Вибродиагностика машин и механизмов. Учебное пособие

т.е. его способностью к изменению формы. Большинство крупных агрегатов: (крупные турбоагрегаты, крупные электромашины) имеют роторы с изменяемой при вращении формой оси, так называемые гибкие роторы. Однако основная часть агрегатов средней мощности имеет практически недеформируемые роторы.

Условно виды дисбаланса можно разделить на две категории:

механический «жесткий» дисбаланс;

дисбаланс, связанный с прогибом ротора.

Механический дисбаланс – один из основных источников повышенной вибрации. Причины его возникновения можно разделить на две группы:

Первая группа – это дефекты, связанные с нарушением технологии изготовления, сборки, балансировки ротора после сборки, с заменой деталей после ремонта.

Вторая группа – дефекты эксплуатации. Это разрушение и «вылет» частей ротора (лопаток) в процессе работы. Эта группа характеризуется внезапным, скачкообразным изменением амплитуды или фазы вибрации, а также различными видами износа поверхностей. Другие дефекты, такие как уменьшение натяга деталей вала, характеризуются сравнительно медленным, в течение месяца, изменением амплитуды и/или фазы колебаний.

Дисбаланс, связанный с изгибом вала, может быть вызван дефектами изготовления, монтажа, эксплуатации (задевания, вызванные неравномерным охлаждением или нагревом). Причиной неравномерности могут быть перекосы узлов, насаженных на вал, коллекторы, контактные колеса.

8.2. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ РОТОРА

Траектория движения ротора в подшипнике при неуравновешенности имеет форму эллипса. Это связано с различной жесткостью подшипника в вертикальном и горизонтальном направлениях

(рис. 8.2).

На рис. 8.2 показана типичная траектория движения вала в подшипнике скольжения при дисбалансе, причем отношение размахов по двум направлениям соответствует отношению жесткостей.

81

Sx

Sy

Рис. 8.2

Кривые (формы сигнала) виброперемещения и виброскорости при неуравновешенности ротора во многих случаях периодические или почти периодические с периодом колебаний, соответствующим частоте вращения ротора, и имеют форму, близкую к синусоидальной. Кривая виброускорения имеет более сложную форму (рис. 8.3).

Рис. 8.3

Сложная форма сигнала виброускорения возбуждается также неисправными подшипниками.

В амплитудном спектре вибрации составляющая на частоте вращения ротора является преобладающей, и в большинстве случаев ее величина в 2 раза и более превышает вибрации на других гармониках.

Пример спектра вибрации двигателя показан на рис. 8.4. Стрелками показаны гармоники. Следует отметить, что виброактивность на высоких гармониках вращения ротора при дисбалансе во многом определяется нелинейностью, весьма индивидуальной для каждого подшипника.

При механическом дисбалансе параметры вибрации зависят от частоты вращения и практически не зависят от режима работы и внешних условий.

Вибрация проявляется как в поперечном, так и в продольном направлениях, однако в силу ее зависимости от жесткости подшипника горизонтально-поперечная вибрация преобладает над вертикальной.

82

V

101

2

100 1

10-1

ω/ωГ

Рис. 8.4

В связи с этим обычно измеряют вибрацию на опорах на частоте вращения, а также на других элементах. Например, на рис. 8.5 показаны значения вибрации по опорам.

Рис. 8.5

Из этой спектрограммы видно, что уровень вибрации на частоте вращения превышает в 10 раз вибрации на более высоких гармониках, а уровень шумов более чем на 40 дБ.

Кривая виброускорения представляет собой наложение на основную вибрацию более высоких гармоник (рис. 8.6). Этот рисунок показывает неуравновешенность ротора насоса до ремонта. Во время ремонта насос был разобран, ротор сбалансирован. После сборки насоса уровень сигнала вибрации снизился до 2 мм/с.

83

Следует отметить, что очень важно про- a

каз агрегата. При этом характер вибрации зависит от расположения места дисбаланса: с одной стороны ротора, в центре и т.д.

Следует учитывать, что использовать количественные характеристики вибрации на частоте вращения ротора в качестве признака места расположения дисбаланса на роторе весьма затруднительно из-за разброса этих значений по времени.

8.3. ТЕПЛОВАЯ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТЬ РОТОРА

Тепловая неуравновешенность ротора – это такое состояние ро-

тора, которое вследствие неравномерного нагрева приводит к появлению центробежных сил и моментов.

Причины тепловой неуравновешенности ротора:

несимметрия тепловых полей ротора электродвигателя вследствие витковых замыканий в обмотке ротора, отсутствие тепловых зазоров;

неравномерное охлаждение ротора; изменение остаточных напряжений от термомеханической обработки; ослабление посадки деталей ротора на валу; касание статора ротором.

При асимметрии температурного поля ротор прогибается в сторону большей температуры, что приводит к его дисбалансу.

Прогиб можно определить по формуле

y = 1.5 Ч10-6 l2 dt ,

где y – стрела; l – длина ротора; t – разность температур между горячей и холодной точкой ротора; d – диаметр ротора.

Например, длина ротора 8 м, диаметр 1 м, на каждый градус прогиб составляет 0.1 мм, что в 20 раз выше допустимого.

84

8.4. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОЙ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ РОТОРА

Тепловой неуравновешенности ротора свойственны признаки весовой неуравновешенности. Однако каждому тепловому режиму соответствует отдельная вибрация.

Изменение вибрации происходит не с изменением активной нагрузки, а при изменении теплового состояния металла. Изменяются размер амплитуды и фазы.

Другим признаком тепловой неуравновешенности является значительный рост вибрации на первой критической частоте.

При обнаружении теплового дисбаланса следует учитывать, что в некоторых ситуациях, например при пуске холодного агрегата, аналогичные признаки могут проявляться при изменении состояния валов.

При несимметрии тепловых полей ротора, например при замыкании витков, обрывах, появляется зависимость вибрации от тока ротора.

Наиболее распространенной причиной теплового дисбаланса является отсутствие осевых зазоров между насадными деталями ротора. Возможен тепловой прогиб ротора, который встречается при перекачке горячих жидкостей, газов.

Вибрация возникает также при неравномерном охлаждении ротора, при перекачке криогенных жидкостей.

Диагностическим признаком асимметрии охлаждения следует считать зависимость вибрации от разницы температур ротора и охлаждающего газа.

Тепловой дисбаланс может возникать из-за протечек холодных жидкостей или газов.

8.5. ТЕРМИЧЕСКАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ДИСБАЛАНСА РОТОРА

Термической нестабильностью дисбаланса ротора называют изменение дисбаланса ротора вследствие изменения его температуры. Термическая нестабильность может быть постоянной или временной. Эта нестабильность может возникать при многократных пусках, когда превышаются номинальные токи.

85

9. НАРУШЕНИЕ СООСНОСТИ ВАЛОВ

9.1. РАСЦЕНТРОВКА ВАЛОВ

Характер вибрации оборудования при нарушении соосности валов (рис. 9.1) определяется конструкцией соединительных муфт.

Рис. 9.1

Гибкие муфты способны компенсировать значительные нарушения соосности практически без изменения вибросостояния агрегата. Жесткие муфты полностью передают изменившиеся условия работы на опоры, вызывают значительные изменения их работы.

Зубчатые и полужесткие муфты допускают определенные нарушения соосности валов при малозаметном изменении вибросостояния агрегата. Расцентровка зубчатых муфт ведет к износу и деформации зубьев. Бывают случаи, когда муфта прочнее подшипников, что приводит их к повреждению.

Характер вибрации при расцентровке зависит от величины и места приложения неуравновешенных сил, крутящего момента, состояния смежных подшипников и смазки.

Иногда влияние расцентровки в зависимости от состояния муфт сказывается не на смежных подшипниках, а на внешних.

86

Характер вибрации при расцентровке зависит от величины и места приложения неуравновешенных сил, крутящего момента, величины смазки и состояния муфты. В вибрационном сигнале присутсвуют колебания с частотой вращения ротора. Иногда при некоторых условиях возможны низкочастотыне колебания.

Влияние расцентровки на траекторию движения ротора в подшипнике выражается в том, что ее форма по сравнению с формой при дисбалансе несколько усложнена. Если при дисбалансе это эллипс, то при расцентровке форма траектории принимает вид вытянутого эллипса или форму восьмерки (рис. 9.2).На практике встречаются и более сложные формы траектории.

Рис. 9.2

В спектре вибрации практически всегда наблюдаются преобладающие первые и вторые гармоники вибрации. Число гармоник обычно не превышает 3…5. При нарушении соосности в спектре иногда наблюдаются шумы (рис. 9.3).

ω/ω

t

Рис. 9.3

При значительных нарушениях соосности валов (и отсутствии других дефектов) форма сигнала почти периодическая. Число максимумов постоянно и равно 1–2, а их пиковые значения равны 0.3...1g . Кривая сигнала виброскорости может быть асимметрична.

Надо помнить, что анализ формы сигнала проводится только в комбинации с анализом спектра.

87

По мере развития дефекта (увеличения расцентровки) в спектре возрастают вибрации на первой и второй гармониках. Величину и соотношения этих гармоник используют в качестве диагностических параметров степени нарушении соосности.

По некоторым данным, если отношение гармоник составляет 0.3…0.75, то состояние оборудования не вызывает опасения, если 0.75…1.5, то возможно наличие повреждений муфты. Если значение вибрации на удвоенной частоте вращения ротора более чем в 1.5 раза превышает значение вибрации на частоте вращения, то расцентровка представляет серьезную проблему (рис. 9.4).

V, мм/с

ω/ω1

1 2 3

Рис. 9.4

Для увеличения достоверности диагностирования необходимо не только анализировать спектры, но и сравнивать фазы вибрации гармонических составляющих на частоте вращения ротора, измеренных на разных подшипниковых опорах.

При этом если разность фаз сигналов вибрации на частоте вращения ротора от двух смежных узлов подшипников в осевом направлении составляет 0° или 180°, то дефектное сопряжение локализуется между подшипниками. Например, если векторы вибрации смежных узлов синфазны (совпадают по фазе), то муфта заклинена.

9.2. НАРУШЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ОПОРНЫХ СИСТЕМ

Известно, что при установившихся режимах вращения идеально уравновешенного ротора колебания отсутствуют. Однако на реальный ротор воздействуют различные неуравновешенные силы, которые вызывают его вибрацию. Поскольку нарушения жесткости являются не источниками возбуждения вибрации, а лишь нелинейным откликом системы на воздействие неуравновешенных сил, в этом классе

88

дефектов можно объединить те, которые приводят к нерасчетному изменению жесткости опорной системы.

Влияние жесткости опорной системы на вибрацию очевидно. Амплитуда вибрации обратно пропорциональна динамической жесткости:

A = P0Cd-1 ,

где Cd – динамическая жесткость.

Существенно снижается динамическая жесткость в области резонанса. Даже небольшая сила приводит к большим колебаниям опор. Чтобы избежать этого, необходимо отстроить опорную систему от резонанса, увеличить ее жесткость.

Реальные опоры в вертикальном и поперечном направлениях обладают различной жесткостью. Это свойство опор называют анизотропностью. Поэтому частотные характеристики в вертикальном и горизонтальном направлениях различны. Например, при небольшой неуравновешенности ось вращающегося ротора имеет не круговую орбиту, а эллипсную, причем большая ось лежит в направлении, близком к горизонтальному. Причем на симметричном подшипнике относительно вертикальной оси возникают асимметричные вибрации. Поэтому не следует такую асимметричную вибрацию связывать с односторонним нарушением жесткости, например, с отрывом болтов.

Нелинейная жесткость опор связана с нарушением пропорциональности между вынуждающей силой и перемещением. Ввиду нелинейной связи силы и перемещений вала опорная реакция может иметь сложный спектр, включающий различные гармоники.

Эта нелинейность и анизотропность не связаны с какими-то дефектами, тем не менее влияние их на вибрации весьма велико. При нелинейных опорах могут наблюдаться субгармонические колебания. Субгармонические колебания имеют частоту, в несколько раз меньшую частоты вращения.

Известно, что промышленные агрегаты имеют большое количество соединений, ослабление жесткости которых приводит к повреждениям или авариям.

Ослабления жесткости можно разделить на два класса:

ослабления жесткости фундамента, рамы, корпусных деталей, отрыв фундаментной плиты, подшипниковых опор;

ослабления жесткости вращающихся деталей: ротора в подшипнике и т.д.

89

9.3. ПРИЗНАКИ НАРУШЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ОПОРНОЙ СИСТЕМЫ

При некоторых видах нарушения жесткости опорной системы траектория движения вала может сильно отличаться от эллипсной. Ротор при этом может совершать хаотичное движение в подшипнике.

Во многих случаях характерным признаком ослабления жесткости опорной системы является изменение уровня и характера вибрации в зависимости от направления измерений.

В спектре вибрации наблюдаются весьма интенсивные вибрации на высоких гармониках, а также высокий уровень шумов (рис. 9.5).

V

f, Гц

Рис. 9.5

По мере изменения состояния оборудования (развития дефектов) в спектре между высокими гармониками могут появляться дробные

гармоники kfГ ± m1 fГ . При этом возрастает уровень внутренних шумов.

На рис. 9.6 показан процесс ослабления жесткости в течение 10 месяцев.

Рис. 9.6

90