Вибродиагностика машин и механизмов. Учебное пособие

мальный способ обработки сигнала для выделения информационных составляющих.

В основе технологии диагностики зарождающихся дефектов лежит определенная последовательность процедур: сначала находятся момент разладки машины, т.е. повреждения, затем проводят их идентификацию, локализацию поврежденных узлов и принимают решение о методах контроля.

К перечню наиболее эффективных методов диагностики зарождающихся дефектов следует отнести анализ спектров сигнала в полосе от 1 до 20 кГц.

6.1. АНАЛИЗ УДАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Наибольшее применение в диагностике подшипников нашел метод анализа ударных импульсов, разработанный фирмой SKF.

Этот метод основан на том, что вследствие отклонений формы и размеров деталей подшипников от идеальных подшипники качения уже в состоянии поставки работают с механическими ударами, интенсивность которых возрастает при наработке. В точке удара шарика о кольцо подшипника возникают ударные, быстро затухающие в теле подшипника волны сжатия. Для оценки удара используют специальный датчик, устанавливаемый на корпус подшипника.

6.2. АНАЛИЗ УДАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЕ УЗЛА МЕХАНИЗМА

Для раннего обнаружения дефектов используют метод анализа огибающей вибросигнала на резонансных частотах механизма.

Метод заключается в том, что последовательность ударных импульсов, возникающих при попадании локального дефекта в зону контакта, вызывает отклик всей механической системы на собственных частотах дефектного узла в виде затухающих колебаний. Огибающая спектра имеет форму резонансной кривой гармонического осциллятора. На рис. 6.1 показаны три формы спектров: при нормальном состоянии, при зарождающемся и развитом дефектах.

71

V

Рис. 6.1

Несмотря на то что спектр отклика сложной механической системы на короткие импульсы является широкополосным, на такого рода воздействия откликаются собственные частоты близлежащих узлов.

6.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ВИБРОПРОЦЕССОВ В ДИАГНОСТИКЕ ОБОРУДОВАНИЯ

Большинство методов, применяемых в акустической диагностике, основываются на гипотезе стационарности процессов. При этом упускается момент – нестационарность процесса, связанная с возникновением дефекта, который вносит возмущение в исходный процесс. Эти возмущения и несут основную информацию о дефекте.

Параметры виброакустического сигнала, характеризующие его нестационарность, включают в себя информацию об изменении технического состояния.

Существуют различные способы выявления нестационарности процесса, например посредством выбора режима диагностирования или слежением за составляющими сигнала.

Одним из методов обнаружения разладки механизма является сравнение текущего мгновенного значения диагностического признака с текущим средним значением. Таким образом, удается обнаружить дефекты механизма на ранней стадии. Например, на рис. 6.2 показано изменение вибросигнала процесса по времени.

Этот график показывает изменение коэффициента эксцесса, который показывает степень изменения контактирующей поверхности. В зоне нормальной работы этот коэффициент равен нулю, в зоне разрушения увеличивается.

72

A

t, с

E

Рис. 6.2

На рис. 6.3 показано сравнительное изменение текущего среднего значения и текущего мгновенного значения коэффициента эксцесса.

Коэффициент эксцесса возрастает примерно на 30 дБ.

6.4. АЛГОРИТМ ВИБРОКОНТРОЛЯ МАШИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В соответствии с действующими стандартами в основе большинства алгоритмов обнаружения неисправностей лежат методы, базирующиеся на оценке отклонений амплитуды вибросигнала от номинального значения. Наибольшее распространение получил алгоритм виброконтроля по уровню виброскорости в полосе 10…1000 Гц. Увеличение амплитуды в 2.5 раза (8 дБ) для нормального состояния оборудования показывает переход в зону предельного допустимого значения. Увеличение в 10 раз (20 дБ) означает переход в зону недопустимого (аварийного) состояния.

73

7. ДИАГНОСТИКА МЕХАНИЗМОВ ПО ОСНОВНЫМ ВИБРАЦИОННЫМ СОСТАВЛЯЮЩИМ

7.1. ВИБРАЦИЯ ОБОРОТНОЙ ЧАСТОТЫ

Вибрация на частоте вращения, ее гармоники и субгармоники являются диагностическими параметрами для большинства дефектов, которые свойственны крупным быстроходным агрегатам с подшипниками скольжения, например энергетическим турбоагрегатам.

Аномальная стационарная вибрация возникает после ремонта, монтажа или остановки агрегата.

Причинами стационарной повышенной вибрации являются: сосредоточенный или распределенный дисбаланс; остаточный прогиб одного из роторов; дефекты сопряжения роторов в муфтах; повышенная жесткость опорной системы; расцентровка роторов по муфтам; механические повреждения.

Нестационарная вибрация характеризуется изменением по времени ее параметров. Причинами нестационарной вибрации являются:

дефекты подвижных муфт; тепловая расцентровка валов; электромагнитные возмущения; поломка деталей ротора; задевание ротора;

74

развитие трещин в роторе; нарастание прогиба ротора; повышенные радиальные зазоры; деградация опорной системы; магнитная асимметрия ротора;

ослабление посадки насадных деталей.

Все эти дефекты можно локализовать. Если машина имеет несколько роторов, которые имеют разные скорости вращения (роторы соединены редукторами, цепными передачами, гидромуфтами), то соответствующие дефекты каждого ротора определяются по гармонической составляющей, имеющей частоту вращения этого ротора.

Рассмотрим правила идентификации этих дефектов по вибрации оборотной частоты.

7.2. СТАЦИОНАРНАЯ ВИБРАЦИЯ

Рассмотрим диагностирование дефектов вала: дисбаланса, остаточного прогиба, дефектов сопряжения роторов. При этом будем считать: распределение масс роторов внутри пролета равномерное; податливости опор соизмеримые; местные повреждения опор, корпусов и роторов отсутствуют, связи между колебаниями опор отсутствуют. Достоверность диагностики тем выше, чем лучше соблюдаются названные условия.

При резонансных явлениях на опорах, а также на роторах с массивными консольными участками наблюдаются парадоксальные соотношения дефектов и вибрации.

Дефект обычно локализуется на роторе, вибрация опор которого наибольшая. Локализация дисбаланса (как локального, так и распределенного) по вибрации на номинальной скорости вращения определяется следующими правилами:

для жесткого ротора на относительно жестких опорах место преобладающего дисбаланса располагается ближе к опоре с более высокой вибрацией;

для системы ротор–опора, работающей относительно близко к первой критической скорости вращения, на опорах преобладают синфазные вибрации независимо от места дисбаланса (пример: тихоходные машины);

75

для системы ротор–опора, работающей в интервале 1.2…1.6 от первой критической скорости, находим место с меньшей вибрацией (пример: быстроходные электродвигатели средней мощности);

для системы ротор–опора, работающей в окрестностях второй и выше критических скоростей, на опорах преобладают противофазные вибрации независимо от места дисбаланса (пример: мощные быстроходные машины).

Существенная синфазная вибрация возникает при этом под действие дисбаланса и дефектов на консольных участках.

Другим источником вибрации является дефект муфт. Этот дефект характеризуется относительно малой зависимостью вибрации от скорости вращения.

Дефекты муфт имеют следующие признаки:

вибрация локализуется на соседних к муфтам подшипниках;

вибрация меньше, чем при других дефектах, зависит от скорости вращения;

противофазная вибрация на этих подшипниках является признаком коленчатости, а на синфазных – излома оси.

Для диагностики используют величину боя валов при медленном вращении.

Рассмотрим диагностирование дефектов опорной системы: рас-

центровка, резонанс опоры, нарушение плотности сопряжений опорных элементов.

Признаки расцентровки полумуфт выявляются в основном экспериментально для конкретных агрегатов. Если есть экспериментальные данные о влиянии расцентровки на вертикальные и поперечные составляющие, то это должно учитываться при диагностике расцентровки. Во многих случаях вибрация при расцентровке повышается на подшипниках более легкого ротора.

Признаком расцентровки может являться и температура подшипников. Но этот признак неоднозначен – температура зависит не столько от расцентровки, сколько от других признаков.

Несколько облегчается задача диагностирования расцентровки при возможности проводить контроль всплытия вала на масляном клине подшипника скольжения. Обычно эта величина может быть рассчитана при нормальных условиях эксплуатации.

Признаками нарушения жесткости опор являются:

76

характерный рост вибрации опоры при скорости вращения, близкой к номинальной;

преобладание вибрации в одном направлении.

Направление максимальной вибрации может не совпадать ни с одним из трех направлений измерения.

Ненормальным является смещение резонансного пика в область скоростей вращения ниже номинальных, хотя в действительности эти резонансы наблюдаются на скоростях вращения, выше номинальных.

Если повышение вибрации происходит на одном подшипнике, то его причиной могут быть снижение жесткости опорных соединений, отрыв корпуса подшипника от фундаментной плиты, колебания фундамента. Повышение вибрации может появляться при резонансе опоры и при некоторых дефектах валопривода.

Признаком нарушения плотности опорных соединений может быть появление высокочастотных вибраций.

7.3. НЕСТАЦИОНАРНАЯ ВИБРАЦИЯ

Одним из признаков ненормальности работы является тепловой дисбаланс. Непосредственными дефектами, приводящими к этому дисбалансу, являются:

витковые замыкания в роторах электрических машин; тепловая нестабильность материала ротора; асимметрия охлаждения ротора; отсутствие тепловых осевых зазоров.

Тепловая расцентровка имеет следующие характерные признаки:

изменение температуры вкладышей;

изменение оси вращения.

Тепловая расцентровка и дисбаланс обычно возникают одновременно и определяются экспериментально.

Магнитная асимметрия ротора приводит к одностороннему магнитному притяжению, сила которого пропорциональна величине намагничивания ротора (дефект обнаруживается при подаче тока возбуждения).

Ослабление посадки муфты приводит к росту вибрации в начале нагружения и при малых нагрузках.

77

7.4. ВНЕЗАПНЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВИБРАЦИИ

Внезапные изменения вибрации – это необратимые изменения ее вектора. По существующей практике внезапным изменением являются: изменение вибрации за время не более 5 секунд и если вибрация не возвращается к прежним значениям за период 10 секунд; изменение вибрации на величину не менее 1 мм/с одновременно в двух точках. Эти изменения могут происходить плавно, но очень быстро.

Здесь рассматривается «скачок» вибрации оборотной частоты. «Скачок» вибрации характеризует одно из следующих событий:

обрыв деталей ротора (поломка лопаток); проскальзывание корпуса подшипника; проскальзывание по ротору насадной детали.

Если первая причина связана с возникновением опасной ситуации, то другие явления опасности не представляют. В связи с этим необходимо знать дополнительные признаки этих событий.

Дополнительные признаки обрыва детали:

локализация дисбаланса в том месте, где это произошло; масштаб изменения вибрации; возможное повреждение других элементов машины при поломке

детали на роторе;

существенное изменение вибрации на первой критической скорости;

изменение вибрации в сторону увеличения амплитуды. Дополнительные признаки проскальзывания корпуса:

на первой критической скорости вибрация не меняется;

одновременно с изменением вибрации меняются положения корпуса, подшипника.

Проскальзывание по ротору детали происходит в следующих случаях:

на роторах, имеющих массивные насадные детали; при прогреве и таком изменении режима, когда сильно повыша-

ется температура среды;

78

когда возникшие изменения вибрации соответствуют прогибу ротора в месте расположения насадной детали;

в новых роторах или при первых пусках;

при существенном изменении вибрации на критических скоростях.

Проскальзывание по ротору насадной полумуфты по вибрационным признакам соответствует излому оси.

Проскальзывание очень трудно отличить от поломки роторной детали. Следует обратить внимание, что при некоторых дефектах, сопровождающихся быстрым ростом вибрации, средства автоматического контроля могут вызывать сигнал о внезапном изменении уровня вибрации, хотя этот процесс идет 2…5 секунд. Такое происходит, например, при радиальном задевании стенки на рабочей скорости. Рост вибрации при задеваниях сначала происходит медленно, а затем перерождается в лавинообразный процесс.

79

8.НЕУРАВНОВЕШЕННОСТЬ РОТОРА

8.1.ПРИЧИНЫ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ РОТОРА

Неуравновешенность ротора – это такое его состояние, которое во время вращения приводит к появлению центробежных сил и моментов, вызывающих переменные нагрузки на опорах ротора и его изгиб.

Неуравновешенность ротора вызывается отклонением геометрических размеров ротора от номинальных конструктивных размеров. При вращении такого ротора с некоторой угловой скоростью в каждом поперечном сечении, имеющем отклонение геометрических размеров от номинальных, возникает центробежная сила. Сила вращается вместе с ротором и вызывает переменные нагрузки на опоры

(рис. 8.1).

~F2 ~F1

Рис. 8.1

Для наблюдателя эта центробежная сила вращается, как и ее отдельные составляющие, но для самого ротора она неподвижна и является статической нагрузкой, которая вызывает изгиб ротора.

Воздействие динамических сил на опоры в большей степени определяется динамическими и жесткостными характеристиами ротора,

80