Содержание
Предыдущий § Следующий
1.7. Вибрация и шумы электрических машин
1.7.1. Источники вибрации и шума электрических машин
Силы, вызывающие вибрацию электрической машины, подразделяются на силы магнитного, механического и аэродинамического происхождения. Основными источниками вибрации и шума электрических машин являются магнитные, механические и аэродинамические источники.
Магнитные источники вибрации связаны с высшими пространственными гармоническими, которые обусловлены наличием зубцов на статоре и роторе, несимметрией и несинусоидальностью напряжения питания, эксцентриситетом воздушного зазора, несинусоидальным распределением МДС обмотки и целым рядом других причин [22].
К механическим источникам относятся небаланс ротора, несоосность и перекос
в асинхронных двигателях, возникают вибрации и при чисто синусоидальном магнитном поле в воздушном зазоре, когда спектр поля содержит только основную гармонику. В этом случае вибрации возникают под действием радиальной силы, которая деформирует осевую линию статора в 2р-угольник с частотой, равной удвоенной частоте питания. В общем случае любые причины несинусоидальности магнитного поля следует рассматривать как причины увеличения виброактивности асинхронного двигателя прежде всего на двойной частоте питания.
Деформации отдельных деталей, узлов и машины в целом являются причиной возникновения звуковых волн — шума, причем интенсивность этого процесса зависит от возмущающих сил, упругих свойств материалов, используемых в электрической машине, конструкции и ее акустических свойств.
Среди вибровозмущающих сил механического происхождения следует отметить силы, обусловленные подшипниками качения. Интенсивность этого источника вибрации и шума зависит от целого ряда факторов, связанных с технологическими погрешностями изготовления подшипников качения и подшипникового узла. Большое значение имеют виброакустические свойства подшипниковых щитов, которые при определенной конструкции могут быть интенсивными излучателями звука.
Основными недостатками подшипников в машинах с горизонтальным расположением вала, влияющими на уровень вибрации и шума, являются: недостаточная жесткость корпуса подшипника в продольном и поперечном направлениях, совпадение частоты собственных колебаний корпуса подшипника с частотой вращения ротора при различных режимах работы электрической машины, эксцентричная нагрузка на корпус подшипника, приводящая к изгибающему моменту, действующему в вертикальной плоскости.
Одним из основных источников вибрации и шума механического происхождения является остаточная неуравновешенность вращающихся частей электрической машины. Неуравновешенность ротора возбуждает значительные вибрации и шум, особенно в быстроходных машинах.
При трении щеток о коллектор или контактные кольца в электрической машине возбуждаются вибрации и шум, имеющие высокочастотные составляющие. Вибрации и шум, обусловленные коллекторно-щеточным узлом, характерны для крупных машин постоянного тока.
Силы аэродинамического происхожде-
ния вызывают вибрации и шум, уровень которых зависит от правильности выбора количества и формы лопаток, типа вентилятора, его аэродинамических свойств, числа и профиля вентиляционных каналов, правильности расположения вентиляторов относительно деталей и узлов электрической машины.
Технология производства оказывает большое влияние на стабильность виброакустических характеристик. Практика показывает, что их разброс даже у однотипных электрических машин может достигать 20 дБ.
Задачу снижения вибрации от остаточной неуравновешенности ротора в настоящее время можно считать практически решенной. Качество современного оборудования для динамической балансировки позволяет выполнить эту задачу с заданной степенью точности, что является условием для получения вибрационных характеристик, удовлетворяющих заданным требованиям.
Все неуравновешенные силы, возникающие в электрических машинах, вызывают изменяющиеся во времени дополнительные нагрузки на подшипники, в результате чего происходят виброперемещения последних. В совокупности с конструктивными недостатками подшипниковых узлов эти силы вызывают вибрацию электрической машины в целом.
Следует особо отметить значение в шу-мообразовании подшипников волнистости и гранности рабочих поверхностей.
С увеличением номинального внутреннего диаметра подшипников их шум и вибрации возрастают на 1 — 2 дБ на единицу номера типоразмера подшипника.
В значительной мере виброактивность подшипников качения зависит от размеров радиального зазора. Возникающая при этом прецессия вала приводит к ударным взаимодействиям вала с телами качения, вследствие чего генерируется широкий спектр вибраций и шума.
Роликоподшипники имеют уровень вибрации и шума на 1 — 3 дБ больше, чем шарикоподшипники тех же размеров.
Снижение уровня шума и вибрации может быть достигнуто применением подшипников скольжения, которые обеспечивают достаточную бесшумность работы и повышенную вибростойкость.
Демпфирующее действие на вибрацию и шум электрической машины, вызванные колебаниями подшипникового узла, оказывает смазка подшипников. Выбор смазки производится с учетом частоты вращения,
рабочей температуры узлов, нагрузки и характера окружающей среды.
Правильный выбор смазки обеспечивает снижение критической частоты, рассчитанной для ротора на жестких подшипниках, и демпфирование виброперемещения ротора.
Устойчивость движения шейки вала на масляной пленке смазки можно повысить увеличением на нее нагрузки. Для этого целесообразно применять вкладыши специальной конструкции, которые позволяют повысить устойчивость движения шейки вала и достигнуть более точного центрирования оси последней.
В машинах с малонагруженными быстроходными роторами, имеющих широкий диапазон рабочей частоты вращения, целесообразно применять подшипники скольжения с самоустанавливающимися сегментами, которые под действием гидродинамического давления в масляном канале занимают оптимальное положение.
Улучшение виброакустических характеристик электрических машин может быть достигнуто применением осевого натяга с помощью пружинных шайб.
Снижению уровня вибрации способствует и установка подшипников качения во вкладыши из прессованного медного волокна определенной пористости. С помощью таких опор удается отстроиться от резонанса системы «ротор — корпус — основание» и понизить уровень вибраций на средних и высоких частотах до 12 дБ.
1.7.2. Показатели вибрации электрических машин
При оценке вибрации электрических машин за основные величины принимаются: вибрационное смещение S — мгновенное значение отклонения колеблющегося элемента относительно положения равновесия, вибрационная скорость v — мгновенное значение скорости колеблющегося элемента:
v = dS/dt,
и вибрационное ускорение а — мгновенное ускорение колеблющегося элемента:
а = d2S/dt2 = dv/dt.
При гармонических колебаниях достаточно измерить частоту и одну из основных величин, а затем рассчитать остальные. Так, при частоте со и амплитуде вибрационного смещения S амплитуда вибрационной скорости
v = caS
и амплитуда вибрационного ускорения А = (ov = co2S.
Для детального исследования вибрации электрических машин необходимо измерять все указанные величины.
Амплитуда смещения является критерием оценки вибрации лишь в случае, если известна частота вибрации.
Ввиду большого интервала абсолютных значений параметров вибрации на практике часто удобно выражать вибрационное перемещение, скорость и ускорение в логарифмическом масштабе относительно пороговых уровней следующим образом:
Ls = 201g-^-; 1„ = 2018—;
La = 201g —,
где S,v, а — значения вибрационного перемещения, мм, скорости, мм/с, ускорения, м/с2.
Пороговые значения вибрационного перемещения So, скорости v0 и ускорения а0 выбираются таким образом, чтобы для частоты 1000 Гц получались одинаковые значения вибрации в децибелах по скорости, ускорению и перемещению.
При гармонических колебаниях между значениями вибрационного перемещения, скорости и ускорения в децибелах имеют место следующие соотношения:
L" = I* + 201gW
Ls=L*-2oig-r4)-
При исследовании полигармонических колебаний приходится оценивать их в определенном диапазоне частот: от нижней граничной частоты /н до верхней граничной частоты /в. Обычно рассматриваемый диапазон частот делят на поддиапазоны или полосы частот. Центральная частота полосы определяется равенством
/о = У/п/в-
Полоса частот, для которой между верхней и нижней граничными частотами имеет место соотношение
/в = 2/„,
называется октавой.
На практике для измерения параметров вибрации пользуются и более узкими полосами частот, а именно 1/3 октавы. Для такой
полосы частот значения верхней и нижней граничных частот связаны соотношением
/в=/н|/2.
Эффективное значение вибрационного перемещения, скорости и ускорения в диапазоне частот определяется суммированием уровней всех спектральных составляющих, которые входят в рассматриваемую полосу и рассчитываются в соответствии с выражением
L= 201g —L!—,
'о
где /; - уровни спектральных составляющих; /0 — пороговый уровень.
Обозначения и опорные значения вибрационных параметров определяются рядом стандартов: ГОСТ 24347-80, ГОСТ 12379-75, ГОСТ 16921-83, ГОСТ 23941-79.
1.7.3. Измерения шума и вибрации
Требования, предъявляемые к электрическим машинам с точки зрения виброакустических характеристик, предусматривают обязательный контроль вибрации и шума на стадии производства и в процессе эксплуатации. Измерения производятся для исследования причин, вызывающих вибрации и шум, и для контроля качества продукции. Измерение виброакустических характеристик при обеспечении требуемого качества электрических машин проводится в соответствии с инструкциями и стандартами, в которых указываются методика измерений, измерительная аппаратура, условия монтажа и режим работы машины. Результаты измерений сопоставляются с эталоном или с контрольными данными для выявления соответствия полученных результатов допустимому уровню вибрации и шума.
Различные методики позволяют контролировать определенные акустические параметры электрической машины: общий уровень звукового давления, звуковую мощность, характеристику направленности излучения и т. д.
Шумовые характеристики определяются в свободном звуковом поле (в заглушённых камерах, в помещениях с большим поглощением или в открытом пространстве); в отраженном звуковом поле (в реверберационных камерах); в обычных помещениях с помощью образцового источника шума на расстоянии 1 м от внешнего контура машины.
Определение шумовых характеристик
регламентируется несколькими стандартами: ГОСТ 12.1.024-81 и ГОСТ 12.1.025-81, представляющими точные методы, ГОСТ 12.1.026-80 и ГОСТ 12.1.027-80, представляющими технические и ГОСТ 12.1.028-80-ориентировочный методы.
При определении характеристик направленности излучения шума следует пользоваться только методом измерения в свободном звуковом поле.
Метод определения шумовых характеристик с помощью образцового источника применим в обычных помещениях с объемом не менее 60 м3.
В соответствии с ГОСТ 23941-79 (СТ СЭВ 541-77) при измерении и оценке допустимых уровней шума условия установки источника шума должны приближаться к обычным условиям при его работе в процессе эксплуатации.
Режимы работы машины должны соответствовать типовым установившимся режимам: при номинальной нагрузке и номинальной частоте вращения, при полной нагрузке, при холостом ходе, при различных операциях технологического процесса.
Не всегда удается провести корректные измерения шума в номинальном режиме нагрузки. Это объясняется тем, что для создания номинальной нагрузки возникает необходимость сочленения испытуемой машины со вспомогательным устройством — машиной, которая вносит значительные искажения в результаты измерения. Поэтому измерение шума в режиме номинальной нагрузки проводят лишь для электромашинных преобразователей и других машин, нагрузка которых может быть осуществлена без механического соединения со вспомогательной машиной или механизмом (тормозом, вентилятором и др.).
При исследовании виброакустических характеристик синхронных машин нагрузку имитируют в режиме компенсатора. При типовых испытаниях асинхронных машин и двигателей постоянного тока нагрузочное устройство размещают за пределами испытательного помещения (камеры) и соединяют его с испытуемой машиной.
Большое влияние на шумовые характеристики имеет частота вращения ротора машины. От нее в значительной мере зависят шумы аэродинамического и механического происхождения, поэтому частота вращения при акустических испытаниях машины должна быть номинальной.
За нормируемый уровень шума по ГОСТ 11929-87 и ГОСТ 16372-84 принимается средний уровень звука на расстоянии
1 м от контура машины. Выбор точек производится в соответствии с ГОСТ 11929-87.
В зависимости от требований к уровню шума электрические машины разделяются на четыре класса. При отнесении различных типов электрических машин к классам по их уровням шума можно руководствоваться следующим перечнем:
класс 1 - машины, к которым не предъявляются специальные требования по уровню шума;
класс 2 — машины с малошумными подшипниками качения, со специальными малошумными конструкциями вентиляторов и т. д.;
класс 3 — машины с пониженным использованием активных материалов, закрытые (с водяным или естественным охлаждением), с глушителями вентиляционного шума, с подшипниками скольжения;
класс 4 — машины со звукоизолирующим кожухом или другими существенными изменениями конструкции, выполненными для снижения шума.
В качестве иллюстрации в таблице приведены допустимые уровни звука по классу 1 для электрических машин различных мощностей со степенью защиты IP44.
Полученные результаты измерений шума в свободном звуковом поле обрабатываются в следующем порядке:
1. При наличии помех, уровень звука которых на 6 —9 дБ отличается от уровня звука работающей испытуемой машины, необходимо вносить соответствующую поправку, равную 1 дБ. Если разность между уровнем звука машины и уровнем звука помех равна 4 — 5 дБ, то поправка, учитывающая влияние помех, будет равна 2 дБ, т. е. из уровня звука работающей машины необходимо вычесть 2 дБ. При разностях уровней звука машины и помех более 9 дБ поправка не вносится.
2. Производится усреднение уровней звука, измеренных в нескольких точках вокруг машины. Если усредняемые уровни звука, измеренные в точках, отличаются друг от друга менее чем на 5 дБ, то за средний уровень звука принимается среднее арифметическое значение. Если они различаются более чем на 5 дБ, усреднение проводится по формуле
/ » \
L = 101g X 10°'u -lOlgn,
где L, — уровень звука в j'-й точке измерения на расстоянии 1 м от корпуса; п — количество точек измерения.
При проведении типовых испытаний дополнительно измеряются уровни звукового давления в октавных полосах в точке с максимальным уровнем звука.
Согласно ГОСТ 16921-83 при оценке вибрации электрических машин основной измеряемой величиной должно являться эффективное значение вибрационной скорости 1>эф, измеренное в диапазоне от рабочей частоты до 2000 Гц. Необходимость проведения спектрального анализа по вибрационному ускорению в диапазоне частот свыше 2000 Гц согласуется дополнительно.
Для оценки вибрации установлено восемь классов, индексы которых по ГОСТ 16921-83 соответствуют максимально допустимой для данного класса вибрационной скорости.
Основные требования к измерительной аппаратуре изложены в ГОСТ 16876-71 и ГОСТ 17168-82.
В соответствии с ГОСТ 12379-75 виброизмерительные преобразователи должны жестко крепиться к испытуемой электрической машине или дополнительной массе, причем масса вибропреобразователя не должна превышать 5 % массы электрической машины.
|
Мощность, |
LdlA, |
дБ (по шкале |
А), для номинальных частот вращения, об/мин |
|||
|
кВт |
600-900 |
900-1320 |
1320-1900 |
1900-2360 |
2360-3150 |
3150-3750 |
|
0,25-1,1 |
67 |
70 |
71 |
74 |
75 |
79 |
|
1,1-2,2 |
69 |
70 |
73 |
78 |
80 |
82 |
|
2,2-5,5 |
72 |
74 |
77 |
82 |
83 |
85 |
|
5,5-11 |
75 |
78 |
81 |
86 |
87 |
90 |
|
11-22 |
78 |
82 |
85 |
87 |
91 |
93 |
|
22-37 |
80 |
84 |
86 |
89 |
92 |
95 |
|
37-55 |
81 |
86 |
88 |
92 |
94 |
97 |
|
55-110 |
84 |
89 |
92 |
93 |
96 |
98 |
|
110-220 |
87 |
91 |
94 |
96 |
98 |
100 |
|
220-400 |
88 |
92 |
96 |
98 |
99 |
102 |
|
400-630 |
89 |
93 |
97 |
99 |
100 |
103 |
|
630-1000 |
91 |
95 |
98 |
100 |
101 |
104 |
При контроле вибрации следует применять упругую установку испытуемой машины. В тех случаях, когда по техническим причинам упругая установка испытуемой машины невозможна, допускается жесткая установка машины на фундаменте без специальных упругих элементов. Масса фундамента при такой установке должна превышать массу испытуемой машины не менее чем в 10 раз. Испытуемая машина при упругой и жесткой установке должна иметь эксплуатационное положение.
Совокупность всех приспособлений, связанных с электрической машиной при упругой установке, называется дополнительной массой. Дополнительная масса участвует в колебаниях машины как единое целое. Необходимо выполнять требование, согласно которому тдоп =б 0,1тмаш, где тдоп - дополнительная масса; тмаш — масса испытуемой машины.
В ГОСТ 12379-75 оговорены требования, предъявляемые к упругим элементам. Упругие элементы должны выбираться с учетом условий прочности. Статическое перемещение центра тяжести с дополнительной массой от собственного веса не должно превышать половины максимально допустимого перемещения упругого элемента.
Помехи от внешней вибрации, опре-
деляемые при неработающей машине, не должны быть более 25 % нормируемого значения, т. е. уровень полезного сигнала должен превышать уровень помех на 8 — 10 дБ.
Режим работы машины при оценке вибрации оговаривается техническими условиями или стандартами на определенный тип машины. Например для электромашинных преобразователей и электрических машин, нагрузка которых осуществляется без дополнительных приводных устройств или механизмов, контроль вибрации проводится в режиме номинальной нагрузки. Контроль вибрации синхронных машин проводится при номинальном напряжении и токе статора в режиме перевозбуждения двигателя. Для большинства электрических машин контроль вибрации следует проводить в режиме холостого хода.
Согласно ГОСТ 12379-75 виброиспытания электрических машин с одной рабочей частотой вращения необходимо проводить при номинальной частоте вращения. Испытания многоскоростных машин проводят при частоте вращения с наибольшей вибрацией.
Виброиспытания машин, имеющих регулируемую частоту вращения, выполняют при номинальной и максимальной рабочих частотах вращения.
 |
|
|
|