Вибродиагностика машин и механизмов. Учебное пособие

12.ВИБРОДИАГНОСТИКА НАСОСОВ

Впромышленности используются самые разнообразные насосы: центробежные, осевые, вихревые – это так называемые лопастные насосы. Существуют объемные насосы: поршневые, винтовые, шестеренчатые и струйные насосы. Их вибрацию вызывают колебательные силы механического и гидродинамического происхождения. Формирование этих сил в значительной мере определяет техническое состояние как отдельных узлов, так и насосов в целом.

На вибрацию лопастных насосов влияют источники колебательных сил механического и гидравлического происхождения. Определенную информацию о состоянии рабочих колес можно получить, измеряя пульсации давления в перекачиваемой жидкости или вибрацию стенок насоса и трубопроводов. В вибродиагностике насосов чаще используют методы, основанные на анализе вибрации, а не гидродинамических шумов.

Вибрация объемных насосов в наибольшей степени определяется механическими причинами, поэтому у таких насосов в первую очередь контролируют состояние механических узлов.

Вибрация струйных насосов вызывается силами гидродинамического происхождения. Однако эти силы в существенной степени зависят от конструктивных особенностей насосов, но единого подхода

квибродиагностике струйных насосов пока не существует. Основными гидродинамическими источниками вибрации в лопа-

стных насосах являются: вихреобразование при обтекании потоком различных элементов насоса, неоднородность потока, турбулентные пульсации давления в потоке, а также газовая и паровая кавитация жидкости.

Причина вихреобразования заключается в срыве вихрей с лопаток. Срыв вихрей может быть регулярным, тогда пульсации давления в

101

жидкости имеют узкий частотный диапазон и по форме напоминают резонансные колебания, возбуждаемые широкополосным шумом.

На практике обтекание лопастей рабочего колеса существенно различается как у различных лопаток, так и при различных пространственных координатах, поэтому вибрация насосов является широкополосным случайным процессом.

Причиной неоднородности потока могут быть кромочные следы при обтекании неподвижных частей насоса, в том числе направляющего аппарата.

Лопасти рабочего колеса, взаимодействуя с неоднородным потоком, испытывают импульсные нагрузки, что приводит к вибрации

насоса на лопастных частотах: f = 2 fвр .

Уровни гидродинамического шума и вибраций корпуса насоса на лопастных частотах из-за неоднородности потока пропорциональны 2 3 степени окружной скорости лопаток.

Турбулентные пульсации давления возникают в пристеночном слое потока из-за высокого градиента скоростей. Результирующий гидродинамический шум и возбуждаемая им вибрация стенок насоса или трубопровода являются случайным стационарным процессом. Большого вклада в шум пристеночные пульсации не дают, однако их вклад в высокочастотную вибрацию стенок весьма велик. Амплитуда и фаза давления у стенок случайны, поэтому интегрирование по поверхности дает нулевой результат. Измерить такой псевдошум можно только миниатюрными датчиками. Кавитация жидкости возникает только в зонах повышенной скорости потока. Кавитация имеет две основные оставляющие: газовую и паровую, когда происходит гидравлический удар. В первом случае возникают широкополосные пульсации в частотном диапазоне от 1…10 кГц, во втором – в диапазоне 5…50 кГц.

Кроме указанных причин возникновения гидродинамического шума и возбуждаемой им вибрации, в лопастных насосах могут быть и другие источники вибрации. Так, например, лопатки насосов, особенно осевых, могут возбуждаться в потоке на резонансных частотах в полосе от 500 до 2000 Гц. При таком возбуждении отдельные лопасти начинают «петь» на определенной частоте, которая определяется их техническим состоянием и конструктивными особенностями.

Довольно часто насосы имеют гидродинамическую неуравнове-

шенность, которая определяется радиальной несимметрией нагрузок.

102

Гидродинамическая неуравновешенность может возникать и из-за дефектов отдельных лопастей, и из-за износа подшипников.

В результате на частоте вращения растет вибрация насоса. Несимметрия нагрузок на разных лопастях насоса приводит и к

другому эффекту – пульсациям давления жидкости с частотой вращения рабочего колеса. Кроме того, нагрузка на рабочее колесо насоса со стороны приводного двигателя включает в себя не постоянный, а пульсирующий момент. Последние также являются источниками пульсаций скорости и давления на выходе насоса.

Основная особенность гидродинамического шума объемных насосов определяется импульсной подачей жидкости в выходной трубопровод, которая сопровождается гидравлическими ударами. Спектр пульсаций жидкости в направлении потока имеет много гармоник, кратных частоте ударов. Поэтому в выходном канале могут появляться резонансные колебания. Эти колебания возбуждают вибрацию насоса и трубопроводов, которая в некоторых случаях может быть больше составляющих вибрации другой природы.

На результативность мониторинга вибрации насоса влияет место выбора точек и направлений измерений. В соответствии с действующими стандартами измерения вибрации проводят на подшипниках в трех направлениях. Но для диагностики может использоваться только одно – вертикальное. Кроме измерений на опорах подшипников для раннего обнаружения дефектов рабочих колес рекомендуется проводить измерения на корпусе насоса в месте максимальной скорости. А для более глубокого анализа измерения надо проводить на корпусе входного и выходного патрубка (рис. 11.1).

Зона колеса Вход патрубка

Рис. 11.1

103

Диагностика насосов со встроенными в корпус подшипниками очень усложнена.

Особенность осевых насосов в том, что диагностика подшипников, встроенных в корпус или в трубопровод, возможна только при стационарной установке виброметра на подшипниковый узел.

Основной диагностической задачей вибромониторинга насосов является определение причин роста низкочастотной вибрации до 1000 Гц в случае ее обнаружения.

Эксплуатационные дефекты рабочего колеса и проточной части возникают из-за гидродинамической неуравновешенности рабочего колеса, появления кавитации.

Кроме того, из-за износа подшипников могут возникать автоколебания ротора с рабочим колесом.

Наиболее сложно обнаруживается гидродинамическая неуравновешенность ротора, которая увеличивает уровень вибрации ротора на частоте вращения.

Признаками ее обнаружения являются:

рост уровня вибрации насоса на частоте вращения с повышением давления;

появление признаков дефекта на одной из лопаток рабочего колеса;

появление в выходном трубопроводе пульсаций давления и скорости потока с частотой вращении ротора.

Рост вибрации насоса на частоте вращения может быть вызван также дефектами соединительных муфт или приводного двигателя. Признаком гидродинамической неуравновешенности может быть также рост вибраций на частоте вращения, а не на ее гармониках.

Признаки дефектов лопастей проявляются, во-первых, в амплитудной модуляции лопастной составляющей вибрации на частоте вращения рабочего колеса fвр, а во-вторых, в росте гармонических составляющих на частоте kfвр.

При отсутствии кавитации перекачиваемой жидкости оценить гидродинамическую неуравновешенность колеса лучше всего по величине пульсаций давления на входе насоса. Простейшим способом измерения скорости пульсаций можно считать анализ спектра огибающей высокочастотной вибрации.

104

Рис. 11.2

Рост вибрации насоса на лопастных частотах чаще всего есть следствие неоднородности потока на входе рабочего колеса. Причиной неуравновешенности потока является наличие неподвижных элементов на входе насоса, например направляющих лопаток. На неоднородность потока влияет также наличие зоны кавитации. Одной из причин неоднородности потока является малый зазор между стенкой и лопастью насоса. Другая причина – износ на внутренней стенке насоса.

Как правило, зона локальной кавитации меняет свои размеры на входе и выходе из нее лопасти рабочего колеса, и для каждой лопасти колеса эти зоны индивидуальны.

Кроме диагностики насосов в процессе эксплуатации проводят анализ вибрации в рамках контроля при монтаже насосов. Цель этих измерений – обнаружение перегрузки подшипников в результате статической или динамической несоосности валов, смещения валов или перекосов подшипников.

Не менее важной задачей является обнаружение очагов кавитации в насосе. Для этого измеряют спектры огибающей высокочастотной вибрации в трех точках: на входном трубопроводе, корпусе насоса и выходном трубопроводе. Контроль за очагами кавитации позволяет наиболее эффективно управлять работой насоса.

В режиме обычной диагностики в лопастных насосах чаще всего наблюдают за появлением и развитием дефектов подшипников, муфт, валов с рабочими колесами, уплотнений. Выбор способов наблюдения определяется доступностью мест измерений. Если подшипники вынесены из корпуса, а высокочастотная вибрация гидродинамического происхождения недоступна, то периодичность диагностики составляет 3…6 месяцев.

105

Если подшипники вмонтированы в корпус насоса, то их диагностика по высокочастотной вибрации малоэффективна. Тогда способ обнаружения дефекта строится по низкочастотной или среднечастотной технологии и проводится один раз в один-два месяца.

Откуда возникают дефекты? Дефекты в виде статической несоосности валов возникают из-за ошибок при сборке или установке на фундамент.

Динамическая несоосность возникает из-за дефектов изготовления, монтажа, износа муфт.

Дефект лопастей приводит к росту гидродинамической неуравновешенности рабочего колеса, к повышенной турбулизации потока.

Повышенная неоднородность потока приводит к росту вибрации насоса.

При разработке технологии диагностирования насосов обычно выбирают группу из 10–15 насосов, работающих в одинаковом режиме.

При малой группе 4–5 насосов можно использовать результаты периодических измерений.

106

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Ширман А.Р. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования / А.Р. Ширман, А.Б. Соловьев. М.: 1996. – 276 с.

2.Неразрушающий контроль и диагностика: справочник. В 8 т.; под общ. ред. В.В. Клюева. Том 7. Книга 2. Вибродиагностика. – М.: Машиностроение,

2006.

3.Генкин М.Ф. Виброакустичесая диагностика машин и механизмов / М.Ф. Генкин, А.Г. Соколова – М.:Машиностроение. 1987. – 283 с.

4.Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования / А.А. Александров, А.В. Барков, Н.А. Барковаи др. – Л.: Судостроение.

1986. – 276 с.

5.Гриб В.В. Диагностика технического состояния нефтегазохимических производств / В.В. Гриб – М.: ЦНИИТЭнефтехим. 2002. – 268 с.

6.Карасев В.А. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей / В.А. Карасев, В.П. Максимов – М.: Машиностроение. 1978. – 132 с.

107

Левин Владимир Евгеньевич Патрикеев Лев Николаевич

ВИБРОДИАГНОСТИКА МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Учебное пособие

Редактор И.Л. Кескевич

Выпускающий редактор И.П. Брованова Компьютерная верстка В.Н. Зенина

Подписано в печать 13.07.2010. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. 6,27. Печ. л. 6,75. Изд. № 130. Заказ № 1184. Цена договорная

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета

630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

108