1. Wyjaśnij pojęcia: diagnozowanie, nadzór, monitorowanie, zabezpieczenie, syg. diagnostyczny, zmienna procesowa, symptomy uszkodzeń, redundancja sprzętowa i analityczna

Diagnozowanie - realizacja łańcucha działań, którego celem jest rozpoznanie aktualnego stanu technicznego obiektu diagnozowania

lub (równie dobra definicja):

Diagnozowanie - proces wykrywania i rozróżniania uszkodzeń obiektu w wyniku zbierania, przetwarzania, analizy i oceny sygnałów diagnostycznych.

Nadzór - monitorowanie obiektu i podejmowanie czynności dla utrzymania jego właściwego działania przy wystąpieniu uszkodzeń.

Monitorowanie:

- monitorowanie przebiegu procesu - przeprowadzane w czasie rzeczywistym zadanie polegające na zbieraniu i przetwarzaniu zmiennych procesowych oraz rozpoznawaniu nieprawidłowych zachowań (sygnalizacji alarmów)

- monitorowanie stanu obiektu - przeprowadzane w czasie rzeczywistym zadanie diagnozowania obiektu wraz z sygnalizacją i ewentualnie graficzną wizualizacją stanu (rozpoznawania uszkodzeń).

Zabezpieczenie - działania i środki techniczne likwidujące potencjalnie niebezpieczny przebieg procesu lub zapobiegające skutkom takiego przebiegu.

Sygnał diagnostyczny - przebieg dowolnej wielkości, będącej nośnikiem informacji o stanie obiektu diagnozowania.

Zmienna procesowa - sygnały mierzone bezpośrednio, wyliczane na podstawie innych mierzonych sygnałów lub wypracowywane przez system automatyki jako sygnał sterujący.

Symptomy uszkodzeń - wystąpienie takiej wartości sygnału diagnostycznego, która odpowiada stanowi nieprawidłowemu kontrolowanej części obiektu diagnozowania. Wystąpienie symptomu jest sygnalizowane w postaci alarmu.

Redundancja sprzętowa - stosowanie dwóch lub więcej urządzeń realizujących to samo zadanie. Umożliwia to porównanie ich funkcjonowania i wykrywanie uszkodzeń w przypadku stwierdzenia niezgodności. Metoda ta jest skuteczna, ale kosztowna.

Redundancja analityczna - występuje wówczas, gdy wartość zmiennej procesowej jest nie tylko mierzona, ale dodatkowo uzyskiwana (wyliczana) na podstawie modelu matematycznego wiążącego wyliczaną zmienną z innymi mierzonymi sygnałami.

5. Metody diagnostyki maszyn elektrycznych

1. Diagnostyka wykorzystująca modele matematyczne:

- klasyczny model obwodowy - oparty na równaniach Kirchoffa

- model polowy

Powyższe metody są jednak wykorzystywane jedynie w laboratoriach pomimo, że powstają ciągle udoskonalane modele obwodowe i polowe modelujące pracę silników w warunkach asymetrii stojana i wirnika, są one wciąż za mało dokładne dla potrzeb diagnostyki. Ponadto do ich stosowania na większą skalę niezbędna jest dokładna znajomość dużej liczby parametrów konstrukcyjnych i materiałowych silnika, podczas gdy zwykle dostępne są tylko podstawowe parametry katalogowe.

- modele obserwatorów i filtrów Kalmana

- metody identyfikacji parametrów ON-LINE

Metody te intensywnie się rozwijają, ale na razie złożoność algorytmów oraz brak pełnego przejścia od parametrów schematu zastępczego do wielkości charakteryzujących uszkodzenie powoduje, że mają ograniczony zasięg zastosowań w warunkach przemysłowych. Przy nieprecyzyjnym modelu bardzo prawdopodobne byłoby powstawanie fałszywych alarmów.

2. Diagnostyka wykorzystująca metody analizy sygnałów:

- analiza widmowa prądów, napięć, strumieni poosiowych, drgań

- analizy wyższego rzędu: transformacja falkowa, bispectrum, STFT

Analiza FFT jest bardzo wygodnym narzędziem, ale w przypadku wielu wariantów uszkodzeń jej możliwości obliczeniowe stają się niewystarczające. Dlatego trwają prace nad transformacjami Fouriera wyższych rzędów. Techniki te pozwalają lepiej wykrywać symptomy uszkodzeń we wczesnej fazie ich powstawania. Należy oczekiwać, że w niedługiej przyszłości w te narzędzia będzie wyposażona aparatura diagnostyczna.

Diagnostyka oparta o analizę sygnałów wykorzystuje wiedzę i doświadczenie człowieka. To on dokonuje interpretacji aktualnych danych uzyskiwanych z pomiarów oraz ich analizy. Podejście to ma słaby punkt - w postaci ludzkiego eksperta, którego doświadczenie jest trudne do zautomatyzowania. Rozwiązaniem tego problemu może być trzecia droga:

3. Diagnostyka wykorzystująca metody sztucznej inteligencji:

- klasyfikacja (np. sieci Kohonena)

- detekcja (np. sieci neuronowe wielowarstwowe, neuro-fuzzy)

Sieci neuronowe i logikę rozmytą stosuje się do budowy tzw. detektorów uszkodzeń. Zadaniem takiej sieci jest wykrycie uszkodzenia, dokonanie jego klasyfikacji i ocena jego stopnia. Do realizacji detektorów neuronowych niezbędne jest zastosowanie szybkich procesorów sygnałowych, gdyż nie ma jeszcze przemysłowych rozwiązań układowych struktur neuronowych. Powoduje to istotne ograniczenie zasięgu takiego rozwiązania. Drugim powodem ograniczeń jest konieczność posiadania dużej bazy danych z uszkodzeń już zaistniałych lub specjalnie wywołanych. Tylko uczenie sieci neuronowej dużą ilością danych zagwarantuje prawidłowe jej działanie.

2. Podstawowe cele diagnostyki procesów przemysłowych (funkcje systemów diagnostycznych dla procesów przemysłowych, diagnostyka systemu sterującego, struktury tolerujące uszkodzenia, układy blokad i zabezpieczeń)

Diagnostyka procesów przemysłowych zajmuje się zagadnieniami wykrywania, lokalizacji i identyfikacji uszkodzeń komponentów instalacji technologicznej, urządzeń wykonawczych pomiarowych na bieżąco w trakcie funkcjonowanego procesu. Obiektem diagnozowania jest więc instalacja technologiczna wraz z urządzeniami wykonawczymi i pomiarowymi oraz procesy zachodzące w tej instalacji.

rys. Schemat obiektu diagnozowania

Automatyczna realizacja działań diagnostycznych w trakcie pracy systemu pozwala na znaczne skrócenie czasu wykrycia i lokalizacji awarii w stosunku do diagnostyki realizowanej przez operatora.

Zadania diagnostyczne realizowane przez współczesne zdecentralizowane systemy automatyki dzielą się na dwie części:

- diagnostyka procesu- obejmuje rozpoznawanie nieprawidłowości procesu oraz uszkodzeń komponentów instalacji technologicznej, urządzeń pomiarowych i elementów wykonawczych

Funkcje systemów diagnostycznych dla procesów przemysłowych:

1) detekcja uszkodzeń wraz z sygnalizacją wykrytych symptomów;

2) automatyczna lokalizacja uszkodzeń

3) identyfikacja uszkodzeń

4) rejestrowanie (archiwizowanie) danych o uszkodzeniach

5) uzasadnienie diagnoz

6) doradztwo w stanach awaryjnych

- diagnostyka systemu sterującego- zadaniem jej jest detekcja i lokalizacja uszkodzeń

elementów sterowników programowalnych, regulatorów, stacji procesowych i operatorskich oraz sieci lokalnych łączących te urządzenia.

Jest ona realizowana cyklicznie z dużą częstotliwością (części sekundy). Umożliwia zlokalizowanie nie tylko uszkodzonej stacji procesowej, sterownika, stacji operatorskiej, lecz dokładnie wskazuje uszkodzony moduł tych urządzeń.

Struktury tolerujące uszkodzenia

Mechanizmy autodiagnostyki i wzajemnego testowania się przez poszczególne inteligentne jednostki systemu automatyki oraz redundancja (rezerwa) umożliwiają realizację struktur tolerujących uszkodzenia (odpornych na pewne uszkodzenia).

Autodiagnostyka + Redundancja = struktury tolerujące uszkodzenia

Redundancja statyczna (typu „K”z „N”)- wszystkie jednostki pracują równolegle, wyniki są porównywane przez moduł głosujący, wymagana zgodność co najmniej k jednostek, aby wyjścia te były uznane za prawidłowe. Jednostki, których wyjścia są niezgodne (w liczbie nie większej niż N-K) traktowane są jako uszkodzone. Redundancja rzadko stosowana, przyjmuje postać „2 ” z „3”.

Redundancja dynamiczna (stand-by)- obok jednostki podstawowej istnieje coc najmniej jedna jednostka rezerwowa, która przejmuje funkcje jednostki podstawowej w przypadku jej awarii. Awaria wykrywana jest przez system diagnostyczny lub autodiagnostyczny inicjujący przełączanie jednostek. Powszechnie stosowana. Ze względu na przyporządkowanie jednostek rezerwowych dzielą się na:

- redundancje lokalne- charakteryzują się ścisłym przyporządkowaniem jednostek rezerwowych do podstawowych

- redundancje globalne- polegają na rezerwowaniu pracy grup jednakowych jednostek podstawowych przez co najmniej jedną jednostkę rezerwową, która przyjmuje funkcje jednostki uszkodzonej.

Dzięki stosowaniu diagnostyki i rezerwy straty spowodowane uszkodzeniami urządzeń systemu sterującego ulegają znacznemu zmniejszeniu.

Układy blokad i zabezpieczeń

Są to bezpośrednie zabezpieczenia technologiczne (zawory bezpieczeństwa, przelewy, bezpieczniki oraz układy blokad i zabezpieczeń automatycznych). Układy realizowane w technice przekaźnikowej lub z zastosowaniem sterowników programowalnych.

Zalecane w tych układach jest wykorzystanie innych torów pomiarowych, niż te, które są stosowane do regulacji i sterowania.

Układy blokad i zabezpieczeń realizują sterowanie binarne. Wejściami układów blokad i zabezpieczeń są binarne sygnały stanu pracy urządzenia (np. silników, wentylatorów, zaworów odcinających) oraz sygnały przekroczenia granic alarmowych przez zmienne analogowe. Mogą one pochodzić z niezależnych binarnych czujników poziomu, temperatury, ciśnienia itp. lub z sygnalizatorów granicznych podłączonych do analogowych przetworników pomiarowych lub też są wynikiem kontroli granic alarmowych wartości zmiennych analogowych realizowanej programowo. Binarne sygnały wyjściowe układów blokad i zabezpieczeń oddziałują na obiekt w taki sposób, aby doprowadzić obiekt do stanu bezpiecznego. Sygnały te powodują np. odcięcie zasilania lub dopływu surowców, blokują urządzenia wykonawcze w pozycji bezpiecznej, uruchamiają zawory odcinające itp.

Przykładem może być układ blokady pompy dla zespołu zbiorników.

3. SCADA ang. System Control and Data Acquisition

jest to oprogramowanie wykorzystywane do zbierania danych ze sterowanego procesu i przesyłające je do centralnego komputera, w którym są wykorzystywane do zarządzania i sterowania. Oprogramowanie SCADA cechuje się tzw. skalowalnością, tj. możliwością rozbudowy sprzętowej i programowej bez konieczności dokonywania istotnych zmian w istniejącej strukturze (urządzeń i programu). Do podstawowych funkcji oprogramowania SCADA należą:

• komunikacja z aparaturą sterującą i stacjami operatorskimi;

• przetwarzanie zmiennych procesowych;

• oddziaływanie na proces (sterowanie, regulacja);

• kontrola procesu i sygnalizacja alarmów;

• raportowanie i archiwizacja danych;

• konfigurowanie struktur algorytmicznych i obrazów synoptycznych;

• wizualizacja graficzna przebiegu procesu na schematach i wykresach;

• wymiana danych z innymi systemami poprzez sieci FUN, LAN, WAN.

Typowa struktura systemy SCADA:

• programowalne sterowniki PLC, koncentratory pomiarów lub inne systemy pomiarowo-sterujące.

Typowe elementy interfejsu programowania:

• okna odwzorowujące przebieg procesu technologicznego;

• okna i przyciski sterowania.

7. Charakterystyka prądu stojana silnika indukcyjnego jako sygnału diagnostycznego (jakie uszkodzenia i w jaki sposób są widoczne w prądzie, sposoby pomiaru prądu dla potrzeb diagnostycznych, metody analizy prądu.

W prądach fazowych silnika zawarte są symptomy różnego typu uszkodzeń i nieprawidłowości jego pracy Przede wszystkim są one związane z takimi uszkodzeniami jak:

• przerwane pręty w klatce wirnika

• asymetria uzwojenia stojana spowodowana np. zwarciem uzwojeń

• asymetria napięć zasilających

• ekscentryczność wirnika

• niewłaściwe sprzęgnięcie maszyny roboczej z silnikiem (niewyosiowanie)

Symptomami powyższych uszkodzeń są przede wszystkim charakterystyczne częstotliwości w widmie prądów stojana.

Metody analizy prądu:

• analiza częstotliwościowa sygnałów prądów silnika indukcyjnego

• metoda analizy wektora przestrzennego prądów stojana

Metoda analizy widmowej prądu stojana posiada szereg ograniczeń i utrudnień. Wiąże się ona z trudnościami odseparowania od harmonicznej sieciowej. Zastosowanie metody opartej na obliczaniu i analizowaniu wektora przestrzennego prądu stojana pozwala zachować prostotę poprzedniej metody (nieinwazyjny pomiar prądów stojana) z jednoczesnym zwiększeniem analizy widmowej. Spektrum modułu wektora przestrzennego prądu stojana jest sumą składowej stałej generowanej przede wszystkim przez składową podstawową sieci, oraz składowych

Metody monitorowania i diagnostyki wirników silników indukcyjnych (uszkodzenia klatki wirnika):

Procedura diagnostyczna sprowadza się w pierwszej kolejności do stwierdzenia czy w widmie prądu obok składowej podstawowej fo występują też częstotliwości nazywane poślizgowymi - fo(1±2s) na poziomie właściwym dla uszkodzenia obwodu elektrycznego klatki z uwzględnieniem wpływu obciążenia.

Jeżeli obciążenie silnika jest powyżej połowy znamionowego s > 0,5s_n, to dla silników o dobrym stanie technicznym klatki, różnice w poziomach składowych o częstotliwościach fo i fo(1±2s) są rzędu 50dB i więcej. Silnik należy bezwzględnie wyłączyć jeżeli różnica w poziomach składowych są poniżej 35dB. Otoczenie harmonicznej podstawowej fo jest najbardziej znaczące, ale dla obciążeń s < 0,5 s_n częstotliwości poślizgowe fo(1±2s) w okolicy fo mogą nie zostać wyraźnie wyodrębnione. Wyodrębnione będą częstotliwości poślizgowe obok 5fo i 7fo. Harmoniczne te ulegają rozdwojeniu a nawet roztrojeniu również dla niewielkich wartości poślizgu.

Składowe fo(1±2s) są również widoczne dla widma modułu wektora przestrzennego. Po transformacji sygnału prądów fazowych do sygnału wektora przestrzennego, składowe fo(1±2s) ulegają przekształceniom do postaci:

f_p=2ksfo

gdzie k=1,2,3…n

Dodatkowo po transformacji otrzymuje się czyste widmo, pozbawione składowej częstotliwości podstawowej f_s (fo to to samo), przez co znacznie łatwiej jest wyodrębnić składowe f_p, których obecność świadczy o pojawieniu się uszkodzenia klatki wirnika, a ich amplituda rośnie ze wzrostem stopnia uszkodzenia.

Niecentryczne połączenie silnika z maszyna robocza

W przypadku niewłaściwego sprzęgnięcia silnika z maszyną robocza, gdy oś silnika nie pokrywa się z osią maszyny roboczej, w widmie prądu fazowego pojawiają się składowe częstotliwościowe wyrażone poniższym równaniem:

gdzie: p - liczba par biegunów, s - poślizg silnika,

m = 1,2,3...

Widmie modułu wektora przestrzennego składowe Im ulegają transformacjom i wyrażone są

jako:

Asymetria napięć zasilających, zwarcie w uzwojeniach stojana

W przypadku, gdy w napięciach zasilających silnika występuje asymetria, w widmie modułu wektora przestrzennego pojawia się składowa częstotliwościowa wyrażona:

f=2f_s

Obecność tej składowej świadczyć może o:

• nierówności napięć zasilających w poszczególnych fazach

• braku jednej fazy

• asymetrii uzwojenia stojana, spowodowanej np. zwarciem kilku zwojów

Aby odróżnić zwarcie w jednej z faz stojana od symetrii napięć zasilających, oprócz analizy widma wektora przestrzennego należy dokonać pomiaru wszystkich napięć fazowych.

10. Metody diagnozowania uszkodzeń łożysk tocznych.

Obniżenie kosztów produkcji i eksploatacji maszyn w przemyśle wymaga wczesnego wykrywania uszkodzeń łożysk tocznych w silnikach elektrycznych. Z wystąpieniem uszkodzenia łożyska pojawiają się pewne dodatkowe zjawiska: wzrost drgań, wzrost szumu , wzrost temperatury. Subiektywne metody oceny powyższych zjawisk są zawodne, bo nie dają możliwości wykrycia uszkodzenia łożyska we wczesnym stadium. Dlatego też używa się głównie dwóch metod:

SPM (Shock Pulse Method):

SPM bazuje na impulsach - udarach generowanych przez łożyska toczne na skutek ich uszkodzenia (wykrywa i analizuje rozwój mechanicznej fali udarowej wywołanej przez uderzenie dwóch mas). W łożysku tocznym między elementami tocznymi i bieżniami powinien znajdować się smar. Złe wykonanie łożyska, wadliwy montaż, nieodpowiednia eksploatacja maszyny prowadzą do punktowych uszkodzeń łożyska, a co za tym idzie przerwanie warstwy w tych punktach. Kontakt elementów łożyska w tych miejscach jest traktowany jako mikrozderzenie dwóch mas. W momencie zderzenia powstaje fala zagęszczeniowa (udarowa). Fala ta rozchodzi się ultradźwiękowo po łożysku i zależy od stanu powierzchni łożyska i jego prędkości obwodowej. Do pomiaru impulsów udarowych używa się czujników piezoelektrycznych strojonych na częstotliwość rezonansową około 32 [kHz]. Zagęszczeniowe czoło fali (impuls udarowy) wywołanej przez zderzenie mas wytwarza w przetworniku tłumione oscylacje na jego częstotliwości rezonansowej. Amplituda szczytowa tych oscylacji jest wprost proporcjonalna do zderzenia mas.

Stosując SPM można śledzić degradację łożyska poczynając od nowego poprzez różne jego stadia, aż do stanu w którym konieczna jest wymiana. Metoda ta jest bardzo czuła ponieważ impulsy udarowe generowane przez łożysko wzrastają nawet 1000-krotnie przy wystąpieniu poważnego uszkodzenia. Nowe łożyska generują impulsy udarowe, których wartość szacuje się przez współczynnik dB_i (wartość inicjująca łożysko, poziom tła). W metodzie SPM mierzy się wielkość dB_N (wielkość określająca jakość łożyska)

dB_N= dB_SV- dB_i

gdzie: dB_SV - wielkość bezpośrednio mierzona. Przy wzroście dB_N powyżej 36 [dB] należy zaplanować wymianę łożyska. Metoda ta dodatkowo umożliwia oszacowanie grubości filmu olejowego.

Zalety: szybki pomiar, łatwa obsługa, możliwość analizy trendu, wczesne wykrycie uszkodzeń, opracowanie znormalizowanych poziomów granicznych dla danego stanu łożyska.

Wady: konieczna znajomość średnicy łożyska i prędkości obrotowej, odczyt silnie uzależniony od sposobu mocowania i lokalizacji przetwornika drgań, problemy w interpretacji wyniku pomiaru (impulsy udarowe z innych źródeł).

Detekcja obwiedni:

Metoda ta polega na analizie drgań rezonansowych maszyny. Istota metody jest następująca: krótkotrwałe impulsy - udary w przebiegach czasowych sygnału drganiowego maszyny mogą być spowodowane uszkodzeniem elementu tocznego bądź przejściem elementu tocznego przez punktowe uszkodzenia bieżni łożyskowej. Jeśli uszkodzenie wystąpi na pierścieniu nieruchomym impulsy będą miały jednakową amplitudę. Uszkodzenia punktowe na pierścieniu obracającym się mają zmienną w czasie amplitudę impulsów. Znając geometrię łożyska, ilość elementów tocznych i liczbę obrotów bieżni wewnętrznej względem zewnętrznej można obliczyć częstotliwość charakterystyczną dla poszczególnych elementów łożyska.

Procedura pomiarowa:

1. W wyniku defektu łożyska do czujnika drgań umieszczonego na obwodzie badanego łożyska dostarczany jest ciąg udarów z częstotliwościami charakterystycznymi.

2. Sygnał drganiowy doprowadzany do filtra pasmowo-przepustowego po przejściu którego otrzymujemy sygnał wysoko częstotliwościowy modulowany amplitudowo przez udary pochodzące od uszkodzenia łożyska.

3. Następnie prostujemy i wygładzamy sygnał w celu otrzymania obwiedni. Obwiednia sygnału zawiera tylko niskoczęstotliwościowe modulacje odpowiadające cyklicznie pojawiającym się impulsom - udarom wynikającym z uszkodzenia łożyska.

4. Następnie przeprowadzamy analizę procedurą FFT. Z otrzymanego widma określamy częstotliwość powtarzania impulsów a za tym częstotliwość udarów wywołanych uszkodzeniem łożyska.

Zalety: odseparowanie użytecznych informacji diagnostycznych od wpływu zakłóceń zewnętrznych, możliwość precyzyjnego śledzenia uszkodzeń, możliwość prowadzenie uniwersalnych pomiarów diagnostycznych (obserwacja ewentualnego powiększania się luzu).

Wady: konieczna znajomość obszarów rezonansowych i indywidualizacja kryterium stanu, konieczna dokładna znajomość konstrukcji łożyska.

8. Charakterystyka drgań mechanicznych jako sygnału diagnostycznego (jakie uszkodzenia i w jaki sposób są widoczne w drganiach, sposoby pomiaru i analizy drgań, wielkości charakteryzujące drgania).

Drgania maszyn wywoływane są głównie zmiennymi w czasie siłami wewnętrznymi, czasem siłami zewnętrznymi. Energia drgań maszyny jest przenoszona zarówno przez powietrze jak i ciała stałe (np. fundamenty). Występowanie drgań objawia się w postaci efektów akustycznych lub wibracyjnych. Efekty wibracyjne, istotne w zakresie niskich częstotliwości są charakteryzowane przez poziom drgań.

Najprostszy model układu drgającego:

Na element drgający o masie m działa siła zewnętrzna P, powodująca wychylenie układu z położenia równowagi. Przeciwstawia się temu:

-siła sprężystości: F₁= k x, gdzie: k-sztywność elementu spręż.;

x- wychylenie z położenia równowagi.

-siła tłumiąca:
, gdzie: C-stała tłumienia

-siła bezwładności:

Równanie opisujące ruch elementu drgającego ma więc postać:

Rozwiązaniem tego równania dla stanu ustalonego przy wymuszeniu drgań siłą P sinusoidalnie zmienną jest wyrażenie:

,

gdzie: X_m-amplituda wychylenia,

ω-pulsacja drgań

φ-kąt przesuniecia fazowego między wymuszeniem (siłą) a odpowiedzią (wychyleniem).

Stan każdej maszyny (również elektrycznej) i jej elementów można ocenić na podstawie drgań występujących w czasie jej pracy. Podczas pracy maszyny elektrycznej mogą wystąpić drgania okresowe (o przebiegu sinusoidalnym lub odkształconym) i nieokresowe. Drgania nieokresowe mogą powstać od przyczyn występujących doraźnie.

Czynniki wywołujące drgania:

a) zewnętrzne:

- drgania maszyny współpracującej (np. gdy maszyna elektr. napędza sprężarkę tłokową);

- niewłaściwe sprzęgnięcie z maszyną współpracującą (np. brak współosiowości);

- niewłaściwe ustawienie na płycie fundamentowej.

b) wewnętrzne:

- asymetria magnetyczna;

- naciąg magnetyczny;

- wady łożysk;

- niewyważenie wirnika.

Niewyważenie wirnika - najczęstszą przyczyną powstawania drgań. Niewyważenie ma miejsce, gdy oś bezwładności nie pokrywa się z jego osią obrotu. W ogólnym przypadku osie te są względem siebie wichrowate. Takie niewyważenie można rozpatrywać jako wynik działania 2 teoretycznych rodzajów niewyważenia:

- statycznego, gdy oś bezwładności wirnika jest równoległa do osi obrotów'

- dynamicznego, kiedy oś bezwładności przecina w środku oś obrotów.

Drgania mechaniczne - wielkości charakterystyczne

Częstotliwość drgań:
(1)

Wielkości charakteryzujące drgania:

- przemieszczenie x,

(2)

gdzie: ω = 2·π·f - prędkość kątowa [1/s],

x_m - wartość szczytowa przemieszczenia drgań [m],

t - czas [s].

- prędkość v,

(3)

- przyspieszenie a.

(4)

1. Przekształcanie wielkości przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia drgań

		Przemieszczenie drgań	Prędkość drgań	Przyspieszenie drgań
Przemieszczenie drgań	x =	1
Prędkość drgań	v =		1
Przyspieszenie drgań	a =			1






1. Przebieg czasowy wielkości fizycznych charakteryzujących drgania. a) przemieszczenie drgań, b) prędkość drgań, c) przyspieszenie drgań

Wybór parametru drgań ma znaczenie przy analizie drgań (rys. 2). Przemieszczenie drgań najlepiej odzwierciedla drgania w zakresie niskich częstotliwości, dla maszyn wolnoobrotowych poniżej 600 obr/min (10 Hz), ponieważ niskie częstotliwości drgań charakteryzują się wysokimi przemieszczeniami. Prędkość drgań najlepiej odzwierciedla stan maszyny przy częstotliwościach drgań od ok. 30 Hz do 1500 Hz, natomiast przyspieszenie drgań przy wysokich częstotliwościach.




2. Zależność wielkości fizycznych charakteryzujących drgania od częstotliwości

Drugą istotną sprawą przy analizie drgań jest wybór skali amplitudy. Stosuje się liniowe i logarytmiczne skale amplitud. Skala logarytmiczna (decybelowa) jest bezwymiarowa i wyraża stosunek danego poziomu do poziomu odniesienia.


(5)

gdzie: N - ilość decybeli,

a - poziom mierzony,

a_ref - poziom odniesienia.

Skala logarytmiczna uwypukla harmoniczne o niskich wartościach amplitud. Jest ona zatem przydatna podczas analizy badanych wibracji o małych wartościach. Skala liniowa nadaje się lepiej do badań, w których dla analizy ważne są harmoniczne o wysokich amplitudach, gdyż na wykresie w tej skali widoczne będą tylko wierzchołki dominujących harmonicznych.

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:


(12)


(13)


(14)


(15)


(16)

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.




3. Przykładowe prążki widma drgań maszyny elektrycznej (częstotliwości związane z uszkodzeniami łożyska przedstawiono dla łożyska dziewięciokulkowego); f_s - częstotliwość napięcia zasilającego, f_zw - częstotliwość pochodząca od układów zewnętrznych (np. sprzęgła, przekładni)

Poziom drgań uszkodzonych łożysk rośnie wraz z jego zużyciem i może radykalnie się obniżyć tuż przed awarią. Drgania występują na łożyskach w płaszczyźnie promieniowej z wyjątkiem łożyska oporowego, gdzie również występują w kierunku osiowym. We wczesnych stanach degradacji łożyska składowe drgań charakteryzują się dużymi częstotliwościami drgań (powyżej 500Hz). W późniejszych stanach rośnie pierwsza harmoniczna oraz jej wielokrotności.

Ponieważ uszkodzone łożyska toczne generują drgania szerokopasmowe, dla wykrywania defektów w jeszcze bardzo wczesnej fazie, zaleca się pomiary przyspieszenia drgań. Można rejestrować wartości skuteczne i wartości szczytowe przyspieszeń w celu ich porównania. Stosunek wartości szczytowej do wartości skutecznej nazywa się współczynnikiem szczytu a jego wartość może być estymatą stanu łożyska.

Sposoby pomiaru i analizy drgań

Do pomiaru drgań służą akcelerometry. Przykłady:







4. Miniaturowy akcelerometr piezoelektryczny z wbudowanym przedwzmacniaczem DeltaTron typ 4397




5. Miniaturowy trójosiowy akcelerometr piezoelektryczny z wbudowaną elektroniką DeltaTron typ 4506




Analiza drgań - za pomocą multianalizatora

Przykład - multianalizator Pulse typ 3560 firmy Brüel&Kjær .W jego skład wchodzą: komputer PC z kartami procesorów sygnałowych ZD 0812 i dyskiem o pojemności 2 GB do bezpośredniego zapisu danych, układ akwizycji danych typu 2825 z modułem interfejsu analizatora (7521) i czterokanałowym modułem wejściowym, kabel TAXI do komunikacji wewnętrznej (3022) oraz oprogramowanie „Pulse LabShop” w wersji 6.

Diagnostyka uszkodzeń stojana wykorzystująca

pomiar drgań mechanicznych

Diagnostyka uszkodzeń w stojanie na podstawie pomiarów wibroakustycznych wykorzystuje fakt, że duży prąd płynący w zwojach zwartych wywołuje odkształcenie pola magnetycznego w 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, bądź jej parzystych wielokrotności. Drgania można mierzyć w dwóch kierunkach: w kierunku promieniowym oraz w kierunku stycznym (rys.4). Najkorzystniej jest mierzyć składową styczną V_RMS, bowiem jej wzrost po zaistnieniu zwarcia jest największy.




Rys.4. Kierunki pomiaru drgań silnika

Ponadto wartość składowej stycznej V_RMS najmniej zależy od miejsca zainstalowania czujnika drgań na korpusie maszyny. Najkorzystniej jest zainstalować czujnik drgań na tarczy łożyskowej.




Rys.5. Prędkość drgań V_RMS (100Hz) w funkcji procentowego zwarcia uzwojenia fazowego

Zestawienie podstawowych uszkodzeń silnika indukcyjnego oraz ich symptomów w widmie drgań mechanicznych:

Rodzaj uszkodzenia	Częstotliwości charakterystyczne	Uwagi
Uszkodzenie wirnika klatkowego	gdzie: k=1,2,3,…	Dominujący kierunek osiowy (horyzontalny)
Ekscentryczność	lub gdzie: k=1,2,3,… Nr - liczba prętów wirnika	Ekscentryczność statyczna
			Ekscentryczność dynamiczna oraz harmoniczne żłobkowe
Nieosiowość a) równoległa lub kątowa b) luzy łożysk	głównie: czasami:	Maksymalne w kierunku osiowym Czasami wszystkie harmoniczne fr
Uszkodzenia łożysk tocznych a)bieżnia zewnętrzna b) bieżnia wewnętrzna c) elementy toczne d) koszyk	gdzie: przy czym: nb - liczba elementów tocznych, - czętotliwość obrotowa, - kąt łożyska, BD - średnica kulki, PD - średnica podziałowa łożyska.	Charakterystyczne częstotliwości rezonansowe dla poszczególnych elementów łożysk oraz drgania wysokoczęstotliwościowe 20-60 Hz
Niewyważenie statyczne i dynamiczne		Największe w kierunku promieniowym
Uszkodzenia stojana

10

---