اكتشاف أعطال الآلات الكهربائية بالاستشعار الميكانيكي الحراري

الأهمية من اكتشاف أعطال الآلات الكهربائية بالاستشعار الميكانيكي الحراري

المحامل هي عوامل تمكين حيوية لعملية تحويل الطاقة الكهروميكانيكي في الآلات الكهربائية، بحيث يتم التعرف عليها على أنها مكون مع أحد معدلات الفشل الرئيسية في الآلات أثناء الخدمة، بشكل عام؛ فإنها ستؤدي حالات فشل المحامل غير المكتشفة إلى فقدان التوافر، وغالباً ما تكون مصحوبة بأضرار لا يمكن إصلاحها أو تكلفة صيانة عالية.

لذلك فإن مراقبة هيكل محمل الآلة مهم لضمان موثوقيتها وتوافرها، حيث تم العثور على جذر فشل المحمل في الضغوط الميكانيكية والحرارية المفروضة على هيكلها أثناء التشغيل وفي الآلات المعاصرة ذات الدفع المقلوب (العكسي) على وجه الخصوص تشمل التآكل الكهربائي.

وفي هذا الصدد؛ فإنه من المرجح بشكل خاص أن تفرض الطبيعة المتغيرة للسرعة لتطبيقات تحويل طاقة النقل والطاقة المتجددة المتزايدة ظروف تشغيل ديناميكية للغاية وبالتالي تزيد من أهمية الفهم الفعال لتحمل الضغوط أثناء الخدمة.

مراقبة صحة التحمل وتشخيص الأعطال من خلال مقاييس التسارع

كما تعتمد الطريقة العملية السائدة لمراقبة صحة التحمل وتشخيص الأعطال على تحليل اهتزاز إطار الماكينة باستخدام مقاييس التسارع أو مراقبة درجة حرارة المحمل عن طريق المستشعرات الحرارية التقليدية، وذلك لأن المحامل سواء كانت صحية أو معيبة؛ فإنها تولد بطبيعتها إثارة ميكانيكية وحرارية ستتغير طبيعتها مع وجود خطأ ويمكن بالتالي مراقبتها لأغراض التشخيص.

كذلك يمكن أن يؤدي تسجيل هذه التغييرات بشكل واضح ومبكر في عملية تطوير الأخطاء قدر الإمكان إلى تحسين تشخيص الفعالية، وهي منطقة محايدة حيث الطرق المحسنة التي تسمح بوضع نقطة الاستشعار بالقرب من هيكل المحمل الفعلي أو نقاط الفشل، وذلك للمراقبة في الموقع للدقة العالية باستثناء الخطأ والتوقيع يمكن أن يوفر مزايا كبيرة على تقنيات المراقبة الحالية.

كما أنه يمكن تحقيق مزيد من التحسينات من خلال معالجة قيود مناعة التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) لتقنيات المراقبة الحالية، بحيث تكون القياسات الموثوقة مطلوب، حيث برز استشعار الألياف الضوئية كبديل واعد لرصد حالة المحرك الكهربائي وتطبيقه للمراقبة الميكانيكية والحرارية للآلة الكهربائية، بحيث يجذب  زيادة في الاهتمام.

كما تقدم تقنية الاستشعار (FBG) مع ميزاتها المتقدمة مثل الحجم الصغير ومناعة (EMI) وتعدد الإرسال والاستشعار الفيزيائي المتعدد؛ اقتراحاً جذاباً لتمكين المراقبة في الموقع المستهدفة لظروف التشغيل الفيزيائية المتعددة، حيث أن تكلفة مستشعر (FBG) قابلة للمقارنة حالياً بتكلفة أجهزة الاستشعار المستخدمة تقليدياً في تطبيقات الآلات الكهربائية، لكن أنظمة الاستجواب المطلوبة (FBG) باهظة الثمن.

كما تعد ميزات تعدد الإرسال والاستشعار الفيزيائي المتعدد من (FBG) هي المفتاح في تمكين خفض تكلفة نظام الاستشعار لتطبيقات مراقبة الماكينة الكهربائية المتقدمة، بحيث يُسهل تعدد الإرسال مخططات الاستشعار المدمجة الموزعة.

حيث يمكن أن تحمل الألياف الواحدة مجموعة من نقاط الاستشعار الموزعة، بينما يمكن للاستشعار الفيزيائي المتعدد تمكين تصميم شامل لنظام الاستشعار، كما يمكن لنقاط الاستشعار الفردية مراقبة مختلف التدابير المادية عند الاقتضاء.

فيما بعد؛ فقد بدأ فحص تطبيق الاستشعار (FBG) لمراقبة محامل الآلة الكهربائية فقط، وذلك مع تقارير حديثة جداً، بحيث تشير إلى إمكانات مشجعة لهذا التطبيق، ومع ذلك تركز هذه الدراسات بشكل كبير على مراقبة الإجهاد فقط، كما ويتم إجراؤها على محامل قائمة بذاتها، حيث يتم تنفيذ الاستشعار داخل غلاف المحمل وليس على هندسة المحمل الفعلية داخل كهرباء التشغيل آلة.

كما يفحص تطبيق الاستشعار في الموقع لبنية المحمل ولكنه لا يقدم معلومات عن تقنية التطبيق المستخدمة ولا التفسير الكامل للنتائج التي تم الحصول عليها، بحيث تتطلب تطبيقات استشعار (FBG) ذات المحامل الدوارة في تشغيل الآلات الكهربائية مزيداً من العمل لفهمها وتحسينها، وذلك مع التركيز بشكل خاص على استكشاف متطلبات التطبيق الفعال للاستشعار متعدد المواد أحادية النقطة لأغراض مراقبة الحالة.

أيضاً تعزز الدراسة الحديثة التي أجراها المختصون إمكانية استخدام استشعار (FBG)، وذلك لتحقيق مراقبة متعددة الفيزيائية في الموقع في نقطة واحدة من محمل آلة كهربائية صحية تعمل في ظروف اسمية، كما تستكشف هذا الطرح أيضاً تطبيق استشعار (FBG) في الموقع لمحامل مراقبة الحالة للآلات الكهربائية العاملة لتوفير تفاصيل كاملة عن المنهجية المصممة لاستخراج القياسات الفيزيائية المتعددة.

بحيث يكةون ذلك في وقت واحد وفحص تطبيق (FBG) متعدد الإرسال، علاوة على ذلك؛ فإنه تم إجراء دراسة تجريبية واسعة النطاق لتقييم أداء تقنية المراقبة المقترحة في آلة مدفوعة بالعاكس تعمل بدون محمل معيب ومعه (خطأ عنصر التدحرج التدريجي).

وكل ذلك يقع ضمن تحليل وفهم مؤشرات التشخيص الجديدة التي يوفرها في الموقع متعدد الاستشعار الفيزيائي والسلالة الديناميكية المحلية على وجه الخصوص وتحليل قابلية تطبيق السمات الفيزيائية المتعددة المستشعرة في الموقع لأغراض التشخيص بشكل عام وفي مواقع منفصلة.

تصميم تحمل الاختبار الخاص بالاستشعار الميكانيكي الحراري

يعتبر محمل الكرات المدروس بمثابة تصميم أخدود عميق ذو صف واحد (NSK-6202)، بحيث تم تركيبه في المصنع للاختبار التجاري، حيث أن مواصفات محرك الاختبار موضحة في الجدول التالي، كما يوضح الشكل التالي (1-A) هيكل وأبعاد المحمل التي تم فحصها.

كما يحتوي على ثماني كرات موضوعة بشكل موحد بين الحلقة الداخلية والحلقة الخارجية، حيث أن الحلقة الداخلية مثبتة على عمود الدوران وتدور مع هيكل الدوار بسرعة زاوية الدواران، كما أن الحلقة الخارجية مثبتة في الغطاء الطرفي للمحرك وتظل ثابتة أثناء التشغيل، بحيث يتم الحفاظ على التباعد المنتظم بين الكرات بواسطة قفص محمل يدور بسرعة دوران مماثلة لتلك الخاصة بالكرات.

وبشكل عام، تصنف أخطاء المحمل اعتماداً على موقعها في هيكل المحمل على النحو التالي:

• أخطاء السباق الخارجي.

• أعطال الطرف الداخلي.

• أعطال عنصر التدحرج.

• أعطال القفص.

ولغرض تقييم استخدام تصميم الاستشعار (FBG) لتشخيص خطأ المحمل المقترح في القسم التالي؛ فإنها تمت محاكاة خطأ عنصر متدحرج واحد (أي الكرة) بشكل تجريبي في هذا العمل، كما تم تحقيق ذلك من خلال تصنيع كرات صحية مفككة من محمل مماثل لإزالة (0.1) مم و (0.3) مم من أقطارها، وكما هو موضح في الشكل التالي (2-A-C)، بحيث سمح ذلك بمستويين منفصلين من خطأ عنصر التدحرج الفردي ليتم محاكاته تجريبياً عن طريق تركيب الكرات التالفة الفردية داخل محمل الاختبار.

يستكشف هذا الطرح تقنية جديدة لمراقبة حالة التحمل المعيب والآلة الكهربائية باستخدام مستشعرات ألياف بصرية متعددة الفيزيائية في الموقع، كما يتم إجراء التجارب على محامل (FBG) المجهزة بأداة (IM) مدفوعة بالعاكس، وذلك من خلال تضمين رؤوس استشعار على سطح الحلقة الخارجية لمحمل نهاية محرك الاختبار.

كما توضح النتائج أن المعلومات التشخيصية المفيدة حول كل من ظروف التشغيل الميكانيكية والحرارية المحمل يمكن استخلاصها في وقت واحد من رأس استشعار (FBG) واحد بناءً على المنهجية المقترحة، بما في ذلك التواقيع الواضحة لخطأ عنصر التدحرج التدريجي.

بحيث يتم تمكين التمايز بين التأثيرات الحرارية والميكانيكية من خلال المعايرة الحرارية الحصرية لجهاز الاستشعار في الموقع قبل تطبيقه أثناء الخدمة، بالاقتران مع الديناميكيات المختلفة إلى حد كبير لهذين المجالين في المحامل الدوارة، الملازمة للآلات الكهربائية الدوارة