Контроль уровня вибрации СЭМ

Вибрация судовых электрических машин относится к важнейшим показателям их качества, ее уровень и характер являются важными показателями технического состояния СЭМ в период эксплуатации, так как зависят от состояния практически всех ее основных узлов.

Вибрация СЭМ может вызвать нарушение всех механических соединений, перегрев подшипников и даже задевание ротором статора.

Вибрация может возникнуть по самым разнообразным причинам механического и электромагнитного характера.

Механические причины. К причинам механического характера относятся:

– неуравновешенность вращающихся частей;

– смещение обмотки фазного ротора вследствие слабой её бандажировки (наблюдается чаще у быстроходных двигателей) или ослабления обмотки в пазах, вследствие усыхания изоляции;

– нарушение центровки агрегата при соединении двигателя с приводимой машиной при помощи муфты;

– ослабление посадки вращающихся частей на валу, например, ротора, полумуфты;

– слишком мал или слишком велик зазор между шейками вала и вкладышами;

– слишком низкая температура входящего масла (у машин с принудительной смазкой под давлением);

– недостаточно прочное закрепление машины на фундаменте, ослабление затяжки болтов, крепящих подшипниковые щиты к корпусу;

– недостаточная жесткость подшипниковых щитов, фундамента в целом или отдельных его частей;

– колебания фундамента или металлической конструкции, на которой установлен двигатель, вследствие передачи вибраций от соседних машин, или же передача вибраций от других машин агрегата при жёстком их соединении;

– резонансные явления, спровоцированные возмущающим влиянием элементов судна (таких как дизель, гребной винт, системы управления), генерирующие крутильные и аксиальные колебания элементов линии вала.

Кроме указанных причин, вибрации могут появиться из-за повреждения подшипников качения.

Неуравновешенность вращающихся частей устраняется путём их искусственного уравновешивания- балансировкой, т.е. установкой дополнительного груза определённого веса в соответствующих точках торцевых частей ротора.

Признаками ослабления посадки вращающихся частей (ротора, полумуфты) на валу служит появление на посадочных местах налётов ржавчины (из-за контактной коррозии), а также возрастание вибрации с течением времени, что объясняется прогрессирующим характером неисправности. Значительное ослабление посадки может быть установлено по покачиванию деталей на валу при нажатии на них.

Влияние увеличенного зазора между шейками вала и вкладышем на вибрацию двигателя особенно сказывается у быстроходных машин. При большом зазоре (в верхней части вкладыша) происходит «наползание вала». Вал при этом приподнимается, вследствие вязкости тонкого масляного слоя (масляного клина) между валом и вкладышем, и снова падает под действием собственного веса ротора. Это явление периодически повторяется. Число возникающих при этом колебаний не совпадает со скоростью вращения ротора, обычно оно значительно меньше. Колебания зависят от величины зазора во вкладыше, массы ротора, неуравновешенности последнего, даже незначительной, и вязкости масла, а так как вязкость сильно зависит от температуры, то также и от температуры масла. Поэтому, если после искусственного повышения температуры масла вибрации уменьшаются или совершенно исчезают, можно с уверенностью сказать, что причиной вибрации является слишком большой зазор между шейкой вала и вкладышем. В таких случаях следует по возможности уменьшить зазор во вкладышах в вертикальном направлении.

После уменьшения верхнего зазора во вкладыше часто наблюдается повышение температуры масла и подшипников. В таких случаях необходимо несколько увеличить боковые зазоры.

Необходимо также обратить внимание на то, чтобы в разъемных подшипниках верхний вкладыш плотно прижимался крышкой подшипника, так как при наличии зазора между вкладышем и крышкой подшипника вибрация вала будет продолжаться, несмотря на уменьшение зазора во вкладыше.293,295,297,299,301,303,305,307,309,311

Нормальные зазоры в неразъемных вкладышах подшипников указаны в таблице 10.2.

Таблица 10.2 - Размеры зазоров в неразъемных вкладышах подшипников

Диаметр вала, мм	Верхний зазор (вертикальный) при числе об/мин
До 1000	1000-1500	Свыше 1500
Пределы, мм
18-30 30-50 50-80 80-120	0,04-0,093 0,05-0,112 0,065-0,135 0,080-0,160	0,060-0,130 0,075-0,160 0,095-0,195 0,120-0,235	0,140-0,280 0,170-0,340 0,200-0,400 0,230-0,460

Размеры верхних вертикальных зазоров в разъемных вкладышах подшипников указаны в таблице 10.3.

Таблица 10.3 - Размеры верхних вертикальных зазоров в разъемных

вкладышах подшипников

Диаметр вала, мм	Пределы верхних зазоров, мм	Диаметр вала, мм	Пределы верхних зазоров, мм
50-80 80-120 120-180	0,15-0,20 0,20-0,25 0,25-0,35	180-260 260-360	0,35-0,45 0,45-0,55

В подшипниках с принудительной смазкой верхние зазоры обычно находятся в пределах 0,25-0,40% от диаметра шейки вала, а в некоторых случаях доходят до значительно больших величин.

В подшипниках качения рекомендуется не допускать увеличения зазора свыше:

0,1 мм для валов диаметром………………………… до 25 мм

0,2 мм»»» до 100 мм

0,3 мм»»» выше 100 мм

Зазор в подшипниках качения может быть измерен щупом, для чего пластинка его вводится между элементами качения (шарики, ролики) и наружным кольцом в ненагруженной части подшипника.

Электромагнитные причины. К электромагнитным причинам вибраций относятся:

- короткие замыкания или неправильные соединения в обмотках статоров;

- обрыв в стержнях ротора или в замыкающих кольцах короткозамкнутого двигателя;

- биение или деформация стали ротора.

Короткие замыкания или обрывы в обмотках статора (несимметрия электрических цепей статора) создают несимметрию магнитной системы машины и приводят к появлению пульсирующего крутящего момента, в результате чего взаимное притяжение ротора и статора становится неравномерным. В спектре вибрации это проявляется в возрастании уровня вибрации на частоте электромагнитных сил как в радиальном, так и осевом направлениях. Кроме того появляются составляющие на зубцовой частоте (количество стержней ротора, умноженное на частоту вращения). Этот дефект может приводить к локальному нагреву корпуса статора и вызвать его деформацию.

При коротких замыканиях в обмотке фазного ротора двигатель может вибрировать в такт со скольжением.

Обрыв стержня ротора приводит к локальному нагреву ротора в месте дефекта и может приводить к его деформации и появлению теплового дисбаланса. Если вовремя не принять меры, то в результате данного процесса возможна остаточная тепловая деформация ротора и его выбраковка.

Дефект проявляется в увеличении вибрации на частоте вращения и частоте действия электромагнитных сил (100 Гц) с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту, равную частоте скольжения ротора, умноженную на число полюсов. При этом пик боковой полосы на меньшей частоте всегда меньше «зеркального» пика на большей частоте.

Витковые замыкания в обмотках роторов синхронных электродвигателей вызывают вибрацию на тех же частотах, но без боковых полос, так как отсутствует скольжение ротора. Часто на опорах с момента пуска и до стабилизации теплового режима наблюдается постоянный рост вибрации на частоте вращения ротора, так как витковые замыкания из-за локального нагрева и прогиба ротора вызывают тепловой дисбаланс.

Эксцентриситет статора (неравномерный воздушный зазор) чаше всего является следствием некачественного монтажа подшипниковых опор, неплоскостности опорных поверхностей фундамента или тепловых деформаций в агрегате. Это проявляется в возрастании уровня вибрации на частоте электромагнитных сил и на частоте вращения электромагнитного поля в зазоре (частота сети, деленная на количество пар полюсов).

Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительно оси его вращения проявляется в увеличении вибрации на частоте вращения и частоте действия электромагнитных сил с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту, равную частоте скольжения ротора, умноженную на число полюсов. Осевое смещение ротора относительно статора приводит к тому, что осевые силы, стремясь вернуть ротор в нейтральное положение, вызывают значительную осевую вибрацию на частоте питающей сети. Большинство подшипников не предназначены для компенсации осевых усилий и поэтому быстро выходят из строя.

Ослабление прессовки пакета стали ротора ведет к увеличению вибрации на частоте действия электромагнитных сил и появлению зубцовой частоты с боковыми полосами, сдвинутыми друг относительно друга на частоту действия электромагнитных сил.

Основным признаком того, что дефект имеет электромагнитную причину, является мгновенное исчезновение его признаков в спектре вибрации после отключения электродвигателя от сети.

В связи с относительно малым зазором колебания ротора могут вызвать и задевание ротора о статор.

Для устранения биения активной стали ротора его необходимо обточить или отшлифовать наждачным кругом.

Чтобы установить причину вибрации, необходимо обследовать двигатель и идти путём исключения отдельных причин. В процессе обследования рекомендуется быстро отключать двигатель от сети и наблюдать за его вибрацией. Немедленное исчезновение вибрации подшипников или корпуса статора после отключения двигателя при одинаковой величине тока во всех фазах (до отключения) свидетельствует о том, что причиной вибрации является слишком большой зазор между шейками вала и вкладышами, биение стали ротора или короткое замыкание в обмотке фазного ротора.

Если вибрация исчезает немедленно после отключения двигателя, но до отключения величина тока во всех фазах различна и двигатель сильно гудит, то причиной вибрации является короткое замыкание или неправильное соединение в обмотке статора. Если же сразу после отключения двигателя вибрация продолжается и исчезает только после значительного снижения скорости вращения его, то вибрация является следствием механических причин (в том числе и слишком малого зазора между шейкой вала и вкладышем) или же обрыва в отдельных стержнях или в короткозамыкающих кольцах двигателей с короткозамкнутым ротором.

По частоте вибраций во многих случаях можно определить их причину. Если частота вибраций равна двойной частоте вращения, то причиной вибрации является неправильная центровка агрегата, неисправность соединительной муфты или овальность шеек вала.

Если же причиной вибраций является слишком большой зазор между шейкой вала и вкладышем(«наползание» вала), то частота вибраций ниже частоты вращения. При неуравновешенности вращающихся частей частота вибрации соответствует частоте вращения, а отношение амплитуд вибраций при различных скоростях вращения равно отношению квадратов скоростей

Уровень вибрации характеризуется несколькими параметрами: вибросмещением s (мкм), т. е. величиной перемещения точки корпуса машины от положения равновесия, виброскоростью v (м/с) и виброускорением w (м/с²).

Эти параметры выражаются в логарифмических единицах – децибелах. Логарифмические единици вибросмещения, виброскорости и виброускорения определяются выражением

где L_x – значение вибросмещения, виброскорости, виброускорения, выраженное в децибелах (дБ); x - значение вибросмещения, виброскорости, виброускорения, выраженное в натуральных единицах(м), (м/с), (м/с² ) соответственно; x₀ – нулевой уровень вибросмещения, виброскорости, виброускорения.

Проверка вибрации СЭМ и оценка полученных результатов требуют тщательной подготовки измерительной аппаратуры и точного соблюдения правил ее применения.

Наиболее простыми в обращении приборами для проверки вибрации СЭМ являются механические ручные вибрографы типа ВР – 1А и виброметры типа ВА – 1. Кроме измерительного устройства в этих приборах имеется записывающее устройство.

Широкое применение получил анализатор спектра вибрации 795М. Основные технические характеристики прибора ставят его в ряд современных диагностических средств, а высокая разрешающая способность позволяет точно выявить любой дефект на месте эксплуатации. Возможности выполнения многоплоскостной динамической балансировки в собственных опорах, контроль подшипников по огибающей и методу ударных импульсов существенно расширяют возможности использования прибора при ремонте и наладке электродвигателей.

В документации на СЭМ указываются предельно допустимые значения уровня вибрации. При этом указанные значения могут задаваться для разных виброхарактеристик - вибросмещения, виброскорости или виброускорения. В частности, для машин, поднадзорных Регистру, задаются предельно допустимые значения амплитуды вибросмещения.

При проверке вибрации машин в судовых условиях следует учитывать, что на результаты измерения большое влияние оказывает вибрация присоединенных механизмов и корпуса судна. Поэтому наиболее правильное представление об уровне и характере вибрации проверяемой СЭМ можно получить при ее работе без присоединенных механизмов и отсутствии хода судна. Работающие механизмы, расположенные вблизи проверяемой СЭМ, также влияют на результаты измерения вибрации. При невозможности обеспечения указанных условий измерения контролируют уровень помех в точках измерения вибрации проверяемой машины. Уровень помех контролируется на отключенной проверяемой СЭМ и работающих перечисленных выше механизмах.

Ограничения на уровни помех при проверке вибрации СЭМ определяются нормативной документацией.

Следует учитывать также и влияние на вибрацию проверяемой СЭМ качества электроэнергии судовой сети - показателей несинусоидальности и ассиметрии напряжения. Поэтому перед проверкой вибрации СЭМ целесообразно проконтролировать качество электроэнергии судовой сети.

Результаты измерения вибрации могут использоваться не только для проверки ее соответствия нормам, но и для оценки общего состояния СЭМ. В ряде случаев по результатам таких измерений можно еще до разборки СЭМ определить наличие дефектов и неиспрвностей ее основных узлов. Для этого используются методы вибродиагностики.