Technologie

Zabezpieczenie drganiowe łożyskowań silników elektrycznych

Temat dotyczy silników elektrycznych na łożyskach tocznych

Awaria łożyska w silniku elektrycznym może mieć różne skutki. W najlepszym przypadku jeśli będzie konieczna wymiana tylko samego łożyska. Jest tu mowa o awarii łożyska, a nie o planowanej wymianie łożyska wskutek wyników prowadzonego monitoringu stanu łożyska. Chociaż często zdarzają się awarie łożysk nie wynikające ze złego stanu łożyska, lecz z innych przyczyn co będzie zobrazowane przykładami awarii w dalszej części artykułu. W najgorszym przypadku awaria łożyska może prowadzić do zniszczenia łożyska, elementów łożyskowania i zatarcia wirnika o stojan. W wielu przypadkach takie zniszczenia czynią naprawę silnika nieopłacalną. Obecnie takich awarii zdarza się coraz mniej z uwagi na zabezpieczenia temperaturowe łożysk. W większości silników są instalowane czujniki temperatury (najczęściej termorezystory Pt100) w komorze łożyskowej jak najbliżej pierścienia zewnętrznego łożyska tocznego.

Wymagane jest w DTR podłączenie czujników temperatury łożysk w system zabezpieczeń automatycznie wyłączający napięcie z silnika przy przekroczeniu temperatury dopuszczalnej. Z reguły alarm przy temperaturze 95°C i automatyczne wyłączenie po przekroczeniu temperatury 100°C. Niestety w wielu przypadkach (również obecnie) czujniki służą tylko do odczytu temperatury łożysk, i nie są włączone w automatyczny system zabezpieczeń silnika. Podłączenie czujników temperatury w automatyczny system zabezpieczeń na pewno uchroni silnik przed najgorszym przypadkiem zatarcia wirnika o stojan. Lecz nie zawsze uchroni przed zniszczeniem oprócz łożyska pozostałych elementów łożyskowania takich jak pokrywki łożyskowe, uszczelnienia, labirynty, odrzutniki smaru, komorę tarczy łożyskowej, wał wirnika. Takie przykłady będą przedstawione w dalszej części opracowania.

Zniszczenie łożyska tocznego następuje w skutek jego zatarcia gdy zamyka się luz wewnętrzny do wartości ujemnej ponad granicznej i elementy toczne przestają się toczyć po bieżniach, a zaczynają się ślizgać. Wydziela się duża ilość ciepła wskutek tarcia ślizgowego. Na powierzchniach styku elementów tocznych z bieżniami temperatura może nawet wzrosnąć do kilkuset stopni. Jeżeli silnik nie zostanie niezwłocznie wyłączony zniszczenia oprócz łożyska mogą objąć również pozostałe elementy łożyskowania. Dowodem potwierdzającym opisany powyżej proces zacierania łożyska jest przykład awaryjnego wyłączenia silnika.

Przykład 1

Silnik został wyłączony przez czujnik drgań włączony w system automatyczny zabezpieczeń z nastawą 4,6 mm/s. Stwierdzono, że po wyłączeniu wał silnika płynnie i swobodnie się obraca. Na życzenie przybyłych specjalistów EMITu uzyskano zestawienie rejestru drgań i temperatury łożyska z czasu wyłączenia silnika co obrazuje załącznik nr 1.

Załącznik nr 1. Wykres drgań i temperatury łożyska.

Drgania na komorze łożyskowej silnika od strony napędu wzrosły gwałtownie z wartości 0,7 mm/s do 15 mm/s. Silnik pracował na wolnym powietrzu. Wyłączenie nastąpiło chłodną nocą o godzinie 3:12 dnia 29.10.2012 r. W momencie wyłączenia temperatura łożyska wynosiła zaledwie 28°C. Po wyłączeniu wskutek bezwładności przekazywania ciepła z pierścienia zewnętrznego łożyska do komory łożyskowej tarczy temperatura wzrosła do 32°C. Tak nagły duży wzrost drgań mógł być spowodowany tylko gwałtownym przyhamowaniem obrotu wirnika silnika przez łożysko. Pierwszy moment przycierania nastąpił 8 minut wcześniej o godzinie 3:04 następny o godzinie 3:08. Jednak wzrost drgań nie przekroczył 2,5 mm/s i czujnik drgań nie spowodował wyłączenia silnika. Już od pierwszego przyhamowania widać powolny wzrost temperatury łożyska. W celu potwierdzenia opisanego powyżej procesu zacierania zdemontowane łożysko zostało rozebrane. Widok kulek i bieżni łożyska obrazuje fotografia załącznik nr 2.

Załącznik nr 2. Fotografia kulek i bieżni łożyska.

Widok kulek i bieżni łożyska wskazuje na ślady tarcia ślizgowego i wzrost temperatury kulek w miejscach ślizgania (ciemnobrązowe pasy) do kilkuset stopni, gdy temperatura mierzona w pobliżu pierścienia zewnętrznego łożyska wskazywała zaledwie 28°C. Gdyby wyłączenie silnika nastąpiło po osiągnięciu przez czujnik temperatury 100°C prawdopodobnie zatarłyby się pozostałe elementy łożyskowania (pokrywki łożyskowe, uszczelnienia, labirynty, komora tarczy łożyskowej, wał silnika), lecz drganiowe wyłączenie silnika uchroniło je przed uszkodzeniem

Tarcie ślizgowe elementów tocznych po bieżniach łożyska następuje gdy promieniowy luz wewnętrzny łożyska skasuje się aż do wartości ujemnych ponad granicznych. Bieżnie pierścieni zewnętrznych łożysk, gdzie luz promieniowy skasował się do wartości ujemnych mają ślad współpracy z elementami tocznymi na całym obwodzie. Dla łożysk kulkowych ślad współpracy jest jednakowej szerokości na całym obwodzie, a w przypadku, gdy dodatkowo działały duże siły osiowe jest usytuowany asymetrycznie w stosunku do szerokości łożyska co było widoczne w rozebranym łożysku. Na pierścieniu wewnętrznym ślad usytuowany jest po przeciwnej stronie. Skasowanie luzu do zera jest idealnym przypadkiem jednak zaciśnięcie do wartości ujemnych zwiększa naciski i zmniejsza żywotność, a przy wartościach granicznych następuje przejście toczenia elementów tocznych w tarcie ślizgowe co prowadzi w bardzo szybkim czasie do zatarcia łożyska. Zależność trwałości łożyska od luzu wewnętrznego obrazuje wykres w załączniku nr 3.

Załącznik nr 3. Zależność trwałości łożyska od wewnętrznego luzu promieniowego.

Bieżnie pierścieni zewnętrznych łożysk, w których luz promieniowy nie kasował się do zera mają ślady współpracy z elementami tocznymi tylko na części obwodu (z reguły na dolnej części jeśli nie ma napędu pasowego) co obrazuje fotografia załącznik nr 4.

Załącznik nr 4. Fot. bieżni pierścienia zewn. łożyska z nieskasowanym luzem promieniowym

Przyczyny skasowania luzu promieniowego w łożyskach tocznych do ponad granicznych wartości ujemnych mogą być różne. W zanotowanych przypadkach w łożyskach kulkowych najczęściej następowało przy silnym parciu osiowym od maszyny napędzanej. Parcie osiowe od maszyny napędzanej może nastąpić jeśli są większe odległości między ustalającymi wzdłużnie łożyskami silnika i maszyny napędzanej wskutek termicznych wydłużeń (skróceń) elementów połączenia napędu gdy zastosowane sprzęgło nie kompensuje przesunięć osiowych bez oddziaływania siłami wzdłużnymi (np. sprzęgło membranowe). W takiej sytuacji najlepsze jest zastosowanie sprzęgła zębatego, które kompensuje przesunięcia wzdłużne bez oddziaływania siłami osiowymi. Najwięcej przypadków uszkodzenia łożysk z powodu parcia osiowego było dla silników napędzających pompy przez sprzęgło dwumembranowe pracujących na wolnym powietrzu i zdarzało się to w okresie zimowym gdy temperatura otoczenia silników była niska (ciągnięcie poprzez sprzęgło membranowe w kierunku pompy). Sprzęgła dwumembranowe doskonale nadają się do silników na łożyskach ślizgowych z wyluzowanym łożyskiem od strony napędu (pływający +/-3 mm wał silnika) ponieważ ograniczają przesuw osiowy wału silnika zabezpieczając przed niedopuszczalnym przesunięciem się jego w skrajne położenia. Jednak dla silników na łożyskach tocznych szczególnie pracujących w zmiennych temperaturach najlepsze są sprzęgła zębate dwustronne z tuleją pośredniczącą dopuszczające swobodny przesuw wałów w granicach +/- 2…3 mm. Dodatkowym czynnikiem zamykającym luz promieniowy łożyska była duża różnica temperatur pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego łożyska. Pierścień wewnętrzny łożyska ma wyższą temperaturę od pierścienia zewnętrznego szczególnie jeśli tarcza łożyskowa, w której osadzony jest pierścień zewnętrzny ma niską temperaturę. Właśnie takie przyczyny spowodowały skasowanie luzu wewnętrznego łożyska w omawianym powyżej przypadku 1. Niska temperatura otoczenia, niska temperatura tarczy łożyskowej, dość duża odległość między łożyskami ustalającymi silnika i pompy, napęd poprzez sprzęgło dwumembranowe. Łożyska kulkowe nie są przeznaczone do przenoszenia większych sił osiowych co jest oczywiste, gdyż siła osiowa powoduje wielokrotnie większe naciski między kulkami i bieżniami co obrazuje rysunek (zał. nr 5).

Załącznik nr 5. Nacisk N między kulkami i bieżniami łożyska przy sile wzdłużnej P.

Przyczyny zamknięcia się luzu wewnętrznego do wartości ujemnych ponad granicznych i zatarcia łożyska oprócz omawianych powyżej mogą być inne. Może to być niewłaściwe smarowanie, wada łożyska, szybko pogarszający się stan nie monitorowanego łożyska. Niekiedy przyczyny są trudne do ustalenia, szczególnie jeśli nastąpi jego całkowite zniszczenie.

Przykład 2

W omawianym poniżej przykładzie 2 nastąpiło całkowite zniszczenie łożyska i pozostałych elementów łożyskowania. Należało wymienić na nowe oprócz łożyska tarczę łożyskową, wirnik silnika, pokrywki łożyskowe, odrzutnik smaru i labirynt. Zdobyte przez specjalistów EMIT wykresy temperatury łożyska (załącznik nr 6) i prędkości drgań (załącznik nr 7) wskazują, że ani czujniki drgań ani nawet czujniki temperatury łożysk silnika nie były włączone w system automatycznych zabezpieczeń silnika.

Załącznik nr 6. Wykres temperatury łożyska
Załącznik nr 7. Wykres drgań łożyska

Temperatura komory łożyskowej silnika doszła aż do 330°C aż pojawił się dym i czujniki dymu wyłączyły silnik.

Na wykresie drgań widać, że zacierania zaczął się o godzinie 9:32:30. Nastąpił nagły wzrost drgań by po pół minucie o godzinie 9:33 z wartości 5 mm/s osiągnąć 20 mm/s (duża wartość drgań 5 mm/s wynikała z niezbyt sztywnego posadowienia silnika na wysokiej ramie). Od godziny 9:34 widać bardzo szybki wzrost temperatury łożyska z temperatury 46°C by po minucie o godzinie 9:35 osiągnęło temperaturę 100°C. Gdyby w tym momencie czujnik temperatury automatycznie wyłączył silnik zniszczenia elementów łożyska mogłyby być nie tak rozległe. Niestety dopiero czujnik dymu wyłączył silnik o godzinie 9:43 Gdyby czujnik drgań był włączony w automatyczny system zabezpieczeń jak wynika z wykresu drgań (załącznik nr 7) wyłączenie silnika nastąpiłoby o godzinie 9:33. W tym czasie temperatura komory łożyskowej była jeszcze na ustalonym niewielkim poziomie około 50°C. Wartości drgań i temperatury komory łożyskowej silnika z godziny 9:33 (nagłego wzrostu drgań) zaznaczone są na wykresach (zał. nr 6 i 7) rzędną koloru czerwonego Wyłączenie automatyczne silnika z zasilania czujnikiem drgań wymagałoby jedynie wymiany samego łożyska i uchroniłoby przed uszkodzeniem pozostałe elementy łożyskowania łącznie z tarczą łożyskową i wirnikiem, które uległy zniszczeniu.

Przykład 3

Silnik w wykonaniu przeciwwybuchowym zainstalowanym na wolnym powietrzu napędzał pompę paliw poprzez sprzęgło dwumembranowe. W dniu 2 stycznia 2014r nastąpiło automatyczne wyłączenie silnika poprzez czujnik temperatury łożyska.

Po rozmontowaniu stwierdzono uszkodzenie oprócz łożyska pozostałych elementów łożyskowania (pokrywek łożyskowych, uszczelnień ognioszczelnych, labiryntów, komory łożyskowej tarczy i wału silnika). (zał. 8, zał. 9)

Załącznik nr 8. Fotografia strony napędowej silnika.
Załącznik nr 9. Fotografia łożyska i wału.

Przyczyna uszkodzenia łożyska podobnie jak w przypadku 1. Podobny odbiór i przeniesienie napędu przez sprzęgło dwumembranowe (fot. zał. nr 10), niska temperatura otoczenia przy dość dużej odległości między łożyskami silnika i pompy.

Załącznik nr 10. Fot. sprzęgła dwumembranowego.

Na życzenie specjalistów EMIT zestawiono rejestr drgań i temperatury łożyska z okresu awarii (załącznik nr 11).

Załącznik nr 11. Wykres drgań i temperatury łożyska

Z wykresów widać, że zacieranie łożyska nastąpiło między godziną 16:28, a 16:29 (dokładniejsze określenie uniemożliwia czasowy odstęp pomiędzy kolejnymi zapisami rejestrów). Po 4÷5 minutach zaczęła rosnąć temperatura łożyska z 42°C aby o godzinie 16:38 czyli po 9÷10 minutach od pierwszego przytarcia osiągnąć temperaturę 100°C, gdzie silnik został automatycznie wyłączony. (Rejestracja okresowa na wykresie nie zanotowała dojścia temperatury do 100°C z uwagi na wcześniejsze wyłączenie przez bezzwłoczny system zabezpieczeń). Ale w tym czasie temperatura w łożysku wynosiła już kilkaset stopni C.

Silnik był sztywno posadowiony na zabetonowanej ramie i miał bardzo niski poziom drgań. Przed awarią poziom drgań na łożysku str. DE wynosił RMS 0,4 mm/s. W momencie przytarcia nastąpił gwałtowny wzrost drgań (przyhamowanie wirnika) do wartości 3,3 mm/s. Wartościowo nie jest to duża wartość drgań jednak jest to chwilowe ponad 8-krotny wzrost drgań. Gdyby w tym momencie silnik został wyłączony wymagana byłaby wymiana jedynie samego łożyska. Spadek wartości drgań i brak pików przez następnych kilka minut wskazuje, że kulki łożyska ślizgały się po bieżniach nie powodując przyhamowań. Bardziej możliwe, że po zablokowaniu łożyska pierścień zewnętrzny ślizgał się w komorze łożyskowej lub pierścień wewnętrzny ślizgał się po wale. W końcowej fazie tarły o siebie inne elementy łożyskowania wydzielając duże ilości ciepła (w pierwszej kolejności uszczelnienie ognioszczelne z powodu małej szczeliny). Z pierwszego przykładu wynika, że zabezpieczenie termiczne nie uchroniłoby przed rozległymi uszkodzeniami silnika, lecz drganiowe uchroniło silnik. Trzeci przykład potwierdza, że zabezpieczenie termiczne łożyska nie uchroniło silnika przed rozległymi uszkodzeniami.

Przykład 4

Silnik dSh500H2BF w dniu 02.10.2014 kilka godzin po uruchomieniu został automatycznie wyłączony pikiem drganiowym o amplitudzie 6 mm/s. Drgania wzrosły raptownie z poziomu 0,5 mm/s (wykres zał. nr 12). W tym czasie temperatury łożysk silnika nie przekraczały 44°C. Przyczyną nagłego wzrostu drgań było zablokowanie łożyska spowodowane skasowaniem luzu promieniowego. Wpływ na to miało parcie osiowe na łożysko co potwierdza asymetria śladu współpracy kulek na bieżni pierścienia wewnętrznego łożyska (fot. zał. nr 13). Nic się nie uszkodziło, wymieniono jedynie łożysko na nowe.

Załącznik nr 12. Wykres drgań i temperatury łożysk.
Załącznik nr 13. Fot. asymetrii śladu współpracy kulek z bieżnią pierścienia wewnętrznego łożyska.

Przykład 5

W dniu 15.10.2014 o godzinie 04:22 w niecałe dwie godziny po uruchomieniu nastąpiło automatyczne wyłączenie podobnego silnika pikiem drganiowym (wzrost wartości z 1,8 mm/s do 5,6 mm/s) co jest widoczne na wykresie zał. 14. W tym czasie temperatury łożysk nie przekraczały 27°C. Przyczyną było zablokowanie łożyska. Nic się nie uszkodziło. Wymieniono jedynie łożysko na nowe.

Załącznik nr 14. Wykres drgań i temperatury łożyska.

Gdyby nie nastąpiło automatyczne wyłączenie silników pikiem drganiowym to wyłączenie czujnikiem temperaturowym przy 100°C w tych silnikach mogłoby być zbyt późne i zniszczenia w silnikach mogły być bardzo duże aż nawet do konieczności wymiany wirnika, stojana i całych węzłów łożyskowych. W opisanych powyżej przypadkach ze względu na nierozszerzenie treści artykułu pominięte są działania zabezpieczające przed blokowaniem się łożysk w przyszłości.

Przykład 6

Silnik pracował na wolnym powietrzu i napędzał pompę. Nie był wyposażony w czujniki drgań. W komorach łożyskowych były zainstalowane termopary, lecz nie były włączone w system automatycznego wyłączania silnika po przekroczeniu temperatur dopuszczalnych, a jedynie dla sygnalizacji. Wyłączenie nastąpiło ręcznie przez obsługę po sygnalizacji przekroczenia temperatury łożyska. Zakres zniszczeń był ogromny co obrazują fotografie (zał. nr 15, 16, 17).

Załącznik nr 15
Załącznik nr 16.
Załącznik nr 17.

Naprawa wymagała wykonania praktycznie nowego silnika. Wykorzystano jedynie sam kadłub (bez zniszczonego pakietu stojana) i skrzynki zaciskowe. Powyższy przykład pokazuje, że zabezpieczenie temperaturowe łożyska może być zawodne, szczególnie w przypadku samej sygnalizacji przekroczenia dopuszczalnej temperatury bez automatycznego wyłączenia silnika.

Z przytoczonych przykładów wynika że, najlepszym systemem zabezpieczającym silnik przed jego zniszczeniem po awarii łożyska jest drganiowe automatyczne wyłączenie silnika.. Wartość nastawy drgań powodujących automatyczne wyłączenie silnika nie ma związku z wartością drgań dopuszczalnych i może być niższa, lub wyższa od wartości drgań dopuszczalnych.

Pozostaje pytanie na jakim poziomie ustawić wartość wyłączenia silnika przez czujnik drgań. W pierwszym przykładzie był to wzrost ponad 15 krotny w drugim 4 krotny (z dużych wartości przed awarią) w trzecim 8 krotny, w czwartym 12 krotny, w piątym ponad 3 krotny. Wydaje się, że najrozsądniej próg wyłączenia należałoby ustawić na poziomie 2,5-krotnie większym od drgań mierzonych na komorze łożyskowej w stanie normalnej pracy silnika pod obciążeniem. Krotność nie może być niższa, żeby uniknąć niepotrzebnych wyłączeń silnika w przypadku okresowych wahaniach poziomu drgań. Ważne jest żeby zabezpieczenie drganiowe łożysk było włączone w automatyczny system wyłączeń silnika. Zapewni to w przypadku awarii łożyska (z różnych przyczyn) uchronienie silnika od rozległych uszkodzeń i tym samym uniknięcie bardzo dużych kosztów naprawy silnika oraz bardzo duże skrócenie czasu usunięcia awarii.

Jan Marek Lipiński, Artur Woźniak, Zakład Maszyn Elektrycznych, EMIT S.A.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top