Оценка технического состояния электрических машин по виброакустическим параметрам в условиях эксплуатации с использованием измерительной технологии labview

УДК 621.311

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПО ВИБРОАКУСТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ LabVIEW

В.В. ШАРОВ, Ю.Я. ПЕТРУШЕНКО, Р.С. ШИБАНОВ

Казанский государственный энергетический университет

Рассмотрены вопросы оценки технического состояния электрических машин по виброакустическим параметрам в условиях эксплуатации, показаны способы их решения, сформулированы требования к измерительным приборам для решения поставленной задачи и представлен вариант прибора, позволяющий оценивать фактическое состояние в реальных условиях.

Ключевые слова: техническое состояние, виброакустика, диагностика, эклектическая машина, измерительные технологии.

Актуальность проблемы виброакустической диагностики диктуется необходимостью организации оперативного безразборного контроля технического состояния электрических машин по существу на всех стадиях их жизненного цикла, и особенно решение этой проблемы является важной на этапе эксплуатации и ремонта.

Ориентация на методы виброакустической диагностики, базирующейся на принципах безразборности, оперативности и универсальности, позволяет решать поставленные задачи на основе большой информационной емкости виброакустических процессов, сопровождающих функционирование электрических машин, использования новых методов обработки измерительной информации на основе современных информационных технологий на базе компьютерной техники.

В рассматриваемой технологии источником достоверной информации о техническом состоянии электрической машины является виброакустический сигнал, изменения свойств которого коррелированны с изменением параметров технического состояния, вызванного деградацией узлов и изменением структурных параметров. При этом особенно чувствительной виброакустическая диагностика является к структурному изменению параметров.

При эксплуатации электрических машин достижение запланированных технико-экономических показателей связано с правильностью их выбора. Процедура выбора электрических машин на практике состоит в удовлетворении ряда требований потребителя и сводится, в своей основе, к решению задачи оптимизации, которая позволяет выбрать рациональный вариант, в том числе: по роду тока, условиям пуска, конструктивному исполнению, уровню вибрации и шума, мощности и режиму работы [1___5].

Исследования по оценке технического состояния электрических машин показывают, что основными источниками их шума и вибрации являются электромагнитные силы, подшипники скольжения и качения, аэродинамические силы, возникающие при работе электрических машин, механическая несбалансированность ротора, трение щеток о коллектор или контактные кольца, а также неуравновешенность фундамента машины [6].

При оценке технического состояния на практике все более четко проявляются основные различия между системами управления и контроля

© В.В. Шаров, Ю.Я. Петрушенко, Р.С. Шибанов Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

сложного энергетического оборудования, с одной стороны, и системами их диагностики - с другой. Системы контроля технического состояния, являющиеся составной частью современных систем мониторинга, используют, как правило, простейшие способы измерения основных физических величин. В отличие от систем контроля диагностические системы для оценки технического состояния электрических машин строятся с учетом необходимости получения наибольшего объема информации, содержащейся, прежде всего, в сигналах вибрации и шума. Именно поэтому, для систем диагностики в настоящее время используются современные информационные технологии, которые основаны на более сложных методах измерения и анализа сигналов, позволяющих осуществлять, кроме того, и прогноз технического состояния. Это представляет специалистам новые возможности для перехода к стратегии обслуживания электрических машин по их фактическому состоянию.

Современные системы мониторинга и диагностики электрических машин и энергетического оборудования строятся на базе неразрушающих методов контроля и диагностирования.

При оценке технического состояния контроль дает информацию о величинах параметров и зонах их допустимого отклонения. При мониторинге появляется дополнительная информация о тенденциях изменения параметров во времени, которая может использоваться и для прогноза. Наибольший объем информации дает диагностирование, так как позволяет идентифицировать место, вид и величину дефекта. Наиболее сложна в этом случае задача прогноза развития дефекта (а не изменений контролируемых параметров), решение которой позволяет определить остаточный ресурс или прогнозируемый интервал безаварийной работы электрической машины.

Используемые методы диагностирования можно разделить на две основные группы: методы тестовой диагностики и методы функциональной диагностики. Наибольший интерес представляют методы функциональной, или рабочей диагностики, используемые для электрических машин в условиях эксплуатации, являющихся источником естественных возмущений в процессе их работы. Эти методы ориентированы, прежде всего, на анализ процессов формирования возмущений.

Исходя из этого специфику использования информационных технологий будем рассматривать именно на основе методов функциональной диагностики. Число их невелико, а многообразие диагностических систем определяется лишь сочетанием используемых технологий [7].

Все перечисленные технологии, однако, имеют общий недостаток при использовании в задачах диагностики электрических машин, когда требуется обнаружить зарождающиеся дефекты различных узлов, эксплуатирующихся в составе машины. Он связан с тем, что разброс величин измеряемых параметров даже в группе одинаковых бездефектных электрических машин, как правило, превышает изменения, характерные для появления зарождающихся дефектов. В качестве примера можно привести результаты статистических исследований вибрации многих видов бездефектных электрических машин, выполненных в ряде стран [8]. Эти исследования показали, что типовой разброс величин многих составляющих лежит в пределах 20 дБ, т.е. составляет 10 раз, а для некоторых составляющих оказывается еще выше. В то же время дефекты в начальной стадии развития могут оказывать значительно меньшее влияние, изменяя характерные для этих дефектов величины параметров вибрации всего в 2...3 раза.

Развитие средств измерений и вычислительной техники в последние годы

позволило частично решить проблемы контроля и диагностики путем создания систем мониторинга электрических машин и энергооборудования на базе рассмотренных информационных технологий. Такие системы, ориентированные на непрерывный контроль диагностических параметров конкретной электрической машины, имеют специальные режимы адаптации на начальном этапе эксплуатации, когда дефекты чаще всего отсутствуют. На этом же этапе выявляются и учитываются особенности влияния режимов работы электрической машины и изменения внешних условий, таких, как температура, качество электрического питания и ряд других, на диагностические параметры. Это снижает вероятность ложного срабатывания системы мониторинга при смене режимов или внешних условий.

В последнее время в системах мониторинга используется информационная технология ударных импульсов и технология огибающей, которая позволяет разрабатывать системы диагностики для оценки технического состояния подшипников электрических машин [7].

Эффективность применения электрических машин в условиях эксплуатации во многом определяется использованием применяемых на практике методов их технического обслуживания и ремонта. Применяемый в настоящее время планово-предупредительный метод обслуживания и ремонта электрических машин не в полной мере обеспечивает поддержание их в исправном состоянии в период эксплуатации.

Решение указанной проблемы основано на использовании диагностических методов эксплуатационного контроля, что позволяет обеспечивать соответствие между техническим состоянием электрических машин и объемом работ по их техническому обслуживанию и ремонту.

На практике основным принципом технического обслуживания и ремонта, основанном на техническом диагностировании электрических машин, является принцип предупреждения отказов в работе при условии обеспечения максимально возможной их наработки.

Развитие дефекта в работающей электрической машине и в примыкающем к ней оборудовании определяется методами виброакустической диагностики. Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатационного контроля технического состояния электрических машин показывает, что для обнаружения возможных отказов наиболее эффективен (до 75 %) контроль состояния оборудования именно по виброакустическим параметрам [9]. Это связано с тем, что факторы внешнего проявления скрытых механических дефектов весьма ограничены. На практике существуют только два показателя, указывающих на данные дефекты, которые на стадии зарождения легко измерить в виде температуры и вибрации. Из данных показателей вибрация имеет значительные преимущества, определяющиеся мгновенной реакцией на изменение технического состояния электрической машины.

Вибрация возникает из-за некоторых свойств, которые являются естественным следствием изготовления элементов электрических машин и характеристик материалов. При увеличении вибрации эти свойства могут развиться в серьезные дефекты. В свою очередь, развитие дефекта в электрической машине приводит к изменению характеристик вибрации. Увеличение вибрации выше определенного уровня может привести к разрушению элементов электрической машины или характеризовать разрушение. Таким образом, вибрация служит как причиной развития дефектов, так и их индикатором.

На практике при решении задач, связанных с эксплуатационным контролем технического состояния электрических машин по виброакустическим параметрам, штатному обслуживающему персоналу (ШОП) необходимо знать предельно допустимые уровни вибрации для соответствующих типов электрических машин и какие последствия они имеют, в первую очередь, для соответствующего элемента электрической машины, для присоединенных к ней конструкций, для фундамента, а также для ШОП. Эти допустимые уровни вибрации на практике имеют различные значения. Решение данной проблемы при оценке технического состояния электрических машин является непростой задачей. Повсеместно практикуемое в настоящее время планово-предупредительное обслуживание электрических машин заключается в том, что независимо от технического состояния при определенной наработке или через определенные интервалы времени проводится полная или частичная разборка электрической машины с целью ее профилактического осмотра, технического обслуживания или капитального ремонта. При этом планируемое время эксплуатации электрической машины до ее разборки основывается на предшествующем опыте эксплуатации и зависит от времени эксплуатации наиболее подверженных износу узлов электрической машины, например подшипниковых узлов.

Процедура планово-предупредительных ремонтных работ существенно уменьшает вероятность отказа, но не предохраняет электрическую машину от неожиданных повреждений в межремонтный период. Более того, вероятность отказа электрической машины только увеличивается за счет дополнительных переборок, нарушающих приработку узлов и ускоряющих их износ. Кроме того, необоснованные переборки вносят новые непредвиденные дефекты, связанные с перекосами осей, люфты и загрязнения, что также сокращает срок эксплуатации электрической машины и требует новых ремонтных работ.

Зависимость вероятности отказа электрической машины от времени наработки без проведения профилактических работ показана на рис.1.

Рис. 1. Зависимость вероятности отказа электрической машины от времени наработки без профилактики: Тнр - время назначенного ресурса; Тсо - среднее наиболее вероятное время отказа; Тно - наибольшее время наработки до отказа

Утолщенная вертикальная пунктирная линия на рис. 1 означает безопасный интервал времени Тнр между планово-предупредительными работами, соблюдение которого должно предупредить все возможные отказы. Однако опыт эксплуатации показывает, что, во-первых, это не устраняет случайных отказов на интервале < Тнр, а во-вторых, в большинстве случаев время безотказной работы

Период наиболее вероятного отказа

Период работы до назначенного ресурса

Период наибольшей наработки до отката

электрической машины без разборок значительно превышает назначенное время профилактического ремонта. Поэтому экономически более выгодна стратегия проведения предупредительных работ электрической машины не через регулярно заранее запланированные интервалы времени, а по мере необходимости, в соответствии с ее техническим состоянием.

На практике принципиально возможны два подхода, реализующих контроль технического состояния электрических машин по виброакустическим характеристикам.

Первый подход заключается в организации постоянного контроля изменений или тренда представительных параметров, характеризующих изменение технического состояния, с наработкой электрической машиной, с тем чтобы указать время, когда скорость ухудшения ее состояния достигает критической.

Зависимость представительного параметра технического состояния электрической машины или уровня вибросигнала от времени наработки показана на рис. 2, где различаются три периода: I - приработки, II - нормальной работы и III - деградации электрической машины, когда скорость ухудшения состояния нарастает со временем.

III / /1 1 1 1 г 1 1 1 1 1 [ 1 1 t 1 1 1 1 1 1 Vi 1

I II

V /

.

и Tu,, тт ip ' ф р Т0 ' * 10

Рис. 2. Поведение представительного параметра, связанного с техническим состоянием подшипникового узла электрической машины от времени наработки: Тпп - период приработки; Тнэ -период нормальной эксплуатации; Тзо - период зарождения и развития отказа; Тнр - время назначенного ресурса; Тфр - время фактического срока ремонта; То - время наступления отказа; инэ -уровень нормальной эксплуатации; идоп - допустимый уровень эксплуатации; ипр - предельный уровень эксплуатации, при котором наступает отказ

Из зависимости, показанной на рис. 2, следует, что время проведения ремонтных работ Тнр или назначенный ресурс намного меньше времени фактического срока ремонта Тфр, когда этот ремонт становится необходимым. Трендовая характеристика позволяет прогнозировать момент наступления предельных изменений технического состояния электрической машины, а значит дает возможность прогнозировать остаточный ресурс и планировать срок физически обоснованного ремонта. Данный способ рекомендуется использовать для контроля технического состояния ответственных энергообъектов, нарушение работоспособности которых может привести к катастрофическим последствиям, связанным с большими экономическими затратами или с риском для жизни

ШОП.

При этом, чем раньше удается обнаружить дефект, тем больше вероятность своевременного предотвращения аварийной ситуации.

Второй подход основывается на периодическом контроле представительных характеристик технического состояния электрических машин и сравнения их с пороговыми значениями, полученными на основе достаточно большого числа предварительных диагностических экспериментов. Метод периодического контроля целесообразно использовать для определения технического состояния однотипных электрических машин, работающих в одинаковых условиях эксплуатации.

Требования к приборам для измерения параметров вибрации электрических машин.

• Число измеряемых параметров вибрации. Известно, что электрическая машина как твердое тело имеет шесть степеней свободы и в общем случае для определения характера ее вибрации в пространстве измеряют три линейных параметра, направленных вдоль трех ортогональных осей, и три угловых параметра колебания вокруг этих осей. Однако на практике число измеряемых параметров ограничено, и измерения проводят в направлениях, где наличие или возрастание вибрации характеризует вибрационное состояние электрической машины.

В этом случае для измерения используют однонаправленные датчики инерционного действия или относительной вибрации.

При необходимости измерения параметров абсолютной вибрации в одной точке используют двух- и трехкомпонентные датчики, причем каждый компонент, как правило, выполнен по однонаправленной схеме. Все компоненты монтируются в одном корпусе. Существуют одно-, двух- и трехкомпонентные датчики с использованием одного инерционного элемента для измерения по всем направлениям, например пьезоэлектрические акселерометры.

Ввиду большого разнообразия требований к вибродатчикам, касающихся выбора числа компонентов колебательной величины, которую они должны измерять: рабочих частотного и динамического диапазонов, условий окружающей среды, размеров и массы датчиков, - в практике измерений вибрации применяют датчики, различные по принципу действия, конструкции и виду используемых электромеханических преобразований.

• Параметры вибрации, подлежащие измерению. На практике имеется необходимость измерения следующих параметров вибрации, которые могут относиться к виброперемещению и его производным по времени, таким как скорости, ускорению и к резкости: мгновенных значений; размаха, или пиковых значений; среднеквадратического значения в виде абсолютного или относительного условного уровня, корреляционной функции и распределения вероятности; частоты основного тона и гармоник; крутизны фронта нарастания и длительности действия импульса; спектрального состава: частот и амплитуд, составляющих спектра, фазовых соотношений между ними и энергетического спектра; клирфактора и др.

• Требования к характеристикам виброизмерительной аппаратуры. Задача измерения аппаратурой любого интересующего параметра вибрации электрической машины формулируется следующим образом.

С выхода датчика, возбуждаемого механической вибрацией х(^) электрической машины, сигнал подается на вход аппаратуры, с выхода которой снимается отклик Л(*).

Чтобы отклик Л(/) правильно отображал вибрацию х(^), должно соблюдаться следующее требование: отношение р = Л(*)/х(*), называемое функцией преобразования или коэффициентом преобразования, должно быть постоянным, не зависеть от величины и частоты сигнала как в рабочем частотном, так и динамическом диапазонах.

Данное требование выполнимо при следующих условиях:

а) амплитудная характеристика аппаратуры, включая датчик, должна быть линейной;

б) амплитудно-частотная характеристика р(ю) должна быть равномерной и параллельной оси частот;

в) фазочастотная характеристика ф(ю) должна быть нулевой или пропорциональной, при этом изменение фазы ф на ±п не искажает коэффициента преобразования и приводит только к изменению знака перед р. Кроме того, необходимо иметь в виду, что амплитудно- и фазочастотные характеристики взаимосвязаны между собой и зависят от одних и тех же параметров измерительной системы. При этом амплитудно- и фазочастотные искажения являются линейными. При линейных искажениях происходит только изменение амплитуд и начальных фаз частотных составляющих и в отклике не могут появиться составляющие с частотами, отсутствующими в сигнале. Любое отклонение амплитудной характеристики от линейной вызывает нелинейные искажения и в отклике могут появиться составляющие с такими частотами, которых нет в контролируемом сигнале;

г) поперечная чувствительность датчика инерционного действия должна быть малой, допускаемой требованием к точности результата измерения.

Структура системы мониторинга и виброакустической диагностики электрических машин (рис. 3) включает в себя: датчик оборотов, датчики вибрации, измерительную систему с платой сбора данных N PXI-4472, ПК и специализированный программный пакет LabVIEW [10].

Рис. 3. Структура системы мониторинга и диагностики электрических машин

В измерительной системе в аппаратные средства включен модуль сбора данных NI PXI-4472 производства National Instruments. Модуль имеет 24-разрядные сигма-дельта АЦП, которые обеспечивают сбор сигналов с динамическим диапазоном около 110 дБ в полосе пропускания до 45 кГц без паразитных помех. Модуль содержит 8 аналоговых входов с одновременной оцифровкой, входной диапазон ±10 В. Максимальная скорость сбора данных 102.4

кГц/с. Согласование каналов программно конфигурируемое. В модуль также встроены антиалайзинговые фильтры и электронные пьезоэлектрические схемы согласования сигналов для микрофонов и акселерометров.

Виртуальный прибор (ВП) состоит из следующих виртуальных подприборов: Сигнал, Спектр, Тахометр, СКЗ скорости (виброскорость), СКЗ ускорения (виброускорение), СКЗ смещения (виброперемещение) и Балансировка.

Разработку ВП целесообразно осуществлять по частям в виде отдельных виртуальных подприборов (ВПП).

Готовый ВП состоит из нескольких ВПП, помещенных в контейнер Tab Control. Такое решение обеспечивает: удобный интерфейс, быстрый доступ к каждому отдельному ВПП, возможность доработки или внесения коррекций в прибор, не влияя на работу остальных ВПП и всего ВП в целом. Лицевая панель виртуального прибора Анализатор вибрации показана на рис. 4, а его блок-диаграмма - на рис. 5.

Рис. 4. Лицевая панель виртуального прибора Анализатор вибрации

Рис. 5. Блок-диаграмма виртуального прибора Анализатор вибрации © Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

Виртуальный прибор позволяет осуществлять непрерывное измерение вибрационных параметров, к которым относятся абсолютные вибрации, обороты вала и линейные перемещения, а также оценку корректирующих масс несбалансированного ротора электрической машины.

Использование виртуального прибора позволяет обеспечивать связь с системами более высокого уровня и осуществлять прием информации от других измерительных систем по любому из стандартных интерфейсов.

Использование методов виброакустической диагностики электрических машин в условиях эксплуатации на основе технологии LabVIEW позволяет, за счет ликвидации необоснованных переборок, сокращающих ресурс, продлить срок службы электрооборудования и, за счет экономии рабочего времени и запасных частей, уменьшить стоимость эксплуатации.

Summary

Questions of an estimation of a technical condition of electric machines on vibration acoustical to parameters under operating conditions are considered, ways of their decision are shown, requirements to measuring devices for the decision of a task in view are formulated and the variant of the device is submitted, allowing to estimate an actual condition in real conditions.

Key words: technical condition, vibroakustica, diagnostics, the electrical machine, measuring, technologies.

Литература

1. ГОСТ 15150-97. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. М.: Госстандарт, 1997.

2. ГОСТ 17494-87. Машины электрические вращающиеся. Классификация степеней защиты, обеспечиваемых оболочками вращающих электрических машин. М.: Госстандарт, 1987.

3. ГОСТ 2479-97. Машины электрические вращающиеся. Условные обозначения конструктивных исполнений по способу монтажа. М.: Госстандарт, 1987.

4. ГОСТ 20459-87. Машины электрические вращающиеся. Методы охлаждения. Обозначения. М.: Госстандарт, 1987.

5. ГОСТ 20815-96 (МЭК 34-14-82). Машины электрические вращающиеся. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотой оси вращения 56 мм и более. Измерение, оценка и допустимые значения. М.: Госстандарт, 1996.

6. Шубов И. Г. Шум и вибрации электрических машин. - 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

7. Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранский В.А. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. Л.: Судостроение, 1986.

8. Mitchel John S. An Introduction to Machinary Analysis and Monitoring. Tulsa: Penn Well Books, 1993.

9. Генкин М. Д., Соколова А. Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987.

10. Джеффри Тревис. LabVIEW для всех. М.: Прибор Комплект, 2004.

Поступила в редакцию 22 апреля 2009 г.

© Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

Шаров Валерий Васильевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Информатика и информационно-управляющие системы» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-27; 8 (843) 545-08-82. E-mail: shw24@mail.ru.

Петрушенко Юрий Яковлевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, ректор Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-02. E-mail: kgeu@kgeu.ru.

Шибанов Роман Сергеевич - магистрант, кафедры «Информатика и информационно-управляющие системы» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-27; 8 (843) 521-96-29. E-mail: romka.art@mail.ru.