Колебательные движения частей машины, возникающие от действия какой-либо возмущающей силы, например от центробежных сил неуровновешенных вращающихся масс, переменных электромагнитных сил и пр., обычно называют вибрацией.
Для оценки вибрации электрической машины могут быть приняты величины вибрационного смещения, вибрационной скорости и вибрационного ускорения, так как эти параметры однозначно связаны между собой.
Вибрационное смещение s есть мгновенное значение отклонения колеблющегося элемента измеряемого объекта относительно положения равновесия.
Вибрационная скорость υ, мм/с, есть мгновенное значение скорости колеблющегося элемента измеряемого объекта, т. е. первая производная вибрационного смещения во времени:
Для гармонической вибрации с частотой ω амплитуда вибрационной скорости связана с амплитудой вибрационного смещения соотношением
.
Вибрационное ускорение w, м/с2, есть мгновенное значение ускорения колеблющегося элемента измеряемого объекта, т. е. вторая производная вибрационного смещения по времени или первая производная вибрационной скорости по времени:
Для гармонической вибрации с частотой ω амплитуда вибрационного ускорения W связана с амплитудами вибрационной скорости V и вибрационного смещения S соотношениями
.
Амплитуда колебания — это максимальное отклонение точки колеблющегося тела от положения равновесия этой точки.
Для оценки вибрационного состояния гидрогенераторов в ремонтной практике широко используется вибросмещение, которое является простой и наглядной характеристикой колебаний. Особенно удобно пользоваться этим параметром, когда формы вибраций близки к гармоническим.
Этот параметр можно успешно использовать при рассмотрении вопросов, связанных с механической прочностью конструкции или физиологическим воздействием вибрации на человека. Вибросмещение, однако, не дает непосредственного представления об инерционных силах, действующих на элементы конструкции. Поэтому в ряде специальных случаев в качестве критерия вибрационного состояния принимается виброускорение. При оценке вибрационного состояния но вибросмещению или виброускорению получается тем большая разница, чем больше высокочастотных составляющих в спектре вибрации.
Виброскорость позволяет учитывать наличие высокочастотных составляющих в спектре вибрации и, кроме того, является исходным параметром для определения вибрационной мощности. Поэтому в последнее время в ряде особых случаев наблюдается тенденция к переходу нормирования по виброскорости. Виброизмерительные приборы или установки, предназначенные для измерения параметров вибрации, называются виброметрами. Виброметры с регистрирующими устройствами называются вибрографами. Исследования вибрации по специальным параметрам производятся на головных и модернизированных гидрогенераторах специализированными организациями [25].
Эксплуатационное состояние обмотки статора и систем ее крепления, а также сердечника статора оценивается по результатам осмотров во время текущих и капитальных ремонтов. При обнаружении неудовлетворительного состояния гидрогенератора (истирание изоляций, ослабление креплений обмотки, контактная коррозия, повреждения узлов крепления сердечника и т. п.) производятся измерения вибраций обмотки и сердечника статора.
Вибрация (вибрационное смещение s) на гидрогенераторах вертикального исполнений измеряется на крестовине с встроенными в нее направляющими подшипниками в горизонтальном и вертикальном направлениях. На сердечнике статора вибрация измеряется на спинке в середине секторов и по обе стороны стыковых соединений в радиальном направлении. У генераторов горизонтального исполнения вибрация измеряется на подшипниках. Вибрация гидрогенераторов во всех режимах работы при номинальной частоте вращения должна быть не более величин, приведенных в табл. 9.6.
Таблица 9.6. Допустимые величины вибрации узлов гидрогенераторов
* В числителе — вибрация с частотой 100 Гц, в знаменателе — вибрация с оборотной частотой.
Виброприборы для контроля вибрационного состояния гидрогенераторов.
В качестве переносного прибора для контроля вибрационного состояния применяется виброметр типа ВИП-2, которым измеряют размах вибросмещения от 2 до 1000 мкм в рабочих диапазонах частот от 12,5 до 200 Гц. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 9.15.
Сигнал индукционного вибропреобразователя, пропорциональный виброскорости, через штепсельный разъем поступает на вход измерительного блока. Интегрирующий контур состоит из резистора R0 и конденсатора С1. После интегрирования сигнал, пропорциональный вибросмещению, поступает на усилитель, который выполнен на полупроводниках триодах и состоит из двух ячеек [26].
Каждая ячейка представляет собой двухкаскадный усилитель о эмиттерным повторителем, охваченный глубокой отрицательной обратной связью. Первая ячейка выполнена на транзисторах Т1—Т3 и вторая — на Т4— Т6. Коэффициент усиления ячейки практически не зависит от разброса параметров транзисторов, и его значение определяется коэффициентом передачи усилителя в цепи обратной связи. Для первой ячейки это — резисторы R9—R12, на которых выполнен переключатель пределов измерения, и для второй ячейки — резистор R22.
Рис. 9.15. Принципиальная схема виброметра типа ВИП-2
Усиленное напряжение снимается с эмиттерного повторителя второй ячейки и поступает на пиковый детектор (Д1, С7 и Д2, С8), который обеспечивает измерение размаха переменного напряжения, пропорционального размаху виброперемещения. Выходной прибор Пр с помощью переключателя П2 подключается на выход детектора или к резистору R23. В последнем случае контролируется напряжение питания Б1. Прибор питается от трех батарей. Конденсатор С6 шунтирует батарею питания для уменьшения бросков стрелки прибора при переключении пределов измерения.
Виброграф типа К-001 состоит из вибродатчиков типа И-001 и светолучевого осциллографа с гальванометрами интегрирующего типа. Нижняя граница амплитудно-частотной характеристики вибрографа определяется частотой собственных колебаний и затуханием вибродатчика и может находиться в области 1—3 Гц. Частотные характеристики вибрографа нестабильны и сильно зависят от температуры.
Это следует иметь в виду при измерении вибраций гидрогенераторов с частотой вращения 60—180 об/мин.
Недостатком вибродатчиков типа И-001 является нарушение баланса их подвижной системы при измерении температуры, что приводит к большим неудобствам при измерениях в эксплуатационных условиях и часто — к отказам датчиков. Кроме того, эти датчики плохо защищены от магнитного поля. Вcе эти недостатки устранены в вибрографе ВЛН-3. В нем предусмотрена автоматическая балансировка подвижной системы и обеспечены достаточно малые погрешности во всем диапазоне частот (от 1 до 200 Гц).
Виброметр типа ВКД позволяет измерять размах вибросмещения и действующее значение виброскорости с помощью показывающего прибора в диапазонах 0,95— 200 Гц (без фильтров), 0,95—5 Гц (после фильтра верхних частот), а также записывать мгновенные значения вибрации на светолучевом осциллографе.
Вибродатчик типа MB-3Б предназначен для измерений вибрации конструктивных узлов, находящихся в зонах высоких магнитных индукций — до 0,33 Т (3000 Гс) и температур до. 100 °C. Он нашел широкое применение для измерений вибро-смещений лобовых частей обмоток статора и их креплений и нажимных плит сердечника статора мощных генераторов в диапазоне частот 40— 200 Гц.
Вибродатчик работает на несущей частоте 5000 Гц вместе с усилителем типа УВП-10, входные фильтры которых обеспечивают подавление ЭДС, наведенных в датчике и в измерительных проводах с частотой 50 Гц, порядка 100 дБ. Это позволяет измерять вибрации при квазиустановившихся и неустановившихся режимах работы генератора. Вибродатчики типа MB-ЗБ могут применяться также при измерениях вибраций на спинке сердечника и в других конструктивных узлах статора генератора.
Вибродатчики типа МВ-22 и МВ-23 применяют для измерений вибросмещений полюсной частоты сердечника и корпуса статора генераторов.
Следует иметь в виду, что вибродатчик типа МВ-22 является универсальным и предназначен для измерений вибрации в горизонтальном и вертикальном направлениях. Вибродатчики типа МВ-23 тарируются для измерений вибраций только в горизонтальном или только в вертикальном направлении.
В табл. 9.7 приведены некоторые характеристики этих вибродатчиков. Следует отметить, что вибродатчики обоих типов не защищены от влияния электромагнитного поля и при индукциях (1—2)·10-5 Т (10—20 Гс) и выше могут иметь место значительные помехи.
Таблица 9.7. Некоторые характеристики вибродатчиков типов МВ-22 и МВ-23
Контроль зазора в стыке секторов сердечника [27].
При оценке состояния стыков гидрогенератора на ранней стадии, т. е. до появления повышенных полюсных вибраций, целесообразно производить контроль зазора в стыке секторов сердечника, поэтому производят измерение статических тангенциальных относительных перемещений секторов непосредственно у разъема. Для этого используют тензометрический блок, разработанный во ВНИИЭ (рис. 9.16), который состоит из двух монолитных оснований, жестко связанных между собой съемной монтажной накладкой.
Рис. 9.16. Схема установки блока на стыке статора:
1 — сердечник статора; 2—4 — тензометрические балочки (радиальная, вертикальная, тангенциальная); 5, 6 — основания тензобалочек; 7 — съемная монтажная накладка; 8 — регулируемые установочные винты; 9 — стык секторов сердечника статора
Тензометрические балочки измеряют взаимное перемещение оснований в трех ортогональных направлениях. Монтажная накладка позволяет настраивать тензометрический блок в лабораторных условиях. Натяг тензометрических балочек устанавливают с помощью регулировочных винтов, вмонтированных в основание блока, которое вместе с накладкой жестко закрепляют на стыкуемых элементах, после чего монтажную накладку снимают, а тензометрический блок приводят в рабочее состояние. Допустимые условия по влажности и температуре определяются применяемыми тензорезисторами. Показания тензометрических балочек регистрируют стандартной тензометрической аппаратурой. Для контроля стыков достаточно измерения тангенциальных относительных перемещений секторов сердечника, что является прямым измерением зазора в стыке. При отсутствии зазора в стыке можно отказаться от вибрационного контроля, а при зазоре более 0,2—0,3 мм необходим вибрационный контроль и тщательный осмотр стыковых участков сердечника.
Рис. 9.17. Схемы измерений вибрации генератора:
а — сердечника и корпуса статора; I—VI — секторы сердечника; 1—21 — точки измерений; б — лобовых частей и элементов креплений: 1—20 — точки измерений
Установка датчиков.
Опыт экспериментальных исследований позволяет наметить целесообразное размещение вибродатчиков в основных конструктивных узлах генератора. Так, например, при контроле вибрационного состояния составного сердечника статора генератора, когда причиной появления повышенных вибраций является ослабление стыковых соединений сердечника, вибродатчики целесообразно устанавливать на спинке сердечника статора по обеим сторонам каждого стыка, как это показано «а рис. 9.17.
Если же вибрация сердечника содержит составляющую, обусловленную эффектом дробности, то необходимо контролировать вибрации в достаточно большом числе точек вдоль секторов сердечника, так как при наличии стоячих волн их пучности могут быть расположены в средней части секторов [27].
Выбор мест установки вибродатчиков на лобовых частях обмоток статора производится с учетом типа конструкции и эксплуатационного состояния лобовых частей и их креплений, а также опыта эксплуатации и испытаний. Вибродатчики могут устанавливаться в нескольких местах исследуемого стержня лобовой дуги: у выхода из паза, в средней части эвольвенты, около головки и на элементах креплений (бандажных кольцах и кронштейнах) (рис. 9.17,б).
Расчеты и опыт показывают, что повышенные биения валопровода гидроагрегата часто вызывают перегревы и повреждения вкладышей подшипников. Поэтому датчики для контроля биений валопровода целесообразно располагать в районе верхнего и нижнего направляющих подшипников.
Крепление датчиков.
Способы и конструкции креплений датчиков к деталям машин должны обеспечить получение правильных результатов измерений, безопасность обслуживающего персонала и исключить возможность повреждения машины. Конкретные мероприятия зависят от типа и конструкции датчиков, а также от конструкции узлов, на которые они устанавливаются.
Жесткость крепления вибродатчика должна быть такой, чтобы основная частота собственных колебаний крепления была существенно выше наибольшей измеряемой частоты вибрации, обычно равной 300 Гц.
