Trzy główne usterki wirników silników o strumieniu osiowym: naprawić czy wymienić? Przejrzysty przewodnik dotyczący naprawy granic

Silniki o strumieniu osiowym, charakteryzujące się dużą gęstością mocy, zwartą konstrukcją i doskonałą charakterystyką momentu obrotowego, są coraz częściej stosowane w nowych pojazdach energetycznych, serwomechanizmach przemysłowych, energetyce wiatrowej i innych dziedzinach. Jednakże w miarę zwiększania się liczby godzin pracy i coraz bardziej złożonych warunków pracy, wirnik — główny element obrotowy silnika — nieuchronnie będzie doświadczał różnych usterek. Wśród nich trzy najczęstsze typy usterek to uszkodzenie powierzchni wirnika silnika o strumieniu osiowym, rozmagnesowanie magnesem trwałym (stal magnetyczna) i awaria równowagi dynamicznej. W obliczu tych problemów główną troską personelu zajmującego się konserwacją jest:  Które usterki można naprawić? Które wymagają wymiany? Czy po naprawie można zagwarantować wydajność i niezawodność?

1. Uszkodzenie powierzchni wirnika: Drobne uszkodzenia można naprawić, poważne uszkodzenia wymagają wymiany

1.1 Przyczyny i objawy usterek

Uszkodzenie powierzchni wirnika silnika o strumieniu osiowym jest zwykle spowodowane tarciem (tarciem między stojanem a wirnikiem), wnikaniem ciał obcych lub opadaniem wirnika z powodu awarii łożyska. Identyfikacja rodzaju uszkodzenia pomaga zlokalizować przyczynę: jeśli na powierzchni wirnika występuje pojedynczy ślad przetarcia, podczas gdy cała powierzchnia stojana jest zarysowana, często jest to spowodowane wygiętym wałem lub niewyważeniem wirnika; jeśli na powierzchni stojana występuje tylko jeden ślad przetarcia, podczas gdy powierzchnia wirnika jest zarysowana na całym obwodzie, jest to spowodowane niewspółśrodkowością pomiędzy stojanem a wirnikiem, zwykle z powodu deformacji czopów ramy i tarczy końcowej lub silnego zużycia łożyska.

1.2 Kiedy można to naprawić?

Drobne uszkodzenia powierzchni  zazwyczaj można naprawić. Zgodnie ze standardami branżowymi dopuszczalne są metody skrobania lub szlifowania w celu wyeliminowania lekkich uszkodzeń wewnętrznej powierzchni stojana i zewnętrznej powierzchni wirnika, pod warunkiem, że temperatura powierzchni silnika po naprawie jest zgodna z odpowiednimi normami. Kryteria szczegółowe to:

• Głębokość uszkodzenia mieści się w zakresie możliwym do obróbki mechanicznej (zwykle poniżej 0,5 mm) i nie wpływa na ogólną integralność strukturalną rdzenia wirnika.

• Nie wystąpiło żadne zwarcie wielkopowierzchniowe ani stopienie blach ze stali krzemowej. Jeśli nastąpi miejscowe wypalenie zębów rdzeniowych, stopione i stopione części można spiłować, a uszkodzone obszary naprawić żywicą epoksydową.

• Po naprawie jednorodność szczeliny powietrznej może nadal spełniać wymagania projektowe, a temperatura powierzchni jest spełniona.

Jeśli chodzi o technikę naprawy, lekkie rysy i plamy rdzy można wypolerować drobnym płótnem szmerglowym zamoczonym w oleju, często sprawdzając odchyłki okrągłości za pomocą mikrometru. W przypadku uszkodzeń powierzchni współpracujących, takich jak zużycie czopu wału, można zastosować technologie inżynierii powierzchni, takie jak napawanie laserowe, galwanizacja szczotkowa i natryskiwanie cieplne. Te procesy naprawy działają w niskich temperaturach i nie powodują deformacji wału ani zmiany struktury metalograficznej.

1.3 Kiedy należy go wymienić?

•  Głębokość uszkodzenia jest zbyt duża, przekracza zakres tolerancji projektowych, a dalsza naprawa zniszczyłaby konstrukcję rdzenia.

•  Wystąpiły zwarcia wielkopowierzchniowe lub rozwarstwienie blach ze stali krzemowej, co prowadzi do znacznie zwiększonych strat wiroprądowych i przegrzania rdzenia.

• Rdzeń wirnika uległ nieodwracalnemu odkształceniu strukturalnemu, a nawet po naprawie nie można zagwarantować jednorodności szczeliny powietrznej.

• Uszkodzenie rozszerzyło się na słabe punkty konstrukcji podstawy wirnika, a koszt naprawy jest zbliżony lub przekracza koszt wymiany.

2. Rozmagnesowanie magnesu: Łagodne do umiarkowanego można naprawić poprzez ponowne namagnesowanie, poważne wymaga wymiany

2.1 Przyczyny i mechanizmy rozmagnesowania

Istotą rozmagnesowania magnesem trwałym jest nieodwracalna zmiana w strukturze domeny magnetycznej, która ze względu na przyczynę dzieli się głównie na trzy kategorie:

• Demagnetyzacja termiczna : Występuje, gdy temperatura magnesu trwałego przekracza granicę tolerancji dla jego gatunku materiału. Na przykład dla NdFeB temperatura Curie wynosi około 310°C, powyżej której następuje całkowita utrata magnetyczna. Dane eksperymentalne pokazują, że po 1000 godzinach ciągłej pracy w temperaturze 150°C magnesy NdFeB mogą doświadczyć utraty strumienia od 3% do 5%.

• Demagnetyzacja pola odwrotnego : Odwrotne pola magnetyczne generowane przez nietypowe warunki, takie jak przeciążenie lub zwarcie, powodują lokalne odwrócenie domeny magnetycznej. W jednym z nowych silników pojazdów energetycznych, w warunkach 200% przeciążenia, gęstość strumienia magnetycznego spadła o 7% do 12%.

• Demagnetyzacja korozji chemicznej : Materiały NdFeB utleniają się w gorącym i wilgotnym środowisku, powodując stopniowy spadek właściwości magnetycznych. Testy w mgle solnej wskazują, że po 500 godzinach niezabezpieczone magnesy mogą utracić do 15% strumienia.

Jak na miejscu sprawdzić, czy magnesy są rozmagnesowane? Najbardziej intuicyjna metoda: po rozmagnesowaniu prędkość silnika na biegu jałowym znacznie wzrasta, wzrasta prąd obciążenia, a moment hamowania maleje. Bardziej precyzyjne wykrywanie wymaga użycia miernika Tesli (gaussometru) do pomiaru natężenia powierzchniowego pola magnetycznego lub wykrycia tylnego pola elektromagnetycznego i porównania go z pierwotnymi parametrami.

2.2 Kiedy można to naprawić?

Możliwość naprawy rozmagnesowania zależy od  stopnia rozmagnesowania i zaleca się ocenę w oparciu o następującą klasyfikację:

Łagodne rozmagnesowanie  jest zwykle spowodowane krótkotrwałym przegrzaniem lub niewielkim przetężeniem i charakteryzuje się dużą odwracalnością. Plan leczenia obejmuje w pierwszej kolejności optymalizację rozpraszania ciepła, ograniczenie przeciążenia i stabilizację zasilania, a następnie zastosowanie magnetyzera impulsowego wysokiego napięcia do kierunkowego namagnesowania magnesów trwałych wirnika. Po namagnesowaniu sprawdź za pomocą gaussometru, czy pole magnetyczne powróciło do pierwotnej wartości. Zgodnie z praktyką branżową profesjonalny sprzęt do magnesowania może odzyskać ponad 95% pierwotnej wydajności.

Umiarkowane rozmagnesowanie  wymaga demontażu silnika, testowania magnesów trwałych jeden po drugim, wybierania silnie rozmagnesowanych jednostek, klejenia lub osadzania nowych magnesów tego samego gatunku i rozmiaru, dokładnie według oryginalnej polaryzacji, a po pełnym namagnesowaniu, przeprowadzenia testów prądu jałowego, momentu obrotowego i wydajności.

2.3 Kiedy należy go wymienić?

Następujące sytuacje wymagają zdecydowanej wymiany, a nie dalszych prób naprawy:

• Remanencja magnesów trwałych wynosi poniżej 80% wartości projektowej i po namagnesowaniu nie można przywrócić wydajności znamionowej.

• Magnesy wykazują uszkodzenia strukturalne (pęknięcia, pęknięcia, silną korozję), w związku z czym nie można zagwarantować wytrzymałości mechanicznej i żywotności nawet po namagnesowaniu.

• Nastąpiło nieodwracalne rozmagnesowanie, co oznacza, że ​​sam materiał magnesu stałego zestarzał się lub uległ korozji chemicznej do tego stopnia, że ​​remanencji nie można przywrócić poprzez namagnesowanie.

•  Rozmagnesowanie doprowadziło do tak poważnego spadku wydajności silnika i nieprawidłowego wzrostu temperatury, że koszty naprawy przekraczają koszt wymiany całego silnika.

3. Awaria równowagi dynamicznej: Zdecydowana większość nadaje się do naprawy, bardzo niewiele wymaga wymiany

3.1 Przyczyny awarii i diagnoza

Nierównowaga wirnika jest najczęstszą przyczyną usterek w maszynach wirujących — statystyki pokazują, że 70% usterek wibracyjnych w maszynach wirujących wynika z niewyważenia układu wirnika. Podstawową przyczyną jest niewspółosiowość środka masy wirnika z jego osią geometryczną, powodująca mimośrodowość masy, która podczas obrotu generuje odśrodkową siłę bezwładności, objawiającą się zwiększonymi drganiami promieniowymi i przyspieszonym zużyciem łożysk.

Jednakże przed wykonaniem korekcji wyważenia dynamicznego należy najpierw zrobić jedną ważną rzecz — przeanalizować pierwotną przyczynę nieprawidłowych wibracji , ponieważ może to nie być problem z wyważeniem dynamicznym. Jeśli w sprzęcie występują poważne luzy, rezonans, pęknięte wały, uszkodzenia łożysk, niewspółosiowość lub osiadanie fundamentów, dynamiczna korekcja wyważenia nie przyniesie oczekiwanych rezultatów.

Typową sygnaturą drgań niewyważenia jest to, że okres drgań jest synchroniczny z prędkością roboczą (zdominowaną przez 1× częstotliwość obrotową), amplituda drgań promieniowych jest największa, a amplituda i faza wykazują stabilność i powtarzalność.

3.2 Kiedy można to naprawić?

Zdecydowaną większość problemów związanych z awarią wyważenia dynamicznego można naprawić poprzez naprawę na miejscu lub w fabryce , chyba że sam wirnik uległ uszkodzeniu strukturalnemu.

Wyważanie dynamiczne na miejscu  to dojrzała technologia szeroko stosowana obecnie w przemyśle. Metoda ta umożliwia pomiar drgań i korekcję wyważenia przy rzeczywistej prędkości roboczej i warunkach montażu wirnika, bez konieczności demontażu wirnika i odsyłania go do fabryki. Pozwala zaoszczędzić około 3–5 dni czasu i kosztów transportu, unikając jednocześnie ryzyka wtórnych uszkodzeń podczas demontażu i ponownego montażu. Metody korekcji obejmują przede wszystkim dodawanie obciążników (mocowanie odważników, śrub, nitowanie, spawanie) i usuwanie odważników (wiercenie, szlifowanie, frezowanie), przy czym konkretny wybór zależy od konstrukcji wirnika i wymagań procesu.

Dokładność korekcji jest zgodna z normami ISO 1940-1 / GB/T 9239.1, a niewyważenie resztkowe można kontrolować na bardzo niskim poziomie. W scenariuszach produkcji precyzyjnej dokładność wyważenia dynamicznego może osiągnąć stopień G1 (najwyższy stopień dokładności w normie ISO 1940-1), skutecznie eliminując ryzyko wibracji.

Rama tarczy wirnika silnika osiowego jest wykonana głównie z niemagnetycznych materiałów kompozytowych i ma stosunkowo lekką masę. Jednakże, gdy stan równowagi zmieni się podczas pracy z następujących powodów, korekta staje się jeszcze bardziej krytyczna:

• Korozja, zużycie lub osadzanie się kamienia na obracających się elementach podczas pracy.

•  Adhezja ciał obcych powodująca mimośrodowość masy.

• Wolno zmieniająca się nierównowaga spowodowana odkształceniem termicznym lub mechanicznym.

W zdecydowanej większości powyższych przypadków normalne funkcjonowanie można przywrócić poprzez profesjonalną korekcję równowagi dynamicznej.

3.3 Kiedy należy go wymienić?

W następujących sytuacjach dynamiczna korekcja wyważenia jest nieskuteczna i konieczna jest wymiana wirnika:

• Wał wirnika wykazuje pęknięcia lub pęknięcia. Należy zauważyć, że jeśli zasięg pęknięcia nie przekracza 10% obwodu czopa wału, spawanie naprawcze, a następnie obróbka na płasko może umożliwić dalsze użytkowanie; jeżeli jednak przekroczy ten zakres, wał należy wymienić. Jeżeli pęknięcie rozprzestrzeniło się na rdzeń wału, należy wymienić cały wirnik.

• Rdzeń wirnika uległ nieodwracalnej deformacji strukturalnej lub uszkodzeniu, a po dokonaniu korekty nadal nie można zagwarantować dokładności wyważenia.

• Odłączyły się elementy obrotowe (np. odpadnięcie ciężarków, pęknięcie ostrza), a uszkodzenia są nieodwracalne.

•  Wibracje nadal przekraczają dopuszczalne wartości po wielokrotnych korektach wyważenia dynamicznego, co wskazuje na istniejące poważne problemy z konstrukcją podstawy wirnika.

Warto wspomnieć, że dzięki modułowej konstrukcji silniki Axial Flux mają pewną zaletę podczas konserwacji – wystarczy wymienić tylko uszkodzony moduł, co zmniejsza trudność remontów i koszty konserwacji.

4. Podsumowanie: Tabela opisująca naprawę i wymianę

5. Zalecenia dotyczące konserwacji i środki zapobiegawcze

1. Warunkiem wstępnym jest regularna inspekcja : Ustanowienie mechanizmu rutynowej inspekcji. Do okresowych, punktowych kontroli tłumienia pola magnetycznego używaj gaussometru, a do regularnych testów równowagi dynamicznej używaj analizatora wibracji, aby wyeliminować usterki na wczesnym etapie.

2. Zdiagnozuj przed podjęciem działań : Przed jakąkolwiek naprawą należy najpierw jasno zidentyfikować przyczynę usterki. Szczególnie w przypadku problemów z równowagą dynamiczną należy najpierw wykluczyć czynniki niezrównoważenia, takie jak uszkodzenie łożyska, niewspółosiowość i luzy; w przeciwnym razie korekta salda będzie daremna.

3. Ponowne namagnesowanie wymaga profesjonalnej obsługi : Operacje magnesowania wymagają sprzętu impulsowego wysokiego napięcia i muszą być wykonywane przez wykwalifikowany personel w izolowanym i ekranowanym środowisku. Po namagnesowaniu sprawdź działanie za pomocą gaussometru i przeprowadź rozruch bez obciążenia i pod obciążeniem po ponownej instalacji.

4. Ulepszenia materiałów w celu zapobiegania ponownym wystąpieniom : W przypadku warunków pracy w wysokiej temperaturze lub wysokich wibracjach należy wybrać wysokiej jakości magnesy trwałe (np. serii H, SH) i zastosować obróbkę zabezpieczającą powierzchnię, taką jak powłoka aluminiowa PVD lub powłoki kompozytowe epoksydowe, aby wydłużyć żywotność magnesów.

5. Ocena ekonomiczna konserwacji : Należy dokonać porównania kosztów pomiędzy wymianą zespołu wirnika a całkowitą wymianą silnika — gdy uzwojenia stojana są nadal w dobrym stanie, wystarcza wymiana na oryginalny wirnik tego samego modelu, przy kosztach i czasie realizacji lepszych niż w przypadku całkowitej wymiany silnika, a wydajność zostaje przywrócona do stanu jak nowy. Jeśli jednak koszty naprawy zbliżają się lub przekraczają 60%–70% kosztu nowego silnika, zaleca się priorytetową wymianę silnika.