СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ МЕХАНИЗМОВ И СИСТЕМ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2006 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к диагностике агрегатов, механизмов и систем, в которых приводом является электрический двигатель.

Известны способы диагностики работы механизмов и агрегатов, в которых состояние агрегата оценивается с помощью измерения потребляемого электрическим двигателем электрического тока.

Измерение величины тока потребляемого электрическим двигателем, который приводит в действие агрегаты, механизмы и системы позволяет оценить состояние этих систем. Увеличение потребляемого тока свидетельствует о повышении нагрузки на двигатель, что косвенно свидетельствует о состоянии агрегата или механизма. В качестве примеров таких способов можно привести патент RU 2206794, "Способ диагностирования погружного электрического центробежного насоса", МПК F 04 D 13/10, опубл. 20.06.03; патент DE 3844960 "Диагностический соединитель для электрического насоса", МПК G 01 M 15/00, опубл. 20.11.97.

Известны способы диагностики работы механизмов и агрегатов, в которых состояние механизма и агрегата оценивается путем анализа потребляемого электрическим двигателем тока.

В патенте JP 05-018813 "Измеритель механических вибраций", МПК G 01 H 17/00, опубл. 26.01.93, производится сравнение спектров вибраций и частоты вращения двигателя при нормальной работе механизмов и текущей, что позволяет заметить появление дополнительной вибрации.

В патенте RU 2213270 "Способ определения технического состояния электропогружных установок для добычи нефти", МПК F 04 D 13/10, опубл. 27.09.03, регистрируют сигнал от переменной составляющей суммы фазных токов питания двигателя, анализируют форму и амплитуду измеренного сигнала и сравнивая со значениями предыдущих измерений, оценивают возможность дальнейшей эксплуатации установки.

Все перечисленные способы диагностики по потребляемому току электродвигателя не позволяют судить о состоянии отдельных агрегатов или частей механизма или системы, работающих под действием электрического двигателя.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ по патенту RU 2213270 "Способ определения технического состояния электропогружных установок для добычи нефти".

В данном способе регистрируют сигнал от переменной составляющей суммы фазных токов питания двигателя путем установки датчика тока (токовых клещей) одновременно на три фазы питающего кабеля. Анализ формы и амплитуды полученного сигнала производят сравнением с ранее выполненными измерениями. В описании утверждается, что причиной изменений могут являться дефекты обмоток электродвигателя или увеличение тормозного момента. Более точную дефектоскопию, то есть выявление дефектного узла, данным способом выполнить невозможно.

Заявляемый способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем решает техническую задачу выявления дефектного узла (агрегата) механизма или системы, а также определения величины этого дефекта.

Способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем состоит в том, что измеряют частоты амплитудной модуляции потребляемого электрическим двигателем электрического тока и для каждой частоты модуляции измеряют глубину амплитудной модуляции. По измеренной частоте модуляции определяют дефектный агрегат механизма или системы, вызывающий появление переменной нагрузки на электрический двигатель, а по измеренной глубине модуляции определяют величину этого дефекта.

Отличие данного способа от известных состоит в том, что измеряют параметры амплитудной модуляции основной составляющей электрического тока, потребляемого электрическим двигателем. Частота модуляции характеризует дефектный агрегат механизма или системы потому, что каждый агрегат механизма или системы имеет свои характерные частоты вращения или перемещения отдельных элементов, и возникающий дефект дает амплитудную модуляцию тока именно этими частотами. По глубине амплитудной модуляции тока можно судить о величине дефекта агрегата. Таким образом, способ позволяет установить дефектный агрегат механизма или системы вне зависимости от того, какой тип электрического двигателя применяется в механизме.

Данный способ также позволяет определять дефекты не только агрегатов, но их составных частей.

Для того чтобы ускорить диагностику механизма или системы данным способом, можно предварительно создать перечень характерных частот вращения или перемещения элементов агрегата.

Способ диагностики поясняется чертежами.

На Фиг.1 представлен спектр потребляемого бездефектным электронасосом электрического тока в диапазоне частот от 0 до 400 Гц.

На Фиг 2 приведен спектр потребляемого тока у дефектного электронасоса.

На Фиг.3 показан спектр потребляемого тока у бездефектного, а на Фиг.4 - у дефектного конвейеров, приводимых в движение синхронным электродвигателем с трехступенчатым понижающим редуктором и звездочкой на последней оси.

На Фиг.5 показан спектр переменной составляющей тока якоря привода постоянного тока бездефектной, а на Фиг.6 - дефектной клети прокатного стана.

Асинхронный двигатель, входящий в состав электронасоса, имеет частоту вращения 24,5 Гц, а рабочее колесо центробежного насоса имеет семь лопастей. Основная составляющая потребляемого тока имеет частоту ƒ₁=50 Гц. Кроме нее в спектре тока есть и несколько кратных по частоте слабых гармоник, определяемых магнитными свойствами сердечника двигателя и дискретностью обмоток статора.

При появлении дефектов в насосе спектр потребляемого тока резко усложняется. На фиг.2 приведен спектр потребляемого тока у дефектного электронасоса той же модели, в котором один из подшипников насоса имел дефект сепаратора, в результате которого вал сместился относительно оси насоса и лопасти рабочего колеса начали касаться неподвижных частей направляющего аппарата. Характерной частотой подшипника является частота вращения сепаратора ƒ_c, составляющая около 40% от частоты вращения подшипника, а характерной частотой рабочего колеса является лопастная частота ƒ_л, которая у этой модели насоса в 7 раз выше частоты вращения рабочего колеса. В спектре тока двигателя появились признаки дефекта сепаратора подшипника в виде амплитудной модуляции основной составляющей тока с частотой ƒ₁, периодическим процессом с частотой ƒ_с, т.е. появились боковые составляющие тока с частотами ƒ₁±ƒ_с. Кроме этого, появились признаки амплитудной модуляции тока седьмой гармоникой частоты вращения, т.е. составляющие тока с частотами ƒ₁-ƒ_л=122,5 Гц и ƒ₁+ƒ_л=222,5 Гц, а из-за того, что лопасти не идентичны и задевают неподвижные части насоса с разной силой, все составляющие тока двигателя пробрели дополнительную амплитудную модуляцию частотой вращения ротора (рабочего колеса) ƒ_вр.

Важным обстоятельством является то, что при указанных дефектах ни потребляемый двигателем ток (мощность), ни величина скольжения ротора не изменились на величину, превышающую статистическую ошибку измерения.

Аналогичные результаты могут быть получены и в механизмах с синхронным двигателем. Так, на фиг.3 показан спектр потребляемого тока бездефектного, а на фиг.4 - дефектного конвейеров, приводимых в движение синхронным двигателем с трехступенчатым понижающим редуктором и звездочкой на последней оси.

Износ цепи, приводящей в движение детали, установленные на конвейере, приводит к импульсным нагрузкам на звездочку с характерной частотой зацепления звездочки и цепи, равной ƒ_Z4=222,5 Гц, а неравномерный износ звездочки - к амплитудной модуляции импульсной нагрузки частотой вращения выходной ƒ_вр4=3,7 Гц оси редуктора. В результате фазный ток синхронной машины оказывается модулированным по амплитуде и частотой ƒ_Z4, и частотой ƒ_вр4. Степень износа цепи определяется отношением амплитуд составляющих тока на боковых частотах ƒ₁±ƒ_Z4 к амплитуде основной составляющей на частоте ƒ₁. Степень износа звездочки - аналогичным отношением составляющих тока, но на боковых частотах ƒ₁±ƒ_вр4, к основной составляющей на частоте ƒ₁. Кроме указанных дефектов по представленному спектру тока двигателя видно, что в редукторе есть еще и дефект зубьев на второй оси, который стал причиной амплитудной модуляции основной составляющей тока двигателя частотой вращения второй оси редуктора ƒ₁±ƒ_вр2.

Несколько иначе в спектре тока якоря проявляется амплитудная модуляция потребляемого тока в машинах постоянного тока, в которых модулирующий процесс представляет собой переменную составляющую тока якоря. Так, на фиг.5 показан спектр переменной составляющей тока якоря привода постоянного тока бездефектной клети прокатного стана. Машина постоянного тока питается от электромашинного преобразователя, и в токе якоря не должно быть переменных составляющих. Однако из-за двухсекционного промежуточного вала, имеющего несколько опор вращения, соосность которых не может быть полностью обеспечена, ток якоря оказывается модулирован частотой вращения первой оси редуктора kƒ_вр1, и, незначительно, зубцовой частотой первой ступени ƒ_Z1.

Одним из опасных дефектов клетей является перекос шестерен выходного вала, возникающий, например, из-за более быстрого износа подшипников с одной стороны клети. Характерной частотой - признаком такого дефекта - является вторая гармоника частоты вращения вала, одна из шестерен которого имеет перекос. На фиг.6 представлен спектр переменных составляющих тока якоря при таком дефекте клети. В спектре тока появляется ряд гармоник частоты вращения выходного (дефектного) вала kƒ_вр3, причем наибольшую амплитуду имеет вторая гармоника. В данном конкретном случае перекос шестерни привел и к росту пульсирующих нагрузок на двигатель с частотой зацепления дефектной шестерни и ее гармониками kƒ_Z2, причем эти нагрузки также оказались модулированными второй гармоникой частоты вращения вала, т.е. в спектре тока якоря появилось большое количество составляющих с частотами kƒ_Z2±2k₁ƒ_вр3.

Для оценки величины дефекта необходимо определять глубину модуляции тока якоря, т.е. отношение переменной составляющей тока якоря с частотой 2ƒ_вр3 или 2ƒ_Z2 к постоянной составляющей тока якоря.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике диагностики исполнительных агрегатов на основе измерения спектра частот амплитудной модуляции тока, потребляемого электрическим двигателем. Технический результат - повышение достоверности. Для достижения данного результата измеряют спектр частот амплитудной модуляции электрического тока, потребляемого исполнительным электрическим двигателем. При этом на каждой частоте амплитудной модуляции измеряют глубину амплитудной модуляции тока. По измеренной частоте амплитудной модуляции определяют дефектный агрегат механизма или системы, вызывающий появление переменной нагрузки на электрический двигатель, а по измеренной глубине амплитудной модуляции определяют величину этого дефекта. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем, заключающийся в том, что измеряют частоты амплитудной модуляции потребляемого электрическим двигателем электрического тока и для каждой частоты модуляции измеряют глубину амплитудной модуляции тока, по измеренной частоте модуляции определяют дефектный агрегат механизма или системы, вызывающий появление переменной нагрузки на электрический двигатель, а по измеренной глубине модуляции определяют величину этого дефекта.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно создают перечень характерных частот вращения или перемещения агрегатов механизма или системы, а также их отдельных элементов.