Повышенный уровень вибрации и шум электродвигателя

1. Повышенный уровень поперечных вибраций
2. Осевые колебания
3. Нормальный шум низкого тона
4. Шум высокого тона
5. Высокий уровень шума

1.Повышенный уровень поперечных вибраций

Вибрации электродвигателя могут возникнуть по многим причинам динамического и электромагнитного характера. Причины первой группы связаны как с конструктивными недостатками или с повреждением электродвигателя, так и с дефектами установки или соединения его с другой машиной. Причины второй группы связаны с недоброкачественным изготовлением или повреждением электродвигателя и в некоторых случаях с несимметричным напряжением на его зажимах. Основным недостатком, вызывающим поперечную вибрацию электродвигателя, является неуравновешенность ротора, допущенная при изготовлении или вызванная деформацией вала и ослаблением посадки вращающихся частей. Кроме того, поперечные вибрации могут быть вызваны повреждением подшипников качения, овальностью шеек вала, увеличенным радиальным зазором в подшипниках скольжения, низкой температурой масла (при подаче его насосом). Причины вибраций, связанные с установкой электродвигателя и его соединением с другими машинами, следующие: колебания фундамента или металлической конструкции, на которой установлен электродвигатель, вследствие передачи вибраций от соседних машин или же машин, жестко соединенных с электродвигателем, дефекты соединительной муфты (нарушение центровки при посадке полумуфты на вал, неправильная установка или износ пальцев), дефекты передачи (недоброкачественное изготовление и установка зубчатых колес, неправильная сшивка приводного ремня). Если вращающийся диск 1 (рис. 28) имеет добавочнуютяжелую деталь 2, то центробежная сила сектора с добавочной деталью больше, чем других секторов, и поэтому появляется результирующая односторонняя центробежная сила, направленная по радиусу, на котором расположена тяжелая деталь. При положении детали, показанном на рис. 28, центробежная сила вместе с силой тяжести диска прижимает вал к нижним вкладышам подшипников. В верхнем положении детали центробежная сила будет прижимать шейки вала к крышкам подшипников, а в промежуточныхположениях ее подшипники будут испытывать боковое давление. Центробежная сила вызывает поперечные вибрации частоты f = n /60, Гц, где n - частота вращения в об/мин.

Односторонняя центробежная сила появляется при вращении ротора с несимметричным распределением массы относительно оси вращения, например при неодинаковом заполнении пазов обмоткой, несимметричной укладке лобовых частей обмотки и т. д. В процессе эксплуатации неуравновешенность ротора может быть вызвана деформацией вала и нарушением плотности сопряжения вращающихся частей, например смещением обмотки ротора вследствие ослабления бандажей и усыхания клиньев. Неуравновешенность вращающихся частей устраняется дополнительной технологической операцией - балансировкой, при которой устанавливается дополнительная масса в определенных местах или же снимается излишек массы.Размах вибрации измеряется специальным прибором -виброметром. Для спокойной работы электродвигателя при большой скорости вращения ротора устанавливается меньший допускаемый размах вибраций:
 Номинальная скорость вращения ротора;
об/мин . .                         375 500 600 750 1000 1500 3000
Размах вибраций, мкм. .     60   85   80  75   70     60    40
Нарушенная плотность сопряжения вращающихся частей затрудняет проведение балансировки, так как периодически изменяется взаимное положение этих частей. Признаком ослабления посёлки сердечника ротора на валу служит появление налетов ржавчины на посадочных местах, а также возрастание размаха вибраций с течением времени, что объясняется прогрессирующим характером неисправности. Для проверки плотности посадки рекомендуется с мазать керосином место соединения деталей. Если посадка ослаблена, то после непродолжительного вращения керосин приобретает красновато-коричневый цвет.
Влияние увеличенного зазора между шейкой вала и втулкой подшипника на вибрацию двигателя особенно заметно при большой скорости вращения. При увеличенном зазоре вал приподнимается масляным клином и отжимается в сторону, противоположную направлению окружной скорости шейки в нижней ее части, и затем опускается под влиянием тяжести ротора. Амплитуда колебаний и частота их зависят от величины зазора, массы ротора, вязкости масла и неуравновешенности ротора (даже небольшой). Так как вязкость масла очень сильно уменьшается при повышении температуры, то вибрации также уменьшаются иногда до полного исчезновения. Это может служить признаком увеличенного радиального зазора между шейкой вала и втулкой подшипника. Рекомендуемая величина зазора была приведена в табл. 2. Электромагнитные причины вибраций связаны с возникновением односторонней силы магнитного притяжения вследствие нарушения магнитной или электрической симметрии статора или ротора. Электрическая несимметрия возникает при ошибочных соединениях фазных обмоток  и при повреждениях обмоток статора или ротора. Повреждения обмотки статора  приводят к образованию  пульсирующей односторонней силы магнитного притяжения с неизменным положением пинии действия ее в пространстве. Частота вибраций в этом случае не зависит от скорости вращения ротора, т. е. от нагрузки электродвигателя, и равна 100 Гц.
При повреждениях обмотки ротора,  линия действия односторонней силы магнитного притяжения меняет свое положение в пространстве и частота изменения этой сипы становится равной удвоенной частоте скольжения, поэтому при увеличении нагрузки электродвигателя частота вибраций также увеличивается. Неблагоприятное соотношение чисел пазов статора и ротора создает кроме описанных уже затруднений при пуске  пульсирующие односторонние силы магнитного притяжения. Вибрации, вызываемые этими силами, имеют большую частоту. Магнитная несимметрия двигателя может быть обусловлена нарушением постоянства зазора между статором и ротором. Если непостоянство зазора является следствием плохого изготовления ротора или деформацией вала, то вибрации вызываются совместным действием односторонних сил магнитного притяжения и центробежных сил.
Вибрации вызываются также внешними силами, связанными с упомянутыми в начале параграфа недостатками передачи и с влиянием соединенных с электродвигателем машин. Амплитуды вибраций возрастают при плохом закреплении опор ротора, недостаточной жесткости подшипниковых стоек и фундаментной плиты, малой массе фундамента и т. д.
Недопустимо большие вибрации получаются при совпадении частоты свободных колебаний упругой системы статор - ротор с частотой вынуждающих сил. Вследствие малой величины зазора вибрации могут привести к задеванию ротора за статор и нарушить нормальную работу электродвигателя.
Чтобы установить причину вибраций, необходимо провести тщательное обследование электродвигателя, определить частоту вибраций, проверить зависимость вибраций от скорости вращения ротора, сопоставить величину вибраций при включенном и отключенном от сети электродвигателе.
Резкое уменьшение вибраций при отключенном двигателе от сети указывает на то, что они вызваны электромагнитными причинами или же недостатками передачи. Небольшая частота вибраций и зависимость их от скорости вращения ротора (увеличение частоты при увеличении нагрузки) наблюдается при коротких замыканиях в цепи ротора. Если частота вибраций равна частоте вращения ротора, то причиной вибраций может быть неправильная центровка электродвигателя и соединенной с ним машины или неисправность муфты. Совпадение частоты вибраций с удвоенной частотой сети имеет место при неисправностях или ошибочном включении фазных обмоток статора.
Если не наблюдается резкого уменьшения вибраций при отключении электродвигателя от сети и частота их равна частоте вращения, то вероятной причиной вибраций является неуравновешенность ротора, если же частота вибраций равна удвоенной частоте вращения, то причина вибрации — овальность шейки вала. Уменьшение вибраций при уменьшении вязкости масла в подшипниках (при увеличении температуры масла) и при снижении скорости вращения ротора указывает на увеличенный радиальный зазор между шейкой вала и втулкой подшипника.

1.2.Осевые колебания

Между наружными кольцами и бортиками крышек у обоих шарикоподшипников (см. рис. 22, а) или у одного из шарикоподшипников (см. рис. 22, б) предусматриваются осевые зазоры 0,5-0,8 мм для возможности смещения подшипников приудлинении вала вследствие нагревания. Бортики крышек ограничивают смешение ротора в первом случае и фиксируют положение одного конца вала (левого) во втором случае и таким образом предохраняют ротор от задевания за неподвижные части электродвигателя. По указанным причинам расстояние между втулками подшипников скольжения делается больше длины вала между шейками на 2—5 мм (рис. 29). Смешение ротора вызывается осевыми силами, обусловленными: несовпадением положения магнитопроводов ротора и статора по длине машины, скосом пазов ротора или статора, отклонением линии вала от горизонтального положения, недостатками передачи или соединительной муфты. Если эта сила или сочетание сил имеет периодический характер, то могут возникнуть продольные колебания ротора.
При правильной сборке электродвигателя магнитопро-воды ротора и статора занимают одинаковое положение по длине машины (рис. 29, а) и у обоих подшипников образуются торцевые зазоры а. В электродвигателях с подшипниками скольжения можно проверить наличие этих зазоров и приблизительно величину их, если нажать деревянным рычагом на торец вала вращающегося ротора. Ротор легко смещается в сторону нажатия. Если происходит устойчивое смещение ротора в одну сторону, иногда до упора в подшипник (рис. 29, б), при холостом ходе и при нагрузке, а при отключении электродвигателя имеются зазоры у обоих подшипников, то причиной смещения является неправильная сборка электродвигателя.  

Для устранения этой неисправности при установке статора и подшипниковых стоек на общей фундаментной плите необходимо передвинуть статор, как указано стрелкой на рис. 29, б, или сместить стойки в противоположном направлении. При щитковых подшипниках необходимо сдвинуть втулки в щитах, если это возможно, или проточить вал, увеличив длину одной шейки (левой на рис. 29,6), а на вторую шейку надеть кольцо для уменьшения осевого зазора. При исправных шарикоподшипниках осевое смещение не наблюдается, неправильная сборка электродвигателя приводит к увеличению нагревания и износа шарикоподшипника, воспринимающего осевую нагрузку. Проверку установки подшипников можно произвести путем измерения соответствующих деталей в разобранном электродвигателе. В случае необходимости можно сместить ротор за счет уменьшения бортика крышки, удерживающей наружное кольцо шарикоподшипника.
Если осевое смещение ротора увеличивается при уменьшении нагрузки и получается наибольшим при отключении электродвигателя от сети, то вероятной причиной этого является отклонение вала от горизонтального положения. В этом случае причиной периодического смешения ротора являются осевая составляющая силы тяжести и осевая сила магнитного притяжения. Увеличивающееся осевое смещение ротора при нагрузке электродвигателя может быть вызвано неравномерным износом частей эластичной муфты или недостатками передачи. При непараллельности соприкасающихся частей муфты и оси электродвигателя (рис. 30) давление Р между пальцем 1 муфты и эластичным диском 2 имеет осевую составляющую Р1,. Эти составляющие от всех пальцев складываются и могут вызвать осевое смещение ротора. Периодическое смещение ротора может быть вызвано косой сшивкой ремня или другими недостатками передачи или неисправностями соединенной с электродвигателем машины.

Продольные колебания ротора могут нарушить нормальную работу подшипников и щеток, а в некоторых случаях привести к разрушению их, поэтому величина торцевых зазоров не должна превышать рекомендуемые значения. Если в электродвигателе или в передаче при нормальной работе возможно появление неуравновешенных осевых сил (например, вследствие скоса пазов, применения косых зубцов в зубчатых колесах, конических зубчатых или червячных передач), то необходимо выбрать закрепленный шарикоподшипник с учетом этих сил и предусмотреть в подшипнике скольжения увеличенную торцевую поверхность.

1.3.Нормальный шум низкого тона

Работающий электродвигатель является источником шума, который возникает вследствие колебаний различных его частей. В зависимости от того, в какой части электродвигателя имеются колебания и в зависимости от сил, вызывающих эти колебания, принято различать следующие условные виды шума: магнитный, механический, вентиляционный.
Нормально работающий электродвигатель создает магнитный шум низкого тона, присущий всем электромагнитным механизмам переменного тока. Этот шум вызывается колебаниями магнитопровода статора вследствие периодического притяжения между листами, из которых собран пакет статора.
Механический шум обычно связан с работой подшипников и передачи. Подшипники качения создают шум большей интенсивности по сравнению с подшипниками скольжения вследствие большего количества движущихся элементов и значительной скорости их. Движение охлаждающего воздуха вызывает вентиляционный шум, в этом случае причинами шума могут быть колебания воздушной струи, частей воздухопровода или лопастей вентилятора. Шум характеризуется его интенсивностью, которая определяется условными единицами-децибеллами, и спектральным составом, т. е. частотными составляющими. Ухо обладает повышенной чувствительностью к шуму с частотой 1000-4000 Гц. Колебания частей электродвигателя с амплитудами, измеряемыми микрометрами, в области этих частот воспринимаются как значительный шум, слышимый даже на большом расстоянии от машины.

1.4.Шум высокого тона

Шум с большим содержанием высокочастотных составляющих, как правило, вызывается магнитными или вентиляционными причинами и только в сравнительно редких случаях обусловлен механическими причинами. Шум высокого тона чаще всего наблюдается у вновь установленного электродвигателя, причем в других отношениях работа такого электродвигателя протекает нормально и ток в линейных проводах одинаковый. Наиболее вероятной причиной магнитного шума является вибрация зубцов статора и ротора, вызванная зубцовыми гармониками магнитного потока, которые появляются при неблагоприятном соотношении чисел пазов статора и ротора. Устранение этой причины в условиях эксплуатации практически невозможно из-за трудности подбора нового ротора, имеющего другое число пазов. Вентиляционные причины шума обычно связаны с неудачным выполнением путей охлаждающего воздуха: наличием острых углов и резких изменений сечения воздушных каналов, периодическим прерыванием воздушной струи, например при расположении вентилятора вблизи подшипникового шита. Шум высокой частоты может быть вызван вибрацией изоляции, выступающей из пазов, или лобовых частей обмотки статора, при задевании ее ротором.

1.5.Высокий уровень шума

Колебания электродвигателя и его частей, рассмотренные в §18 и 19, создают шум различной интенсивности и различной частоты (тональности). В некоторых случаях повышенная интенсивность шума позволяет сразу же установить его причину и таким образом определить неисправность электродвигателя. Неуравновешенность ротора создает шум сравнительно низкого тона, частота этого шума наибольшая (50 Гц) у двухполюсного электродвигателя. Уровень шума не очень высокий и возрастает при недостатках сборки, установки или конструкции электродвигателя, к ним должны быть отнесены: плохое закрепление вращающихся частей, подшипниковых щитов или подшипниковых стоек, малая жесткость подшипниковых стоек или фундаментной плиты. Шум, вызываемый электромагнитными причинами, может иметь значительно большие интенсивность и частоту по сравнению с механическим шумом. Особенно большая интенсивность шума наблюдается при нарушении электрической симметрии статора: при ошибочных соединениях фазных обмоток статора, коротких замыканиях в этих обмотках и при значительной несимметрии на зажимах статора. Основная частота шума, вызванного электрической несймметрией статора, равна 100 Гц. Электрическая несимметрия ротора вызывает шум более низкой частоты, зависящей от скорости вращения ротора, т. э. от нагрузки электродвигателя.
Так же, как и вибрации, интенсивность шума очень сильно возрастает при совпадении частоты свободных колебаний упругой системы с частотой вынуждающих сил. Поврежденный подшипник является источником шума повышенной интенсивности и по частоте этого шума можно установить характер неисправности. Свистящий шум указывает на отсутствие смазки. Скрежет служит признаком загрязнения смазки (наличия твердых частиц в ней), поломки сепаратора или задевания вала за крышки подшипника. Такой же характер шума возникает в начале разрушения рабочей поверхности втулки или вала. При большом разрушении поверхности втулки или вкладыша подшипника скольжения, разрушении поверхности кольца, шарика или ролика прослушивается стук в подшипнике. Причиной стука может быть и ослабление посадки внутреннего кольца на валу или наружного кольца в подшипниковом щите. При появлении повышенного шума подшипник должен быть вскрыт и внимательно осмотрен во избежание серьезной аварии электродвигателя.