Основы технической диагностики нефтегазового оборудования
..pdfшины, как правило, представляет собой совокупность гармонических и случайных составляющих, что осложняет его обработку и анализ.
Для стационарных случайных сигналов также можно использо вать спектральное представление. Только в этом случае используется не разложение в ряд Фурье, как для периодических сигналов, а инте гральное преобразование Фурье
S (l) = ^ J y(w)ejwldw,
где \|/(w) — спектральная плотность, характеризующая распределение энергии по частоте.
Пример временной развертки реального вибрационного сигнала, содержащего гармонические и случайные составляющие, приведен на рис. 2.3 [15].
Сложные полигармонические и гармонические колебания удоб но представлять в виде среднеквадратических значений (СКЗ) виб роперемещения Se, виброскорости veи виброускорения ае.
СКЗ параметра вибрации хе = Sei ve, aei определяется по формуле
хе
где Т — временной интервал, на котором определяется СКЗ; t — время.
Важным параметром является так называемый пик-фактор К — амплитудный коэффициент, значение которого тем больше, чем больше выражен импульсный или случайный характер колебаний:
К —хmax
Для гармонических колебаний К = л/2, при этом среднее значе ние параметра гармонической вибрации
х€
4 г'
Виброскорость соответствует линейной скорости движения центра масс физического тела в заданном направлении. СКЗ виб роскорости определяет импульс силы и кинетическую энергию (£к = mv2/ 2) и поэтому исследуется при изучении эффективности вибрационных машин, а также воздействия вибрации на организм человека.
Виброускорение является мерой изменения виброскорости во времени и силовой характеристикой вибрации. По второму закону
Случайные составляющие
25600 /, Гц
Рис. 2.3. Временная развертка реального сигнала (а) и его спектр (б)
Ньютона произведение массы на ускорение равно силе. То есть сила, действующая на массу, вызывает ее ускорение в направлении своего действия, при этом скорость, а тем более величина перемещения за висят от времени действия силы в данном направлении. С увеличе нием частоты / период действия силы уменьшается, соответственно уменьшается виброскорость и, тем более, виброперемещение. По этому виброускорение целесообразно измерять на высоких частотах, так как его амплитуда пропорциональна квадрату угловой частоты w2= (2л/)2.
Виброперемещение представляет интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение объекта или его дефор мацию. Виброперемещение при одной и той же мощности уменьша ется с ростом w. Поэтому в низкочастотном диапазоне чаще измеря ют параметры виброперемещения и виброскорости, в среднечастот-
32
ном — виброскорости, а в высокочастотном — виброускорения. Однако такое деление является условным, так как современные мик ропроцессорные приборы позволяют легко пересчитывать вибропе ремещение в виброскорость или виброускорение и наоборот.
Вибрация машин может иметь широкий спектр частот от не скольких герц до сотен килогерц. На основе результатов только ши рокополосных измерений нельзя выявить появление и развитие со ответствующего дефекта до того, как увеличивающаяся амплитуда определенной гармоники достигнет величины, способной заметно изменить общий уровень вибрации. Поэтому для удобства измере ния и анализа весь частотный диапазон вибрации делят на полосы. Для реализации возможности узкополосного анализа применяют ап паратурный или алгоритмический (на основе быстрого преобразова ния Фурье) методы.
При использовании аппаратурного метода из всего частотного диапазона с помощью соответствующих фильтров выделяют полосы частот с относительно постоянной шириной. Применяют декадные, октавные и третьоктавные полосы частот. Верхняя и нижняя грани ца декадных полос отличается в 10 раз, октавных — в 2 раза, третьоктавных — в 1,26 раза. При разделении частотного диапазона на поло сы результаты измерения относят к среднегеометрическим частотам /, которые для октавных полос находят из выражения
/ = Хл = &7J-
Графическое представление среднеквадратического значения па раметра Ьибрации в октавных или третьоктавных полосах частот на зывается соответственно октавным или третьоктавным спектром вибрации, изображенным в виде столбчатой гистограммы.
Иногда ширину диапазона измеряют в процентах от частоты се редины диапазона. Используют узкополосные спектры с шириной диапазона 1,5; 3; 6 %.
Для выполнения спектрального анализа на основе алгоритмиче ского метода применяют цифровые виброанализаторы, использую щие быстрое преобразование Фурье (БПФ). БПФ работает с выбор ками сигнала, равными по длине 2", где п — целое число, принимае мое равным 9...11, т. е. длина выборок равна 512...2048 отсчетам. Все составляющие вибросигнала, попадающие в выборку, приводятся к некоторому среднему значению, отражаемому на спектре.
Преимуществом анализа в полосах частот с относительно посто янной шириной является возможность представления на одном гра фике широкого частотного диапазона с достаточно узким разреше нием на низких частотах. Разрешение в области высоких частот ухудшается при этом с повышением частоты. При использовании БПФ-анализаторов весь частотный диапазон разбивается на полосы с постоянной абсолютной шириной. При этом частотное разрешение постоянно во всем диапазоне.
3 - 6245 |
33 |
Линейными единицами измерения виброперемещения, вибро скорости и виброускорения в системе СИ соответственно являются м, м/с и м/с2.
Параметры вибрации могут изменяться в большом диапазоне (на несколько порядков), поэтому для характеристики их уровня пользу ются в основном логарифмической шкалой. Логарифмический уро вень параметра вибрации, выраженный в децибелах, определяется по формуле
4 = 201g(x/xnop),
где хпор — пороговое значение соответствующего параметра.
В соответствии с ИСО-1683 используются следующие пороговые значения механических колебаний:
4„р - Ю-12 м; vnop~ 10-’ м/с; апор - КГ6 м/с?.
Перечисленные пороговые величины приняты по ИСО-1683 та ким образом, что числовые значения уровней виброперемещения, виброскорости и виброускорения механических колебаний с сину соидальной формой волны и угловой скоростью щ = Ю00 с"1равны друг другу.
Таким образом, абсолютные значения S, v и а выражают в деци белах относительно их стандартного порогового значения. При срав нении значений механических колебаний достаточно показать лишь разность соответствующих уровней х{и х2в децибелах. Пример пере вода децибел в относительные безразмерные единицы приведен в табл. 9.2.
При выражении вибропараметров в линейных единицах измере ний их размерность определяется масштабами соответствующих па раметров. Для большинства машинных агрегатов амплитуда вибро перемещений составляет величины порядка десятков микрон, а виб роскорости — порядка десятков миллиметров в секунду (см., например, табл. 2.1). Поэтому при выражении виброцараметров в линейных единицах виброперемещение принято измерять в микро нах (мкм), виброскорость — в мм/с, а виброускорение — в м/с2.
2.2. Средства контроля и обработки вибросигналов
Приборно-измерительные комплексы и аппаратура, применяе мые для контроля и обработки вибросигналов, оТличакугся разнооб разием конструктивного исполнения и функциональными возмож ностями. Общими для всех видов аппаратуры является наличие из мерительных преобразователей (ИП) для фиксации параметров вибросигналов, электронных блоков регистраций и обработки виб рационных сигналов и средств коммутации датчиков с электронны-
34
ми блоками. Аппаратура выпускается как одно-, так и многоканаль ная, стационарная и переносная. Современные переносные приборы выпускаются, как правило, одноканальными и по функциональным возможностям делятся на два класса: приборы-сборщики вибросиг налов, позволяющие измерять общий уровень вибрации, записывать, хранить и передавать информацию на компьютер для ее последую щей обработки и анализа; приборы, называемые сборщиками-анали заторами, позволяющие дополнительно выполнить анализ формы вибросигнала, его частотный и спектральный анализ с помощью бы строго преобразования Фурье.
Стационарная аппаратура включает базовый компьютер, соеди ненный линиями связи с ИП, средствами усиления сигналов и пре образования их в цифровую форму. Неотъемлемой частью современ ных систем вибродиагностики и мониторинга является программное обеспечение для компьютера. Программное обеспечение отличается уровнем сложности и перечнем решаемых задач: сбор, хранение, обработка и анализ Информации, выявление и идентификация де фектов, выдача долгосрочного прогноза технического состояния оборудования и др. Самыми сложными являются программы авто матической диагностики, позволяющие наряду с автоматической по становкой диагноза И выдачей прогноза технического состояния оборудования формировать рекомендации по его обслуживанию и ремонту.
Стационарная аппаратура обычно изготовляется многоканаль ной, позволяющей ве^ти контроль одновременно в ряде характерных точек контролируемого объекта. Для роторных машин большой еди ничной мощности параллельный многоканальный контроль пара метров вибрации в разных (двух-трех) направлениях является обяза тельным, так как позволяет определить орбиту движения вала в под шипнике (прецессию) и взаимный анализ одновременных спектров. Кроме того, любая система вибрационной диагностики включает в себя датчик оборотов (чаще всего вихретоновый), подключаемый к цифровому входу виброанализатора.
При контроле параметров вибрации используют два метода изме рения: кинематически и динамический.
Кинематический Метод заключается в том, что измеряют коорди наты точек объекта Относительно выбранной неподвижной системы координат. ИП, основанные на этом методе измерения, называют преобразователями оросительной вибрации.
Динамический ме^од основан на том, что параметры вибрации измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсче та. Такие ИП назыв^от преобразователями абсолютной вибрации. Системы измерения Вибрации, использующие в качестве искусст венной неподвижной системы отсчета инерционный элемент, свя занный с объектом *^рез упругий подвес, называют сейсмическими системами.
ИП бывают контактными и бесконтактными, основанными на разных физических Млениях. По принципу работы ИП абсолютной
вибрации разделяют на генераторные и параметрические. Генератор ные ИП осуществляют прямое преобразование механической энер гии в электрический сигнал. К ним относят пьезоэлектрические, индукционные и др. Источник энергии им не нужен. В параметриче ских ИП, в отличие от генераторных, происходит изменение соот ветствующих электрических параметров (сопротивления, емкости, напряжения, индуктивности) под воздействием механических вибра ционных колебаний. К параметрическим ИП относят тензорезисторные, емкостные, датчики Холла, индуктивные и др. Параметриче ским ИП требуется вспомогательный источник энергии.
Для измерения абсолютной вибрации наибольшее распростране ние нашли генераторные пьезоэлектрические ИП, обладающие вы сокой надежностью, большим частотным диапазоном и простым конструктивным исполнением (принцип действия пьезоэлементов рассмотрен в 9.4). Для измерения относительной вибрации, напри мер при определении формы орбиты вала в подшипнике скольже ния, обычно используются вихретоковые ИП. Перечисленные выше ИП являются контактными и требуют закрепления на исследуемом объекте. При контроле вибрации в труднодоступных местах, в усло виях высоких температур, агрессивных сред, повышенной радиации и других специальных условиях могут применяться бесконтактные измерители относительной вибрации. Чаще применяются лазерные бесконтактные ИП.
Наряду с конструктивными особенностями и местом установки на результаты измерений существенное влияние оказывает способ крепления контактных ИП на контролируемом объекте. Соединение ИП с колеблющейся поверхностью имеет определенную упругость, которая, обладая способностью демпфировать энергию колебаний, изменяет уровень и частотный состав вибрации. Поэтому особенно сти крепления и места установки ИП особо оговариваются в методи ках вибродиагностики соответствующих объектов.
Измерения проводят в контрольных точках На элементах маши ны, которые в максимальной степени реагируют на динамическое состояние, т.е. в которых регистрируемый вибрационный сигнал имеет наибольшую величину. Как правило, такими элементами яв ляются корпуса подшипников. Полную оценку вибрационного со стояния крупных агрегатов получают путем измерения вибропара метров в трех взаимно перпендикулярных направлениях (вертикаль ном, горизонтальном и осевом). Такую оценку обычно производят в период приемочных испытаний и после динамической балансировки машины. В период эксплуатации чаще ограничиваются измерениями в одном или двух направлениях.
При проведении диагностики необходимо Учитывать особенно сти каждого вида оборудования, обусловленные их виброактивно стью. Ниже рассматриваются основные особенности виброакгивности и вибродиагностические признаки наибоЛее общих элементов оборудования.
2.3. Виброактивность роторов
Ротором называется звено, совершающее вращательное движение. Все машины, имеющие роторы, можно разделить на две группы:
• машины с конструктивно неуравновешенными движущимися частями (поршневые компрессоры, поршневые насосы, качалки
идр.);
•машины с номинально уравновешенными движущимися час
тями.
Ко второй группе относится большинство роторных машин. Вместе с тем полностью уравновешенных роторов не бывает.
Для снижения вибрации роторы при их изготовлении стремятся максимально сбалансировать, но из-за неточности изготовления и сборки, неоднородности материала, деформации деталей ротора под нагрузкой и при асимметрии теплового поля, износа подшипнико вых узлов всякий ротор имеет некоторую неуравновешенность. Не уравновешенность роторов является главной причиной вибрации ро торных машин.
При эксплуатации оборудования силы и моменты сил инерции от неуравновешенности ротора возрастают, так как к остаточным дисбалансам в плоскостях опор после балансировки добавляются технологические и эксплуатационные дисбалансы. Это приводит к необходимости балансировать роторы не только при их изготовле нии, но также и в процессе ремонта и виброналадки на предприяти ях, эксплуатирующих роторные машины. Так, например, ротор цен тробежного насоса, предварительно уравновешенный на балансиро вочном станке, в процессе работы насоса может оказаться по ряду причин гидродинамически неуравновешенным: в частности, из-за различия межлопастных объемов при заполнении их технологиче ской жидкостью.
В общем случае дисбалансы роторов в условиях эксплуатации складываются из трех составляющих:
Ц = |
+IA, МД], |
где 7)р — дисбаланс ротора при установившейся рабочей скорости машины; D0CT— дисбаланс ротора после его балансировки на балан сировочном станке (остаточный дисбаланс); ^ DTl — сумма техно
логических дисбалансов, возникающих при присоединении допол нительных элементов к ротору после его уравновешивания (напри
мер, зубчатой передачи); |
А,, — эксплуатационные дисбалансы, |
дополнительно возникающие в процессе работы; [D] — предельно допустимый эксплуатационный дисбаланс.
J ( Во время вращения неуравновешенность вызывает переменны нагрузки на опорах ротора и его динамический прогиб. Существую два основных типа неуравновешенности — статическая и моментная.
ш |
Ц.М ., |
Рис. 2.4. Типы неуравновешенности |
|
• 1 1 |
роторов: |
• |
а — статическая; б — моментная; |
|
|
а |
в — динамическая |
|
|
Их различают по взаимному расположению оси вращения и оси инерции ротора А. При статической неуравновешенности ротора (рис. 2.4, а) его ось вращени^иглавная центральная ось инерции В параллельны, но находятся на некотором расстоянии ест друг от дру га. При моментной неуравновешенности (рис. 2.4, б^оси пересека ются в центре масс ротора, поэтому момеЯтная неуравновешенность не обнаруживается при статической балансировке. Наиболее общий случай, когда на роторе одновременно присутствует статическая и моментная неуравновешенности, называется динамической неурав новешенностью (рис. 2.4, в). При динамической неуравновешенно сти оси инерции и вращения непараллельны и пересекаются или пе рекрещиваются не в центре масс. Вклад от того или иного типа не уравновешенности определяется следующим правилом: полусумма составляющей вибрации в опорах на частоте вращения ротора опре деляет вклад от статической неуравновешенности, а полуразность — от моментной.
В зависимости от величины неуравновешенной силы инерции Fw возникающей при нормальной работе, машины делятся на четыре ка тегории: малой динамичности, средней, большой и очень большой.
Под действием силы FHротор в процессе вращения дополнитель но получает динамический прогиб у. Закономерность изменения прогиба у рассмотрим на примере идеализированного одномассового ротора с одной степенью свободы в виде невесомого вала с массив ным диском, расположенным посередине между подшипниковыми опорами (рис. 2.5, а). Центробежная сила инерции FK, действующая на такой ротор, уравновешивается силой его упругости F^ р:
т(о2(у + ест) = су,
где т —- масса вращающегося ротора; со — частота вращения ротора; ест — смещение оси инерции ротора (центра масс) относительно оси его вращения; с — коэффициент жесткости ротора.
Рис. 2.5. Амплитудно-частотная ха рактеристика однодискового неу равновешенного ротора с различ ным демпфированием:
а— схема ротора; б — амплитудночастотная характеристика
Отсюда
/тко 2ест
у= ------ V
С- /72(0
Разделив числитель и знаменатель этого выражения на m и при няв с/m = со2р, получим
со2ест
где сокр = д/с/т — критическая (резонансная) частота вращения
идеализированного ротора, при которой его динамический прогиб становится значительным (теоретически бесконечным) и может при вести к разрушению ротора.
Из анализа последнего выражения следует, что при превышении частотой вращения ротора со ее критического значения сокр динами ческий прогиб вала уменьшается и его центр масс все больше при ближается к оси вращения ротора, т. е. ротор при этом самоцентрируется. Описанное явление широко используется в технике. При этом считается, что относительный прогиб у/ест близок к допус тимому, если удовлетворяются следующие условия: жесткий ротор — со < 0,7 ш,ф; гибкий ротор — со > 1,3 сокр.
Реальные роторы представляют собой, как правило, многомассо вые системы, связанные между собой и основанием упругими эле ментами со многими степенями свободы. К жестким роторам приня то относить роторы, у которых со < сокр, у гибких роторов со > 0,4сокр.
Кроме того, реальные конструкции обладают свойством демпфиро вания (рассеяние энергии) колебаний.
На рис. 2.5, б в качестве примера приведены амплитудно-частот ная характеристика однодискового неуравновешенного ротора с раз личным демпфированием [18]. Амплитуда колебаний ротора резко возрастает при снижении степени демпфирования (при уменьшении логарифмического декремента затухания Л). Затухание определяется величиной сил внутреннего трения в материале, сопротивлением в соединениях либо специальным демпфером.
Реальные конструкции роторов, имея распределенные массу и жесткость, могут иметь множество резонансных частот, характери зующихся собственной формой колебаний конструкции. Эти формы представляют собой плоские кривые, вращающиеся вокруг оси рото ра. Так, формы колебаний вала равного сечения на абсолютно жест ких опорах на критических скоростях выглядят в виде синусоид со ответственно с одной, двумя, тремя и т.д. полуволнами [18].
Помимо дисбаланса наиболее часто встречающимися дефектами технологических роторных машин, определяющими их виброакгивность, являются: погрешности монтажа соединенных с ротором ва лов, механическое ослабление крепления элементов роторных ма шин (люфт), дефекты фундамента, повреждение подшипников каче ния и скольжения, изгиб роторного вала и др.
Для электрических роторных машин причинами повышенной виброактивности дополнительно являются дефекты электромагнитной системы и качество питающей электрической сети. Наличие и «вклад» таких причин определяются по скачкообразному изменению общего уровня вибрации при отключении электрической машины от сети.
Интегральной характеристикой технического состояния техноло гических роторных машин, диагностическим признаком ряда дефек тов, возникающих при монтаже и эксплуатации, является оборотная (роторная) вибрация. Оборотной называется вибрация с частотой, равной частоте вращения ротора. Оборотная гармоническая состав ляющая вибрации в роторных машинах является преобладающей.
Вибрация ротора передается на подшипники и может быть обна ружена в любой их точке. Измерение вибропараметров (амплитудно го или пикового значений виброперемещений и (или) среднего квад ратического значения виброскоростей в октавных полосах частот корпусов подшипниковых узлов) производится в трех взаимно пер пендикулярных направлениях. Измеренные параметры сопоставля ются^ допустимыми значениями.
' Допустимый уровень вибрации для машин разных классов по ГОСТ ИСО 10816-4—99 приведен в табл. 2.1. В качестве основного вибропараметра по ГОСТ ИСО 10816-4—99 принято среднеквадрати ческое значение виброскорости, поскольку этот параметр наиболее полно характеризует энергию колебательного процесса. Максималь ное значение виброскорости, называемое чаще интенсивностью виб рации, является показателем опасности вибрации. Если виброско рость превышает допустимое значение, то следует идентифициро вать дефект с целью его устранения.