Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н., Тарасов Е.В. Основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

191

Рисунок 7-34 – Амплитудно-частотный спектр виброускорения

корпуса насоса с лопаточными частотами

Вихреобразования в потоке возникают при изменении сечения трубопро-

вода, поворотах труб, прохождении потоком распределительной и регулирую-

щей арматуры, на кромках лопастей и приводят к случайным пульсациям дав-

ления.

Неоднородности потока в проточной части центробежных агрегатов (ча-

ще всего насосов и вентиляторов, реже - компрессоров, турбин) возникают от

неравномерности поля скоростей и давлений по шагу между лопастями рабоче-

го колеса. Спектральный состав пульсаций достаточно сложен и характеризует-

ся наличием гармоник оборотной и лопаточной частот, а также модуляцией ло-

паточных гармоник оборотной и другими гармониками.

Диагностические признаки гидродинамической неуравновешенности при

спектральном анализе совпадают с признаками дисбаланса ротора, однако силы

ее вызывающие существенно меньше, в силу чего на практике гидродинамиче-

ская неуравновешенность ротора обнаруживается крайне редко: только когда

ротор сбалансирован с высокой степенью точности. Измеряя фазу вибрации на

частоте вращения ротора относительно метки на валу можно определить де-

фектное место рабочего колеса (дефектную лопасть). В тоже время гидродина-

мическая неуравновешенность в отличие от механической создает на входе и

выходе рабочего колеса периодически пульсирующий поток (даже при отсутст-

вии кавитации), т.е. спектр огибающей высокочастотной случайной вибрации

может содержать составляющую на частоте вращения ротора, а глубина моду-

ляции высокочастотной вибрации может соответствовать общему вкладу гид-

родинамической неуравновешенности ротора.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

192

Кавитация возникает при местном понижении давления в тех областях,

где ее скорость достигает максимального значения, т.е. при обтекании тел или в

районе ядер вихрей. Вибрация при кавитации носит случайный характер, со-

ставляющие колебания лежат в области средних и высоких частот и могут быть

велики по значению. Обычно максимум широкополосной вибрации находится в

диапазоне 500...3000 Гц, который по мере развития кавитационного процесса

смещается в область низких частот. При совпадении собственных частот коле-

баний рабочих лопастей или деталей насоса с частотами возмущающих колеба-

ний, возникающих при кавитации, особенно при малых подачах, возможно по-

явление интенсивных автоколебаний лопаток и даже ротора, обвязки и корпу-

са).

Признаки ранней кавитации можно выявить, ориентируясь на анализ гар-

моник лопаточной частоты в амплитудно-частотном спектре виброускорения в

диапазоне частот до 3000 Гц (Рисунок 7-30, Рисунок 7-35).

Дефекты лопаток связаны обычно с неравномерным эксплуатационным

износом лопаток, при этом может появляться вибрация на частоте вращения

ротора и ее гармониках (вызываемая появившимся дисбалансом), лопаточных

частотах, которые могут быть модулированы оборотной частотой или иными

частотами при наличии прочих дефектов.

Анализ амплитудного спектра сигнала (Рисунок 7-34, Рисунок 7-35) сви-

детельствует о наличии явных диагностических признаков нарушений гидро-

динамики и пульсаций давления, в частности, присутствуют лопаточные гар-

моники в спектре сигнала. В данном случае наличие гармоник лопаточной час-

тоты свидетельствует о кавитации в форме срыва вихрей с лопаток рабочего

колеса.

Дефекты лопаток связаны обычно с неравномерным эксплуатационным

износом лопаток, при этом может появляться вибрация на частоте вращения

ротора и ее гармониках (вызываемая появившимся дисбалансом), лопаточных

частотах, которые могут быть модулированы оборотной частотой или иными

частотами при наличии других дефектов.

Анализ амплитудного спектра сигнала (Рисунок 7-34, Рисунок 7-35) сви-

детельствует о наличии явных диагностических признаков нарушений гидро-

динамики и пульсаций давления, в частности, присутствуют лопаточные гар-

моники в спектре сигнала. В данном случае наличие гармоник лопаточной час-

тоты свидетельствует о кавитации в форме срыва вихрей с лопаток рабочего

колеса.

При возникновении кавитации и других гидродинамических источников

среднеквадратическое значение виброускорения, измеренного на корпусе под-

шипника в горизонтальном направлении, вызванное ростом амплитуд лопаточ-

ных частот, может существенно превышать 15 м/с

в диапазоне частот

10…3000 Гц.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

193

Рисунок 7-35 - Амплитудно-частотный спектр виброускорения

корпуса насоса с лопаточными частотами

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

194

Таблица 7-3 - Формулы для расчета частот возбуждения колебаний

Частоты возбуждения колебаний гидравлических и пневматических источников вибраций

Причина вибрации Формула Обозначения

Лопастная частота и ее гармоники

ЛЛ

fkzf

=××

Частота изменения давления для ка-

ждой лопасти и ее гармоники

НН

fkzf

=××

Боковые состав

ляющие оборотной

частоты

ЛЛ

fkfmf

=×±×

Лопастная частота выходного на-

правляющего аппарата и его гармо-

ники

ЛНЛН

fkzzf

=×××

Частота пульсации давления за рабо-

чим колесом при кавитационном

срыве

(36)

Неравномерность потока пара в про-

точной части турбины

НПЛ

ffz

=×

Погрешности формы деталей при-

водной турбины

ГФ

=×

Неравномерность потока воздуха

(пара) в вентиляторе (турбине) при-

водного электродвигателя

НПВЛ

ffz

=×

–

число лопастей рабочего

колеса;

– число лопаток направ-

ляющего аппарата;

– частота вращения ротора;

k, m = 1, 2, 3…

Неуравновешенность:

вращающихся деталей центробежно-

го насоса, деталей воздуходувки и

погрешности, допущенные при их

изготовлении и сборке

ПД

fkf

=×

Отклонение в форме деталей, а также двойная жесткость ротора на изгиб

центробежного насоса, воздуходувки

ОФД

fkf

=××

Неравномерность потока жидкости:

в центробежном насосе, воздуходув-

ки

НПЖН

fzf

=×

–

число лопаток (зубцов,

вин

тов) рабочего колеса насоса

(воздуходувки)

Неравномерность подачи вин

товых

насосов или от трения скольжения

НП X В

ffzk

=××

–

число заходов винта или

число трущихся пар;

– число винтов

Кинематические погрешности в со-

пряжении винтов винтовых насосов

КПХВХ

ffzz

=××

ХВ

– число рабочих ходов вин-

та

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

195

8. Диагностирование агрегатов

8.1. Несоосность

Несоосностью (расцентровкой) называют состояние, при котором цен-

тральные оси соединенных валов не совпадают. Несоосность присутствует все-

гда и ее развитие (увеличение) часто служит причиной нарушения работоспо-

собности агрегатов. Если центральные оси несоосных валов остаются при этом

параллельными, то - имеет место параллельная несоосность. Если центральные

оси несоосных валов пересекаются в точке соединения, но не параллельны, то-

гда несоосность называется угловой. Почти все встречающиеся на практике не-

соосности машин являются комбинацией этих двух основных типов.

8.1.1. Причины несоосности

Несоосность обычно вызывается следующими причинами:

неточной сборкой составных частей (двигателей, насосов и т.п.);

относительным смещением составных частей после сборки;

деформацией податливых опор;

тепловым расширением конструкции машины;

неперпендикулярностью торцов муфты осям валов;

нежесткостью основания.

Несоосность приводит к следующим проблемам:

сильный износ и нагрев муфты;

растрескивание вала вследствие усталости, вызванной изгибом;

чрезмерное нагружение подшипников;

преждевременный выход из строя подшипников;

срез вала двигателя или машины.

8.1.2. Параллельная несоосность

Рисунок 8-1 – Маска спектра, направления векторов вибрации и схема

параллельной несоосности

Параллельная несоосность создает как поперечную силу, так и изгибаю-

щий момент на связанном конце каждого вала. На подшипниках с каждой сто-

роны муфты возникают высокие уровни вибрации на частоте

2 f , а также на

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

196

f в радиальном направлении, причем эти вибрации находятся в противофазе.

Чаще всего, компонента

2 f выше, чем

f . При чисто параллельной несоосно-

сти осевые вибрации на частотах

f и

2 f невелики, и также находятся в про-

тивофазе. Если скорость машины не является постоянной, то уровень вибрации,

вызванной дисбалансом, будет изменяться пропорционально квадрату скоро-

сти. В то же время, уровень вибрации, вызванной несоосностью, не изменяется.

8.1.3. Угловая несоосность

Рисунок 8-2 – Маска спектра, направления векторов вибрации и схема угловой

несоосности

При угловой несоосности на каждом валу возникает изгибающий момент.

Из-за этого создаются сильные осевые вибрации на частоте

f (а также некото-

рая вибрация на

2 f ) на обоих подшипниках, находящиеся в противофазе.

Кроме того, присутствуют достаточно сильные уровни радиальной и/или попе-

речной вибрации на

f и

2 f , которые имеет одинаковую фазу с двух сторон

муфты. Обычно для несоосных соединений характерны также достаточно вы-

сокие осевые

f - уровни на подшипниках на других концах валов.

8.1.4. Общая несоосность

Большинство случаев несоосности являются комбинацией двух описан-

ных выше типов, а их диагностирование основано на преобладании

2 f -пиков

над

f -пиками в радиальной вибрации, и на существовании сильных пиков

f , преобладающих над пиками

2 f в осевой вибрации. При этом следует убе-

диться, что высокие осевые уровни

f не вызваны дисбалансом консольных

роторов.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

197

8.1.5. Несоосность посадочного места подшипника

Рисунок 8-3 – Маска спектра вибрации и схема несоосности

посадочного места подшипника

Такая несоосность генерирует значительную вибрацию в осевом направ-

лении с одновременным изгибом в вертикальной и/или горизонтальной плоско-

сти. Аналогичный спектр возникает и на корпусе опоры (лапы) и подшипника.

Попытка устранить дефект выравниванием линии валов или балансировке ро-

тора не решают проблемы. Подшипник должен быть снят и установлен в пра-

вильное посадочное место.

8.1.6. Изгиб вала

Рисунок 8-4 – Маска спектра, направления векторов вибрации и схема измере-

ний при изгибе вала

Вибрация агрегата в случае изгиба вала схожа с характеристикой несоос-

ности, и их легко спутать. Изгиб вала электродвигателя обычно происходит из-

за неравномерного нагрева ротора с плохим стержнем и вызывает на обоих

подшипниках сильные осевые вибрации на частоте

f и

2 f , а также высокие

радиальные и поперечные составляющие

f . Компоненты

f на противопо-

ложных концах ротора будут иметь противоположные фазы.

8.1.7. Влияние типа муфты на вибрации при несоосности

Картина вибраций на двух контролируемых подшипниках, возникающая

при несоосности валов двух соединяемых механизмов (по подшипникам), зави-

сит от многих параметров, но в наибольшей степени зависит от типа и конст-

рукции соединительной муфты, ее технического состояния.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

198

Все многообразие применяемых на практике соединительных муфт, ис-

ходя из основных конструктивных особенностей (имеется в виду их влияния на

характер вибрации при расцентровке), можно свести в три основные группы:

- жесткие муфты;

- гибкие муфты;

- подвижные муфты с гистерезисом.

Жесткая муфта - это муфта, при помощи которой два разных вала объе-

диняются практически в единое целое. После сборки жестких муфт оси роторов

обязательно будут всегда принудительно совпадать. Несоосность, т. е. некор-

ректный монтаж "линии вала по подшипникам" при этом отсутствует. Она ска-

зывается только в изменении величины и направления усилий, действующих на

подшипники, деформирует "розу вибраций" в направлении некорректности в

монтаже подшипников.

При параллельной вертикальной несоосности происходит разгрузка опор,

расположенных ниже, противоположные же опоры через муфту при этом на-

гружаются. При угловой вертикальной несоосности происходит перераспреде-

ление усилий на ближние и дальние подшипники, если считать от полумуфты.

Если несоосность имеет горизонтальную ориентацию - то возникают соответ-

ствующие горизонтальные реакции.

Несоосность при жестких муфтах и подшипниках скольжения не создает

сама по себе возмущающих сил, не сказывается в спектре вибрации. Ее влияние

на вибрацию определяется изменением жесткости смазочного слоя опорных

подшипников вдоль зазора за счет изменения опорных реакций.

Результатом этого достаточно простого заключения являются большие

последствия - диагностировать несоосность валов, соединенных жесткой муф-

той, при помощи методов спектральной вибродиагностики достаточно трудно.

Если при монтаже муфты ремонтным службам удалось полностью исключить

дефект монтажа типа "колено", то провести диагностирование по спектрам

вибросигналов параллельную несоосность в жесткой муфте очень сложно. Если

"колено" в муфте хоть в малой степени присутствует, то диагностика возможна,

но будет диагностироваться не несоосность, а интегральный специфический

параметр, который можно условно определить как "произведение несоосности

на колено". Это происходит потому, что сам дефект типа "колено" приводит к

появлению в спектрах вибросигналов характерной картины и позволяет выяв-

лять несоосность. При отсутствии дефекта монтажа муфты типа "колено" диаг-

ностику несоосности в жесткой муфте можно все-таки выполнить, но при этом

ее следует производить другими, более специфическими методами вибродиаг-

ностики, например, при помощи применения для диагностики синхронных или

синхронизированных вибросигналов, регистрация которых является более

сложной, и требует более сложных приборов.

Примером гибкой муфты служит линзовая муфта, в которой валы соеди-

няются при помощи элемента специальной формы, напоминающего по форме

один элемент барометрической коробки. В спектре вибрации на подшипниках

вблизи такой муфты с несоосностью характерные спектральные признаки несо-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

199

осности видны почти в классическом проявлении, хотя и в несколько ослаблен-

ном, можно сказать, сглаженном виде. В радиальном направлении, в направле-

нии основной плоскости несоосности происходит общее увеличение вибрации,

особенно второй гармоники оборотной частоты. В осевом направлении сильно

вырастают вторая и третья гармоники.

В класс подвижных муфт с гистерезисом можно отнести те муфты, кото-

рые в пределах небольших взаимных смещений полумуфт (центруемых валов)

ведут себя как свободное соединение, а при больших смещениях - как жесткие

или гибкие муфты. Оси роторов таких муфт после сборки могут оставаться вза-

имно смещенными и вибрация при этом не будет большой, по крайней мере,

при смещениях валов на небольшую величину, не превышающую зону свобод-

ных перемещений (люфтов). К этому классу можно отнести зубчатые муфты,

разнообразные пальцевые и кулачковые, пружинные и т. д. Муфты с гистерези-

сом, то есть с небольшой подвижностью, компенсируют смещение валов при

несоосности в оборудовании, которая по своей величине не выходит из диапа-

зона допустимых смещений, и вибрация существенно не возрастает. В этом со-

стоит коренное отличие методов вибродиагностики несоосности от методов не-

посредственного контроля смещения валов, например, при помощи лазерных

центровщиков. В вибросигнале явные признаки несоосности появляются толь-

ко тогда, когда по своей величине несоосность превысит смещение, допустимое

для конструкции данной муфты. При использовании одновременно двух мето-

дов контроля качества центровки, например, по вибрации и при помощи лазер-

ного центровщика могут возникнуть сложности, связанные с трактовкой проти-

воречивых заключений. Например, лазерный центровщик может показать на-

личие несоосности, но при этом по вибрации она не будет диагностироваться.

Такое противоречие может иметь место в муфте с гистерезисом, когда смеще-

ние валов есть, но величина этого смещения валов меньше значения, допусти-

мого для данной муфты. Лазерный центровщик покажет истинное смещение

валов в неработающем агрегате, а вибрационные методы позволят сделать за-

ключение, что такая несоосность не сказывается на работе агрегата.

Заключения двух методов становятся одинаковыми в том случае, когда

смещение валов в зоне соединения превысит допустимые компенсационные

возможности муфты.

Рассмотрим предпосылки возникновения в вибрации расцентрованной

муфты с гистерезисом характерных гармоник, по которым проводится диагно-

стирование несоосности по спектрам вибросигналов. На картину "чистой несо-

осности", наблюдаемой при наличии жесткой муфты, будут накладываться ди-

намические удары в моменты "переключения внутреннего зазора в муфте", ко-

гда полумуфты будут перемещаться во взаимно противоположные направления

в диапазоне допустимого гистерезиса.

Такой характер ударов полумуфт друг о друга приводит к появлению во

временном вибросигнале колебаний, симметричных относительно оси времени,

т. е. появлению в спектре нечетных гармоник, наибольшее значение из кото-

рых, наряду с возросшей первой гармоникой, будет иметь третья гармоника.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

200

Пятую и седьмую можно наблюдать, но по своей величине они малы. Эти гар-

моники добавляются к первой гармонике оборотной частоты, имеющей место

практически всегда, и ко второй, которая всегда свойственна несоосности.

Четные гармоники оборотной частоты возникают обычно в моменты уда-

ров, а поскольку при несоосности на один оборот приходится обычно два уда-

ра, то преобладающей из четных гармоник является вторая гармоника. Появле-

ние второй гармоники в сигнале достаточно хорошо объясняется при помощи

анализа "розы вибраций", имеющей при несоосности два диаметрально проти-

воположных максимума. Такая картина распределения вибраций может быть

получена только при наложении вибраций двух гармоник, первой и второй, ко-

гда вторая гармоника модулирует первую. В итоге на суммарной вибрации по-

являются два пика.

В спектре вибрации при несоосности валов механизмов, соединенных

при помощи муфты с гистерезисом, часто происходит наложение гармоник от

двух различных причин повышенной вибрации - несоосности и "механического

ослабления". Под механическим ослаблением здесь следует понимать наличие

свободных зазоров в муфте, через пространство которых происходят постоян-

ные соударения полумуфт. Первопричиной соударений является несоосность.

Необходимо отметить, что наличие несоосности позволяет оценить со-

стояние соединительных муфт с гистерезисом, т. е. с небольшим зазором между

элементами полумуфт типа люфт. Удары, возникающие при несоосности, по-

зволяют оценивать изношенность муфты и целостность конструктивных эле-

ментов. Картина проявления дефектов зависит от типа муфты, она различна в

зубчатых, пальцевых, пружинных муфтах и т. д.

Наиболее наглядно несоосность показывает состояние зубчатой соедини-

тельной муфты, у которой из-за несоосности (первоначальной причины) про-

изошел значительный износ зубчатых пар, увеличились зазоры в зубчатых со-

единениях.

Обычно хорошо проявляются первые две гармоники оборотной часто-

ты, свойственные сдвиговой несоосности, несколько меньшая по величине

третья гармоника.

До восьмой гармоники, и даже более, до двенадцатой могут присутст-

вовать гармоники, свойственные механическому ослаблению. По амплиту-

де эти гармоники примерно в два раза меньше гармоник от несоосности.

Такая спектральная картина говорит о достаточно сильном развитии серь-

езного и опасного дефекта - износе зубчатого зацепления в муфте. Текущее

техническое состояние зубчатых пар не соответствует данному состоянию агре-

гата и его центровке. Если бы на спектре гармоники от ослабления почти

сравнялись бы с гармониками от несоосности, то можно было говорить о

почти полной деградации зубчатых пар в муфте.

В таких случаях следует или заменить муфту (её элементы), или добиться

идеальной центровки, исключающей сдвиговые усилия в муфте.