Динамический эксцентриситет ротора асинхронного электродвигателя

Наконец-то коснемся темы динамического эксцентриситета ротора электродвигателя. Дефект относительно редкий и интересный. Как обычно, из собственной практики, поэтому далее будут спектры, поиск причины и конечно же фотографии.

Предметом обследования является асинхронный электродвигатель 4АМУ315 производства “Новокаховского электромашиностроительного завода” (НКЭМЗ, Украина). Мощность 160 кВт, 3000 об/мин. Таких электродвигателей у нас больше десятка и практически со всеми у нас были проблемы в плане вибрации и электрических дефектов.

Корпус по сути представляет собой стальную трубу с приваренными к ней ребрами и лапами. Огромный тяжелый кожух из трех миллиметровой стали не добавляет нам оптимизма. Дешево и сердито. Такая конструкция не обладает достаточной жесткостью и на большинстве двигателей нам пришлось столкнуться с резонансами во всех направлениях. Один из электродвигателей угодил на перемотку, а с еще одним произошел обрыв фазы во время обкатки насоса, что привело к сильному гулу, быстрому нагреву корпуса и снижению частоты вращения, благо успели вовремя остановить и устранить проблему.

И вот, очередной недавно принятый из наладки насосный агрегат снова нас “порадовал” своими проблемами с данным электродвигателем.

Схема агрегата:

Допуск 4,5 мм/с. Вибрация в норме, но владельцу оборудования очень не нравится очень сильный периодический гул от электродвигателя (период примерно 1,5 секунды), по его мнению произошел обрыв фазы. В наличии такого дефекта мы его сразу разубедили - скорость вращения у нас не упала.

Перейдем к анализу. Как мы знаем, все периодические шумы, как и периодическая флуктуация вибрации связаны с модуляцией близкорасположенных частотных составляющих. Поэтому смотрим спектр виброскорости.

Бросается в глаза широкое основание каждой гармонической составляющей оборотной частоты. Увеличим спектр в районе 100 и 150 Гц:

Видим две близко расположенные частоты. На самом деле боковых частотных составляющих относительно гармоник оборотной больше и их мы увидим если в настройках прибора увеличим разрешение по частоте. Разница между частотами 100 - 99,38 = 0,62 Гц. Частота скольжение определяется разницей между частотой электрической сети и оборотной частотой ротора 50,00 - 49,69 = 0,31 Гц.

Соответственно оборотные гармоники модулируются двойной частотой скольжения. Периодичность модуляции составит примерно 1/0,62 = 1,6 секунды. При измерениях с большим разрешением мы получили период 1,55 секунды (к сожалению те спектры приложить нет возможности). Подтверждение мы видим по временному сигналу:

Модуляция этих частот и является источником периодического гула и флуктуации вибрации (в режиме без усреднений вибрация периодически то увеличивается, то уменьшается).

Почему достаточно высок уровень вибрации в точке 2В? Если мы выполним тест на удар, то увидим собственную частоту в районе 100 Гц, которая и усиливает вторую гармонику частоты вращения и ее боковые составляющие.

Вот таким составом собственных частот мне и не нравятся данные электродвигатели.

Теперь перейдем непосредственно к дефекту. Из теории мы знаем, что наличие боковых двойных частот скольжения вокруг гармоник оборотной характерно для таких дефектов как обрыв стержня ротора и динамический эксцентриситет ротора. Различить эти дефекты очень трудно, с достаточной точностью практически невозможно. Поэтому владельцу оборудования отправляем протокол с указанием данных возможных дефектов и рекомендацией осмотра ротора в нашем присутствии (своих электриков мы знаем, веры им нет).

Во время разборки электродвигателя электрики обнаружили ослабление крепления крыльчатки обдува к ротору электродвигателя.

Крепежные элементы были не затянуты заводом-изготовителем, поэтому крыльчатка люфтила. Электрики обрадовались и предположили что это и является нашей проблемой и в части вибрации и в части сильного гула. Потребовали прокрутить электродвигатель на холостом ходу без кожуха и крыльчатки обдува.

Вибрация не превышала допустимых значений, но электродвигатель работал шумно, вследствие малого скольжения периодичность гула составляла уже десятки секунд. Что нам из всего было интересно, так это то что корпус подшипника и ротор сильно нагрелись со стороны крыльчатки обдува (порядка 50 °С), в то время как со стороны муфты оставались холодными. А ведь двигатель работал не более 10 минут на холостом ходу.

При снятии щита электродвигателя со свободного конца вала убедились в идеальном состоянии подшипника и смазки. Настояли на выводе ротора из корпуса и его осмотре.
Проблему увидели сразу:

Задевание ротором статора по всему периметру. Причина была банальна - неудовлетворительное изготовление ротора. Визуально было видно как сильно алюминиевая заливка стержней со следами задевания выступала из бочки ротора, в то время как с противоположной стороны таких выступов не наблюдалось. Налицо динамический эксцентриситет ротора.

Более того, такой эксцентриситет ведь должен создать дисбаланс? Правильно. И завод-изготовитель даже успешно отбалансировал такой ротор на станке с установкой балансировочных грузов напротив выступающих стержней.

Сами балансировочные грузики были вот такими:

Некоторые пластины свободно болтались. Перед глазами картина балансировщика с зубилом и кувалдой.

Безусловно, данный электродвигатель может проработать не одну сотню часов, но дефект опасен магнитным насыщением зубцовой зоны. Пульсации магнитного поля в зазоре оказывают деформационное влияние на стержни ротора и обмотку статора. С учетом того что дефектная зона расположена в районе выводов проводников статора, очень вероятен риск износа изоляции и замыкания. К тому же выявленный нагрев ротора отрицательно скажется на сроке службы подшипника.

Если есть у кого-то опыт устранения динамического эксцентриситета ротора (проточка?), пожалуйста поделитесь им с нами в комментариях.