Вібрація електродвигуна: діагностика

Вібрацію електродвигуна перевіряють спеціальними датчиками та віброаналізаторами. Датчик встановлюють на підшипниковий щит, корпус підшипникового вузла, опору або іншу задану контрольну точку. Зазвичай вимірюють у трьох напрямках: горизонтальному, вертикальному та осьовому.

Основні параметри:

1. 01переміщення;
2. 02швидкість вібрації;
3. 03прискорення;
4. 04частота;
5. 05фаза;
6. 06спектр.

Для загальної оцінки стану багатьох промислових машин часто використовують середньоквадратичне значення швидкості вібрації. Для діагностики підшипників часто важливішим є прискорення та високочастотний спектр. Для великих машин із підшипниками ковзання може контролюватися також безпосередня вібрація вала.

Вібрація — це повторюваний рух деталі або конструкції відносно певного середнього положення. Наприклад, якщо підшипниковий щит двигуна при роботі незначно переміщується вліво-вправо-вгору-вниз, це і є механічні коливання. Вони можуть бути настільки малими, що візуально їх не видно, але датчик здатний їх виміряти.

Ідеально нерухомої обертової машини не існує. Завжди присутні залишковий дисбаланс, електромагнітні сили, робота підшипників, рух вентилятора, допуски механічної обробки та коливання фундаменту. Тому завдання діагностики — не домогтися абсолютного нуля, а визначити, чи є рівень допустимим, чи стабільний він і чи немає ознак конкретного дефекту.

Вібрацію можна умовно поділити на кілька груп.

Механічна

• дисбаланс;
• неспіввісність;
• вигин вала;
• механічне ослаблення;
• дефект муфти;
• дефект підшипника;
• зношування посадок.

Електромагнітна

• несиметрія повітряного зазору;
• дефект обмотки;
• проблеми ротора;
• магнітна асиметрія;
• неправильне живлення.

Аеродинамічна

• вентилятор;
• турбулентність;
• забруднення вентиляційних каналів.

Зовнішня

• насос;
• компресор;
• редуктор;
• фундамент;
• трубопровід;
• сусіднє обладнання.

Для оцінки використовують три основні фізичні величини:

Переміщення

Показує, на яку відстань коливається точка. Зазвичай важливе для низькочастотних коливань, великих турбомашин і контролю вала.

Швидкість вібрації

Показує швидкість коливального руху. Широко використовується для загальної оцінки машин.

Прискорення

Показує, наскільки швидко змінюється швидкість коливання. Особливо чутливе до високочастотних дефектів, ударних процесів і пошкоджень підшипників.

RMS, пікове значення та Peak-to-Peak

RMS — середньоквадратичне значення сигналу, яке характеризує загальну енергію коливання протягом певного часу. Для швидкості вібрації це один із найбільш поширених параметрів загальної оцінки стану обертових машин, але RMS не показує, яка саме частота спричинила підвищення — для цього потрібен спектральний аналіз.

Peak — максимальна амплітуда коливання, корисна для ударних дефектів, коротких імпульсів і підшипникової діагностики; при двох машинах із однаковим RMS пікові значення можуть сильно відрізнятися. Peak-to-Peak — різниця між максимальним позитивним і максимальним негативним значенням, часто використовується для оцінки переміщення вала.

Частота показує, скільки циклів коливання відбувається за секунду (одиниця — герц). Якщо двигун обертається зі швидкістю 1500 об/хв, частота обертання становить 1500/60 = 25 Гц. У вібраційній діагностиці це часто позначають як 1× RPM.

1× — частота, яка дорівнює частоті обертання вала. Висока амплітуда 1× часто характерна для дисбалансу, вигину вала, ексцентриситету та деяких типів неспіввісності, але одна частота не дає остаточного діагнозу. 2× — частота вдвічі більша за частоту обертання; вона може бути характерною для неспіввісності, механічного ослаблення, деяких деформацій та електромагнітних процесів.

Крім 1× можуть спостерігатися 2×, 3×, 4× та інші кратні частоти (гармоніки). Їхній характер допомагає відрізняти різні типи несправностей — наприклад, значна кількість гармонік іноді вказує на механічне ослаблення, удари, нелінійність або люфт.

Спектр показує, з яких частот складається загальний сигнал: по горизонталі — частота, по вертикалі — амплітуда. Замість одного числа RMS ми бачимо, які саме частоти найбільше впливають на вібрацію — саме спектр є основним інструментом діагностики.

Припустимо, загальна вібрація підвищена. Причиною може бути дисбаланс, підшипник, неспіввісність, редуктор або електромагнітний дефект — за одним загальним числом визначити причину складно. Спектр дозволяє побачити 1× RPM, 2× RPM, підшипникові частоти, частоту зубчастого зачеплення, електричні складові та гармоніки.

Крім спектра аналізують часову форму сигналу, яка показує, як вібрація змінюється в реальному часі. Це корисно для виявлення ударів, люфтів, періодичних імпульсів і нестабільного контакту.

Найчастіше застосовують:

• акселерометри — вимірюють прискорення, найпоширеніший варіант для промислової діагностики;
• датчики швидкості — безпосередньо вимірюють швидкість вібрації;
• датчики переміщення — застосовуються для контролю положення вала відносно підшипника.

П’єзоелектричний акселерометр — один із найпоширеніших датчиків: всередині п’єзоелектричний елемент створює електричний сигнал під дією прискорення. Переваги: широкий частотний діапазон, компактність, висока надійність, придатність для спектрального аналізу.

Великі машини з підшипниками ковзання можуть мати стаціонарні безконтактні датчики переміщення, розташовані біля вала. Вони вимірюють положення вала, радіальні коливання, орбіту та ексцентриситет — такі системи особливо важливі для турбогенераторів, великих компресорів, турбін і великих синхронних машин.

Для звичайного горизонтального двигуна основні точки розташовують біля підшипникових вузлів: DE (Drive End) — сторона приводу, NDE (Non-Drive End) — протилежна сторона. На кожній стороні вимірюють горизонтально, вертикально та осьово.

Різні дефекти проявляються по-різному: дисбаланс часто сильніше проявляється радіально, а неспіввісність може створювати значну осьову складову. Тому одна точка не дає повної картини.

Горизонтальний напрямок для горизонтальної машини часто є одним із найбільш чутливих — причина в різній жорсткості фундаменту й корпусу в різних напрямках. Вертикальний напрямок допомагає оцінити дисбаланс, жорсткість опор, фундамент і резонанс. Осьовий напрямок особливо важливий при неспіввісності, проблемах муфти, осьовому навантаженні та дефектах упорних підшипників.

Якість контакту датчика з машиною критично важлива. Можливе кріплення шпилькою, магнітом або спеціальною площадкою — для точних і високочастотних вимірювань жорстке кріплення зазвичай краще. Якщо датчик погано притиснутий, встановлений на фарбі або розташований на тонкому кожусі, можна отримати неправильний сигнал — особливо це впливає на високі частоти. Для основної діагностики вимірювання на кожусі вентилятора зазвичай не найкраща точка: тонкий кожух може вібрувати сам по собі й не відображати стан підшипникового вузла.

Можуть проводити вимірювання на холостому ході, під навантаженням, при розгоні, при вибігу, після прогріву та при різних швидкостях. Для двигуна після ремонту особливо важливо порівняти холодний стан і теплово стабілізований стан.

При нагріванні змінюються довжина вала, посадки, центрування, зазори та положення корпусів, тому дефект може не проявлятися одразу після запуску.

Після ремонту двигун запускають без механічного навантаження — це дозволяє оцінити ротор, підшипники, вентилятор та електромагнітний стан самого двигуна. Якщо вібрація вже висока без механізму, причина часто знаходиться безпосередньо в двигуні або його установці на стенді.

Під навантаженням можуть проявлятися дефекти, які не видно на холостому ході: неспіввісність, дефект муфти, електромагнітна асиметрія, пошкодження ротора або нестабільна посадка.

Під час зміни швидкості записують вібрацію — це дозволяє побачити критичні швидкості, резонанс, залежність дефекту від швидкості та електромагнітні компоненти. Дуже корисний метод для складних випадків.

Дисбаланс

Один із найпоширеніших дефектів. Характерні ознаки: висока 1× RPM, переважно радіальна вібрація, стабільна фаза, зростання вібрації зі швидкістю. Причини: нерівномірний розподіл маси, ремонт ротора, пошкодження вентилятора, забруднення, відрив вантажу.

Неспіввісність

Виникає між валами двигуна та механізму. Може бути паралельною, кутовою або комбінованою. Типові ознаки можуть включати 1×, 2×, значну осьову вібрацію та різні фази на опорах, але спектр залежить від конкретної конструкції.

М’яка лапа

Виникає, коли одна або кілька опор двигуна не мають правильного контакту з основою. При затягуванні болтів корпус деформується. Наслідки: зміна центрування, вібрація, деформація підшипникових опор, нестабільність.

Механічне ослаблення

Причини: ослаблені болти, зношені посадки, тріщина основи, люфт, слабке кріплення. У спектрі може з’являтися багато гармонік — 1×, 2×, 3×, 4×.

Вигин вала та ексцентриситет

Вигин вала може створювати сигнал, схожий на дисбаланс: висока 1×, значна осьова складова, нестабільний зазор. Тому перед балансуванням важливо перевіряти геометрію вала.

Нерівномірний повітряний зазор (ексцентриситет) може створювати електромагнітні сили, специфічні частотні компоненти, радіальну вібрацію та шум. Причини: зношені підшипники, вигин вала, зміщення статора, неправильне складання.

Підшипникові дефекти часто проявляються на частотах, які не є простими кратними швидкості вала. Для підшипника характерні частоти, пов’язані із зовнішнім кільцем, внутрішнім кільцем, тілами кочення та сепаратором — їх значення залежать від геометрії підшипника, кількості тіл кочення та швидкості.

При локальному дефекті зовнішнього кільця кожне тіло кочення проходить через пошкоджену зону і створює імпульс — у спектрі виникає характерна частота та її гармоніки. Оскільки дефект внутрішнього кільця обертається разом із валом відносно зони навантаження, сигнал може бути модульованим і мати характерні бічні смуги.

Дефект тіл кочення може створювати складний високочастотний сигнал — особливо корисні прискорення, огинаюча та високочастотний аналіз. Частота сепаратора нижча за швидкість обертання вала, і дефект може супроводжуватися низькочастотними складовими, ударами й нестабільністю.

Недостатнє або надмірне мастило може змінювати шум, температуру й високочастотну вібрацію, тому підшипникову діагностику бажано поєднувати з температурним контролем.

Дефект короткозамкненої клітки (обрив стрижня) може створювати пульсацію моменту, вібрацію, характерні бічні частоти та зміну струму. Для достовірного діагнозу вібрацію бажано поєднувати з аналізом струму.

Електромагнітна вібрація може бути пов’язана з частотою мережі, подвоєною частотою, гармоніками, пазовими частотами та магнітною асиметрією. Характерна ознака: при відключенні живлення електромагнітна складова може швидко зменшитися, тоді як механічна зберігається під час вибігу.

Двигун може вібрувати через обмотку внаслідок неправильного фазування, міжвиткового замикання, неоднакової кількості витків або асиметрії фаз — це створює нерівномірне магнітне поле та пульсуючі сили.

Інверторне живлення створює додаткові гармоніки, які можуть викликати електромагнітний шум, високочастотну вібрацію та резонанс окремих деталей. Тому при діагностиці важливо знати частоту живлення, швидкість, частоту комутації та режим перетворювача.

Дефект вентилятора може створити дисбаланс, лопаткову частоту, аеродинамічний шум і гармоніки. Причини: зламана лопатка, забруднення, неправильна посадка, деформація. Якщо вентилятор має N лопаток, характерна лопаткова частота дорівнює N × частота обертання (наприклад, 10 лопаток при 25 Гц дають 250 Гц).

Якщо двигун працює з редуктором, у вібраційному спектрі можуть з’являтися частоти обертання валів, частота зубчастого зачеплення та бічні смуги — тому вібрація на двигуні іноді приходить від редуктора. Частота зубчастого зачеплення визначається як частота обертання шестерні × кількість зубців (наприклад, 25 Гц × 40 зубців = 1000 Гц); дефект зуба може створювати гармоніки, бічні смуги та імпульси.

Дефекти муфти — зношування, неправильний монтаж, перекіс, ослаблення, пошкодження еластичного елемента — можуть проявлятися як неспіввісність або механічне ослаблення.

Кожна конструкція має власні частоти. Якщо частота збудження збігається або наближається до власної, амплітуда може різко збільшитися. Тому справний ротор іноді може створювати сильну вібрацію через резонанс рами, фундаменту, трубопроводу або корпусу.

Корисні методи виявлення резонансу: розгін, вибіг, зміна швидкості, фазовий аналіз, ударне тестування та модальний аналіз. Якщо при проходженні певної швидкості амплітуда різко зростає, це може бути резонансом.

Фаза показує положення коливання відносно контрольної точки обертання. Використовується для балансування, діагностики неспіввісності, визначення форми коливань і порівняння опор. Для вимірювання фази часто використовують лазерний тахометр, фотодатчик або спеціальну мітку на валу — система знає, коли ротор знаходиться в певному кутовому положенні, і де відносно цього виникає максимальна вібрація.

У машинах із датчиками переміщення на підшипниках ковзання два датчики розташовують приблизно під 90°. Їхні сигнали дозволяють побудувати траєкторію центра вала — орбіту. Форма орбіти допомагає оцінити дисбаланс, нестабільність підшипника, тертя та вихрові явища.

Після ремонту двигуна бажано виконувати контроль на холостому ході, після прогріву, у встановлених точках і при стабільній напрузі та частоті. Результати записують у протокол.

Якщо сьогодні вимірювати в одному місці, а через рік — в іншому, результати можуть бути непорівнянними. Для трендового контролю бажано використовувати ті самі точки, той самий напрямок, той самий режим і аналогічний прилад.

Один із найсильніших методів діагностики — не разове вимірювання, а відстеження зміни параметра в часі. Наприклад: січень — стабільно, березень — невелике зростання, травень — різкий ріст підшипникової компоненти. Такий тренд може показати розвиток дефекту ще до аварії.

Абсолютне значення допомагає оцінити поточний рівень, а тренд показує, чи стабільна машина і чи розвивається дефект. Несподіване зростання навіть у межах формально допустимого рівня може бути важливим сигналом.

Ротор може мати низький залишковий дисбаланс на балансувальному верстаті, але після складання двигуна все одно потрібно перевірити загальну вібрацію. Причина — у машині додаються підшипники, щити, корпус, фундамент та електромагнітні сили.

Балансування відповідає на питання «наскільки правильно розподілена маса ротора?», а вібраційне випробування — «як поводиться вся машина під час роботи?». Тому одне не замінює інше.

Для дисбалансу часто характерні сильна 1×, переважно радіальна вібрація та стабільна фаза. Для неспіввісності часто додатково значна осьова складова, 2× та різні фази між опорами. Але на практиці дефекти можуть накладатися.

Щоб відрізнити механічну вібрацію від електромагнітної, застосовують аналіз вибігу: після відключення живлення електромагнітне збудження зникає, а ротор продовжує обертатися. Якщо певна компонента різко зникає після відключення, це аргумент на користь електромагнітного джерела.

Щоб відрізнити дефект двигуна від дефекту механізму, застосовують контроль двигуна окремо, без муфти, на холостому ході. Якщо вібрація без механізму нормальна, а в агрегаті висока, перевіряють центрування, муфту, насос, редуктор і фундамент.

Слабкий фундамент може підсилити вібрацію, створити резонанс, змінити центрування або викликати ослаблення кріплення — тому вібрація агрегату на об’єкті може відрізнятися від стендової. Для насосних агрегатів трубопровід може створити значне механічне навантаження: неправильне підведення труб може деформувати корпус насоса, змінити центрування та підвищити вібрацію двигуна.

У вертикальних машинах потрібно враховувати осьове навантаження, упорний підшипник, жорсткість конструкції та резонанс вертикальної рами — розташування точок контролю може відрізнятися від горизонтального двигуна.

Для потужної високовольтної машини вібраційна діагностика може включати стаціонарні датчики, переносні вимірювання, фазовий аналіз, контроль вала, аналіз запуску та навантаження — особливо цінним є накопичення історії вимірювань.

Тяговий двигун працює в умовах ударів, змінної швидкості, змінного навантаження та редукторної передачі. Тому потрібно відрізняти власну вібрацію двигуна, зубчасту передачу, колісну пару та зовнішні удари.

1. 01Вимірювання лише в одній точці.
2. 02Вимірювання тільки в одному напрямку.
3. 03Датчик встановлений на тонкому кожусі.
4. 04Поганий контакт датчика.
5. 05Порівняння машин у різних режимах.
6. 06Ігнорування швидкості.
7. 07Оцінка лише загального RMS.
8. 08Відсутність спектра.
9. 09Ігнорування фази.
10. 10Відсутність даних про навантаження.
11. 11Порівняння холодної та гарячої машини без уточнення режиму.
12. 12Висновок «дисбаланс» тільки через 1×.
13. 13Балансування без перевірки вала.
14. 14Ігнорування фундаменту.
15. 15Відсутність тренду.

Чого не варто робити:

• балансувати машину лише тому, що є висока вібрація;
• міняти підшипник без підтвердження дефекту;
• оцінювати стан тільки «на слух»;
• порівнювати вимірювання з різних точок;
• ігнорувати режим навантаження;
• робити висновок за однією спектральною лінією;
• вимірювати на нестабільному кожусі, якщо потрібна оцінка підшипника;
• ігнорувати зміну вібрації після прогріву;
• використовувати балансування для маскування неспіввісності чи вигину вала.

Контроль вібрації доцільно включати у фінальне стендове випробування двигуна. Типовий підхід: перевірити механічне складання, запустити двигун, дочекатися стабілізації швидкості, виміряти вібрацію на стороні приводу та на протилежній стороні у горизонтальному, вертикальному й осьовому напрямках, за необхідності записати спектр, проконтролювати температуру підшипників, повторити вимірювання після прогріву та зафіксувати результати в протоколі.

Після балансування двигун продовжує вібрувати

Перевіряють неспіввісність, підшипники, вал, фундамент, м’яку лапу та електромагнітну асиметрію. Якщо ротор збалансований, повторне додавання вантажів без діагностики може погіршити стан.

Сильна 1× після ремонту

Можливі дисбаланс, вигин вала, ексцентриситет або неправильна посадка вентилятора. Спочатку перевіряють геометрію та механіку, а потім виконують корекцію балансу.

Висока осьова вібрація після монтажу

Перевіряють центрування, муфту, осьове положення ротора, підшипникові вузли та зовнішнє осьове навантаження.

Двигун вібрує тільки під навантаженням

Можливі неспіввісність, дефект ротора, недостатня жорсткість, механічна проблема приводу або електромагнітний дефект. Холосте випробування в такому випадку не відтворює робочий режим.

Вібрація різко зросла через кілька місяців

Необхідно порівняти зі старими спектрами. Можливі розвиток дефекту підшипника, втрата балансувального вантажу, ослаблення кріплення, пошкодження вентилятора або зміна центрування. Саме тут трендова діагностика має найбільшу цінність.

Підшипникова частота зростає, але загальний RMS ще нормальний

Це типова ситуація раннього дефекту. Загальна енергія вібрації ще невелика, але високочастотна складова вже змінюється. Тому оцінка тільки загального RMS може пропустити ранню стадію пошкодження підшипника.

Доцільно фіксувати:

• тип двигуна, заводський номер, дату;
• швидкість, навантаження, температуру;
• точку вимірювання, напрямок, тип датчика, параметр вимірювання;
• загальний рівень, спектр — якщо записувався;
• результати після прогріву та висновок.

Для трендової діагностики особливо важливо зберігати однакове позначення точок.

• Як виконується балансування ротора?
• Що таке центрування електродвигуна?Незабаром
• Чому вібрує електродвигун?
• Що таке ротор електродвигуна?
• Як ремонтують вали електродвигунів?Незабаром
• Які випробування проходить електродвигун після ремонту?Незабаром
• Синхронні електродвигуни: будова та принцип роботи
• Турбогенератор
• Гідрогенератор

ТОВ ВКФ «Електропромремонт» виконує контроль механічного стану електричних машин у рамках діагностики, ремонту та стендових випробувань.

Залежно від типу обладнання та завдання можуть виконуватися:

• вимірювання загальної вібрації, контроль підшипникових опор;
• вимірювання у горизонтальному, вертикальному та осьовому напрямках;
• спектральний аналіз;
• контроль після балансування, порівняння до та після ремонту;
• контроль при холостому ході та після прогріву;
• аналіз можливого дисбалансу, діагностика механічних дефектів;
• перевірка підшипникових вузлів;
• оцінка стабільності роботи машини.

Для складних випадків вібраційні дані аналізуються разом зі струмом, температурою, станом підшипників, геометрією вала, балансуванням, центруванням та параметрами навантаження.

Вібрація — один із найінформативніших параметрів технічного стану електродвигуна. Вона дозволяє оцінити не тільки баланс ротора, а й роботу підшипників, вала, муфти, фундаменту, ротора, вентилятора та електромагнітної системи.

Тому якісний контроль включає:

1. 01правильний вибір точок;
2. 02вимірювання в кількох напрямках;
3. 03фіксацію швидкості та навантаження;
4. 04оцінку загального рівня;
5. 05спектральний аналіз;
6. 06порівняння з попередніми даними;
7. 07аналіз після прогріву;
8. 08зіставлення з іншими діагностичними параметрами.

І головне: балансування, центрування та вібраційна діагностика — це різні процедури. Балансування усуває дисбаланс, центрування вирівнює осі валів, а вібраційна діагностика допомагає визначити, який саме дефект створює коливання.