CC BY
41
DOI: 10.24143/2073-1574-2017-3-87-94 УДК 613.313.1
Д. Н. Семенов
ВИБРОНАЛАДКА ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ДЕФЕКТАМИ, ОГРАНИЧИВАЮЩИМИ КАЧЕСТВО БАЛАНСИРОВКИ
Современное производство и ремонт судов подразумевают сокращение издержек при сохранении качества выпускаемой продукции. Одной из статей расхода является поддержание работоспособности технологического оборудования предприятий при минимальных затратах. Это возможно осуществить путем применения современных видов технической диагностики. Предлагаемый набор методов и инструментов вибрационной диагностики и вибрационной наладки позволяет не только отслеживать фактическое техническое состояние электрических машин, но и доводить уровни вибрации до требуемых значений. Комплекс методов, включающий измерение среднеквадратичного уровня вибрации, узкополосного спектрального анализа и спектра огибающей вибрации, дает достаточно полное представление о фактическом техническом состоянии роторного оборудования. Методы виброналадки, такие как центровка, выверка плоскостности рамы, увеличение жесткости рамы, позволяют успешно проводить операцию балансировки. Рассмотрены признаки наиболее распространенных дефектов электромашинных преобразователей, влияющих на проведение балансировки механизма, подробно описаны способы последовательного устранения выявленных дефектов на примере виброналадки двухмашинного преобразователя. Из анализа результатов, полученных в ходе работ, следует, что применение методов и средств вибродиагностики и виброналадки позволяет значительно увеличить межремонтные интервалы и, как следствие, сократить затраты на ремонт механизмов с электроприводом.
Ключевые слова: неуравновешенность ротора, балансировка, ремонт по фактическому техническому состоянию, вибрационная диагностика, центровка, виброналадка.
Состояние проблемы
В настоящее время на предприятиях с большим парком электрооборудования особенно актуален вопрос сокращения затрат на обслуживание и ремонт основных фондов предприятия без снижения качества ремонта. Применительно к электрическим машинам это возможно путем использования современных методов вибрационной диагностики [1-4]. Методы вибродиагностики хорошо зарекомендовали себя в различных областях промышленности, однако в судоремонте применяются недостаточно широко.
Научная новизна исследования заключается в обосновании целесообразности применения комплекса методов вибрационной диагностики для механизмов с электроприводом, имеющих технологические дефекты, которые влияют на качество балансировки ротора электрической машины.
Целью исследования является изучение преимуществ внедрения вибродиагностической системы на судоремонтном предприятии.
Материалы исследования
Северным производственным объединением «Арктика» (г. Северодвинск), специализирующемся на электромонтаже и ремонте судового электрооборудования, введен в эксплуатацию модернизированный стенд испытания электрических машин. В своем составе он имеет электромашинные преобразователи, предназначенные для получения постоянного тока с низким коэффициентом пульсаций выходного напряжения.
После монтажа новых электромашинных преобразователей были выполнены измерения вибрации согласно рекомендациям ГОСТ 10816-1-97. В результате проверки выявлено, что часть новых преобразователей имели повышенный уровень вибрации, который указывает на наличие значительных динамических нагрузок, действующих на оборудование, что, в свою очередь, приводит к повышению износа подшипников агрегатов, повышению износа муфт, увеличению расхода электроэнергии, повышенному шуму на рабочих местах.
В качестве примера приведем результаты исследований вибрации одного из типовых пре-
образователей (рис. 1), состоящего из асинхронного двигателя АИ280S4Y2 мощностью 110 кВт и двух генераторов постоянного тока 4ПФГ-250S УХЛ4 мощностью 45 кВт (точки замера вибрации соответствуют [1]).
Рис. 1. Эскиз преобразователя с обозначением плоскостей установки вибродатчиков Результаты измерений вибрации вышеназванного преобразователя представлены в табл. 1
Таблица 1
Уровни среднеквадратичного значения виброскорости преобразователя до виброналадки
"\3начение в точке
измерения, мм/с Плоскость 1 Плоскость 2 Плоскость 3 Плоскость 4 Плоскость 5 Плоскость 6
Направление-"4"-^
измерения
Вертикальное 6,5 5,7 8,4 6,7 6,3 3,8
Горизонтальное 17,7 10,2 24,3 21,4 10,8 11,6
Осевое 5,4 6,1 4,2 2,6 3,9 4,1
По результатам анализа вибрационного состояния преобразователя согласно ГОСТ ИСО 10816-1-97 установлено, что значения общего уровня среднеквадратичной вибрации находятся в зоне D (более 7 мм/с). Уровни вибрации в данной зоне считаются достаточно серьезными для того, чтобы вызвать повреждение машины.
Из практики известно, что основными причинами повышенных уровней вибрации могут быть неуравновешенность ротора, расцентровка, дефекты муфт, дефекты крепления к фундаменту, дефекты подшипникового узла, дефекты рамы и пр. В табл. 2 приведены возможные причины повышенного уровня низкочастотной вибрации электромашинных преобразователей и их признаки в узкополосном спектре вибрации £ - частота вращения; £сети - частота сети; £ - частота вращения сепаратора; £.к - частота вращения тел качения; £ - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу; £ - частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу).
Таблица 2
Дефекты, влияющие на уровень низкочастотных вибраций электромашинного преобразователя, и их признаки в спектре вибрации
Тип дефекта Признаки дефекта - рост вибрации на частотах
Расцентровка валов £ 2£ £ 4£ £вр, 21вр, Лвр, 41вр
Неуравновешенность ротора £
Дефекты электрической части машины: статический эксцентриситет зазора, динамический эксцентриситет зазора 21сети £
Дефекты муфт £вр, 2£ф, И,,; обычно к = 1 + 4
Дефекты подшипников £ 2к£к, £ £
Ослабление опор и фундаментных конструкций^^^^^^^^Н ^^ 21сети
Узкополосные спектры вибрации представлены на рис. 2.
□ f вр
—
^ Г
2 П —-- 4 fвр 1 1__ J
- !
О 50 100 120 200 250 300 350 400 450 500 550 ООО 050 700
Гц
а
й "г f ■вр :::::: Г: :::]::: : : ---------4--4--------- ---------!---------- ---4— ---------!--------- --Ч—
.....!......... .........и................. .........!-........-1......... .........:.......... ! ................. .........:......... ! ........;.........
____:_________ ---4--Ч--- :__________ --Ч--- : : --Ч---
.....!......... .........1........^......... ! !
! ---4---1--- ------------------- --Ч--- --Ч---
.....1......... 4 4
:::::::::::::::::
......... -
2 ■вр ----------------- ------------------
:::::::::::::::::: ---А-,- —. 1 . - - . . . -
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 300
Гц
б
[1 0 вр 4 г вр
, л ] 1
I 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 500
Гц
в
Рис. 2. Спектры вибрации преобразователя в плоскости № 3 до виброналадки: в вертикальном направлении (а); в горизонтальном направлении (б); в осевом направлении (в)
Из анализа спектров следует, что дефект, который мы наблюдаем, многофакторный, поэтому для обнаружения и устранения источников повышенной вибрации необходимо последовательно применять различные методы виброналадки: проверку надежности крепления механизма, проверку жесткости рамы, выверку центровки, подбалансировку. Для уточнения эффективности работ необходимо проводить анализ изменения спектрального состава вибрации после каждой операции. Рассмотрим применение указанных методов и результат, полученный с их помощью.
Анализ низкочастотных узкополосных спектров и спектров огибающей высокочастотной вибрации на наличие характерных признаков дефектов. Из проведенного анализа следует, что дефекты подшипниковых узлов не являются основными причинами повышенной низкочастотной вибрации (отсутствуют гармоники на частотах £.к, £). В приведенных спектрах для плоскости с максимальным уровнем вибрации присутствуют характерные признаки расцентровки валов (большие уровни гармоник на частотах £р, 2£р, 3£р, 4£р) и ослабления опор (£р, 2£р). Так как для монтажа использованы новые муфты, предполагаем, что дефекты муфт отсутствуют.
Контроль состояния узлов крепления рам и выверка плоскостности установки рамы. При тщательном визуальном осмотре узлов крепления рамы было выявлено, что к промежуточным амортизаторам рама крепится при помощи шпилек, при этом между амортизатором и рамой наблюдался большой зазор, что не обеспечивало достаточной надежности крепления. Выполненные нивелиром геометрические измерения позволили обнаружить существенные отклонения поверхности рамы. Было принято решение заменить шпильки болтами, применив при этом выравнивающие прокладки (рис. 3). Данная операция позволила перейти к последующим работам.
а б
Рис. 3. Эскизы узла крепления рамы и амортизаторов до доработки (а);
после доработки (б)
Оценка жесткости рамы. В результате проведенных исследований по изменению упругих свойств рамы на вибрацию преобразователя путем установки дополнительного поперечного ребра жесткости и повторным измерением вибрации выявлена необходимость увеличения жесткости рамы при минимальном изменении массогабаритных характеристик. Для этого было рекомендовано усилить раму (рис. 4), наварив дополнительные швеллеры к каркасу рамы и поперечные ребра, т. к. результирующее двутавровое сечение при одном и том же расходе материала имеет максимальное сопротивление изгибу [5].
Рис. 4. Эскизы рамы до доработки (а); после доработки (б)
Балансировка электрических машин в сборе с полумуфтами. По результатам проведенной балансировки каждой электрической машины в отдельности выявлено, что основной дисбаланс вносят шпонки, устанавливаемые в пазы при монтаже полумуфт.
Балансировка вспомогательного оборудования (вентиляторов). В результате выполненной одноплоскостной балансировки рабочих колес вентиляторов, используемых для охлаждения генераторов постоянного тока (тип электродвигателей вентиляторов АИР80А2), снижена их вибрация.
Центровка валов агрегатов. В ходе измерения соосности валов, проведенного с помощью лазерного центровщика FixtureLaser XL (рис. 5), было установлено, что имеется существенная расцентровка машин, поэтому была произведена центровка агрегатов, в процессе которой при помощи прокладок приподнята центральная машина, а две другие поочередно при-центрованы к ней.
б
а
Рис. 5. Показания FixtureLaser ХЬ на агрегатах М^2 до центровки (а) и после центровки (б)
Окончательная балансировка агрегата. Балансировка была выполнена при помощи виброанализатора СД-21 и многоканального балансировочного комплекса. Многоканальный измерительный комплекс использовался для вибрационной диагностики причин повышенной вибрации на частоте вращения, промежуточных измерений вибрации при вибрационной наладке составных преобразователей, балансировки в сборе преобразователей по 4-м плоскостям коррекции.
Итоговые значения спектров и общих уровней вибрации электромашинного преобразователя после выполнения мероприятий по снижению вибрации представлены в табл. 3 и на рис. 6. Из анализа полученных результатов следует, что при данных уровнях вибрации ГОСТ 10816-1-97 не ограничивает время работы агрегата (зона В).
Таблица 3
Уровни среднеквадратичного значения виброскорости преобразователя после проведения
виброналадочных работ
Значение в точке измерения, мм/с Направление измерения Плоскость 1 Плоскость 2 Плоскость 3 Плоскость 4 Плоскость 5 Плоскость 6
Вертикальное 0,58 0,37 0,41 0,83 1,16 0,84
Горизонтальное 0,55 0,44 0,18 1,62 0,82 1,07
Осевое 0,61 0,59 0,33 0,54 0,81 0,46
Для того чтобы в дальнейшем проводить ремонт по фактическому состоянию, был составлен маршрут в программе автоматизированной диагностики Dream, применяемой совместно со сборщиком данных СД-21. При составлении маршрута было задано требуемое число точек, по одной на каждом подшипниковом щите в вертикальном направлении.
В в г --------- ] --------- ---------
.....Г .......Г........ .....Г " " ...... ........".........
: : ;
1 г 1
—- .........:.........г........ --------1---------
г г !
---------Г.........г--------
- —-
: L L
_________:____.....L________ ... _________ _________L........ ________J_________
_________;.........L........ J .........L........
_________ä_........i________ _________L........ _________
_________ _________ : _________
: : :
........i ... ; ;
1 : :
L 1..... JlT. ! Л... .... ...<•• ... :t.Ii. т:
0.01S O.Ol
в .........;......... i : ::::::::!:::::::: .... : .........i-------- ......... ......... ---------
:::: .... .... ......... --------- .........;......... .........;......... .........i......... .........
:::: ......... : --------;-------- ---------i---------
.... --------- t ........:........ .... —"!--------- ---------!--------- --------- ---------
:::: .... .... --------- ---------j.-------- --------4--------- .... ......... .........:......... ---------:--------- .........:......... .........
.... ---------i--------- ---------i--------- ---------j"-------- ---------
--------- --------- ;
---------;--------- i --------- !
i ......... ......... i ......... i ......... :::::::::
1А — Б .........i......... -
U-jL^ i ! i 4
aJL
Рис. 6. Спектры вибрации преобразователя в плоскости № 3 после виброналадки: в вертикальном направлении (а); в горизонтальном направлении (б); в осевом направлении (в)
Составлены оптимальные виды и параметры измерений, в числе которых общий уровень среднеквадратичного значения вибрации в диапазоне от 10 до 1000 Гц, узкополосный спектр вибрации в диапазоне до 800 Гц, спектр огибающей в диапазоне до 400 Гц, в максимальном разрешении при 5-ти усреднениях (рис. 7).
а
б
в
иы
Рис. 7. Основное окно интерфейса программы Dream и окна пользовательских настроек (а); спектр периодически измеряемой низкочастотной вибрации (б)
При проведении периодических измерений установлена периодичность измерений: 1 раз в 2 месяца (т. к. за это время уровни вибрации не изменились) [2]. При проведении регулярного мониторинга замер одного агрегата занимает около 15-ти минут, поэтому можно контролировать состояние агрегата и производить ремонтные работы только при ухудшении его фактического технического состояния.
Выводы
1. В ходе проведения исследований подтверждена возможность определения источников повышенной вибрации роторного электрооборудования методами вибродиагностики.
2. Предлагаемые методы вибрационной наладки (в том числе балансировки роторного электрооборудования) позволяют существенно уменьшить вибрацию оборудования и, как следствие, продлить срок его эксплуатации.
3. Периодическая вибрационная диагностика роторного электрооборудования позволяет существенно сэкономить финансы и рабочее время за счет сокращения плановых и внеплановых объемов ремонта, т. к. появляется возможность проводить только необходимые ремонтные операции.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. ГОСТ ИСО 10816-1. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невра-щающихся частях. Общие требования.
2. ГОСТР ИСО 13373-1-2009. Вибрационный контроль состояния машин. Общие методы.
3. Александров А. А., Барков А. В. и др. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. Л.: Судостроение, 1986. 276 с.
4. Виброакустическая диагностика // Неразрушающий контроль: справочн. / под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 2005. Т. 7. Кн. 2. 829 с.
5. Оксанович Л. Невидимый конфликт. М.: Стройиздат, 1981. 191 с.
Статья поступила в редакцию 05.04.2017
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АНГОРЕ
Семенов Дмитрий Николаевич - Россия, 164500, Северодвинск; АО СПО «Арктика»; начальник акустической лаборатории; semenoff_dn@mail.ru.
D. N. Semenov
VIBRATION ADJUSTMENT OF ROTATING CONVERTERS WITH TECHNOLOGICAL DEFECTS LIMITING THE BALANCING QUALITY
Abstract. The present-day production and repair of vessels imply saving costs and retaining output quality. One of the cost items is maintenance of processing equipment of manufacturing plants with minimal expense. It can be implemented using up-to-date engineering diagnostics. Suggested tool equipment of vibration diagnostics and vibration adjustment allow not only controlling true technical state of electrical machine, but bring vibration level to target values. The set of methods, including RMS level vibration measuring, narrow-band frequency analysis and spectrum of envelope of vibration, provide insight into complete idea of true technical state of rotor equipment. Vibration adjustment methods, such as alignment, frame flatness setting-out, frame hardening, allow successfully to perform the balancing procedures. The article presents the symptoms of the most widespread defects of rotary converters, which are affected to perform mechanism balancing. Methods of successive elimination of revealed defects are described in detail by the example of converter vibration adjustment. According to the analysis results, application of methods and facilities of vibration diagnostics and vibration adjustment allow to significantly increase repair intervals and, as a consequence, to decrease costs of motor-operated mechanism repair.
Key words: rotor unbalance, balancing, preventive maintenance, vibration diagnostics, alignment, vibration adjustment.
REFERENCES
1. GOST ISO 10816-1. Kontrol' sostoianiia mashin po rezul'tatam izmerenii vibratsii na nevrash-chaiushchikhsia chastiakh. Obshchie trebovaniia [GOST ISO 10816-1. Mechanical vibration- Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. Part 1. General guidelines].
2. GOST R ISO 13373-1-2009. Vibratsionnyi kontrol' sostoianiia mashin. Obshchie metody [GOST P ISO 13373-1-2009: Condition Monitoring and Diagnostics of Machines. Vibration Condition Monitoring. Part 1. General Procedures].
3. Aleksandrov A. A., Barkov A. V. i dr. Vibratsiia i vibrodiagnostika sudovogo elektrooborudovaniia [Vibration and vibration diagnostics of the ship electrical equipment]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1986. 276 p.
4. Vibroakusticheskaia diagnostika [Vibroacoustic diagnostics]. Nerazrushaiushchii kontrol': spravochnik. Pod redaktsiei V. V. Kliueva. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2005, vol. 7, part 2. 829 p.
5. Oksanovich L. Nevidimyi konflikt [The invisible conflict]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1981. 191 p.
The article submitted to the editors 05.04.2017
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Semenov Dmitry Nikolaevich - Russia, 164500, of Acoustic Laboratory; semenoff_dn@mail.ru.
Severodvinsk; JSC "Arktika"; Head
