Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Локомотивный асинхронный электродвигатель как объект диагностирования 9
1.1 Отказы локомотивных тяговых электродвигателей 9
1.2 Дефекты подшипниковых узлов локомотивов 14
1.3 Методы диагностики подшипниковых узлов 19
1.4 Диагностические модели локомотивного асинхронного тягового электродвигателя 34
1.5 Цель и задачи исследования 40
ГЛАВА 2. Разработка модели вибровозмущающих сил асинхронного электродвигателя 43
2.1 Анализ параметров вибровозмущающих сил как параметров диагностической модели 43
2.2 Основные допущения при разработке математической модели вибровозмущающих сил подшипника качения 44
2.3 Определение силы ударного воздействия ролика в зоне трещины 48
2.4 Конечно-элементная модель подшипника качения АТЭД 53
2.5 Динамическая модель подшипникового узла АТЭД 58
2.5.1 Определение жесткости в контакте шариков (роликов) и колец подшипников качения 62
2.5.2 Контактное давление шариков (роликов) 63
2.5.3 Определение изгибных податливостей подшипника АТЭД 64
2.6 Математическая модель сепаратора подшипника качения локомотивных АТЭД 71
2.7 Оценка адекватности электронной модели 84
Выводы по второй главе 87
ГЛАВА 3. Разработка статистических моделей вибрации как диагностического сигнала 88
3.1 Влияние внешних условий на изменение виброакустического сигнала 88
3.2 Влияние операций технического обслуживания на виброакустический сигнал 91
3.3 Изменение сигнала вибрации асинхронного электродвигателя в процессе эксплуатации 97
3.4 Влияние эксплуатационного изменения обобщенных состояний асинхронного
электродвигателя на сигнал вибрации 99
Выводы по третьей главе 102
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования и разработка алгоритмов диагностирования 103
4.1 Стендовые исследования вибрации подшипниковых узлов локомотивных АТЭД 103
4.2 Правила вибродиагностирования асинхронных электродвигателей локомотивов 106
4.3 Результаты испытаний подшипниковых узлов АТЭД 108
4.4 Разработка алгоритмов вибродиагностики 113
4.5 Требования к техническому обеспечению процесса вибродиагностики 116
Выводы по четвертой главе 119
Заключение 120
Список использованной литературы 122
- Дефекты подшипниковых узлов локомотивов
- Динамическая модель подшипникового узла АТЭД
- Изменение сигнала вибрации асинхронного электродвигателя в процессе эксплуатации
- Результаты испытаний подшипниковых узлов АТЭД
Дефекты подшипниковых узлов локомотивов
Для того чтобы, оценить техническое состояние АТЭД, необходимо выявить характер его дефектов и неисправностей. Неисправности и дефекты локомотивных АТЭД подразделяются на внутренние и наружные [12, 90]. К наружным дефектам и неисправностям локомотивных АТЭД относятся: обрыв одного и нескольких кабелей, ухудшение условий вентиляции и загрязнение вентиляционных каналов, ослабление крепления болтов корпуса и другие [90].
Внутренние дефекты и неисправности локомотивных АТЭД делятся на механические и электрические [12, 90, 111, 136]:
К механическим дефектам и неисправностям можно отнести следующие: деформация или поломка вала ротора; обрыв или сползание проволочных бандажей роторов; ослабление болтов крепления; ослабления крепления обмоток статора; ослабления крепления стержней ротора; дисбаланс ротора; несоосность укладки вала; повреждения подшипниковых узлов; нарушение работы подшипниковых узлов; отказы подшипников; трещины или повышенные износы подшипниковых щитов; попадание посторонних предметов и отложение пыли, грязи в подвижных элементах и т.д.
К электрическим дефектам и неисправностям можно отнести следующие [12, 90, 96, 111]: обрыв стержней в беличьей клетке ротора; межвитковые замыкания в обмотке статора; перегрузка или перегрев обмотки статора обрывы в обмотках статора; пробой изоляции на корпус; старение или механические повреждения изоляции; увлажнение или сильное загрязнение изоляции обмотки статора; неравномерный воздушный зазор (эксцентриситет) между ротором и статором; обрыв в одной фазе сети; неправильное соединение обмоток статора; короткое замыкание обмотки статора; нарушение контактов и разрушение соединений, выполненных пайкой или сваркой. По результатам многочисленных исследований по дефектам и неисправностям локомотивных тяговых электродвигателей можно построить распределение основных неисправностей. К основным неисправностям локомотивных асинхронных тяговых электродвигателей относятся неисправности ротора, неисправности обмотки статора и дефекты подшипникового узла, причем на дефекты подшипникового узла приходится более 50% неисправностей (см. рисунок 1.2) [1, 12, 90, 111]:
Виды неисправностей локомотивных асинхронных электродвигателей
Достоверное определение количественных показателей надежности подшипниковых узлов локомотивов невозможно без учета влияния на них технологических и эксплуатационных факторов [84], к которым можно отнести следующие[12, 90, 111]: 1. Конструкционные (на стадиях проектирования и в процессе изготовления); 2. Производственные (определяющие начальное количество объектов диагностирования); 3. Эксплуатационные (отражающие изменение технического состояния в процессе эксплуатации)
Поскольку дефекты в подшипниковом узле локомотивных АТЭД по количеству превосходят все остальные, то более детально рассмотрим повреждения, приводящие к отказам именно подшипникового узла, а также способов диагностирования данных повреждений для обнаружения их на ранних этапах развития.
Подшипниковые узлы АТЭД работают при неблагоприятных условиях (значительные осевые и радиальные нагрузки, знакопеременные динамические и ударные воздействия, вибрационные нагрузки, воздействия электромагнитных и электростатических полей, высокая частота вращения, неблагоприятные и постоянно изменяющиеся климатические условия и др.) [105, 135, 151].
В таких условиях работы подшипниковые узлы локомотивов должны сохранять свои эксплуатационные параметры и обеспечивать высокую надежность и работоспособность даже при критических режимах эксплуатации в течении всего назначенного срока службы [62]. Инструкции по техническому обслуживанию и ремонту узлов с подшипниками качения № ЦТ/330, техническим условиям ТУ ВНИПП 048-1-00 «Подшипники качения для железнодорожного подвижного состава».
Некоторые дефекты подшипниковых узлов АТЭД появляются как следствие изнашивания и развития усталостных микротрещин. Износ возникает из-за проскальзывания тел качения по кольцу подшипника и значительно возрастает при загрязнении, ухудшении качества смазки, коррозии. Вследствие циклических нагрузок возникает явление усталости металла как на рабочих поверхностях внутреннего и наружного кольца подшипника, так и в сепараторе. Периодические деформации приводят к образованию микротрещин и отслаивания металла.
В зависимости от характера возникновения и развития неисправности классифицируются следующим образом [8, 22, 23, 108, 127, 145]. - дефекты износа и взаимодействия; - усталостные дефекты; - дефекты при посадке подшипника (монтажа); - коррозионные дефекты.
Из числа дефектов изготовления подшипников качения необходимо выделить следующие [28, 52]: неровности поверхности беговых дорожек, неровности поверхностей тел качения, размерность тел качения и искажение формы сепаратора.
К дефектам монтажа относятся такие, как перекос неподвижного кольца подшипника, его проскальзывание и несоблюдение требуемых зазоров.
В процессе эксплуатации дополнительно появляются следующие дефекты: усталостные выкрашивания на поверхностях качения колец подшипника и роликах (шариках); трещины и изломы внутреннего и наружного кольца; вмятины и задиры на кольцах, роликах (шариках); перегрев деталей (синие или фиолетовые цвета побежалости на кольцах подшипника, роликах и шариках); сплошной след ожога электротоком; коррозия; износ сепаратора и другие.
Разрушения подшипников локомотивного АТЭД могут быть вызваны четырьмя причинами, а именно: повреждением внешнего или внутреннего кольца, сепаратора или тела качения. Как показывают статистические данные, на разрушение внутреннего и внешнего кольца приходиться около 62% всех поломок, сепаратора - 10%, а на тела качения около 22% [25, 56, 123, 125, 153].
Поэтому при разработке метода вибродиагностики АТЭД основное внимание должно уделяться обнаружению эксплуатационных дефектов контактирующих поверхностей дорожек качения внешнего и внутреннего колец, сепаратора, трещин и выкрашивания поверхностей.
На рисунках 1.3 и 1.4 приведены фотографии одного из типовых поврежденных подшипников - трещина наружного или внутреннего кольца. Данный дефект приводит к появлению дополнительных динамических нагрузок на отдельные элементы АТЭД. Это может привести к появлению других неисправностей.
Динамическая модель подшипникового узла АТЭД
Основными источниками возмущений, определяющих вибрацию подшипника качения являются технологические погрешности изготовления и сборки, ударные силы при эксплуатации, зависящие от зазоров, дефектов дорожек качения и элементов подшипников, неуравновешенности вращающихся элементов, сил сопротивления и внешних воздействий [59, 66, 94].
Разрушение конструкционных материалов локомотивных АТЭД под воздействием переменных нагрузок происходит вследствие образования усталостных трещин и их развития. Процесс усталостного разрушения материала условно можно представить состоящим из трех стадий. На первой, инкубационной стадии, происходит накопление усталостных дефектов, связанных с перемещением дислокаций, их концентрацией около препятствий и образование пор. Следующая стадия - образование субмикротрещины, которая появляется в результате разрыхления кристаллической решетки материала. На последней стадии происходит образование микротрещин, их развитие и окончательное разрушение детали [24, 42].
Колебания отдельных деталей АТЭД в целом являются причиной возникновения шума и вибрации, причем интенсивность процесса зависит от вибровозмущающих сил, упругих и акустических свойств материалов. Следует отметить, что среди вибровозмущающих сил механического происхождения имеют особое значение силы, обусловленные неисправностями подшипниковых узлов ТЭД, причем интенсивность источника шума и вибрации зависит от целого ряда факторов, связанных с повреждениями подшипников качения и подшипниковых щитов [26]. В основу разработанной для исследуемых локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором методики моделирования эксплуатационного износа положена известная гипотеза о том, что надежность элемента или системы в определенных условиях зависит от величины выработанного ресурса и не зависит от того, как он выработан [33]. В связи с этим, в качестве модели эксплуатационного износа, позволяющей осуществить необходимые наблюдения в сравнительно сжатые сроки, принят процесс ускоренных ресурсных испытаний, заключающийся в ускорении воздействующих факторов с учетом сохранения физико-технического механизма старения.
Несмотря на значительное число работ [2-7, 11-16, 48-53, 57], посвященных разработке вопросов математического моделирования и изучению вибровозмущающих сил локомотивного АТЭД, его исследование представляет собой весьма актуальную задачу.
Математическое моделирование вибраций локомотивных АТЭД позволяет определить частотный и амплитудный диапазоны изменений выходных процессов и обосновать пороговые значения ускорений отдельных элементов ТЭД.
В настоящей работе исследуются основные источники возмущения радиальных шарикоподшипников типа 80-315Ш15 и роликоподшипников радиальных с короткими цилиндрическими роликами типа НО-92417К2М и НО-32332К2М. Размеры элементов подшипника приведены в таблице 2.1 [43, 83, 88, 115, 116]. Таблица 2.1 – Основные параметры исследуемых подшипников
В таблице 2.2 приведены параметры элементов подшипника, которые использованы при математическом моделировании согласно [44-47, 116].
Для анализа вибраций в подшипниках качения ТЭД разработана диагностическая модель. При разработке диагностической модели подшипника качения (см. рисунок 2.1.) приняты следующие допущения [75]. Рисунок 2.1 – Принципиальная схема подшипника качения
Отсутствует проскальзывание ролика (шарика). Поскольку не существует идеальной прокатки тел качения по поверхности кольца, тела качения имеют различные линейные скорости; центр сепаратора имеет результирующую поступательную скорость: где vH - скорость наружного кольца подшипника, м/с; vBH - скорость внутреннего кольца подшипника, м/с. 7. Наружное кольцо считается неподвижным, жестко закрепленным на корпусе, а внутреннее кольцо вращается и жестко закреплено на валу ротора. Поэтому, где Z – количество роликов (шариков), шт. В локомотивных АТЭД одной из основных частот возбуждения вибрации является оборотная (роторная) частота, называемая в дальнейшем частотой вращения ротора, которая определяется выражением:
В общем случае вибровозмущающие силы, возникающие в подшипниках качения, являются функциями перемещений и скоростей, поэтому точное решение такого уравнения возможно только в нестационарной постановке [2].
Другими источниками возникновения дополнительных усилий являются -внутренний радиальный зазор, конечное количество шариков (роликов), положение которых периодически изменяется, а также наличие дефектов на внутреннем и наружном кольце подшипникового узла локомотивного АТЭД. Эти силы возникают вследствие периодического изменения жесткости подшипникового узла. Для более точного анализа динамики подшипникового узла необходимо совместное рассмотрение вибрации всех элементов.
Изменение сигнала вибрации асинхронного электродвигателя в процессе эксплуатации
При максимальной частоте вращения внутреннего кольца (ротора) локомотивного АТЭД типа ДАТ-510 – УХЛ8-1 (2225 об/мин), частота вращения сепаратора равна 871,144 об/мин. Результаты расчета усилий, приложенных к отдельной перемычке сепаратора, приведены в таблице 2.6.
Спектры огибающей вибрации при дефекте (износ) сепаратора подшипника качения показаны на рисунке 2.27.
Раковины (трещины), сколы на телах качения и сепаратора сопровождаются появлением ударных импульсов, действующих между телом качения и каждой из поверхностей колец. Спектры вибраций при появлении раковины (трещины) сепаратора подшипника качения представлены на рисунке 2.27.
Основная частота ударов происходит при 2fтк. Но так как амплитуды ударных импульсов, действующих между телом качения и каждой из поверхностей, могут отличаться и зависят от угла поворота сепаратора подшипника, в спектре огибающей появляются дополнительные составляющие в окрестностях частоты 2fтк. При износе сепаратора эти составляющие могут иметь случайную модуляцию, результатами которой являются спектры, показанные на рисунке 2.28 [67].
Спектры вибрации реального сигнала с дефектом сепаратора подшипника качения Из приведенных результатов моделирования видно, что возникновение дефектов в различных деталях подшипника качения в виде микротрещин влечёт за собой резкое увеличение концентрации напряжений в зоне дефекта, что приведёт к ускоренному разрушению дефектной детали подшипника. Поэтому применение вибродиагностического слежения за состоянием подшипниковых узлов локомотивных АТЭД является важнейшим элементом повышения безопасности на железнодорожном транспорте, позволяющим выявлять указанные дефекты на самых ранних стадиях их развития.
На основе статистического анализа результатов измерений общего уровня вибрации локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором в условиях нормальной эксплуатации установлено, что изменение величины отклонения общего уровня относительно первоначального в процессе эксплуатации на локомотиве носит случайный характер и приблизительно описывается нормальным законом распределения. Распределение величин самого уровня вибрации при этом имеет несимметричный характер. Графики выборочной функции распределения для отклонений уровня экспериментального и теоретического нормального закона согласно критерию Фишера приведены на рисунке 2.29.
Критерий Фишера позволяет сравнивать величины выборочных дисперсий двух независимых выборок (расчетных и экспериментальных данных). Для вычисления F0 нужно найти отношение дисперсий двух выборок, причем так, чтобы большая по величине дисперсия находилась бы в числителе, а меньшая – в знаменателе.
Для более точного исследования зависимости сигнала вибрации от времени необходимо непрерывное наблюдение его изменения при минимуме неучтенных факторов. В связи с этим в работе использованы, кроме результатов натурных измерений, результаты наблюдения сигнала вибрации на физической модели эксплуатационного износа локомотивных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.
Результаты измерения вибрации, полученные при проведении по разработанной методике моделирования эксплуатационного износа по спектру вибраций, усреднены по множеству для двух из 12 фиксированных моментов времени эксплуатации и усреднены по времени для одного из локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором. Разброс уровней спектральных составляющих на частотах, где превалируют механические источники вибрации, т.е. 50 Гц (неуравновешенность) и высокочастотный диапазон (подшипники) после периода приработки (150 … 200 Гц) снижается по сравнению с разбросом уровня по множеству новых (без приработки) локомотивных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Разброс уровней на частоте 100 Гц, на которой определяющими являются вибрации электромагнитного происхождения, существенно выше и не снижается во времени.
Как следует из сравнения усредненных спектров, разброс уровней вибрации по множеству локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором по величине меньше разброса по времени для отдельного асинхронного электродвигателя. Флуктуации уровней вибрации разных АТЭД отличаются друг от друга, причем на разных частотах они не одинаковы и могут наблюдаться практически во всем диапазоне частот.
Результаты испытаний подшипниковых узлов АТЭД
Из результатов измерения вибрации локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором, полученных через разные промежутки времени нормальной эксплуатации, установлено, что изменение уровней вибрации составляет ±10 дБ. Примерно такую же величину имеет диапазон среднего отклонения относительно паспортных данных уровней вибрации, зафиксированных у локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором с малой наработкой. Для выявления природы этого изменения уровней вибрации необходимо исследовать влияние внешних условий на измеряемый сигнал. При этом необходимо рассмотреть влияние таких факторов, как ошибки измерения, место установки вибродатчика и влияние вибрации рядом расположенных агрегатов. Для проверки того, что наблюдаемые изменения являются особенностью сигнала вибрации, а не вызваны погрешностью измерения, оценим погрешность измерения сигнала вибрации.
Измерение вибрации, как и всякое другое, связано с систематическими и случайными погрешностями. Первые определяются классом аппаратуры и другими причинами и могут быть учтены. Вторые заранее не могут быть учтены и для их уменьшения производится неоднократное изменение с усреднением результата. Для оценки случайных погрешностей рассмотрены результаты серии п= 6 измерений уровня вибрации одного и того же локомотивного АТЭД с короткозамкнутым ротором, выполненных используемой аппаратурой.
Величины вибрации при измерениях фиксируются в децибелах и для получения точных среднеквадратичных значений необходим предварительный перевод полученных данных в линейные единицы и последующим переводом полученного среднеарифметического результата в единицы децибел. Однако, в случаях небольшого разброса уровней (2…5 дБ) можно производить статистическую обработку уровней, выраженных непосредственно в децибелах [66, 102, 104, 106]. Ограниченность проведенных измерений учтена коэффициентом
Стьюдента, внесена поправка в нормальный закон распределения погрешностей измерения. Его величина при принятой доверительной вероятности pД = 0,95 попадания истинного значения измеренной величины в заданный интервал равна t0,95 = 2,45.
При меньшем числе измерений в серии погрешность при прежней надежности возрастает до 2,5 … 2,7 дБ.
Разность между уровнями вибрации в разных точках одного локомотивного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором являются случайными величинами. Значения уровней вибрации, зафиксированные в любой точке для данного момента времени, также являются случайной величиной. В связи с этим для получения достоверного диагностического сигнала необходимо усреднение результатов, полученных в разных точках. Установлено, что для локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором мощностью до 1000 кВт в высокочастотном диапазоне (выше 5000 Гц) достаточно измерения в одной точке, а для низкочастотных – не менее чем в трех точках с последующим усреднением результатов [5, 8-9, 65, 74].
При выборе точки установки датчика на локомотивный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором возникает вопрос о проявлении в данной точке сигналов вибрации от разных источников. Особенно существенен вопрос для задачи разделения сигналов вибрации разных подшипников локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором. Для проверки взаимного влияния вибрации двух подшипников на сертифицированном стенде Ташкентского локомотиворемонтного завода были сняты спектрограммы вибрации в одной точке подшипникового щита для двух случаев: при втором штатном шарикоподшипнике и после замены его на подшипник скольжения, как показано на рисунке 3.1.
Из полученных спектрограмм видно, что после замены второго подшипника подшипником скольжения уровни вибрации на первом подшипниковом щите заметно снизилась в диапазоне частот до 500 Гц, а в более высокочастотном диапазоне остались практически без изменения. Наблюдаемое снижение вибрации на первом подшипниковом щите обусловлено значительным уменьшением вибрации от второй опоры ротора после установки подшипника скольжения (уровень вибрации у подшипника скольжения на 20 дБ ниже, чем у подшипника качения [94, 133]).
После установки исходного подшипника качения вместо подшипника скольжения уровень вибрации в диапазоне частот до 500 Гц вновь увеличился до прежних значений. Это свидетельствует о том, что вибрации подшипника в диапазоне частот свыше 500 Гц практически не влияет на уровень вибрации второго подшипника. Таким образом, путем установки датчика на разные подшипниковые щиты возможно разделение сигналов вибрации соответствующих подшипников качения в диапазоне частот свыше 500 Гц.
Вибродиагностирование локомотивных АТЭД с короткозамкнутым ротором может проводится как в условиях специализированного стенда, так и непосредственно на локомотиве. В связи с этим необходимо исследование влияния на уровни вибрации диагностируемого локомотивного АТЭД соседних работающих механизмов, например, тяговый редуктор.
