Print

Elektrodiagnostika jako součást multiparametrické diagnostiky v průmyslové praxi

-- 30.06.2020

Článek je zaměřen na elektrodiagnostiku a další diagnostické metody jako součást multiparametrické diagnostiky. V úvodní části je obecně pojednáno o technické diagnostice, jejím dělení a je objasněn pojem multiparametrická diagnostika. Dále je popsán objekt diagnostiky (dieselelektrické soustrojí) a jsou stručně rozebrány aspekty s vlivem na jeho chování. Podstatná část článku je věnována příkladu použití multiparametrické diagnostiky s důrazem na rozbor a zobecnění výsledků. Nechybí návrh opatření pro technickou praxi a stručný závěr.

Electrodiagnostics as a part of multiparametric diagnostics in industrial practice

The article is focused on electrodiagnostics and other diagnostic methods as a part of multiparametric diagnostics. The introductory part generally discusses technical diagnostics, its division and clarification of the concept of multiparametric diagnostics. Furthermore, the object of diagnostics - diesel-electric set is described and aspects with influence on its behavior are briefly analyzed. A substantial part of the article is devoted to the example of the use of multiparametric diagnostics with emphasis on the analysis and generalization of results. There is also a draft measure for technical practice and a brief conclusion.

1. Úvod

Pro průmyslovou praxi je důležitá technická diagnostika. V současné době ji lze považovat za rozsáhlou vědní disciplínu, která prodělala značný vývoj. Nyní se na technickou diagnostiku nazírá úplně jinak, než tomu bylo např. před 40 lety. V literatuře [1], [2] je technická diagnostika vždy chápána jako věda, která je zaměřena na zjištění technického stavu objektu. Základním současným úkolem diagnostiky není měřit, ale ohodnotit stav sledovaného zařízení. Nelze také jen vycházet z technických norem. Postupem času se technická diagnostika začala rozdělovat dle různých hledisek, avšak důležité je dělení podle příslušné diagnostické veličiny. Rozeznáváme tedy vibrodiagnostiku [2], termodiagnostiku [3], tribodiagnostiku [4], elektrodiagnostiku atd. Právě tyto diagnostiky mají pro průmyslovou praxi značný význam a nejvíce se používají. Je však třeba mít také na paměti, že důležité dělení diagnostiky je i vzhledem ke sledovanému objektu, protože se použití diagnostiky liší, např. jedná-li se o výrobní stroj, čerpadlo, ventilátor, elektrický pohon apod. Jak již bylo výše naznačeno, technická diagnostika se vyvíjí jak z hlediska diagnostických prostředků, metod a metodik, tak i v pohledu na realizátora diagnostických šetření, tedy diagnostika, na něhož jsou kladeny vyšší nároky. Značný pokrok lze spatřovat rovněž v tom, že se k posouzení stavu objektu nyní nevyužívá jen jedna diagnostická metoda, např. určená z působícího dominantního degradačního mechanismu, ale běžně se vychází z několika diagnostických metod nebo se v rámci jedné diagnostické metody sleduje více diagnostických veličin. Pro takto pojatou diagnostiku technických systémů se již běžně používá pojem multiparametrická diagnostika [2]. Předložený článek je zaměřen právě na elektrodiagnostiku jakožto součást multiparametrické diagnostiky a je naznačeno využití uvedeného včetně dalších diagnostických metod k posouzení stavu konkrétního technického systému z průmyslové praxe.

2. Objekt diagnostiky– dieselelektrické soustrojí

V technické praxi se setkáváme s aplikací multiparametrické diagnostiky při řešení složitých technických problémů u strojů, které jsou specifické z hlediska aplikací a použití. Příkladem takového soustrojí je i dieselmotorový generátor sloužící jako zdroj energie pro pohon zařízení a vozidel velkých výkonů. Dieselelektrické soustrojí se skládá z šestnáctiválcového dieselmotoru, který je spojen s hlavním generátorem pomocí izolované kompozitové diskové spojky. Hlavní, dvanáctipólový synchronní generátor o výkonu 2 000 kW je jednoložiskový a má valivé jednořadé kuličkové ložisko typu 60. Generátor je buzen přes kroužky ze statického budiče s pulzně šířkovou modulací řízení napětí a proudu. Výstupní napětí generátoru je usměrněno ve vestavěném výkonovém usměrňovači s výstupním napětím 6 × 430 V. Na obr. 1 je schéma uspořádání popisovaného dieselelektrického soustrojí.

Aby bylo možné do relativně malého prostoru stroje „dostat“ velký výkon, je nutné, aby synchronní generátor, který je použit jako zdroj střídavého proudu, měl vysoký výkon. Toho je docíleno použitím vícepólových (až 12) generátorů, jež pracují při otáčkách, které jsou běžné pro čtyřpólové stroje. Provozní otáčky těchto dieselelektrických soustrojí bývají v rozmezí 600 až 1 800 RPM, což ve výsledku znamená, že výstupní frekvence AC sítě bývá v rozmezí 60 až 180 Hz. Toto napětí je následně usměrněno a využito pro pohon stejnosměrných pohonů, případně přes frekvenční měnič pohonů střídavých.

3. Aspekty s vlivem na chování dieselelektrických pohonů

Z hlediska diagnostiky nestacionárních dieselelektrických pohonů je nutné vzít v úvahu několik aspektů, které mají vliv na jejich chování.

V první řadě je to mechanický vliv. Jedná se o rotační stroje, na které působí dynamické účinky z provozu zařízení nebo případně z jízdy vozidla. Vznikají přídavná zatížení na ložiska vlivem gyroskopického momentu, působí Coriolisovy síly, dále dynamické účinky od setrvačných sil, odstředivých sil působících na rotorové vinutí apod. Stanovení těchto vlivů při konstrukci zařízení bývá mnohdy velmi náročné.

V druhé řadě jsou to vlivy elektrické. Synchronní generátor a jeho hlavní frekvence je násobně vyšší, než známe u strojů pracujících s frekvencí 50 Hz. Běžné izolační systémy jsou navrženy na obvyklou frekvenci 50 Hz a při použití vyšších frekvencí je třeba brát v úvahu nejenom odpor izolace, ale především její impedanci, která je závislá na kapacitě izolačního systému, frekvenci sítě, případně na vyšších frekvencích, které mohou být zavlečeny ze statického budiče – pulzně šířkové modulace buzení rotoru generátoru. V důsledku těchto vyšších frekvencí v systému dieselelektrického pohonu vznikají kapacitní proudy, které se uzavírají přes valivá ložiska generátoru a v horším případě se mohou uzavírat i přes pohonnou jednotku dieselmotoru.

Tyto popsané vlivy mají nepříznivý účinek na životnost ložiskového uložení soustrojí a pro zjištění příčin je vhodná analýza zařízení právě s využitím multiparametrické diagnostiky.

4. Příklad použití multiparametrické diagnostiky

Následně je uveden příklad použití multiparametrické diagnostiky v případě synchronního generátoru, kde se objevila krátká životnost ložiska generátoru. V první fázi bylo provedeno vibrodiagnostické měření soustrojí v rozsahu otáček, kde byla zjištěna závada na vnějším kroužku ložiska. Vzhledem k tomu, že se nejednalo o ojedinělou závadu jen u jednoho zařízení, bylo nutné k diagnostice přistupovat z hlediska stanovení nejen rozsahu poškození ložiska, ale i z hlediska příčin, které vedou ke snížení životnosti. Proto byla provedena demontáž a výměna vadného ložiska. Toto ložisko bylo následně podrobeno detailnějšímu zkoumání, byly odebrány vzorky mazacího tuku pro tribodiagnostickou analýzu a také provedena důkladná prohlídka poškozeného uzlu. Z analýzy poškozeného ložiska bylo zjištěno, že příčinou poškození je nejen mechanický vliv na ložisko, ale také je patrný vliv z důvodu průchodu elektrického proudu. Tyto závěry byly použity z hlediska posouzení stavu i dalších zařízení. V předkládaném článku je dále uveden příklad použití multiparametrické diagnostiky u jiného dieselelektrického soustrojí.

Nejprve byla provedena vibrodiagnostika a elektrodiagnostika u sledovaného dieselelektrického soustrojí.

Byly porovnávány širokopásmové hodnoty rychlosti vibrací a zrychlení s hodnotou proudu v závislosti na otáčkách soustrojí. Výsledky jsou na obr. 2. Z provedeného srovnání je patrné, že zatížení generátoru, které se v grafu projevuje zvýšením hodnoty statorového proudu, má vliv na hodnoty rychlosti vibrací, nikoli na hodnotu zrychlení.

Při porovnání spekter proudu a zrychlení lze spatřovat určitou souvislost mezi těmito veličinami v naměřených spektrech. Při výstupní frekvenci proudu 180 Hz je ve spektru zrychlení jasně zřetelná amplituda na 6násobku výstupní frekvence proudu (počet pólových dvojic). Tato harmonická frekvence má dále na 1- (1 080 Hz), 2- (2 160Hz) a 3násobku (3 240 Hz) zvýrazněnou amplitudu zrychlení a následně je zřetelný 6násobek této amplitudy (6 480 Hz) s postranním pásmem 360 Hz, což je 2krát výstupní frekvence proudu.

V běhu bez napětí (bez výkonu, respektive bez buzení generátoru) se tyto složky závislé na napětí a proudu nevyskytují, viz obr. 3.

Na obrázku 4 je vidět proud a jeho frekvence při měření sledovaných hodnot při buzení generátoru v rozsahu otáček 600 až 1 800 za minutu (RPM). Minimální frekvence proudu je 60 Hz při otáčkách 600 RPM a 180 Hz při otáčkách 1 800 RPM, která vychází z obecného vztahu f = p . n / 60.

 

Na obrázku 5 je spektrum statorového proudu, kde jsou zřejmé harmonické násobky dvojic postranního pásma se středem na 6násobku frekvence proudu, tj. na frekvenci 1 080 Hz, 2 160 Hz, 3 240 Hz atd. Tyto frekvence a jejich závislost na otáčkách bez buzení a s buzením odpovídají frekvenci, která byla naměřena ve spektru zrychlení vibrací; je zde patrná souvislost mezi proudem a zrychlením vibrací. Na obrázku 6 je spektrum výstupní frekvence proudu v závislosti na otáčkách bez buzení a s buzením generátoru.

Z analýzy obálky (obr. 7) zrychlení ložiska (konkrétní typ 6036 NSK) generátoru, které je použito, je patrné jeho poškození na vnějším kroužku – frekvence BPFO a její harmonické násobky.

Po měření bylo ložisko demontováno a vyměněno; následně byl proveden rozbor poškozeného ložiska. Na obrázku 8 je možné vidět několik problémů od axiálních vtisků způsobených dynamickým zatížením a rovněž rázy od setrvačných hmot rotoru přes průchod elektrického proudu až po odlupování horních vrstev, jež bylo způsobeno pravděpodobně podpovrchovými trhlinami.

Následně bylo ložisko podrobeno zkoumání pod elektronovým mikroskopem, viz
obr. 9. Zmapování valivé dráhy vnějšího kroužku ukázalo přítomnost nečistot i stopy po přetaveném materiálu. Dále jsou na valivé dráze patrné jednotlivé důlky větších rozměrů, ve kterých na jejich spodku ulpívají nečistoty, a stopy po vychýlení kuliček u stojícího i pomalu se otáčejícího ložiska.

Pro ucelený diagnostický obraz tohoto zařízení byl proveden i tribodiagnostický rozbor použitého tuku ložiska. V mazivu se vyskytovalo poměrné velké množství prvku železa a prachových částic, méně pak mědi a olova. Zajímavostí u tohoto poškození proudem bylo, že se metodou infračervené spektroskopie FTIR (obr. 9) nezjistila oxidace mazacího tuku, která bývá u průchodu elektrickým proudem běžná. To lze pravděpodobně vysvětlit tím, že viskozita použitého maziva nebyla vhodně navržena, což potvrdil i kontrolní výpočet pro toto mazivo s uvažováním reálného zatížení maziva.

Z provedených měření a analýz bylo zjištěno několik problémů. Na hlavním generátoru je použito jednořadé kuličkové ložisko. Vzhledem k tomu, že se jednotka neustále pohybuje, dochází v ložisku vlivem velké hmotnosti rotoru a vlivem setrvačných sil k axiálním rázům, které poškozují dráhu ložiska. Dochází rovněž k neustálým změnám rotace valivého elementu, kde se mění osa rotace v závislosti na změně stykového úhlu valivého elementu v ložisku. Vlivem změn osy rotace dochází ke smýkání kuličky mezi kroužky ložiska, k vytlačování maziva a k poškození dráhy ložiska.

Na základě rozboru ložiska pod elektronovým mikroskopem bylo potvrzeno, že mimo mechanické příčiny poškození je zde i poškození průchodem elektrického proudu přes ložisko. Z rozboru konstrukce hlavního generátoru a měření elektrického odporu spojky bylo zjištěno, že uzavírání elektrického obvodu z důvodu indukce hřídelového napětí na rotoru přes spojky není možné, a to kvůli vysokému odporu spojky.

Další příčinou, kdy může přes ložisko procházet proud, je průchod kapacitních proudů, který je zde vzhledem k vysoké síťové frekvenci pravděpodobnější. Tyto kapacitní proudy jsou dále ovlivněny i použitím buzení z řízeného statického budiče s nosnou frekvencí 1 kHz.

Další příčinou průchodu elektrického proudu je průsakový proud z vinutí rotoru. Rotor vinutí je zhotoven metodou vsypávaného vinutí z kulatého vodiče, kdy tato technologie pro sledované stroje z hlediska mechanické odolnosti není příliš vhodná. Hrozí zde riziko vzniku závitových zkratů, neustálého pohybu vodičů vlivem odstředivých sil a vibrací, případně průsaku proudu na rotor v důsledku zeslabení a stárnutí izolace vinutí vlivem vyšší síťové frekvence.

Z provedené tribodiagnostiky a rozboru použitého maziva bylo zjištěno, že navržené mazivo by bylo vhodné pro statický stroj, nikoli pro dynamicky zatížený stroj, v tomto případě generátor zařízení či vozidla. Pro rázové zatížení má použité mazivo menší únosnost a z hlediska zvýšení únosnosti bylo doporučeno použít mazivo s vyšší viskozitou s přísadou EP (vysokotlaké, protioděrové přísady) složek.

Výše popsané problémy bylo možné sledovat i u dalších diagnostikovaných dieselelektrických soustrojí, která byla použita u podobně provozovaných průmyslových zařízení.

6. Návrh opatření

Na základě provedené analýzy popsaného dieselelektrického soustrojí bylo navrženo několik opatření, která se postupně realizují na dalších zařízeních a vozidlech, jež tato soustrojí používají.

1)     Abychom odstranili vliv mechanického působení na ložisko a aby se zabránilo prokluzům valivých elementů ložiska, byla provedena rekonstrukce ložiskového uzlu hlavního generátoru. Původní jednořadé kuličkové ložisko 6036 bylo nahrazeno dvojicí ložisek s kosoúhlým stykem řady 7036 s předem definovanou ložiskovou vůlí v pozici montáže o „X“ s vloženým distančním kroužkem tak, aby mazání ložisek bylo přiváděno mezi obě ložiska a rovnoměrně rozváděno přes obě tato ložiska. Dále je zde přesně nastavena ložisková vůle s ohledem na toleranční pole vnitřního a vnějšího kroužku a na tepelnou roztažnost hřídele a ložiskového štítu. Uspořádání ložisek do „X“ a tloušťka distančního kroužku jsou stanoveny kvůli požadované menší tuhosti ložiskového uspořádání, než má uspořádání do „O“, a to z důvodu konstrukce jednoložiskového generátoru a případného vychýlení osy rotoru v ložisku.

Kosoúhlá ložiska lépe zachytávají axiální síly a použitím dvou kosoúhlých ložisek rozdělíme zachytávání sil v různých směrech na příslušné ložisko, tím se zamezí i neustálé změně rotace valivého elementu v ložisku a vyloučí se jeho prokluz.

2)    Pro mazání ložisek bylo navrženo použití speciálního mazacího tuku Klüberlectric HB 72-102 se zvýšenou vodivostí, tím se omezí hoření oblouku mezi valivým elementem a oběžnou dráhou ložiska.

3)    Použití zemního kartáče ložiska. Abychom co nejvíce ochránili ložisko, byla na vnitřní víčko namontována dvojice zemnicích kartáčů, které pomohou snížit velikost proudu procházejícího ložiskem.

4)    Použití izolovaných ložisek, případně hybridních ložisek, je z hlediska jejich dostupnosti velmi problematické. Nicméně v případě jejich dostupnosti by použití přineslo další zlepšení z hlediska zabránění poškození.

7. Závěr

Článek seznamuje čtenáře s příkladem využití multiparametrické diagnostiky k posouzení stavu zařízení z technické praxe. Důraz je kladen na využití elektrodiagnostiky a její konfrontaci z hlediska výsledků i za použití jiných diagnostických metod. Je zde zmíněna i tribodiagnostika a vibrodiagnostika, tedy metody, které jsou také součástí multiparametrické diagnostiky a které nacházejí v průmyslové praxi stále větší využití. Vše výše uvedené ve svém důsledku řeší nejen vlastní diagnostiku, ale také může být podkladem pro stanovení údržby a má vliv i na konstrukční záležitosti komponent technických zařízení. Použitím souboru vhodných metod multiparametrické diagnostiky, provedením důkladné analýzy chování diagnostikovaného objektu a návrhem opatření docílíme zvyšování životnosti technických systémů jako celku.

Autoři

Doc. Ing. Miloš Hammer, CSc.

  • specialista vibrační diagnostiky, třída II
  • technik diagnostik elektrických zařízení, třída II

Ing. Petr Nahodil

  • specialista vibrační diagnostiky, třída III
  • technik diagnostik elektrických zařízení, třída I

Literatura

[1] KREIDL, Marcel a ŠMÍD, Radislav. Technická diagnostika. 4. díl, senzory neelektrických veličin: senzory-metody-analýza signálu. 1. vyd. Praha: BEN – technická literatura, 2006. 408 s. ISBN 80-7300-158-6.

[2] HELEBRANT, František a ZIEGLER, Jiří. Technická diagnostika a spolehlivost II. Vibrodiagnostika. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2004.173 s. ISBN 80-248-0650-9.

[3] PEŤKOVÁ, Viera a SVOBODA, Jiří. Termodiagnostika. 1. vyd. Košice: Vydavateľstvo VIENALA, 2016. 310 s. ISBN 978-80-8126-132-9.

[4] ZIEGLER, Jiří, HELEBRANT, František a MARASOVÁ, Daniela. Technická diagnostika a spolehlivost. Tribodiagnostika. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2001. 155 s. ISBN 80-7078-883-6.

[5] LEGÁT, Václav a kol. Management a inženýrství údržby. 2. doplněné vyd. Příbram: Kamil Mařík PBtisk, 2016. 622 s. ISBN 978-80-7431-163 -2.

Recenzent: Lumír Kolář, specialista vibrační diagnostiky, třída IV

Autor: MILOŠ HAMMER, ÚAI FSI VUT V BRNĚ + PETR NAHODIL, VIBRO-NAHODIL LOMNICE


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Konference kvality 2020
2020-10-22 - 2020-10-22
Místo: Praha
Bezpečnost v průmyslu
2020-11-04 - 2020-11-04
Místo: Brno
EX prostředí 2020
2020-11-05 - 2020-11-05
Místo: Brno
Fórum údržby 2020
2020-12-01 - 2020-12-01
Místo: Praha

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Vyskočilova 1561/4a
14000 Praha 4
tel. +420739552216

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2020 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI