Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н., Тарасов Е.В. Основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

151

6.3. Подшипники скольжения

Подшипники скольжения являются неотъемлемой частью многих и очень

ответственных агрегатов, широко применяются в энергетическом оборудова-

нии, мощных насосах, компрессорах, электродвигателях и т. д.

При кажущейся простоте конструкции, подшипник скольжения состоит

из трех элементов – из антифрикционного вкладыша, части поверхности вала и

слоя масла между ними, на самом деле это сложный и ответственный узел, в

котором возможно возникновение опасных дефектов.

Большинство дефектов подшипников скольжения генерируют в спектре

пики на более низких частотах, чем f

, которые называют субгармониками обо-

ротной частоты. Иногда также возникают гармоники самих субгармонических

пиков, что указывает на тяжелое повреждение подшипника.

В машинах с длинными гибкими роторами, например, в паровых и газо-

вых турбинах, ротор всегда имеет, по крайней мере, один изгибный резонанс с

собственной частотой ниже рабочей скорости вращения. Эти собственные час-

тоты называют критическими скоростями. Они возбуждаются, когда скорость

вращения ротора в процессе разгона совпадает с собственной частотой. По этой

причине разгон должен быть достаточно быстрым, чтобы машина не долго на-

ходилась в критическом режиме. Первая, то есть низшая критическая скорость

соответствует основной моде изгибных колебаний ротора.

Если подшипники закреплены более свободно, то они будут двигаться и

поглощать энергию резонанса, слегка снижая его величину.

Второй критический резонанс соответствует прецессии основной массы

ротора. Он приводит к воздействию на подшипники больших сил на частоте f

но сам ротор перемещается не очень сильно, и поэтому данную критическую

скорость иногда трудно заметить при разгоне. Та же критическая скорость при

податливых подшипниках сопровождается более сильной вибрацией.

Абразивный износ возникает вследствие истирания трущихся поверхно-

стей и прямо пропорционален удельному давлению на трущиеся поверхности и

пути скольжения.

Заедание возникает вследствие контакта поверхностей в условиях раз-

рушения масляной пленки.

Усталостный износ возникает вследствие усталости поверхностного

слоя при относительном скольжении поверхностей и вследствие микро-

шероховатостей.

6.3.1. Срыв масляного клина

Срыв масляного клина - это состояние, которое характеризуется сильной

вибрацией между 0.38f

и 0.48 f

(Рисунок 6-38, Рисунок 6-39). Он никогда не

проявляется точно на 0.5 f

, но всегда на чуть более низких частотах. Если ам-

плитуда этой субгармоники превышает 50 % от величины первой оборотной

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

152

гармоники частоты вращения вала, то следует говорить о серьезном характере

дефекта и об опасном влиянии его на общее состояние агрегата.

Рисунок 6-38 - Маска спектра при срыве масляного клина

Рисунок 6-39 - Дефект подшипника скольжения

Срыв возникает вследствие чрезмерного зазора и слишком легкого ради-

ального нагружения подшипника, что приводит к скоплению масляной пленки

в одном месте и вынуждает цапфу перемещаться внутри подшипника по кругу

с частотой, немного меньшей оборотной. Срыв - это серьезная неисправность,

которая требует немедленного вмешательства, так как она может достаточно

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

153

быстро привести к возникновению прямого контакта металлических деталей

внутри подшипника.

Диагностические особенности возникновения субгармоники с частотой

масляной вибрации:

- если частота масляной вибрации смещается ближе к значению 0,5 (от

оборотной частоты), то можно говорить о хорошем состоянии внешней поверх-

ности антифрикционного вкладыша и о плохом состоянии поверхности шейки

вала (дефект сосредоточен на поверхности шейки вала);

- если частота масляной вибрации располагается сравнительно ближе к

величине 0,4 частоты вращения вала, то лучшим является состояние поверхно-

сти шейки вала.

6.3.2. Разболтанность подшипника скольжения

При монтаже подшипника скольжения всегда тщательно контролируются

зазоры со всех сторон ротора, так как все они участвуют в работе. В процессе

работы из-за износа зазоры постепенно возрастают и наступает такой момент,

когда это начинает сказываться на состоянии агрегата и проявляться в спектре

вибрации. Достаточно часто при этом в агрегате должен присутствовать еще

один дефект другой природы возникновения, например, дисбаланс или расцен-

тровка.

Разболтанность подшипника вызывает появление гармоник основной

частоты f

, а в серьезных случаях - гармоник

, т.е. половинных порядков.

Часто причиной половинных порядков является дрожание подшипника в кор-

пусе. Иногда при очень сильной разболтанности появляются даже субгармони-

ки гармоники третьего (

) и четвертого (

) порядка.

При возникновении и развитии дефектов, появлении сухого трения под-

шипников существенно возрастает СКЗ виброускорения корпуса подшипника,

вызванный ростом соответствующих частотных составляющих. Так, в диапазо-

не частот 10…3000 Гц виброускорение, измеренное в направлении действия

вектора максимальных суммарных сил, действующих в опорах, может превы-

шать 20 м/с

Если в спектре появляются гармоники kf

, k=10 или даже 20, то это по-

следняя стадия увеличенного зазора в подшипнике скольжения (Рисунок 6-40).

Усиление в спектре вибрации f

и 2f

и значительный рост осевой состав-

ляющая общей вибрации, часто до недопустимых значений, свидетельствует о

неправильной установке подшипника скольжения (баббитовых вкладышей).

Перекос баббитовых вкладышей и изгиб вала обычно вызывает появле-

ние вибрации лишь на частоте f

. Перекос сегментных вкладышей сопровожда-

ется появлением вибрации на частоте f

, возможно также появление гармоник

и/или субгармоник с частотами, равными произведению f

на число сегментов

или количество перекошенных вкладышей. Наряду с эффектом перекоса в

спектре появляется «резонансное поднятие» в диапазоне средних и высоких

частот в виде небольшого «купола» с небольшой мощностью. Это - излишняя

подвижность вкладыша подшипника скольжения в опоре.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

154

Последняя стадия большой подвижности вызывает ослабление посадки

элементов и появление в спектре большого количества целых и дробных гар-

моник.

Рисунок 6-40 – Маска спектра при износе подшипника

Таблица 6-4 - Формулы для расчета частот возбуждения колебаний

Частоты подшипников скольжения

Причина вибрации Формула Обозначения

Частота и гармоники «масля

ных»

вибраций

(0.380.48)

¸××

k = 1, 2, 3

Первая критическая частота враще-

ния и ее гармоники

- первая критическая час-

тота вращения

Собственная частота под

шипника

скольжения

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

155

7. Диагностирование электрических

и центробежных машин

Различные типы машинного оборудования – электродвигатели,

центробежные насосы, компрессоры, вентиляторы и другие – могут иметь

одинаковые виды дефектов и неисправностей, в частности, дисбаланс

вращающихся узлов.

7.1. Дисбаланс

При развитии дисбаланса среднеквадратический уровень виброскорости,

измеряемой в диапазоне частот 10…1000 Гц на корпусе подшипника в горизон-

тальном направлении почти совпадает с амплитудой первой оборотной гармо-

ники и может достигать 5…10 мм/с и более (Рисунок 6.1).

7.1.1. Анализ спектральных и временных характеристик

вибросигналов

Вибросигнал с переднего подшипника электродвигателя содержит почти

периодическую составляющую с наложенным относительно малым уровнем

шума. При рассмотрении его после увеличения масштаба по времени можно

увидеть, что период сигнала составляет около 20 мс.

Рисунок 7-1 - Сигнал виброускорения переднего подшипника электродвигателя

На спектре сигнала, полученного с помощью переносной системы

COMPACS-MICRO (Рисунок 7-2), видна составляющая на частоте 50 Гц. Вто-

рая и третья гармоники оборотной частоты имеют значительно меньшую ам-

плитуду.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

156

Рисунок 7-2 – Амплитудно-частотный спектр вибросигнала с переднего под-

шипника электродвигателя

Наличие первых гармоник оборотной частоты может свидетельствовать о

следующем:

нарушение баланса вращающегося элемента (ротора);

нарушение соосности валов;

ослабление крепления неподвижных (корпусных) и подвижных элементов

агрегатов.

7.1.2. Дисбаланс масс ротора

Неуравновешенность вращающихся масс ротора является одним из самых

распространенных дефектов оборудования, обычно приводящим к резкому уве-

личению вибраций. Неуравновешенность ротора вызывается возникновением (в

силу различных причин) отклонений геометрических размеров ротора от номи-

нальных конструктивных, т.е. дисбаланса. При вращении такого ротора с неко-

торой угловой скоростью в каждом поперечном сечении, имеющем отклонение

размеров от номинальных, возникает центробежная сила, вращающаяся вместе

с ротором и вызывающая переменные нагрузки на опоры. При этом результи-

рующая центробежная сила, являясь статической нагрузкой для ротора, может

вызывать значительный прогиб вала ротора. Центробежные силы, или дисба-

ланс, воздействуют на опоры ротора и агрегата, вызывая значительные нагруз-

ки и вибрации последнего.

Причины возникновения дисбаланса в оборудовании могут иметь раз-

личную природу, являться следствием многих особенностей конструкции и

эксплуатации. К ним относятся:

- дефекты, связанные с нарушением изготовления, сборки и балансировки

ротора, которые характеризуются повышенным уровнем вибрации не-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

157

посредственно после завершения ремонта или монтажа агрегата;

- наличие на вращающемся роторе различных изношенных, дефектных и

т.п. деталей и узлов;

- дефекты эксплуатации, такие как разрушение частей ротора (например,

частей лопаток, рабочего колеса и др.) в процессе работы, которые

характеризуются внезапными изменениями амплитуды и/или фазы

колебаний, а также различные виды износа деталей ротора (например,

трущихся и рабочих шеек вала, лопастей колес и др.), отложения

вредных примесей на роторе (налипания) в процессе работы агрегата,

уменьшение натяга (нарушение посадок) деталей ротора, которые ха-

рактеризуются сравнительно медленными (в течение эксплуатации)

изменениями амплитуды и/или фазы вибраций, результат неравно-

мерного износа конструкции ротора;

- неравномерная внутренняя структура или наличие внутренних дефектов

в конструкционных материалах ротора.

По своему типу, специфике проявления в общей картине вибрации, по

особенностям проведения диагностирования, дисбалансы можно условно под-

разделить на:

- статический дисбаланс;

- динамический дисбаланс;

- моментный дисбаланс.

7.1.3. Статический дисбаланс

Это наиболее простой тип дисбаланса, который эквивалентен наличию

тяжелого места (сосредоточенной массы) в одной точке ротора. Он называется

статическим потому, что проявляется даже без вращения ротора. Если послед-

ний разместить на двух параллельных лезвиях, то тяжелое место будет стре-

миться занять самое низкое положение (Рисунок 7-3).

Статический дисбаланс ротора может быть вызван, например, нарушени-

ем соосности бочки и шеек ротора, прогибом ротора, различием в массе одина-

ковых диаметрально противоположных элементов (например, полюсов син-

хронных машин или секций обмоток якоря), смещением масс пропиточного ла-

ка при сушке и др.

F=F1+F2

Рисунок 7-3 – Схема расположения дисбалансирующих масс

при статическом дисбалансе

Статический дисбаланс приводит к воздействию на оба опорных под-

шипника сил на частоте

(

f – частота вращения вала), причем обе эти силы

имеют одинаковое направление. Вибрационные сигналы от них находятся в фа-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

158

зе друг с другом. Чистый статический дисбаланс создает сильный пик амплиту-

ды на частоте ротора

f в спектре вибрации. Амплитуда этого пика зависит от

степени серьезности дисбаланса и пропорциональна квадрату частоты враще-

ния вала. Относительные уровни вибрации подшипников на частоте f

зависят

от положения тяжелого места на продольной оси ротора.

Рисунок 7-4 – Маска спектра и направления векторов вибрации при статиче-

ском дисбалансе

7.1.4. Моментный дисбаланс

Причиной моментного дисбаланса могут быть перекосы насаживаемых

на вал узлов: коллектора, контактных и бандажных колец, рабочих колес и

многие другие причины.

При моментном дисбалансе в состоянии, когда приводной двигатель от-

ключен от питающей сети, ротор идеально уравновешен и может останавли-

ваться в любом положении. При переводе ротора из неподвижного, статическо-

го состояния в динамическое, вращающееся, претерпевает изменение совокуп-

ность сил, действующих на ротор и распределенных вдоль оси. Наряду со ста-

тическими моментами на ротор начнут действовать динамические усилия, при-

водящие к дисбалансу. Учитывая условия возникновения такого дисбаланса,

его принято называть моментным дисбалансом, т.е. возникающим при враще-

нии. Моментный дисбаланс обуславливают динамические силы, связанные с

продольной угловой асимметрией распределения масс на роторе - в отличие от

статического дисбаланса, когда не учитывалось распределение масс вдоль про-

дольной оси ротора.

Ротор (Рисунок 7-5) с исходными дисбалансами собран таким образом,

что первичные небалансы оказались действующими навстречу друг другу. В

итоге это привело к тому, что в статике, при неподвижном роторе дисбалансы

ротора уравновесят друг друга. При этом ось ротора и ось инерции пересекают-

ся в центре масс.

Совершенно иная картина сил, действующих на подшипник, будет иметь

место при приведении ротора во вращение.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

159

Рисунок 7-5 – Схема расположения дисбалансирующих масс

при (моментном) динамическом дисбалансе

Рисунок 7-6 – Маска спектра и направления векторов вибрации при моментном

дисбалансе

Ротор с моментным дисбалансом может быть статически сбалансирован.

Однако при вращении он приводит к появлению на подшипниках центробеж-

ных сил, которые имеют противоположные фазы. При исследовании спектров

без фазовой информации невозможно различить статический и динамический

дисбалансы. Для коррекции последнего требуется многоплоскостная баланси-

ровка, тогда как статический дисбаланс теоретически может быть исправлен

единственной корректирующей массой.

7.1.5. Динамический дисбаланс

Комбинация статического и моментного дисбаланса называют динамиче-

ским дисбалансом. При динамическом дисбалансе ось ротора и ось инерции не

пересекаются или пересекаются не в центре масс. Вращение этого ротора вызо-

вет значительный уровень вибрации на его подшипниках. Типичным примером

динамического дисбаланса является дисбаланс ротора консольного насоса.

7.1.6. Прогиб вала

Дисбаланс, связанный с прогибом вала, часто остаточный, также может

вызываться дефектами изготовления (остаточные деформации, неоднородность

вала, тепловая нестабильность электрических машин и др.), дефектами монтажа

(в торцевых гаечных соединениях, перекосы в шпоночных соединениях, нару-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

160

шение натяга дисков и др.), дефектами эксплуатации (задевания, в результате

неравномерного охлаждения, нагрева ротора или нарушения зазоров и др.).

7.1.7. Дисбаланс консольных машин

На агрегатах консольным ротором, например, в вентиляторе, при дисба-

лансе ротора создается сильная вибрация на частоте

f в осевом направлении, а

также некоторая вибрация в радиальном направлении на ближайшем к ротору

подшипнике. Это объясняется тем, что дисбаланс создает изгибающий момент

вала и вызывает осевые движения корпуса подшипника.

Рисунок 7-7 - Маска спектра и направления векторов вибрации при дисбалансе

консольной машины

7.1.8. Признаки дисбаланса

В случае дисбаланса сигнал виброускорения на фоне первой гармоники

частоты вращения вала часто насыщен средне- и высокочастотной и случайной

составляющими, возбуждаемыми даже исправными подшипниками качения и

другими источниками.

Дисбаланс наиболее четко проявляется при измерении виброскорости.

При этом амплитуда первой гармоники

f виброскорости преобладает над

всеми остальными (если нет других дефектов).

Для различных видов дисбаланса характерно следующее:

- если амплитуды виброскоростей на конечных опорах ротора на оборот-

ной частоте одинаковы, синфазны и имеют устойчивый характер, то это стати-

ческий дисбаланс;

- если амплитуды виброскоростей на конечных опорах ротора на оборот-

ной частоте одинаковы и противофазны, то это моментный дисбаланс;

- если амплитуды виброскоростей на конечных опорах ротора на оборот-

ной неодинаковы, не синфазны и не противофазны, то это динамический дис-

баланс.

При механическом дисбалансе параметры вибрации зависят от частоты

вращения ротора и практически не зависят от режима работы агрегата, внешних

условий работы и температуры агрегата. Вибрация может проявляться как в

радиальном, так и осевом направлениях, однако, в силу зависимости от