Способ эксплуатационного контроля технического состояния подшипников и обмотки статора электродвигателя
METHOD OF OPERATIONAL CONTROL OF TECHNICAL STATE OF BEARINGS AND STATOR WINDING OF ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при эксплуатации электродвигателей для определения и контроля текущего технического состояния и прогнозирования  ресурса подшипников и  изоляции обмоток статора электродвигателей по завершении определенного времени с начала их эксплуатации.
Известен способ эксплуатационного контроля технического  состояния и диагностики подшипников, основанный на измерении акустического шума в ультразвуковом диапазоне и сопоставлении полученных данных с допустимыми значениями из технических условий на  испытуемый подшипник (патент РФ № 2003961, БИ № 43-44, 1993, МПК G01М 13/04).
Недостатками известного способа являются:
- неточность диагностирования подшипников из-за влияния посторонних шумов и вибраций работающего агрегата или приводной рабочей машины, невозможность прогнозирования остаточного ресурса, невозможность учета степени воздействия на процесс износа подшипников параметров окружающей среды и режимов работы в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;
- способ не имеет обоснования и возможности проведения профилактического обслуживания подшипников электродвигателя    одновременно с этим своевременно определять и контролировать состояние сопротивления изоляции и прогнозировать ресурс обмотки статора с применением соответствующих электроизмерительных приборов;
- является неизвестным и необоснованным периодичность, своевременность и необходимость проведения контроля технического состояние сопротивления изоляции, что приводит к необоснованным дополнительным эксплуатационным трудозатратам на проведение не нужных диагностических проверок радиального зазора  подшипников и сопротивления изоляции обмоток статора электродвигателей;
- электротехнический персонал вынужден выполнять излишний объем работы, осуществлять операции, которые оказываются преждевременными или не нужными для реального состояния электродвигателя на момент проведения этих работ;
- могут возникать ситуации, когда наоборот, профилактическое мероприятие оказывается запоздалым.
Известен способ  диагностики подшипников, основанный на оценке текущей работоспособности неразборного подшипника по флуктуациям его электрического сопротивления (патент РФ № 2113699, БИ №17, 1998, МПК G01М 13/04).
Недостатком является применение сложной измерительной системы, необходимость получения предварительной информации о доминирующем виде износа  и необходимости обеспечения в эксплуатационных условиях надежного электрического контакта испытательных токосъемников с испытуемыми деталями, который существенно влияет на результат измерения. Регистрирующая аппаратура измерительной системы реагирует только на значение диагностического параметра, пропорциональное лишь усредненному за определенное время току через контролируемый подшипник, что увеличивает погрешности измерения. Недостатком также является необходимость или невозможность использования сложной аппаратуры и приборов в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного  производства.
Известен способ эксплуатационного контроля состояния изоляции и прогнозирования ресурса обмоток электродвигателей, который осуществляют в эксплуатационных условиях с учетом  параметров окружающей среды, режима работы электродвигателей и величины сопротивления изоляции обмотки в момент ввода электродвигателя в эксплуатацию (патент РФ № 2491560, МПК G01R 31/00, БИ №24, 2013). При этом измеряют и учитывают температуру, влажность, концентрацию в воздухе агрессивных примесей, а также степень загрузки и число пусков электродвигателей в сутки. По результатам полученных измерений и их обработки, получают математические  уравнения (зависимости) изменения электрического сопротивления изоляции и ресурса обмоток электродвигателей от времени. По полученным уравнениям строят графические зависимости изменения сопротивления  изоляции и расхода  ресурса обмоток электродвигателей во времени, по которым определяют в процессе эксплуатации ожидаемое сопротивление изоляции и ресурс обмоток электродвигателей на данный момент времени, и принимают решение по дальнейшему использованию электродвигателя в работе.
Недостатком известного способа является невозможность одновременного эксплуатационного контроля  технического состояния радиального зазора подшипников и сопротивления изоляции обмоток статора  электродвигателей по причине отсутствия обоснованной информации об упреждающем допуске, о моменте времени и периодичности проведения диагностических проверок, необходимых для получения более полной информации о состоянии радиального зазора подшипников и сопротивления изоляции обмоток статора при проведении профилактических мероприятий по обслуживанию электродвигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ эксплуатационного контроля технического состояния и прогнозирования ресурса подшипников электродвигателей, при  котором контроль  состояния  и прогнозирование ресурса подшипников электродвигателей осуществляют безразборным методом в эксплуатационных условиях при работающем электродвигателе, установленном на технологическом оборудовании (патент РФ № 2622493, МПК G01М 13/00, БИ №17, 2017). При этом учитывают  условия и факторы окружающей среды производственных помещений, в которых эксплуатируются электродвигатели, время «чистой» работы электродвигателя, начальную и предельную величину радиального зазора подшипника электродвигателя. По результатам полученных измерений и их статистической обработки для данных условий эксплуатационных факторов окружающей среды и режима работы электродвигателя строят экспериментальные графические зависимости изменения  радиального зазора подшипника электродвигателя во времени. Для каждого графика зависимости расчетным путем определяют предотказовую величину и диапазон упреждающего допуска радиального зазора подшипника, момент первой диагностической проверки и требуемую периодичность диагностических проверок с учетом требуемого уровня надежности. По этой графической зависимости определяют в процессе эксплуатации ожидаемый радиальный зазор и ресурс подшипника контролируемого электродвигателя, характеризующие его износ на данный момент времени, на основании которого оценивают техническое состояние подшипника  электродвигателя и принимают решение о продолжении использования подшипника электродвигателя в работе.
Недостатком способа является необоснованность и невозможность одновременного проведения эксплуатационного контроля  технического состояния радиального зазора подшипников и сопротивления изоляции обмоток статора  электродвигателей по причине отсутствия обоснованной информации об упреждающем допуске, о моменте времени проведения первой  диагностической проверки  и  периодичности их проведения при заданном уровне надежности, необходимых для получения  более полной информации о техническом состоянии радиального зазора подшипников и сопротивления изоляции обмоток статора при проведении профилактических мероприятий по обслуживанию электродвигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства.
Задачей изобретения является обоснование возможности одновременного проведения эксплуатационного контроля технического  состояния и прогнозирования ресурса радиального зазора подшипников и сопротивления изоляции обмоток статора электродвигателей, учет степени воздействия основных эксплуатационных факторов окружающей среды, уточнение времени и периодичности проведения диагностических проверок, повышение надежности эксплуатационного контроля, снижение эксплуатационных затрат на техническое обслуживание электродвигателей.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность определять совместную зону упреждающего допуска  для одновременного проведения  диагностических проверок эксплуатационного контроля техническогоет  состояния и прогнозирования ресурса радиального зазора подшипников и сопротивления изоляции обмоток статора электродвигателей, учесть степень воздействия основных эксплуатационных факторов окружающей среды, уточнить время и периодичность проведения диагностических проверок контролируемых параметров, продлить срок службы электродвигателей, повысить надежность эксплуатационного контроля и снизить эксплуатационные затраты на обслуживание электродвигателей за счет того, что контроль технического состояния  и прогнозирование ресурса обоих подшипников и сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя осуществляют одновременно за одно техобслуживание безразборным методом в эксплуатационных условиях с определением общей зоны контроля технического состояния и проведения профилактики, ограниченной совмещенным упреждающим допуском.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе эксплуатационного контроля технического состояния подшипников и обмоток статора электродвигателя, включающем проведение измерений и расчетов для определения состояния и ресурса подшипников и изоляции электродвигателя, установленного на рабочей машине, согласно изобретению, контроль технического состояния  и прогнозирование ресурса обоих подшипников и сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя осуществляют одновременно за одно техобслуживание безразборным методом в эксплуатационных условиях с определением общей зоны контроля технического состояния и проведения профилактики, ограниченной совмещенным упреждающим допуском, при этом контроль обоих подшипников электродвигателя осуществляют при работающем электродвигателе, а контроль состояния и прогнозирование ресурса сопротивления изоляции обмоток статора электродвигателя осуществляют при отключенном электродвигателе, установленном на рабочей машине, с учетом  условий и факторов окружающей среды производственных помещений, в которых эксплуатируется электродвигатель, при известном времени «чистой» работы подшипника электродвигателя, известной начальной и предельной величине радиального зазора подшипника электродвигателя, а также при известном общем времени нахождения электродвигателя в эксплуатационных условиях, известной начальной и предельной величине сопротивления изоляции электродвигателя, при этом по результатам полученных измерений, после их статистической обработки для данных условий эксплуатационных факторов окружающей среды и режима работы электродвигателя, получают экспериментальные графические зависимости изменения радиального зазора подшипников и сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя от времени, при этом для требуемого графика зависимости расчетным путем определяют предотказовую величину и диапазон упреждающего допуска радиального зазора подшипника и сопротивления изоляции обмотки статора этого электродвигателя, момент первой диагностической проверки и требуемую периодичность диагностических проверок с учетом требуемого уровня надежности, а также по этим графическим зависимостям определяют в процессе эксплуатации ожидаемый радиальный зазор и ресурс обоих подшипников электродвигателя, а также сопротивление изоляции обмоток статора контролируемого электродвигателя, характеризующие износ подшипников и изоляции на данный момент времени, при этом путем совмещения и сравнения упреждающих допусков радиального зазора подшипников и сопротивления изоляции обмотки статора определяют общую зону состояния профилактики и момента проведения диагностических проверок и время достижения предотказового уровня по радиальному зазору и сопротивлению изоляции, а также возможность и момент времени проведения одновременной диагностической проверки, на основании которых оценивают одновременно за одно техническое обслуживание общее техническое состояние обоих подшипников и обмотки статора  электродвигателя и принимают решение по проведению необходимых профилактических мероприятий, дальнейшему использованию электродвигателя в работе или  замене его элементов.
В процессе эксплуатации электродвигатели имеют различную скорость износа подшипника с увеличением его радиального зазора δ  и скорость  износа со снижением сопротивления  изоляции Z обмоток  статора  электродвигателя, зависящие от условий эксплуатации, режима работы и времени работы в технологических процессах сельскохозяйственного  производства,  при которых процессы износа  диагностируемых параметров совпадают по времени, когда зона упреждающего допуска и связанный с этим момент проведения диагностических проверок, также частично  совпадают, что является обоснованием момента  времени и возможности для проведения совместной проверки состояния подшипника и обмотки электродвигателя.
При этом определяют величину изменения диагностического параметра, периодичность и момент первой проверки, учитывают предельные значения величины параметра, определяют наименьшее значение и диапазон упреждающих допусков каждого параметра, определяют состояние профилактики для каждого параметра, находят общую зону состояния профилактики и проводят поочередно за одно техобслуживание диагностическую проверку технического состояния радиального зазора δ и сопротивления  изоляции Z обмоток статора электродвигателя. При контроле технического состояния проверяют оба подшипника, при этом большему износу обычно подвержен подшипник у рабочего вала электродвигателя.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема осуществления способа эксплуатационного контроля технического состояния подшипников и обмотки статора электродвигателей, на фиг. 2 представлена совместная зона упреждающего допуска и участок времени для проведения одновременной диагностической проверки радиального зазора и сопротивления изоляции в процессе эксплуатации электродвигателей.
Способ осуществляют следующим образом.
3
Н
П
На техническое состояние электродвигателя 1 с подшипником 2 и статорной обмоткой 3 воздействуют различные эксплуатационные факторы 4 окружающей среды, основными из которых являются: время  работы t, месяцев; температура ,°С; относительная влажность воздуха W,%; концентрация аммиака G, мг/м; степень загрузки и число пусков в сутки – коэффициент К. Величина и состояние этих факторов оказывают основное износовое воздействие на подшипник 2 с начальной величиной радиального зазора , и расходование его ресурса R во времени t до предельной величины радиального зазора , а также на состояние изоляции обмотки 3 статора электродвигателя с начальным значением ее электрического сопротивления изоляции  Z, МОм и предельно допустимой величиной Z, и расходование ее ресурса R во времени t.
1
В этих условиях при известных  эксплуатационных факторах производственных помещений производят измерения 5  радиального зазора подшипников электродвигателей, работающих в различных условиях сельскохозяйственного производства, полученную информацию обрабатывают с применением теории вероятностей и математической статистики,  получают требуемые данные и строят графические зависимости 6  радиальных зазоров подшипников от времени работы с учетом начальной величины радиального зазора  и предельной величины радиального зазора , определяющих величину ресурса R подшипника во времени. Затем, расчетным путем 7 по ранее предложенным выражениям (наш патент РФ № 2622493, МПК G01М 13/00, БИ №17, 2017) определяют соответствующие требованиям  надежности величины  предотказового допустимого уровня  радиального зазора, интервала упреждающего допуска , момента первой проверки tи периодичности  проведения диагностических проверок  радиального зазора  подшипника.
Д
1
и
о
В этих же условиях воздействующих эксплуатационных факторов одновременно производят ряд измерений 8 сопротивления изоляции Z обмоток статора электродвигателя, затем на основании статистической обработки и анализа измерений строят зависимости 9. Затем расчетным путем 10, по ранее предложенным формулам, определяют соответствующие требованиям  надежности величины  предотказового допустимого уровня Z  сопротивления изоляции,  интервала упреждающего допуска , момента первой проверки tи периодичности  проведения диагностических проверок сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя, по которым при практическом использовании во время эксплуатации определяют и прогнозируют, путем сравнения с известными начальными и предельно допустимыми значениями контролируемых параметров, текущее значение сопротивления изоляции Z(t), полный R, использованный R и остаточный  R ресурсы.
На основании построенных графических зависимостей  7 и 10 строят совмещенную общую для подшипника и обмотки зависимость 11 контролируемых параметров от времени, определяют  общее поле упреждающего допуска 12 и участок времени 13 для проведения одновременной проверки радиального зазора  подшипника и сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя,  определяют и фиксируют полученные результаты 14,   на основании которых принимают решение 15  о продолжении использования электродвигателя в работе, проведении мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту (ТОР) подшипника или обмотки статора электродвигателя, установленного на рабочей машине (РМ) для обеспечения его работоспособности.
с
На фиг. 2 представлены в общем виде зависимости  Z(t) и , совместная зона Δ упреждающего допуска  и участок Δt времени для проведения  одновременной диагностической проверки радиального зазора подшипника и сопротивления изоляции обмотки статора в процессе эксплуатации электродвигателей.
Согласно фиг. 2 приняты следующие обозначения:
- зависимость изменения радиального зазора , информирующего о состоянии подшипника и его приближении к отказу с течением времени t;
- зависимость изменения сопротивления изоляции обмотки статора , информирующего о состоянии сопротивления изоляции обмотки  статора и её приближении к отказу с течением времени t;
, ,  – начальная, предельная и допустимая величины радиального зазора подшипников электродвигателя, мм;
, ,  – начальная, предельная и допустимая величины сопротивления изоляции обмотки  статора электродвигателя, МОм;
Области изменения величин параметра  рассматриваемого подшипника соответствуют состояниям:
- работоспособное (исправное);
- профилактическое воздействие;
- неработоспособное (отказовое).
Области изменения величин параметра  рассматриваемого сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя соответствуют состояниям:
- работоспособное (исправное);
- профилактическое воздействие;
- неработоспособное (отказовое).
δ
Z
c
Δ , Δ , Δ – упреждающие допуски радиального зазора подшипника, сопротивления изоляции обмотки статора и совместный упреждающий допуск.
Для выявления предотказового состояния радиального зазора подшипников и величины  сопротивления изоляции обмоток статора использован принцип назначения упреждающего допуска на эти диагностические параметры. При этом под упреждающим допуском   и понимается совокупность величин параметров, заключенных между предельной  и  и предотказовой допустимой и величинами параметра и . Выход параметра за предельный уровень  и  означает отказ электродвигателя  по рассматриваемому контролируемому диагностическому параметру. Величина упреждающего допуска создает определенный запас работоспособности подшипника и изоляции обмотки электродвигателя,  обеспечивающие при периодическом контроле с профилактическими (восстановительными) работами, безотказную работу электродвигателя до очередной проверки.
Для контролируемого электродвигателя уточняют начальную величину его зазора подшипника  и изоляции обмотки статорапри вводе в эксплуатацию и первоначальную величину полного ресурса R, условия окружающей среды и режим работы, а затем в процессе эксплуатации по  соответствующей графической зависимости  находят величину радиального зазора подшипника и сопротивления изоляции обмотки электродвигателя, ожидаемый и использованный ресурс, а затем остаточный прогнозируемый ресурс определяют как разность, между полным ресурсом и использованным ресурсом подшипника и сопротивлением изоляции обмотки статора электродвигателя.
о
и
В общем случае  R = R-  R,  мес.,
и
o
i
где R, R, и R– ресурсы полный, использованный к моменту диагностической проверки t и остаточный после этого момента, мес.;
i
t – произвольный момент времени.
-  полный ресурс сопротивления изоляции обмотки статора.
- полный ресурс радиального зазора подшипника электродвигателя.
Подшипники и обмотка статора являются основными  ресурсообразующими элементами электродвигателя, отказ которого приводит к остановке технологического процесса и значительным экономическим ущербам. Поэтому в процессе эксплуатации  целесообразным и необходимым является систематический контроль  технического состояния  подшипников и обмоток статора электродвигателя, прогнозирование  их ресурса путем сравнения полученных результатов  измерений с известными предельными значениями диагностируемого параметра,  определение ожидаемого момента выхода из строя,  в  целях своевременного принятия необходимых мер, упреждающих неожиданный отказ.
Своевременное совмещенное (совместное) проведение диагностических проверок технического состояния радиального зазора  и сопротивления  изоляции  обмоток  статора  электродвигателя  обеспечивает снижение трудозатрат на техобслуживание и ремонт  электродвигателей за счет исключения не нужных сборок - разборок электродвигателя,  увеличивает срок службы, повышает уровень надежности и электробезопасности, а также снижает аварийность электрифицированной техники технологических процессов сельскохозяйственного производства.
Диагностика позволяет прогнозировать приближающуюся неисправность в элементах устройства и своевременно принимать меры по восстановлению номинальных параметров или замене контролируемого  элемента, не затрагивая по возможности  другие, ещё исправные элементы.