Виброакустическая диагностика технических объектов

На практике бывают случаи, когда ротор в подшипниках скольжения перед пуском принудительно смещают в ту или иную сторону в осевом направлении, например при помощи лома, и двигатель некоторое время хорошо работает. С течением времени, в процессе работы, ротор смещается обратно и осевые вибрации агрегата снова возрастают.

Для устранения осевой вибрации в насосных агрегатах необходимо корректно и комплексно выставлять при монтаже все три так называемых в практике «осевых разбега»: в насосе, в муфте и в двигателе.

5.3.7.2. Основные проблемы диагностики ротора

Прямого измерения уровня колебаний ротора провести невозможно. Колебания ротора передаются через подшипники, корпус статора, т.е. через «волнопровод». Это может искажать волновое состояние ротора. Тем не менее наработаны определенные приемы, позволяющие проводить диагностику работоспособности ротора по вибрационному сигналу. Основные проблемы, связанные с диагностированием технического состояния ротора и определением связи его частотных характеристик механических колебаний, вызванных электромагнитными силами из-за наиболее встречающихся дефектов, таких как: эксцентриситет внешней поверхности ротора, обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах, ослабление прессовки пакета стали статора в области зубца, неправильный монтаж активных пакетов и т.п. могут быть успешно решены с помощью вибродиагностики. Остановимся на некоторых причинах изменения электромагнитных сил ротора.

Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительно оси его вращения. На спектре вибросигнала этот дефект проявляется в усилении первой гармоники частоты вращения ротора. Усиливается частота действия электромагнитной силы, вокруг которой иногда появляются боковые гармоники, сдвинутые друг от друга на частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов.

Обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах «беличьей клетки» в асинхронном двигателе. Обычно проявляется вблизи частоты вращения вала ротора и всегда сопровождается появлением боковых полос, сдвинутых относительно гармоники частоты вращения ротора на интервал, равный произведению частоты скольжения на число полюсов двигателя.

Ослабление прессовки всего пакета стали ротора или только в об-

ласти зубцов. Сопровождается усилением второй гармоники питающей сети или, при ослаблении стали в области зубцов, появлением пазовой частоты ротора с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту, равную двойной питающей частоте.

Эксцентричный ротор. Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации электрических машин. При наличии эксцентриситета ротора в характере распределения электромагнитного поля в

211

зазоре двигателя возникает ряд особенностей. Плотность электромагнитного поля по окружности зазора изменяется вместе с вращением ротора и приводит, из-за переменного зазора, к неравномерности тягового усилия двигателя. При совпадении оси поля статора с зоной увеличенного зазора тяговое усилие несколько уменьшается, при этом возрастает величина частоты скольжения. При смещении оси поля в зону меньшего зазора тяговое усилие растет, частота скольжения падает. При числе пар полюсов статора (Р), большем единицы, такой процесс повторяется Р раз.

Нужны очень чувствительные приборы для измерения частоты вращения ротора. В интервале перемещения ротора от зоны с увеличенным зазором в сторону зоны с уменьшенным зазором ротор бы ускорился в своей частоте вращения на небольшое значение. На интервале перехода ротора обратно к зоне с увеличенным зазором ротор бы замедлился на то же значение. Признаки таких изменений скорости видны на спектре с большой разрешающей способностью (рис. 5.26).

Рис. 5.26. Спектр вибрации при эксцентриситете ротора

На спектре вибросигнала, вокруг основной частоты вращения ротора, должны появиться симметрично расположенные боковые пики, гармоники, напоминающие зубцы короны. Симметрия пиков относительно основной частоты достаточно хорошо понятна – это следствие мини-ускорений и замедлений частоты вращения ротора вокруг своего среднего значения.

Аналогичные зубцы, даже еще большей интенсивности, появляются и вокруг пика электромагнитной силы, на частоте, равной второй гармонике питающей сети. Необходимо пояснитьпричиныпроявления эксцентричности.

Вращение эксцентричного ротора модулирует проводимость зазора с удвоенной частотой. При числе пар полюсов, равном единице, частота вращения поля равна 50 Гц, удвоенная частота сети, частота электромагнитной вибрации равна 100 Гц. Эксцентричность ротора приводит к модуляции электромагнитной силы. При уменьшении числа пар полюсов частота вращения поля в зазоре уменьшится в Р раз. Переменный зазор ротора за один свой оборот будет модулировать электромагнитную силу в два раза больше частоты своего вращения, что как раз исоответствует частоте электромагнитной силы.

212

Эксцентричный ротор генерирует вокруг Fр и вокруг Fэ.м семейства гармоник, представляющих собой пики, сдвинутые на одинаковый шаг по частоте. Сдвиг между этими гармониками равен произведению частоты скольжения на число полюсов обмотки статора:

∆F = 2F1 P.

Причина такого шага между зубцами на спектре по частоте достаточно корректно объясняется. Частота скольжения есть разностная частота биений между частотой вращения поля и частотой вращения ротора. В течение одного оборота эксцентриситет ротора влияет 2Р раз на тяговое усилие двигателя, которое связано с частотой скольжения ротора. Сама частота скольжения F1 иногда видна на спектре на начальном участке, на самой низкой частоте. Она проявляется обычно в диапазоне от 0,3 до 2,0 Гц. Для ее регистрации нужен низкочастотный датчик.

Необходимо помнить, что во временном сигнале эксцентриситет ротора проявляется в виде пульсирующей вибрации, средняя частота которой располагается в диапазоне частот (или вблизи него) между Fэ.м и гармоникой оборотной частоты ротора, по частоте чуть меньшей, чем у электромагнитной силы (порядковый номер этой гармоники ротора равен удвоенному числу пар полюсов статора). Разделить эти гармоники на спектре можно только при его высоком разрешении.

Эксцентричность ротора обычно проявляется и в вертикальной, и в поперечной проекциях вибрации. Иногда ее удается обнаружить даже и в осевой проекции. Так бывает при наличии эксцентричности ротора не по всей его длине, а только в районе одного, если смотреть вдоль оси ротора, края пакета электротехнической стали.

Эксцентричность ротора часто носит нестационарный характер, когда

вспектре работающего двигателя имеется характерная картина, а практические измерения зазора не подтверждают диагноз. Причина здесь обычно

втермических процессах, когда по тем или иным причинам ротор несимметрично нагревается, изгибается и дает картину эксцентриситета.

После останова двигателя, в процессе его разборки для измерения зазора, температуры быстро выравниваются и диагноз не подтверждается. Часто так бывает при обрывах стержней или частичных «задеваниях» ротора о неподвижные элементы, когда ротор также начинает односторонне нагреваться.

Обрыв стержней ротора. Наиболее распространенной конструкцией ротора асинхронного двигателя является короткозамкнутый ротор с «беличьей клеткой». У такого ротора в пазы забиваются без изоляции медные, латунные стержни или они заливаются сплавом алюминия. Концы стержней объединяются короткозамыкающими кольцами из такого же материала. В про-

213

цессе работы по стержням протекает большой ток, они сильно нагреваются, особенно во время пуска. Частой причиной выхода из строя двигателя является отгорание стержней, приводящее к увеличению нагрузки на оставшиеся стержни, их перегреву, отгоранию и т. п. Процесс завершается «лавинообразным» выходом двигателя из строя.

Выявление начальных фаз зарождения процесса «отгорания» стержней «беличьей клетки» ротора является очень актуальной задачей и позволяет повысить надежность работы асинхронных двигателей с короткозамкнутой клеткой на роторе.

Рассмотрим особенности физических процессов в роторе, имеющем характерные особенности в спектре, свойственные хотя бы начальной стадии данного дефекта – отгорел один стержень.

Необходимо сразу же сказать, что спектр двигателя с отгоревшим стержнем во многом похож на спектр двигателя с эксцентричным ротором. На первый взгляд между этими дефектами мало общего, но при ближайшем рассмотрении можно выявить сходства.

Как и при эксцентричном роторе, отгоревший стержень приводит к модулированию тягового усилия двигателя. В момент прохождения зоны отгоревшего стержня мимо полюса тяговое усилие скачком уменьшится, ротор чуть-чуть замедлится. В это время под полюс подойдет зона бездефектного стержня, в нем за счет возросшего скольжения будет больший ток, тяговое усилие возрастет, ротор чуть ускорится. Эти мини-ускорения и минизамедления на спектре будут характеризоваться возникновением зубцов вокруг основной гармоники частоты вращения ротора. Такой спектр для двигателя с частотой вращения ротора 2920 об/мин показан на рис. 5.27.

Рис. 5.27. Спектр вибрации при наличии отгоревших стержней в «беличьей клетке»

214

Разделить эти две причины – эксцентриситет ротора и отгоревшие стержни «беличьей клетки» – возможно, но только при наличии хорошего спектроанализатора. Рассмотрим, как проявляются эти причины.

1.Характерная «корона» из зубцов вокруг пика электромагнитной частоты

Fэ.м проявляется по-разному: при эксцентриситете ротора она имеется во всех режимах, а при отгоревших стержнях появляется только при значительной нагрузке. При эксцентриситете ротора «корона» практически симметрична по величинам мини-пиков относительно центрального пика, а при отгоревшем стержне и под нагрузкой пик на меньшей частоте всегда меньше «зеркального» пика на большей частоте. Этот факт достаточно хорошо сообразуется с картиной физических процессов. Уменьшение скорости происходит при нормальном скольжении и нормальном токе в последнем «хорошем» стержне клетки. Ускорение происходит при увеличенном скольжении, большем токе в первом «хорошем» стержне, как результат– большая интенсивностьвибрации.

2.За счет колебательного «успокоения» ротора после прохождения дефектного стержня на спектре может возникнуть несколько гармоник частоты вращения ротора, и обычно все они окружены «коронами». В качестве численного ограничения степени проявления этого дефекта можно считать, что «короны» у исправного двигателя быть не должно. Если она появилась и под нагрузкой наибольший пик «короны» превысил 10 % от центрального пика – вероятность существования отгоревших стержней очень большая. Для контроля численного значения дефекта лучше использовать спектры с логарифмической шкалой по амплитуде. Если при этом пики «короны» будут меньше основного пика менее чем на 20 дБ, то дефект имеет место.

Дефекты зубцово-пазовой структуры. Такая неисправность не очень часто встречается в практике, но тем не менее ее можно описать и диагностировать.

Условно эту неисправность можно представить в виде ротора, у которого отсутствует один ферромагнитный зуб. Это приводит к тому, что мимо пазов статора перемещается магнитно-непериодический элемент, наводящий в обмотке статора импульсы, число которых за один оборот будет численно равно числу пазов на статоре. На спектре это будет представлено пиком на частоте, равной произведению частоты вращения ротораначисло пазов статора (рис. 5.28).

Дефектный зуб будет модулировать и электромагнитную силу статора. Это будет потому, что дважды за свой один оборот вращающееся поле «будет натыкаться» на дефект магнитной проводимости воздушного зазора двигателя, на «отсутствующий» зуб ротора. На спектре вблизи пика зубцовой частоты появятся два зеркально расположенных пика, сдвинутых относительно

своего «главного пика» на частоту электромагнитной силы Fэ.м, как уже неоднократно говорилось, равную удвоенной частоте питающей сети.

215

Рис. 5.28. Спектр вибрации при наличии дефектов зубцово-пазовой структуры

При наличии дефектов в зубцово-пазовой структуре статора может быть зарегистрирована вибрация с частотой, равной произведению числа пазов ротора на частоту вращения ротора, так как магнитный дефект статора будет перемещаться относительно ротора. Все остальное, включая возникновение «зеркальных» пиков вокруг пазовой частоты, останется неизменным.

Наиболее сложным для диагностики будет спектр при наличии магнитных дефектов на роторе и статоре одновременно, причем дефектов множественных. На спектре будут зубцовые частоты ротора и статора, будут частоты их биения, будут множественные «зеркальные» пики и т. д.

Положительным при этом будет то, что при таком дефекте обычно сильно падает тяговое усилие, возрастает потребляемый ток и двигатель очень быстро выходит из строя, обычно раньше, чем персоналу удается записать спектры и выявить множественный магнитный дефект методами вибродиагностики.

5.4. Методика диагностирования трубопроводов на динамические нагрузки

При движении жидкости (газа) по трубопроводам (газопроводам) и другим механическим объектам в потоке формируются гидродинамические источники акустического шума, что связано с условиями формирования потока, различными геометрическими переходами в сечении труб, их поворотами, трением в вязком потоке и т.п. Величины акустической интенсивности данных источников зависят от достаточно большого числа факторов: геометрических характеристик трубопровода (длина участка, площадь проходного сечения, углы и радиусы поворота и т.д.), термо- и газодинамических характеристик потока (скорости, градиентов скорости, давления, температуры и т.д.) [1].

216

Кроме того, в жидкостном (газовом) потоке имеются и первичные источники колебаний давления. Эти источники колебаний связаны с возникновением возмущений, вызываемых любыми нагнетательными аппаратами (насосами, турбинами, компрессорами идругими перекачивающими системами).

Гидродинамические источники иногда являются определяющими в спектрах вибрации большинства насосов. Так, у лопастных насосов гидродинамическими источниками вибрации являются: вихреобразование в потоке рабочей среды, неоднородность потока, турбулентные пульсации давления, воздушная и паровая кавитации. У шестеренных и поршневых насосов гидродинамическими источниками вибрации являются: пульсации давления в рабочих камерах, неравномерность давления во всасывающем и нагнетательном трактах, гидравлические удары, собственные колебания столбов жидкости в каналах гидроблока, вихреобразования при обтекании потоком жидкости местных сопротивлений внутри гидроблока, кавитационные явления, удары клапанов. К гидродинамическим источникам вибрации у винтовых и пластинчатых насосов в первую очередь можно отнести: вихреобразования и отрыв вихрей у стенок плохо обтекаемых деталей, турбулентные пульсации потока жидкости и гидродинамические пульсации, обусловленные их принципом действия.

Вихреобразование. При обтекании тела вязким потоком за ним образуются вихри. Они за счет энергии потока постепенно увеличиваются в размере и, по достижении определенной (критической) величины, отрываются от тела. При достаточно больших числах Рейнольдса (Re) вихри отрываются поочередно с двух сторон от тела и образуется регулярная вихревая дорожка Кармана. При отрыве вихря на теле возникает импульс силы, который приводит к образованию вибрации и шума. Рассмотренная схема образования вибрации и шума предполагает существование регулярной вихревой дорожки Кармана. Однако в действительности значения чисел Re в лопастных насосах больше вышеуказанных, и регулярной дорожки Кармана может не быть, кроме того, характерные скорости и размеры меняются от сечения к сечению лопасти. Поэтому спектр вибрации от вихреобразования в лопастном аппарате становится широкополосным.

Вихреобразования в потоке возникают при изменении сечения трубопровода, поворотах труб, прохождении потоком распределительной и регулирующей арматуры, на кромках лопастей и приводят к случайным пульсациям давления. Неоднородности потока в проточной части центробежных агрегатов (чаще всего насосов и вентиляторов, реже – компрессоров, турбин) возникают от неравномерности поля скоростей и давлений по шагу между лопастями рабочего колеса. Спектральный состав пульсаций достаточно сложен и характеризуется наличием гармоник оборотной и лопаточной частот, а также модуляцией лопаточных гармоник с оборотной частотой и других гармоник. Диагно-

217

стические признаки гидродинамической неуравновешенности при спектральном анализе совпадают с признаками дисбаланса ротора, однако силы, ее вызывающие, существенно меньше, в силу чего на практике гидродинамическая 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 дефектное место рабочего колеса (дефектную лопасть). В то же время гидродинамическая неуравновешенность в отличие от механической создает на входе и выходе рабочего колеса периодически пульсирующий поток (даже при отсутствии кавитации), т.е. спектр огибающей высокочастотной случайной вибрации может содержать составляющую на частоте вращения ротора, а глубина модуляции высокочастотной вибрации может соответствовать общему вкладу гидродинамической неуравновешенности ротора.

Неоднородность потока. Если перед рабочим колесом лопастного насоса имеется тело (направляющая лопатка, стойка подшипника и т. д.), вследствие вязкости жидкости за обтекаемым телом в потоке образуется кромочный лед, местные скорости в котором резко отличаются от средней скорости потока. При попадании лопасти колеса в кромочный след входная относительная скорость, равная векторной сумме абсолютной и окружной скоростей, изменяется по величине и по направлению, что влечет за собой изменение угла атаки. В момент резкого изменения угла атаки с лопасти сбегает вихрь. Этот вихрь инициирует циркуляцию вокруг профиля, которая согласно теореме Жуковского порождает на нем импульс силы. Последний возбуждает вибрацию лопасти и звуковой импульс в рабочей среде. Лопасть рабочего колеса при вращении регулярно набегает на неоднородность потока, вследствие чего возбуждаемые при этом вибрация и шум проявляются на лопастной частоте. Вибрация на этой частоте возникает также при взаимодействии неоднородного потока, выходящего из рабочего колеса, с лопастями сзади стоящего направляющего (спрямляющего) аппарата. Вибрация и шум насосов от неоднородности потока снижаются при увеличении зазора между лопастями рабочего колеса и неподвижными (статорными) лопатками, а также путем подбора рационального сочетания их чисел. При равномерной частотной характеристике корпуса насоса во всем диапазоне лопастных частот интенсивность вибрации и шума от неоднородности потока растет пропорционально окружной скорости в 4–6-й степени. В общем случае неоднородность потока возбуждает вибрацию в области частот от 5 f0 до 50 f0 или (1–4) fл. При этом вибросигнал содержит составляющие на частоте вращения ротора и ее гармониках, на лопаточной частоте (fл или BPF) и ее гармониках и на боковых частотах вокруг лопаточной частоты и ее гармониках и субгармониках. В частности:

218

1.Разброс газодинамических (гидродинамических) характеристик ло-

пастей, выражающийся в нарушении расчетной формы лопастей, может приводить к появлению составляющих на лопаточной частоте и ее модуляции гармониками оборотной частоты (fл ± kf0).

2.При динамическом эксцентриситете рабочего колеса относительно языка или направляющего аппарата на входе или выходе (в основном, при очень малых значениях зазора) также может появиться амплитудная модуляция лопаточной частоты fл и ее гармоник mfл оборотной частотой f0 и ее гар-

мониками kf0, т.е. составляющие mfл ±kf0.

3.Статический эксцентриситет в большинстве случаев не очень сильно влияет на общий уровень вибрации и существенно может проявляться лишь

вслучае малых зазоров между рабочим колесом иязыком спирали отвода.

4.При неравномерном эксплуатационном износе лопастей могут появ-

ляться f0 и ее гармоники kf0, лопаточные частоты mfл и их модуляционные составляющие ± kf0.

Турбулентность – явление, наблюдаемое во многих течениях жидкостей и газов и заключающееся в том, что в этих течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, вследствие чего их гидродинамические и термодинамические характеристики (скорость, температура, давление, плотность) испытывают хаотические флуктуации и потому изменяются от точки к точке и во времени нерегулярно. Этим турбулентные течения отличаются от так называемых ламинарных течений.

Благодаря большой интенсивности турбулентного перемешивания турбулентные течения обладают повышенной способностью к передаче количества движения (и потому к повышенному силовому воздействию на обтекаемые твердые тела), передаче тепла, ускоренному распространению химических реакций (в частности, горения), способности нести и передавать взвешенные частицы, рассеивать звуковые и электромагнитные волны и создавать флуктуации их амплитуд и фаз, а в случае электропроводной жидкости – генерировать флуктуирующее магнитное поле и т.д.

Турбулентность возникает вследствие гидродинамической неустойчивости ламинарного течения, которое теряет устойчивость и превращается

втурбулентное, когда так называемое число Рейнольдса превзойдет некото-

рое критическое значение Reкp. Возникновение турбулентности при обтекании твердых тел может проявляться не только в виде турбулизации пограничного слоя, но и в виде образования турбулентного следа за телом в результате отрыва пограничного слоя от его поверхности. Турбулизация пограничного слоя до точки отрыва приводит к резкому уменьшению полного коэффициента сопротивления тела. Турбулентность может возникнуть и вдали от твердых стенок, как при потере устойчивости поверхности разрыва скорости (например, образующейся при отрыве пограничного слоя или являющей-

219

ся границей затопленной струи или поверхностью разрыва плотности), так и при потере устойчивости распределения плотностей слоев жидкости в поле тяжести, т.е. при возникновении конвекции.

Турбулентное течение (от лат. turbulentus – бурный, беспорядочный) – форма течения жидкости или газа, при которой их элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или газа. Наиболее детально изучено турбулентное течение в трубах, каналах, пограничных слоях около обтекаемых жидкостью или газом твердых тел, а также так называемое свободное турбулентное течение – струи, следы за движущимися относительно жидкости или газа твердыми телами и зоны перемешивания между потоками разной скорости, не разделенными какими-либо твердыми стенками. Турбулентное течение отличается от соответствующих ламинарных течений как своей сложной внутренней структурой, так и распределением осредненной скорости по сечению потока и интегральными характеристиками – зависимостью средней по сечению или максимальной скорости, расхода, а также коэффициентасопротивления от числа Рейнольдса Re.

Ламинарное течение (от лат. lamina – пластинка) – упорядоченное течение жидкости или газа, при котором жидкость (газ) перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения. Ламинарное течение наблюдается или у очень вязких жидкостей, или при течениях, происходящих

сдостаточно малыми скоростями, а также при медленном обтекании жидкостью тел малых размеров. В частности, ламинарное течение имеет место в узких (капиллярных) трубках, в слое смазки в подшипниках, в тонком пограничном слое, который образуется вблизи поверхности тел при обтекании их жидкостью или газом, и др. С увеличением скорости движения данной жидкости ламинарное течение может в некоторый момент перейти в неупорядоченное турбулентное течение. При этом резко изменяется сила сопротивления движению. Режим течения жидкости характеризуется числом Рей-

нольдса (Re). Когда значение Re меньше некоторого критического числа Reкp, имеет место ламинарное течение жидкости; если Re > Reкp, режим течения может стать турбулентным. Значение Reкp зависит от вида рассматриваемого течения. Число Рейнольдса, один из критериев подобия для течений вязких жидкостей и газов, характеризует соотношение между инерционными силами и силами вязкости. Поток жидкости, движущейся вдоль поверхности твердого тела, при определенных числах Re становится турбулентным в пристеночном слое. Возникновение вибрации обтекаемого тела в этом случае связано

снепосредственным воздействием на поверхность тела пульсаций поля давлений, вызванных пульсацией скоростей турбулентного пограничного слоя. Величина квадрата среднеквадратичного давления, пропорциональная интенсивности вибрации, зависит от скорости потока в четвертой степени, т.е. ам-

220