Wpływ posadowienia na wielkość drgań silników elektrycznych

Na wielkość drgań silników elektrycznych na stanowiskach pracy mają wpływ:

1. Dokładność wyważenia wirnika silnika i zamontowanego sprzęgła na końcówce napędowej wału silnika.
2. Rodzaj sprzęgła i dokładność sprzęgnięcia silnika z maszyną napędzaną.
3. Posadowienie silnika.

Dokładność wyważenia wirnika silnika oraz osadzonego na końcówce wału sprzęgła jak również dokładność wyosiowania silnika z maszyną napędzaną mają podstawowy wpływ na poziom drgań silnika na stanowisku pracy. Jak bardzo ważne jest wyważenie wirnika szczególnie silnika ns=3000 obr/min jest obszernie przedstawione w wydrukowanym w Wiadomościach Elektrotechnicznych wyd listopad 2015 r. artykule z grudnia 2014r p.t. „Problemy nadmiernych drgań silników elektrycznych dwubiegunowych”. Również ważne jest dokładne wyosiowanie silnika z maszyną napędzaną, które jest coraz bardziej doceniane i wykonywane najczęściej metodą laserową. Mniej znany jest wpływ posadowienia na wielkość drgań silnika o czym będzie traktował niniejszy artykuł.

Decydującym tutaj jest odpowiednia sztywność posadowienia zapewniająca uniknięcie zwiększenia drgań silnika wskutek rezonansu drganiowego. Aby to osiągnąć częstotliwość drgań własnych układu silnik – posadowienie musi różnić się o odpowiednią wartość od częstotliwości obrotów silnika.

Opisane będą w dalszej części przykłady gdzie częstotliwość drgań własnych pokrywa się z częstotliwością obrotów silnika i jaki to ma wpływ na zwiększenie poziomu drgań. Będzie również opisane jaki wpływ na zmniejszanie się poziomu drgań ma odsunięcie częstotliwości drgań własnych układu od częstotliwości obrotowej silnika.

Pomiary przedstawione w przykładach 1-4 zostały wykonane miernikiem VIBXpert II firmy Pruftechnik.

Częstotliwości drgań własnych układu silnik-posadowienie zostały wykonane metodą testu udarowego na zatrzymanych silnikach.

Przykład 1

Silnik dwubiegunowy dSh400H2Fs napędzał ssawę gazu w zakładzie koksowniczym. Silnik został zareklamowany z powodu dużego poziomu drgań. Silnik był zasilany falownikowo głównie z częstotliwością 38Hz i właśnie przy tej częstotliwości zasilania poziom drgań był największy. Na wykresie nr 1 przedstawiającym prędkość drgań widać zdecydowanie dominującą składową o częstotliwości 38Hz, co przy prędkości 2280 obr/min odpowiada pierwszej obrotowej. Jej amplituda 0-p wynosiła 5,82 mm/s. Jednocześnie pomierzona skuteczna prędkość drgań RMS wynosiła 4,25 mm/s.

Po zatrzymaniu silnika zastała pomierzona częstotliwość drgań własnych układu silnik-rama pod silnikiem-posadowienie metodą testu udarowego. Jak wynika z wykresu nr 2 częstotliwość drgań własnych wynosiła 38Hz czyli dokładnie pokrywała się z częstotliwością obrotów silnika i duże drgania podczas zasilania silnika z częstotliwością 38 Hz spowodowane były rezonansem (wzmacniaczem) drgań.

Należało wyjść rezonansu z poprzez zmianę sztywności posadowienia pod silnikiem. Reklamacja nie została uznana. Zaleceniem dla użytkownika było objęcie podkładkami całość powierzchni pod łapami silnika i  usztywnienie ramy pod silnikiem poprzez wspawanie pionowych żeber usztywniających ramę w miejscach pod łapami silnika (zdj. nr 1).

Przykład 2

Na jednym z silników SCDdm134sE napędzających w elektrociepłowni pompy wody poprzez sprzęgła VOITHA występowały nadmierne drgania. W tych silnikach łapy wystają poza korpus silnika i ważne jest, żeby podkładki pod łapami obejmowały całą powierzchnię łapy ,a najważniejsze aby sięgały do końca części łapy znajdującej się pod korpusem silnika. Na fotografii nr 2 pokazane jest niewłaściwe posadowienie silnika poprzez podłożenie podkładek tylko pod część łapy wystającą poza korpus silnika (za krótkie).

Silnik nr fabr. 79670 prod. 1974 r. został w obecności klienta poddany sprawdzeniu poziomu drgań na stacji prób EMIT. Na końcówce napędowej silnika była zamocowana czasza sprzęgła VOITHA i należało sprawność poprawność wyważenia wirnika silnika wraz z czaszą.

Poziom drgań silnika ustawionego na sztywnej płycie był w granicach normy i nie przekraczał wartości RMS 2,2 mm/s. Po podłożeniu podkładek tylko pod część końcówek łap wystających poza korpus silnika (jak na zdjęciu nr 2) poziom drgań wzrósł 3 krotnie do wartości RMS 6,57 mm/s co obrazuje wykres nr 3.

Zmniejszenie sztywności posadowienia silnika spowodowało 3-krotne zwiększenie poziomu drgań wskutek rezonansu drganiowego. Zaleceniem dla użytkownika silnika było zapewnienie właściwego posadowienia silnika na stanowisku pracy (podparcie podkładkami łap pod korpusem silnika powinno być sprawdzone szczelinomierzem).

Przykład 3

Silnik dwubiegunowy Sh450H2B rok produkcji 2009 napędzał sprężarkę agregatu chłodniczego w kopalni węgla kamiennego. Wspólnie ze sprężarką silnik zamocowany był na ramie o wysokości około 0,9m podpartej na amortyzatorach. Największe drgania występowały na silniku od strony napędu w kierunku pionowym V (Vertical), które wynosiły RMS 23,47 mm/s. W przedstawionym widmie prędkości drgań (wykres nr 4) dominowała pierwsza obrotowa o częstotliwości 49,81 Hz i amplitudzie 0-p 31,6 mm/s.

Od strony przeciwnapędowej drgania na silniku w kierunku pionowym V były 4-krotnie mniejsze. Rama z ceowników i kątowników od strony napędowej miała mniejszą sztywność ponieważ nie posiadała takich usztywnień jakie miała na końcu ramy od strony przeciwnapędowej.

Po zatrzymaniu silnika został wykonany test metodą impulsu udarowego w kierunku pionowym V od strony napędu. Z niżej przedstawionego testu wynika, że częstotliwość drgań własnych wynosiła 50 Hz i pokrywała się z częstotliwością obrotów silnika co tym samym dowodzi, że bardzo duży poziom drgań był spowodowany rezonansem drganiowym. (wykres nr 5)

Zmniejszenie poziomu tak dużych drgań wymagało zmiany częstotliwości drgań własnych układu silnik-posadowienie. Zostało zaproponowane zwiększenie sztywności amortyzatorów pod silnikiem od strony napędu z ewentualnym dosztywnieniem ramy przez dospawanie ceowników.

Przykład 4

Silniki pionowe 4-biegunowe SVh400H4Cs mocy 450kW rok produkcji 2007 napędzały 3 pompy wody w zakładzie wodociągowym. We wrześniu 2014r. użytkownik zwrócił się do EMIT o rozwiązanie problemu nadmiernych drgań na silniku pompy nr 3. Poziom drgań na górnym łożysku silnika był bardzo duży sięgając RMS 32 mm/s.

Przeprowadzony test udarowy na niepracującym silniku pompy nr 3 wykazał, że częstotliwość drgań własnych układu silnik-posadowienie pod silnikiem w płaszczyźnie rurociągu wynosi 24,5Hz co przedstawia wykres nr 6.

Mała częstotliwość drgań własnych wynika z dużej wysokości posadowienia pod silnikiem (prawie 2m) i dużymi wybraniami pod rurociągi w korpusie o kształcie walca. (zdj. nr 3)

Przy zasilaniu silnika 50Hz pod obciążeniem znamionowym prędkość obrotowa silnika wynosi 1490 obr/min co odpowiada częstotliwości 24,83Hz i prawie dokładnie pokrywa się z częstotliwością drgań własnych układu. Prowadzi to do bardzo dużego wzrostu drgań wskutek rezonansu. W celu wyjścia z rezonansu i zmniejszenia drgań należałoby zmienić sztywność posadowienia w nieznacznych granicach z uwagi na wąską szerokość dzwonu rezonansowego widocznego na wykresie nr 6.

Zostały również pomierzone drgania silnika pompy nr 1. Silnik był zasilany z falownika z częstotliwością około 42Hz i pracował z prędkością 1200 obr/min odpowiadającą częstotliwości obrotowej 20Hz co przedstawia poniższe widmo prędkości drgań. (wykres nr 7)

Skuteczna prędkość drgań wynosiła RMS 3,87mm/s, a składowa obrotowa o-p wynosiła 5,1 mm/s. Po zatrzymaniu silnika sprawdzono testem udarowym częstotliwość drgań własnych układu silnik-posadowienie pod silnikiem. Test wykazał, że częstotliwość drgań własnych wynosi tutaj 22Hz co pokazuje wykres nr 8.

Różnica częstotliwości wynosi tylko 2 Hz, jednak z uwagi na dość wąski dzwon rezonansowy przy obrotach silnika 20Hz prawie wychodzi poza dzwon rezonansowy (stąd stosunkowo nieduży poziom drgań RMS 3,87 mm/s). Jak wynika z otrzymanych wykresów zwiększenie obrotów silnika do 22Hz mogłoby spowodować około sześciokrotny wzrost poziomu drgań.

Zaproponowano klientowi wyjście z rezonansu na stanowisku pompy nr 3 poprzez zmianę sztywności posadowienia pod silnikiem (np. użebrowanie dodatkowe płaszcza korpusu walca lub zejście sztywnością w dół poprzez podłożenie na stożkowej podstawie pod silnikiem elastycznej podkładki).

Innym wariantem rozwiązania problemu drgań było zaproponowane wyjście z rezonansu przez zasilanie z falownika z częstotliwością około 42Hz silnika na stanowisku pompowym nr 3, a zasilanie z sieci z częstotliwością 50Hz silnika na stanowisku pompy nr 1.

W celu sprawdzenia czy problem bardzo dużych drgań silnika na stanowisku pompy nr 3 nie wynika (przynajmniej w jakimś stopniu) z niewyważenia wirnika silnika, użytkownik zwrócił się do EMIT w lutym 2015r o sprawdzenie silnika na stacji prób. Silnik został zamontowany na stożkowej podstawie przywiezionej ze stanowiska pracy co przedstawia zdj nr 4.

W dniu 27.02.2015r. przeprowadzone zostały pomiary prędkości drgań przy zasilaniu z sieci 50Hz oraz częstotliwości drgań własnych układu silnik – stożkowa podstawa metodą testu udarowego na zatrzymanym silniku. Pomiary zostały wykonane w górnej części silnika (strona NDE) w płaszczyźnie otworów w stożkowej podstawie (kierunek pomiaru V) i w płaszczyźnie prostopadłej do otworów (kierunek pomiaru H).

W płaszczyźnie pomiaru V częstotliwość drgań własnych układu wynosiła 31 Hz (wykres nr 9), a skuteczna prędkość drgań RMS 1,2 mm/s.

W płaszczyźnie pomiaru H częstotliwość drgań własnych wynosiła 37Hz (wykres nr 10), a skuteczna prędkość drgań RMS 0,6 mm/s.

Wyniki tych pomiarów udowodniły, że wyważenie wirnika silnika jest prawidłowe, a bardzo duże drgania silnika na stanowisku pracy spowodowane są niewłaściwą sztywnością układu silnik-posadowienie pod silnikiem i wynikłym z tego powodu rezonansem drganiowym.

Pomiary wykazały, że im dalsze jest odsunięcie częstotliwości drgań własnych układu od częstotliwości obrotowej 25 Hz tym niższy jest poziom drgań 31Hz – RMS 1,2 mm/s i 37Hz – RMS 0,6 mm/s. Mniejsza sztywność stożkowej podstawy w kierunku V spowodowana jest otworami służącymi do montażu sprzęgła. Zaleceniem dla użytkownika na stanowisku pracy silnika było odsunięcie się od częstotliwości obrotowej w dół poprzez podłożenie pod silnik elastycznej podkładki o grubości 5mm.

Przykład 5

Za zgodą właściciela łódzkiej firmy diagnostycznej DIAGMAK zostały tutaj zamieszczone z obszernego sprawozdania jedynie niektóre wykresy i tabele wartości drgań bezwzględnych silnika zamontowanego wraz z kruszarką na wspólnej ramie podpartej amortyzatorami na betonowym fundamencie.

Problemem użytkownika były nadmierne drgania silnika jak również kruszarki. Jak wynika z protokółu nr 1 największe drgania były na łożysku nr 1 silnika w kierunku pionowym V i wynosiły RMS 11 mm/s.

Na wykresie nr 11 przedstawiona jest charakterystyka amplitudowo-częstościowa drgań łoż. 1 silnika wykonana na swobodnym wybiegu w stanie zastanym.

Poniższe tabele obrazują jak zmieniały się wartości drgań bezwzględnych wraz ze zmianą sposobu i sztywności podparcia ramy nośnej zespołu napędowego kruszarki. W tym przypadku w celach eksperymentalnych, zmian sztywności podparcia dokonywano przez montowanie między ramą a fundamentem betonowym podnośników hydraulicznych. Warunki podparcia i odpowiadające im drgania bezwzględne silnika przedstawione są poniżej.

Dodatkowe podparcie 6 szt. podnośników hydraulicznych montowanych pod ramę po 3 z każdej strony. Poziom drgań zmniejszył się, lecz w stopniu niewystarczającym (protokół nr 2).

Dodatkowe podparcie 1 szt. podnośnika hydraulicznego montowanego centralnie w miejscu pod łożyskiem nr 1 silnika (protokół nr 3 i wykres nr 12).

Z przeprowadzonego eksperymentu wynikło, że najmniejsze drgania silnika osiągnięte zostały dla powyższego sposobu podparcia 1 szt. podpory montowanej centralnie pod ramą w miejscu łożyska nr 1 silnika. Wyjście z rezonansu drganiowego pozwalało zmniejszyć drgania wielokrotnie. Drgania na łożysku nr 1 silnika w kierunku pionowym V spadły z wartości 11 mm/s do 0,73 mm/s. Jednak zakłóca to zasadę pełnej separacji drgań zespołu napędowego kruszarki od fundamentu i budynku. Dlatego konstruktor podjął działania odstrojenia się od rezonansu występującego tylko dla pionowego kierunku pomiaru przez dołożenie masy 840 kg do ramy nośnej pod silnikiem. Uzyskano w ten sposób nieco większe , lecz akceptowalne wartości drgań przedstawione w poniższej tabeli z zachowaniem jednocześnie pełnej separacji drgań ramy nośnej od fundamentu i budynku (protokół nr 4).

Celem artykułu jest wykazanie jak bardzo ważne jest właściwe posadowienie pod silnikiem jak bardzo duże drgania mogą powstawać wskutek rezonansu drganiowego i jak ważne jest maksymalne oddalenie częstotliwości drgań własnych układu silnik-posadowienie od częstotliwości wymuszeń jaki generuje silnik lub maszyna, najczęściej jest to częstotliwość obrotowej silnika co pozwala uzyskać wielokrotne zmniejszenie poziomu drgań silnika.