Úvod do vibrodiagnostiky rotačních elektrických strojů
Pro objektivní posouzení skutečného technického stavu stroje je nutné znát jeho konstrukci a také funkční princip. Na základě těchto znalostí je pak možné sestavit diagnostický systém, který zahrnuje mimo jiné:

• zpracování technických dat stroje
• výpočet frekvenčních složek
• stanovení vhodných měřicích míst
• volbu měřicí aparatury a snímačů
• nastavení parametrů měření měřicí aparatury
• stanovení intervalu měření
• provedení měření
• zpracování naměřených dat
• analýza a vyhodnocení naměřených dat,
• zpracování výstupního protokolu

Z pohledu diagnostika tvoří tyto body postup k detekci, lokalizaci a specifikaci poruchy a predikci zbytkové životnosti, což je podstata bezdemontážní technické diagnostiky rotačních strojů jako nástroje v prediktivní údržbě.

Správný provoz elektromotorů může být ohrožen spoustou závad různého charakteru, ať už se jedná o poškození mechanických částí stroje, jako jsou ložiska, hřídele, ventilátory, tak i elektrických či elektromagnetických obvodů elektromotoru. Tyto závady mohou mít různé příčiny. Zpravidla se jedná o špatné ustavení stroje, nevývaha na rotujících částech, mechanické uvolnění stroje nebo jeho částí a spousta dalších.

Jednou z příčin, která snižuje životnost strojních částí a tím i provozuschopnost celého stroje, je nesymetrie v elektromagnetickém poli elektromotoru, o které je psán tento článek. Nesymetrické elektromagnetické pole může být příčinou poruchy stroje, například zvýšeným namáháním ložisek, prohnutím hřídele a podobně, ale také může být důsledkem závad na stroji, jako třeba zvýšenými vůlemi v ložiscích, prohnutím hřídele vlivem špatného skladování stroje namáhání nebo špatným ustavením, špatnou montáží ložiskových štítů, nedodržením výrobních tolerancí a mnoha dalšími faktory. Proto je zjištění projevů nesymetrického elektromagnetického pole důležitým a řekl bych primárním faktorem již v první fázi diagnostikování strojů, tedy při detekci závad.

Obr. 1: Rozmístění měřicích bodů na elektromotoru.

Nesymetrie elektromagnetického pole pohonu čelisťového drtiče
Chtěl bych v tomto článku popsat jeden z mnoha odlišných případů, kdy se na asynchronním elektromotoru  objevily příznaky nesymetrií v elektromagnetickém poli. Jedná se o trojfázový asynchronní elektromotor o výkonu 75kW pohánějící přes řemenový převod čelisťový drtič. Elektromotor je napájen 400V při frekvenci 50Hz. Štítkové údaje elektromotoru jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Štítkové údaje elektromotoru.

Na elektromotoru bylo prováděno pravidelné měření vibrací z důvodu sledování technického stavu stroje. Pro měření byl využit analyzátor a datakolektor vibrací s příslušným softwarem pro vyhodnocení naměřených dat. Důležitým prvkem pro diagnostikování strojů je možnost analýzy tzv. frekvenčních spekter vibrací. Frekvenční spektra vibrací, při správně provedeném měření, jsou důležitým zdrojem informací o technickém stavu stroje. Každá závada na stroji generuje vibrační signály, které je možné ve frekvenčních spektrech identifikovat a na základě znalostí o stroji kvalitativně ohodnotit a přiřadit k nim stupeň poškození. V tabulce 2 jsou uvedeny některé frekvenční složky pro identifikaci závad stroje.

Tabulka 2: Frekvenční složky potenciálních poruch elektromotoru.

Ve spektrech vibrací se kromě uvedených frekvenčních složek vyskytují také frekvenční složky způsobené šumem, vlastními frekvencemi jednotlivých komponent stroje a jeho uložení, případně frekvenční složky přenášené z okolních strojů.

Analýzou vibrací měřených na asynchronním elektromotoru o výkonu 75kW byly zjištěny zvýšené úrovně vibrací v pásmu ložiskových frekvencí 5 – 16kHz (obrázek 2), ačkoliv amplitudy celkových efektivních hodnot rychlostí vibrací zůstávaly na nízké úrovni (obrázek 2). Prvotní posouzení tedy ukazovalo na počínající opotřebení ložisek.

Obr. 2: Trendy celkových hodnot zrychlení vibrací v ložiskovém pásmu 5 – 16kHz.

Obr. 3: Trendy celkových efektivních hodnot rychlostí vibrací ve frekvenčním pásmu 0 – 1.000Hz.

Následnou analýzou frekvenčních spekter vibrací byly kromě běžných harmonických násobků otáčkové frekvence elektromotoru detekovány také frekvenční složky vibrací související s výskytem nesymetrických elektromagnetických polí elektromotoru. Tímto identifikátorem závady elektromotoru je ve spektrech vibrací frekvenční složka 100Hz, čili druhá harmonická složka síťové frekvence. Tato složka je důsledkem magnetostrikce železného materiálu v elektromotoru, který je umístěn v nehomogenním magnetickém poli. Magnetostrikce způsobuje vratné mikrodeformace statorového a rotorového jádra elektromotoru na frekvenci 100Hz a způsobuje tak vibrace elektromotoru na této frekvenci.

Na obrázku 4 je zobrazeno frekvenční spektrum rychlostí vibrací, ve kterém jsou vyznačeny 1x a 2x harmonická složka otáčkové frekvence elektromotoru, síťová frekvence 50Hz a také 1x, 2x a 3x harmonická složka frekvence 100Hz.

Obr 4: Frekvenční spektrum efektivních hodnot rychlostí vibrací v měřícím bodě MB2H.

Obr. 5: Frekvenční spektrum filtrovaného signálu v pásmu 500Hz – 16kHz.

Filtrací záznamu zrychlení vibrací byly ve spektrech detekovány výrazné hodnoty amplitud vibrací 1x, 2x a 3x harmonické frekvenční složky 100Hz a dále pak na drážkové frekvenci rotoru 999Hz s postranními pásmy s odstupem 100Hz, jak je tomu na obrázku 5. Tyto příznaky jsou projevem závad tyčí rotorové klece elektromotoru. Je-li jedna z tyčí uvolněná ve spoji se zkratovacím kruhem, dochází ke generování postranních pásem o velikosti 2x síťová frekvence fs kolem frekvence průchodu rotorových tyčí. Tato frekvence vibrací je generována poklesem elektromagnetického momentu při průchodu poškozené tyče pólem elektromotoru, což je také důsledkem nerovnoměrně rozloženého elektromagnetického pole elektromotoru, neboť vadnou tyčí prochází menší proudy.

Výzkum v oblasti identifikace nesymetrického elektromagnetického pole elektromotorů pomocí vibrační analýzy
Výše uvedené případy elektromotorů s nesymetrickým elektromagnetickým polem a mnoho dalších bylo podnětem k provedení výzkumu v této oblasti. Pro bližší identifikaci vad, podnícených nesymetrickým elektromagnetickým polem elektromotorů byl firmou HUDECZEK Service, s.r.o. proveden výzkum, jehož výsledkem je stanovení vlivu nesymetrického elektromagnetického pole elektromotoru na vibrace elektromotorů a vibrace pracovních mechanismů. Tato závislost byla stanovována s ohledem na vzrůstající zatížení hnacího stroje a také na změnu velikosti vzduchové mezery.

K tomuto účelu byl sestrojen zkušební model se speciální úpravou hnacího elektromotoru pro usnadnění měření a nastavení velikosti vzduchové mezery. Podstatou zkušebního modelu je možnost vyosení rotoru hnacího elektromotoru vůči statoru. Takto je možno vytvořit nesymetrické elektromagnetické pole způsobené nerovnoměrným rozložením vzduchové mezery mezi rotorovým a statorovým paketem. (Obrázky 6 a 7)

Obr. 6: Ideový 3D model zkušebního zařízení pro experimentální měření.

Obr. 7: Realizované zkušební zařízení

Zkoušky na zkušebním modelu prokázaly, že ačkoli vzrůstají celkové hodnoty vibrací, jejíž hlavní složku tvoří převážně amplitudy vibrací na otáčkové frekvenci elektromotoru, tak trend amplitud na frekvenční složce 100Hz (obr. 8) má klesající charakter. Tento poznatek je důležitý zejména z toho důvodu, že frekvenční složka 100Hz je projevem nesymetrického elektromagnetického pole elektromotoru a díky tomu že se zatížením elektromotoru klesá, má malou vypovídací schopnost o skutečném stavu elektromagnetického pole. Pro posouzení skutečného stavu elektromagnetického pole je tedy nutné provádět frekvenční analýzu na elektromotorech v nezatíženém stavu.

Obr. 8: Graf závislosti celkových hodnot vibrací a frekvenční složky vibrací 100Hz na zatížení elektromotoru s nesouměrnou vzduchovou mezerou.

Pro kvalitativní posouzení stavu elektromagnetického pole byla na zkušebním zařízení měřena velikost amplitudy frekvenční složky 100Hz při různých hodnotách excentricity ve vzduchové mezeře a to od 0mm do 0,3mm. Jak je ukázáno na obrázku 9, má amplituda vlivem zvyšující se excentricity stoupající charakter.

Obr. 9: Graf závislostí amplitudy frekvenční složky 100Hz na velikosti excentricity rotoru vůči statoru.

Obrázek níže popisuje charakteristiku v oblasti, která ještě nezpůsobí při krátkodobém provozu stroje jeho havárii, nicméně zvýšenými silami působí na ložiska elektromotoru a zvyšuje tak jejich statické případně dynamické zatížení. Zvětšila-li by se však excentricita ve vzduchové mezeře o více než 0,3mm, čili u zkoušeného elektromotoru by její minimum bylo menší než 0,2mm, došlo by k razantnímu nárůstu sil, které by překonaly silové reakce v uložení rotoru a vymezení montážních a konstrukčních vůlí a došlo by k zadření rotoru. Následující obrázek představuje výpočtový model sil, působících ve vzduchové mezeře elektromotoru používané ve zkušebním zařízení. Tento graf vychází z rovnice (1) pro radiální síly ve vzduchové mezeře.

Obr. 10: Graf závislostí radiálních sil ve vzduchové mezeře na excentrickém uložení rotoru.

Jak je patrné z tohoto vztahu, velikost radiálních sil ve vzduchové mezeře je úměrná druhé mocnině elektromotorických sil statorového a rotorového vinutí a nepřímosměrná druhé mocnině velikosti vzduchové mezery.

Ing. Mečislav HUDECZEK Ph.D., HUDECZEK Service, s.r.o.
Ing. Jaroslav BRYCHCY, Ph.D., HUDECZEK Service, s.r.o.

Tento článek vyšel také v časopise EvP 3-4/2012