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 _

201

8.1.8. Анализ спектральных и временных характеристик

вибросигналов

Характер вибрации агрегатов при нарушениях соосности валов в боль-

шинстве случаев определяется конструкцией применяемых соединительных

муфт. Гибкие или подвижные муфты способны компенсировать значительные

нарушения соосности валов практически без изменения вибросостояния агрега-

та за счет ухудшения условий работы собственных элементов. Жесткие муфты,

например, пальцевые, испытывая лишь повышенные напряжения в жестких со-

единениях, полностью передают изменившиеся условия работы валов на опо-

ры, вызывая значительные изменения их реакций и вибросостояния агрегата.

Зубчатые и полужесткие муфты допускают определенные нарушения соосности

соединяемых валов при малозаметном изменении вибросостояния агрегата, но

при этом для зубчатых муфт несоосность может иметь различные неблагопри-

ятные последствия: ускоренный износ, деформация или поломка зубьев. Ино-

гда муфта оказывается прочнее смежного подшипника, что приводит к повреж-

дению последнего. В некоторых случаях влияние конструкции и состояния

муфты на вибрацию агрегата выражается в подавлении диагностических при-

знаков несоосности на смежных подшипниках и признаки несоосности прояв-

ляются на внешних относительно муфты подшипниках дефектно сопряженных

валов.

Характер вибрации при несоосности зависит от величины и места прило-

жения неуравновешенных сил, крутящего момента, свойств и качества смазоч-

ного слоя в подшипниках, а также состояния муфты, подшипников и их опор. В

вибросигнале обычно присутствуют колебания с частотой вращения ротора

(оборотная частота), часто гармоники выше 2

ой

. При определенных условиях

возможно появление низкочастотной вибрации.

8.1.9. Типовые параметры сигнала с признаками несоосности

При значительных нарушениях соосности валов (при отсутствии других

дефектов) для формы сигнала виброускорения носит почти периодический ха-

рактер с небольшим уровнем (Рисунок 8-5). Форма сигнала виброскорости

обычно имеет более детерминированный характер. По мере развития дефекта и

изменения состояния оборудования количество гармоник может увеличиваться

до 10 и более.

Спектр вибрации (Рисунок 8-6) на переднем подшипнике электродвига-

теля является классическим примером возникновения несоосности (если спек-

тральная составляющая с частотой 100 Гц не связана с другими дефектами).

Спектральный анализ с высокой разрешающей способностью может под-

твердить возникновение несоосности, если частота гармоники будет кратна

именно частоте вращения, а не частоте сети, при этом именно уровень 2f

сви-

детельствует о наличии несоосности. Необходимо обратить внимание на то, что

из-за недостаточной разрешающей способности по частоте при анализе спектра

энергия сигнала перераспределяется между составляющими 98 и 100 Гц, 148 и

150 Гц, 198 и 200 Гц при частоте вращения 49.64 Гц.

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

202

Спектр виброскорости (Рисунок 8-7), полученный с датчика, который ус-

тановлен на переднем подшипнике электродвигателя в радиальном направле-

нии, достаточно хорошо отражает нарушение центровки. При этом амплитуды

более высоких гармоник – 198 Гц, 298 Гц существенно меньше амплитуды со-

ставляющей 100 Гц, указывающей на несоосность. В силу чего, при диагности-

ровании нарушения центровки лучше пользоваться параметром виброскорость.

Наличие первой оборотной гармоники 50 Гц вызвано не только нарушением

центровки, но и развитием дисбаланса ротора.

Рисунок 8-5– Временная реализация вибросигнала с переднего подшипника

электродвигателя

Среднеквадратичное значение виброскорости, измеренной на корпусе

подшипника в горизонтальном направлении в диапазоне частот 10…1000 Гц, в

основном определяется амплитудой четных оборотных гармоник, может дости-

гать и существенно превышать 10 мм/с. Наличие случайных низкочастотных

колебаний 5…15 Гц в спектре виброперемещения (Рисунок 8-8) свидетельству-

ет об ослаблении крепления двигателя к фундаменту, что и является причиной

нарушения центровки.

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

203

Рисунок 8-6 - Спектр виброускорения на переднем подшипнике двигателя

Рисунок 8-7 – Амплитудно-частотный спектр виброскорости на переднем под-

шипнике двигателя в радиально-поперечном направлении

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

204

Рисунок 8-8 - Амплитудно-частотный спектр виброперемещения на переднем

подшипнике двигателя в радиально-поперечном направлении

8.1.10. Нормативы точности сопряжения валов

Виброактивность роторных механизмов с ременными передачами в су-

щественной мере зависит от качества сопряжения валов. Соответствующим об-

разом это отражается и на рабочем ресурсе механизмов. Поскольку эта тема

очень скупо представлена в технической литературе, а эксплуатирующему обо-

рудования персоналу приходится заниматься этим очень часто, представляется

целесообразным более подробно ответить на поставленный вопрос.

Часто считается, что сама по себе задача качественного сопряжения валов

с ременной передачей в некотором роде аналогична задаче сопряжения валов с

муфтовым соединением, т.е. задаче центровки. Хотя аналогия состоит только в

постановке задачи: и в одном и в другом случае необходимо добиться вполне

определённого взаимного пространственного положения валов в пределах за-

данных допусков (хотя и здесь, как будет показано ниже, есть существенные

отличия). На этом, собственно, аналогии и кончаются, поскольку решаются эти

задачи совершенно различным образом по целому ряду причин:

1. Измерительные возможности

Точная центровка валов с муфтовым соединением базируется на том, что

и теоретически и, главное, практически существует возможность инструмен-

тального определения взаимного положения осей вращения сопрягаемых валов

с точностью от одного до нескольких микрон. Причем таким образом, что цен-

труются именно оси вращения, а не некие доступные наблюдению, измерению

наружные поверхности валов, полумуфт и пр. Базируется метод на совершенно

элементарном и очевидном явлении: при вращении вала любая точка его на-

ружной поверхности будет вращаться точно по окружности с центром, распо-

ложенном на оси вращения вала. Таким образом, если датчик индикаторного

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

205

типа закрепить на одной из полумуфт (например, в точке, показанной на рис.

8.9), а его шток опереть на вторую полумуфту и начать одновременно вращать

оба вала, датчик опишет окружность вокруг оси вращения одного вала, а конец

измерительного штока датчика опишет окружность вокруг оси вращения второ-

го вала. Таким образом, можно инструментально измерить рассогласование

этих осей.

Рисунок 8-9 – Пример

крепления датчика

Если соответствующим образом установить

два датчика (теоретически существует несколько

десятков вариантов установки этих двух датчиков),

можно полностью и очень точно определить взаим-

ное пространственное положение осей вращения

центрируемых валов и, соответственно, вычислить

необходимые перемещения механизмов для их точ-

ной центровки.

Совсем другое дело с устранением перекосов валов с ременной переда-

чей. Во-первых, трудно найти приемлемый на практике метод точного инстру-

ментального определения взаимного положения осей вращения валов с ремен-

ной передачей. Во-вторых, как оказывается, в данном случае этого и не требу-

ется. Дело в том, что здесь валы сопрягаются именно по наружным поверхно-

стям - по шкивам. Ещё более строго - по боковым конусным поверхностям ка-

навок шкивов, по которым и осуществляется контакт шкива и ремня. Значит, в

идеале именно эти поверхности шкивов и должны быть определённым образом

ориентированы друг относительно друга.

Учитывая очень большую номенклатуру только типоразмеров шкивов по

ГОСТ, представляется, что универсального инструментального решения тут

просто не существует. Существует большое количество разнообразных инстру-

ментальных, автоматизированных систем точной центровки валов с муфтовым

соединением, в частности, для валов с ременными передачами можно исполь-

зовать специализированную систему модели TMEB 1 фирмы SKF. И даже эта

система с двумя лазерными датчиками ничего не измеряет и не вычисляет. Она

только позволяет достаточно наглядно визуализировать имеющиеся перекосы и

позволяет оператору "на глаз", по наблюдаемому положению лучей, выставлять

механизмы требуемым образом. Дело здесь, конечно, не столько в сложности

инструментального решения задачи, сколько в необходимости такого решения.

Нужна ли здесь такая же точность, как при центровке валов? Если бы это было

необходимо, может и инструментальное решение уже давно было бы найдено.

Ременная передача значительно более "демократична" к условиям сопряжения,

чем муфтовая.

2. Нормативная база

В том случае, если в эксплуатационной документации на механизм при-

водятся нормы по точности сопряжения валов, необходимо, конечно, руково-

дствоваться этими нормами. Если таких данных нет, рекомендуется придержи-

ваться норм, указанных в таблице 6.1 .

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

206

Для нормальной работы жесткой муфты должны быть обеспечены сле-

дующие условия:

- отсутствие коленчатости и осевого сдвига;

- плотное прилегание насадных полумуфт по посадочным поверхностям;

- достаточный посадочный натяг;

- плоские и чистые поверхности торцов полумуфт;

- отсутствие радиальных зазоров по стяжным призонным болтам и одинако-

вый вес противоположных болтов;

- нормальное состояние шпоночных соединений.

Таблица 8-1 - Допуски по центровке муфтовых соединений

Допуск, мкм

Параметр

Скорость враще-

ния, об/мин

Хорошо Приемлемо

Смещение линии вала

до 1000

1000-2000

2000-3000

3000-4000

4000-5000

5000-6000

<10

130

100

<30

Излом линии вала на

длине

100 мм

до 1000

1000-2000

2000-3000

3000-4000

4000-5000

5000-6000

100

Проверка сопряжения муфт производится при их сборке в соответствии с

ТУ на машины и подробно описаны в литературе.

В таблице 8-2 приведены нормы на предельные значения несоосности,

которые следует использовать при отсутствии рекомендаций завода-

изготовителя машины.

Таблица 8-2 – Допустимая несоосность для жестких и полужестких муфт

Тип муфты Осевой сдвиг Коленчатость

Жесткая

Не более 0,01 мм

(несоосность поверхности шейки

при вращении вала вокруг оси со-

седней – не более 0,02 мм)

Не более 0,01 мм

на 1 м длины

Полужесткая муфта

с одной "волной"

компенсатора

Не более 0,01 мм

(несоосность поверхности шейки

при вращении вала вокруг оси со-

седней – не более 0,02 мм)

Не более 0,05 мм на диаметр

муфты (суммарная несоосность

торцов полумуфт).

Полужесткая муфта

с двумя "волнами"

компенсатора

Не более 0,025 мм

(радиальная несоосность -

не более 0,05 мм).

Не более 0,05 мм на диаметр

муфты (суммарная несоосность

торцов полумуфт).

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

207

Эти нормы достигаются безукоризненным выполнением технологических

операций по ремонту. Однако на практике встречаются любые нарушения тех-

нологии ремонта и соответственно нарушения условий центровки. Наиболее

распространены ошибки при контроле осевого сдвига.

Как видно из приведенных таблиц, требования по перекосу ременных пе-

редач примерно на два порядка менее жесткие, чем по центровке муфтовых со-

единений. Несмотря на это, даже такие требования часто не выдерживаются. В

первую очередь повышенный перекос приводит к ускоренному износу ремней.

В большинстве случаев шкивы имеют несколько канавок и для передачи ис-

пользуется комплект ремней. Поскольку при выходе из строя даже одного рем-

ня необходимо менять весь комплект, эксплуатационные затраты неоправданно

растут.

Таблица 8-3 - Допуски по центровке ременных передач

Параметр

Параллельный перекос

Угловой перекос

Допуск

Не более 2 мм на 1 м межосевого

расстояния.

Не более 1 мм на 100 мм дли-

ны.

Таблица 8-4 – Формула расчета частот колебаний

Причина вибрации Формула Обозначения

Частоты ременных передач

Частота ремня

ШК

РЕМ

=×

ШК

– диаметр ведущего шки-

ва;

– длина ремня

Частота вращения ведомого шкива

ШК

=×

ШК

– диаметр ведомого шки-

ва

Частоты муфт и шлицевых соединений

Частоты повреждений муфт (зуб-

чатых, пальцевых, кулачковых) и

шлицевых соединений

z – число зубьев, пальцев, ку-

лачков муфт или число шли-

цов шлицевых соединений

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

208

8.2. Ослабление крепления

Ослабления крепления или механические ослабления – зазоры между де-

талями, люфты, неплотная затяжка (сборка) составных частей, нарушение це-

лостности несущих элементов фундаментов, неплотная посадка вращающихся

деталей – являются нелинейным откликом агрегата (механической системы) на

воздействие неуравновешенных сил и являются причинами возбуждения де-

терминированной и случайной вибрации.

8.2.1. Виды ослаблений

Податливость опор:

- конструктивное и эксплуатационное ослабление опор, опорной плиты, ос-

нования, элементов крепления (анкеров, болтов), фундамента;

- ослабление взаимного крепления при сборке (неплотная затяжка) состав-

ных частей опор ротора, вкладышей, корпусов подшипников, фундамент-

ных рам и ригелей фундамента;

- неполное прилегание, искажение формы рамы и основания (коробление

фундаментной плиты);

Люфты в неподвижных соединениях, целостность деталей:

- неплотное прилегание деталей;

- ослабление крепления и нарушение связи между корпусом подшипника и

ротором;

- ослабление крепления и нарушение связи между корпусом подшипника и

корпусом агрегата;

- ослабление крепления и нарушение связи между опорами, корпусом агре-

гата и фундаментной плитой;

- появление трещин у несущих элементов рамы, корпуса и фундамента;

- нарушение целостности конструкции фундамента;

- увеличение податливости опор корпуса;

- ослабление закладных деталей;

Ослабление связей между деталями, образующими систему вращающих-

ся элементов:

- трещины колеса или вала;

- ослабление (неплотная посадка) рабочих колес вентиляторов и насосов,

подшипников, вкладышей подшипников, муфт;

- чрезмерный зазор во втулках или элементах подшипников.

8.2.2. Диагностические признаки

При некоторых видах нарушений жесткости траектория движения вала

агрегата может сильно отличаться от эллиптической: вал может совершать хао-

тические движения в подшипнике. Во многих случаях характерным признаком

ослабления крепления является зависимость уровня и характера вибраций от

направления измерений. Для колебаний характерна нестационарность, что и

придает кривой относительных колебаний сложный и хаотичный характер.

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

209

Амплитуда вибрации в горизонтальном и вертикальном направлениях

может сильно отличаться. При этом, амплитуда радиальной вибрации, как пра-

вило, значительно превосходит осевую (для горизонтальных агрегатов).

Характерные признаками ослабления крепления (жесткости): временной

сигнала виброускорения имеет нестационарный, импульсный характер. В спек-

тре присутствует достаточно большое количество целых (1¸10) и кратных со-

ставляющих

f , а также субгармоники. При этом спектр нестабилен во време-

ни, устойчивую оценку спектра можно получить при осреднении его на протя-

жении нескольких десятков секунд. Форма временного сигнала и спектр вибро-

скорости, как правило, имеет более стационарный характер (по сравнению с

виброускорением) при длине реализации несколько оборотов. Однако амплиту-

да сигнала обычно бывает, нестабильна от оборота к обороту. Можно наблю-

дать импульсы, период которых кратен частоте вращения вала. Гармонические

составляющие проявляются более четко, хотя также требуется осреднение.

Ослабления крепления или механические ослабления можно условно раз-

делить на три группы, каждой из которых характерен своеобразный спектраль-

ный состав вибросигнала и можно обозначить или ввести три типа спектров: A,

B, C. Тип «А» вызван структурным зазором, ослаблением крепления агрегата,

ослаблением жесткости опорной плиты или основы, а также ухудшенным со-

стоянием фундамента, ослабление анкерных болтов и ослабление рамы фунда-

мента. Анализ фазовых соотношений может показать приблизительно 180° раз-

ность периода между вертикальными измерениями на лапе, опорной плите и

фундаменте непосредственно.

Рисунок 8-10 – Маска спектра вибрации типа «А»

Спектр типа «B» характерен для ослабления крепления анкерных болтов,

блока подшипника, трещины в рамной конструкции или несущей опоре.

Спектр типа «C» обычно характерен при неправильном монтаже и зазо-

рах между деталями, что приводит к появлению множества гармоник из-за не-

линейного отклика незакрепленных (ослабленных) деталей к динамическим

воздействиям ротора. Может возникнуть усечение (ограничение) формы сигна-

ла. Такой спектр может быть при повышенном зазоре между корпусом под-

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

210

шипника и его гнездом, увеличенном зазоре в самом подшипнике или при бол-

тающемся рабочем колесе на валу.

Рисунок 8-11 – Маска спектра вибрации типа «В»

Рисунок 8-12 – Маска спектра вибрации типа «С»

Сигналу типа «C» присуще нестабильность при измерениях и от периода

к периоду, особенно, если ротор (или подшипник) изменяет положение на валу

(проскальзывает). Механический зазор часто создает направленную вибрацию и

может быть обнаружен при измерениях в радиальном направлении через 30°

вокруг подшипника. Ослабление креплений часто вызывает субгармоники на

частотах, кратных ½ и ⅓ частоте вращения ротора (напр.

5,2,5,15,0 fff ).

Часто наличие составляющей

5,0 f с амплитудой близкой или хотя бы в

два раза меньшей

f в осевом направлении свидетельствует о люфте, а присут-

ствие составляющей

5,1 f на корпусе подшипника насоса в радиальных на-

правлениях (рисунки 8.13-8.15) – об ослаблении посадки подшипника и, воз-

можно, о его перекосе.