Измерение уровня шума и вибрации при испытании электрических машин

 

Реальные уровни шума и вибрации, создаваемые электри­ческой машиной, ограничены требованиями норм безопас­ного ведения работ и фактором производительности труда.

Шумы, возбуждаемые аэродинамическими, магнитными и механическими факторами, а также подшипниками и щет­ками, образуют общий шум электрической машины. Звуковые частоты охватывают диапазон от 16 до 16 000 Гц. Аэродинамический шум появляется в результате турбулентного движения газообразной охлаждающей сре­ды при вращении ротора и вентилятора электрической ма­шины. Отражающиеся от вращающейся поверхности за­вихрения вызывают широкополосный шум, энергия кото­рого спектрально распределена по всему диапазону слы­шимости.

Шум вентилятора в основном зависит от его окружной ско­рости. Так, у электрических машин с окружными скоростя­ми свыше 60 м/с общий уровень шума определяется в большинстве случаев только аэродинамическим вихрем вентилятора. К аэродинамическим шумам относятся и си­ренные эффекты, возникающие, когда сжатый вентилято­ром воздух или газ наталкивается на такие препятствия, как ребра корпуса или подшипникового щита, крепящие болты и другие лодобные детали. Эти препятствия становятся сферическими излучателями продольных волн. В случае равномерного шага лопаток вентилятора основная частота (Гц) сиренного звука составляет

 

F=zn,

где z — число лопаток вентилятора; n— частота вращения, об/с.

Магнитный шум появляется вследствие возникновения вынужденных колебаний статора и ротора электрической машины под действием знакопеременных электромагнитных сил, имеющих периодический характер. Магнитный шум в основном обусловленрадиальными усилиями, пропорциональными квадрату магнитной индукции в воздушном зазоре машины. Из-за сложного характера распределения магнитного поля в воздушном зазоре возникающий магнитный шум является широкополосным.

Шум подшипников обусловливается главным образом небалансом и неточностью изготовления элементов подшипников качения. Интенсивность шума возрастает с увеличением диаметра подшипника, скорости вращения вала, сил одностороннего магнитного тяжения и неуравновешенности ротора. Основная частота шума, обусловленного небалансом подшипников, не превышает частоту вращения ротора, т. е. приходится на нижний диапазон слышимости. Неточность изготовления подшипников приводит к появлению шума с частотой, превышающей частоту вращения ротора и пропорциональной количеству деформированных элементов качения.

Шум щеток возникает при их скольжении по коллектору и зависит от качества поверхности коллектора, состояния притирки щеток, степени их давления на коллектор. В составляющих шума щеток наиболее выраженные звуки обусловлены периодическим прохождением коллекторных пластин под щетками (так называемый шум удара). Частота этих звуков пропорциональна частоте вращения и количеству коллекторных пластин, поэтому шум щеток является высокочастотным.

Шум, возбуждаемый механическими факторами, возникает вследствие распространения вибраций подшипников или внутренних частей машины на большие площади фундаментов или кожухов. Этот структурный шум преобразуется в аэродинамический и излучается в окружающую среду. Если причиной вибрации является плохая балансировка ротора, то шумы вбольшинстве случаев являются низкочастотными, так как нижняя граница диапазона слышимости 16 Гц соответствует частоте вращения 960 об/мин.

камер является сложной технической задачей, в настоящее время уровень внешних шумов в этих камерах доведен до 18—20 дБ.

Методы измерения уровня шума и вибрации при промышленных испытаниях изложены в ГОСТ 11929—87 и 12379—75. Отметим, что эти стандарты не устанавливают методы определения шума и вибраций в нестационарных процессах — пуски, реверсы, торможения и др.

По уровню шума электрические машины разделены на четыре класса. К классу 1 относят машины, к которым не предъявляют требования по ограничению уровня шума, а также машины, разработанные до 1985 г. и доработка которых до класса 2 нецелесообразна; к классу 2 — машины экспортного исполнения и вновь разрабатываемые машины, к классу 3 — малошумные машины с малошумными подшипниками качения и глушителями вентиляционного шума, к классу 4 —особо малошумные машины, в которых дополнительно предусмотрено пониженное использование активных материалов и установка звукоизолирующего кожуха. Предельные значения уровней шума машин классов 2, 3, 4 должны быть ниже уровней шума машин класса 1 на 5, 10 и 15 дБ соответственно.

При проведении контрольных испытаний помещение считается пригодным для измерений шума по методу свободного поля, если средний уровень звука увеличивается не менее чем на 5 дБ при уменьшении вдвое расстояния r₁от центра источника до точек измерения шума или средний уровень звука уменьшается не менее чем на 4 дБ при удвоении указанного расстояния. В идеальном свободном поле без затухания изменение среднего уровня звука L₂при увеличении расстояния до r₂=2r₁составляет 6 дБ в соот­ветствии с выражением

,

где L₁— известное значение уровня интенсивности звука на рас­стоянии r₁ от источника.

Измерение шума в свободном поле. Если пол в испытательном помещении обладает хорошим звукопоглощением (коэффициент звукопоглощения не менее 0,8), машину помещают над центром пола на высоте не менее 1 м над полом и не ближе 1,5 м от потолка. В случае звукоотражающего пола (коэффициент звукопоглощения не более 0,05) испытуемую машину располагают на полу или непосредственно над полом вблизи от его центра. Звукоотражающий пол должен простираться во все стороны за измерительную поверхность так, чтобы линейные размеры звукоотражающей плоскости (пола) были больше проекции измери­тельной поверхности, образованной измерительными линиями (рис. 4.2). Во время измерений корпус шумомера и другие приборы, а также наблюдатель должны находиться на расстоянии не менее 1 м от микрофона.

Точки измерения выбирают на измерительных линиях I и II (см. рис. 8, а, б). При определении размеров l_max, l_min и dне учитывается выходной конец вала, коробка зажимов и другие выступающие детали электрической машины. Для машин горизон­тального исполнения измерительная линия I располагается на

Рис. 8. Точки измерения шума на виде спереди (а) и виде сверху (б) испы­туемой машины.

высоте оси вращения машины, для машин вертикального исполне­ния — на половине высоты машины, но не менее 0,25 м для звукоотражающего и 1,0 м для звукопоглощающего пола. Измеритель­ная линия IIво всех случаях должна находиться в вертикальной плоскости, проходящей через ось машины.

При контрольных испытаниях измерения проводят в точках 1, 2, 3, 4, 5 для машин первой группы (с l_max≤l м, а также 1 м≤l_max≤2 м и l_max/l_min<2) и в точках 1, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11 для машин второй группы (с l_max ≥2 м, а также 1 м≤l_max≤2 м и l_max/l_min>2).

ГОСТ 16372—84 «Машины электрические вращающиеся. Допу­стимые уровни шума» регламентирует допустимые уровни шума электрических машин при измерении на расстоянии 1 м от наруж­ного контура машины. Поэтому размер dпри измерениях принимается равным 1 м.

После измерения уровней шума в указанных точках обрабаты­вают результаты измерений.

Вычисляют¹ эквивалентный радиус r_s(м) для машин первой ивторой групп соответственно по формулам

  и ,                                       

где d= 1 м; размеры а, b, с (в метрах) в соответствии с рис. 8.

Определяют площадь эквивалентной сферы и корректирован­ный уровень звуковой мощности по шкале А:

,

где L_a — измеренный средний уровень звука по шкале A, дБ; k— постоянный коэффициент, k=0 и 3 соответственно для звукоотражающего и звукопоглощающего пола, S=2πr_s².

Определяют уровень звуковой мощности в частотных полосах по формуле

 

,

где L— измеренный уровень звукового давления в частотной по­лосе, дБ.

Вычисляют приведенный уровень звука по шкале Ана опор­ном радиусе 3 м по формуле

,

Измеренные и рассчитанные при испытаниях величины сопо­ставляются с требованиями по допустимым уровням шума.

Методы оценки вибрации. При оценке вибрации элект­рических машин основной измеряемой величиной является эффек­тивное значение вибрационной скорости v_эф, измеренное в диапа­зоне от рабочей частоты до 2000 Гц. Для электрических машин с рабочей частотой вращения до 3000 об/мин допускается измерение v_эф в диапазоне частот до 1000 Гц.

Определение эффективного значения вибрационной скорости допускается проводить по данным спектрального анализа в ука­занном диапазоне частот

,

где v_iэф — эффективное значение вибрационной скорости, получен­ное при спектральном анализе для i-й полосы фильтра, причем первая и п-яполосы должны включать в себя нижнюю и верхнюю границы заданного диапазона частот соответственно.

Напомним, что для оценки вибрации собранных электрических машин устанавли­вается восемь классов: 0,28; 0,45; 0,70; 1,10; 1,80; 2,80; 4,50; 7,00. Индексы классов соответствуют максимально допустимой для данного класса эффективной вибрационной скорости в мм/с.

При контроле вибрации электрических машин их располагают на упругом основании, причем дополнительная масса упругого основания не должна превышать 10% массы испытуемой машины.

Рис. 9. Точки измерения вибрации в электрических машинах исполнения IP44

Вибродатчики должны жестко крепиться к самой машине или к дополнительной массе. При испытаниях электрическая машина должна иметь такое же положение, как и при нормальной эксплу­атации.

Помехи от внешней вибрации в принятых точках измерения (рис. 9) не должны превышать 25% нормируемой величины v_эф.доп, а при измерении уровня вибраций в децибелах —8—10 дБ соответственно.

При периодических и типовых испытаниях вибрацию необхо­димо измерять на подшипниковых щитах по вертикальной и горизон­тальной осям, а также в направлении оси вращения, как можно ближе к последней. Кроме того, измеряется вибрация на лапах или на фланце машины в направлении, перпендикулярном опорной поверхности, в точках, находящихся вблизи мест крепления. Рекомендуемые точки измерения вибрации и ее направления приведе­ны на рис. 9.

Допустимые значения среднего уровня звука и методы его из­мерения при промышленных испытаниях изложены в ГОСТ 12.2.024 — 76. Этот стандарт распространяется на силовые масля ные трансформаторы общего назначения мощностью от 100 кВА и выше и напряжением до 750 кВ включительно. По заказу потреби теля трансформаторы должны изготавливаться мощностью 16.. 200 MB-А с уровнем звука, пониженным не менее чем на 10 дБ по сравнению с указанным в стандарте.

Как правило, при испытаниях трансформаторов заглушённые камеры не используются. Поэтому для проведения испытаний не­обходимо выбирать время суток, когда внешние шумы минималь­ны. Кроме того, можно использовать передвижные звукопоглащающие стены, играющие роль экранов, поскольку главной излучающей шум поверхностью трансформатора является вертикальная. Стены устанавливаются с той стороны, с которой производятся измерения.

Во время измерений необходимо, чтобы вибрации не переда­вались от трансформатора полу, а возможные акустические отра­жающие поверхности находились не ближе 3 м от точек измере­ния. При проведении испытаний следует исключить влияние внеш­них электромагнитных полей на результаты измерений. Поэтому при испытаниях рекомендуется применять конденсаторные мик­рофоны.