2ksf_s, gdzie k=1,2,3…n

-na podstawie analizy mocy,

-na podstawie momentu elektromagnetycznego-pomiar momentu jest drogi i komplikuje konstrukcję napędu. Dlatego też oblicza się moment na podstawie pomiaru prądów fazowych i napięć międzyfazowych na podstawie modelu matematycznego.

- metody wykorzystujące strumień unipolarny

- metody cewek umieszczonych na zębach stojana

- metody wibroakustyczne

  
2. Omów przyczyny powstawania uszkodzeń w stojanie i metody ich wykrywania. 
  Stojan:

1. Metoda pomiaru wartości skutecznej napięcia indukowanego w cewce pomiarowej.

2. Metoda pomiaru widma częstotliwościowego napięcia indukowanego w cewce.

3. Metoda wykorzystująca pomiar drgań mechanicznych: pomiar skutecznej wartości prędkości drgań V_RMS silnika

Można wyróżnić metody opierające się na pomiarze wielkości elektrycznych i magnetycznych oraz wibroakustycznych. Podstawową metodą jest wykrywanie zwarć zwojowych opartej na pomiarze strumienia poosiowego, który w maszynie symetrycznej jest równy zeru. Zwarcie pewnej liczby zezwojów wiąże się z przepływem stosunkowo dużego prądu w tych zezwojach przy niewielkiej asymetrii prądów zasilających. Wzrost prądu powoduje zaburzenia pola magnetycznego, a więc jego asymetrię i pojawienie się strumienia poosiowego. Sygnałem pomiarowym jest napięcie w dodatkowej cewce umieszczonej współosiowo z wałem w pobliżu łożysk lub wewnątrz na tarczy łożyskowej.

Wzór określający częstotliwości w widmie strumienia poosiowego:f_ad=kf₁±jf₂ j=1,3,5,7,11,13…

-Metoda wykorzystująca pomiar drgań mechanicznych. Wykorzystuje się fakt, że duży prąd płynący w zwojach zwartych wywołuje odkształcenie pola magnetycznego szczelinie, co pociąga za sobą pojawienie się sił przemiennych działających na stojan i wirnik. Ich wynikiem jest wzrost hałasu i drgań maszyny. Wykrywanie zwarć zwojowych można oprzeć na pomiarze skutecznej wartości prędkości drgań V_RMS silnika, zarówno globalnej jak i składowej, o częstotliwości równej podwójnej częstotliwości zasilania lub jej parzystych wielokrotności. Drgania można mierzyć w 2 kierunkach: promieniowym i i stycznym.

Zwarcia zwojowe – najczęstsze: ca 50%

+ powstają w wyniku przebicia lub mechanicznego uszkodzenia izolacji

- bardzo duży prąd w zwojach zwartych

- asymetria prądów fazowych

- zmiana widma wibroakustycznego

- pojawienie się strumieni unipolarnych

1. Analiza widmowa prądów stojana (czuła i łatwa w realizacji)

   1. Składowe zależne od poślizgu świadczą o uszkodzeniu wirnika f_i=f_s(1±2ks)

   2. Uszkodzenie klatki powoduje zwiększenie f_s(1-2s)

   3. Oscylacje prędkości powodują obniżenie f_s(1-2s) i podwyższenie f_s(1+2s)

   4. Ekscentryczność statyczna

   5. Ekscentryczność dynamiczna czysta

   6. Ekscentryczność dynamiczna

   7. Nieosiowość sprzęgu z maszyną roboczą – prążki w pobliżu częstotliwości związanej z ekscentrycznością dynamiczną

3. Omów metody diagnozowania uszkodzeń łożysk tocznych 
  

Diagnostyka łożysk oparta o analizę widmową drgań maszyny

Uszkodzenie łożyska powoduje pojawienie się w sygnale drganiowym szeregu impulsów z częstotliwością powtarzania zależną od geometrii i kinematyki łożyska. Skład widmowy jednego impulsu jest zależny od charakterystyki geometrycznej uszkodzenia oraz transmitancji układu między źródłem i punktem odbioru sygnału. Częstotliwości odpowiadające defektom elementów łożyska tocznego można obliczyć w oparciu o zależności :

gdzie: f_r ‑ częstotliwość obrotowa,

f_lk ‑ częstotliwość związana z uszkodzeniem i luzami koszyka,

f_bz ‑ częstotliwość związana z uszkodzeniem bieżni zewnętrznej,

f_bw ‑ częstotliwość związana z uszkodzeniem bieżni wewnętrznej,

f_k ‑ częstotliwość związana z uszkodzeniem elementu tocznego,

n ‑ prędkość obrotowa maszyny,

d ‑ średnica elementu tocznego,

D ‑ średnica podziałowa łożyska,

ϑ ‑ kąt pracy łożyska - 0° (dla łożyska kulkowego zwykłego),

N_k ‑ liczba elementów tocznych łożyska.

Diagnostyka łożysk oparta o analizę widmową prądu stojana

Widmo prądu stojana, idealnego nie uszkodzonego silnika posiada tylko podstawową harmoniczną napięcia zasilającego f_s. Zmiany obciążenia silnika modulują amplitudę prądu wytwarzając oprócz harmonicznej podstawowej dodatkowe składowe częstotliwości. Drgania pochodzące od uszkodzonego łożyska powodują zmianę wielkości szczeliny powietrznej między wirnikiem a stojanem. Powoduje to powstanie dodatkowych harmonicznych nie związanych z harmoniczną podstawową napięcia zasilania. Na podstawie analizy częstotliwościowej można wyznaczyć składowe częstotliwości prądu odpowiadające poszczególnym typom uszkodzeń w łożysku.

(17)

gdzie: k=1,2,3,...,

f_u ‑ częstotliwość prądu związana z danym uszkodzeniem łożyska,

f_s – częstotliwość napięcia zasilającego,

f_l – częstotliwości związane z uszkodzeniem łożyska (f_k, f_bz, f_bw, f_lk obliczone według zależności 12 ‑ 15).

Zjawiska towarzyszące uszkodzeniu łożysk:

1. Wzrost drgań

2. Wzrost szumów

3. Wzrost temperatury

Metody diagnostyki eksploatacyjnej łożysk:

1. SPM (Shock Pulse Method)

2. Metoda detekcji obwiedni

Metoda SPM (Metoda impulsów uderzeniowych)

• Wykrywa i analizuje rozwój mechanicznej fali udarowej wywołanej przez zderzenie dwóch mas.

• Mikroudary są wynikiem braku warstwy smaru między dwoma elementami łożyska.

• Generowana fala zależy od stanu powierzchni łożyska i jego prędkości obwodowej

• Metoda bazuje na wykryciu i zmierzeniu czoła fali zagęszczeniowej powstałej w wyniku mikroudaru.

• Metoda SPM polega na śledzeniu degradacji łożyska (które nawet jako nowe i dobre generuje jakieś drgania) poprzez różne jego stadia aż do stanu zniszczenia. W tym czasie impulsy udarowe wzrastają nawet 1000-krotnie.

• Miarą stopnia uszkodzenia łożyska jest normowany poziom przyspieszenia drgań dB_N=dB_SV-dB_i (dB_SV- zmierzona wartość impulsów, dB_i- poziom tła), który po przekroczeniu 36dB kwalifikuje łożysko do wymiany.

• Przy dodatkowym uwzględnieniu wartości tła i impulsów udarowych możliwa jest ocena grubości warstwy smaru (jakości smarowania łożyska).

• Problemem jest organizacja i wybór punktu pomiarowego. Musi on być położony w „oknie emisji” łożyska.

• Zalety metody SPM

  • Łatwy i szybki pomiar

  • Możliwość analizy trendu

  • Wczesne wykrywanie uszkodzeń łożysk

  • Opracowanie znormalizowanych poziomów granicznych dla danego stanu łożyska

• Wady metody SPM

  • Konieczna znajomość średnicy otworu łożyska i prędkości obrotowej, a nawet jego typu

  • Odczyt jest silnie uzależniony od sposobu mocowania i lokalizacji przetwornika drgań

  • Silne zakłócenia udarowe z innych źródeł mogą uniemożliwić interpretację wyników.

Metoda detekcji obwiedni

• Polega na specyficznej analizie drgań rezonansowych maszyny – krótkotrwałe impulsy generowane przy przejściu elementów tocznych przez uszkodzone miejsce mają różne właściwości zależnie odętego czy element toczny jest w ruchu czy nie. Znając geometrię łożyska, ilość elementów tocznych i liczbę obrotów bieżni względem siebie można obliczyć częstotliwość impulsów charakterystycznych dla uszkodzenia poszczególnych elementów łożyska. Procedura pomiaru jest nastepująca:

1. Pomiaru dokonuje się na obudowie w kierunku stycznym lub promieniowym zależnie od tego, jakich symptomów uszkodzeń będziemy w widmie szukali.

2. Sygnał jest filtrowany filtrem pasmowo-przepustowym o częstotliwości średniej dostrajanej do rezonansowej maszyny.

3. Otrzymany w ten sposób sygnał wysokoczęstotliwościowy jest prostowany i wygładzany w celu otrzymania obwiedni zawierającej tylko niskoczęstotliwościowe modulacje odpowiadające cyklicznie pojawiającym się udarom – symptomom uszkodzenia.

4. Wykonanie analizy FFT obwiedni pozwala wyznaczyć częstotliwość udarów wywołanych uszkodzeniem łożyska.

• Zalety metody detekcji obwiedni

  • Odseparowanie użytecznego sygnału od zakłóceń zewnętrznych

  • Możliwość precyzyjnego śledzenia rozwoju uszkodzenia

  • Możliwość prowadzenia uniwersalnych pomiarów diagnostycznych, w tym także obserwacja ewentualnego powiększania się luzu na skutek zużycia ciernego.

• Wady metody detekcji obwiedni

  • Konieczność znajomości obszarów rezonansowych i indywidualizacja kryterium stanu

  • Konieczna dokładna znajomość konstrukcji łożyska włącznie z informacjami niedostępnymi w katalogu.

Uszkodzenia łożysk

+ zużycie, nieprawidłowa obsługa lub montaż, niewyważenia maszyny, złe sprzęgnięcie, asymetria naciągu magnetycznego, przegrzanie, przeciążenie

- widoczne głównie w widmie wibroakustycznym

- wzrost temperatury łożyska przekazywany na obudowę

- często jest to uszkodzenie wtórne (np.: wynik niewyważenia wirnika)

4. metody diagnozowania uszkodzeń mechanicznych (niewyosiowania, uszkodzenia łożysk i ekscentryczności)

Niesymetria szczeliny powietrznej

+ złe wyosiowanie lub wyważenie wirnika, uszkodzenie łożysk, odkształcenie wału

- dodatkowe składowe w prądach maszyny

- zmienne składowe w momentach i siłach

- zmienne widma wibroakustyczne

Metody wykrywania ekscentryczności, niewyważenia, niewyosiowania. 

Ekscentryczność: odnosi się do odchyleń od ustalonej norm

-analiza spektralna prądu stojana f_e=f_s[(kN_r±n_d)(1-s)/p_b±n_w] strona 7-8 instrukcja ekscentryczność

- badanie za pomocą promieni Rentgena - rozwiązanie drogie i kłopotliwe

Niewyważenie:

- analiza częstotliwościowa prądu stojana - obserwacja f_s±f_r

- analiza częstotliwościowa drgań mechanicznych - obserwacja f_r (największe drgania w kierunku promieniowym)

Niewyosiowanie:

- analiza częstotliwościowa prądu stojana - obserwacja f_s±kf_r

- analiza częstotliwościowa drgań mechanicznych -obserwacja 1,2,3,4kf_r (maksymalne drgania w kierunku osiowym)