Костюков В.Н., Науменко А.П. Практические основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

поверхности антифрикционного вкладыша и о плохом состоянии поверхно-

сти шейки вала (дефект сосредоточен на поверхности шейки вала);

- если частота масляной вибрации располагается сравнительно бли-

же к величине 0,4 частоты вращения вала, то лучшим является состояние

поверхности шейки вала.

2.3.2. Разболтанность подшипника скольжения

При монтаже подшипника скольжения всегда тщательно контроли-

руются 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 про-

являться в спектре вибрации. Достаточно часто при этом в агрегате должен

присутствовать еще один, какой-либо, дефект другой природы возникно-

вения, например дисбаланс или расцентровка.

Разболтанность подшипника вызывает появление гармоник основ-

ной частоты f

, а в серьезных случаях - гармоник 1/2 f

, т.е. половинных по-

рядков. Часто причиной половинных порядков является дрожание подшип-

ника в корпусе. Иногда при очень сильной разболтанности появляются да-

же субгармоники гармоники третьего (1/3 f

) и четвертого (1/4 f

) порядка.

При возникновении и развитии дефектов зубчатого зацепления подшип-

ников существенно возрастает среднеквадратический уровень виброускорения

корпуса подшипника, вызванный ростом соответствующих частотных состав-

ляющих. Так в диапазоне частот 10…3000 Гц виброускорение, измеренное в

направлении действия вектора максимальных суммарных сил, действующих в

опорах, может достигать и существенно превышать 20 м/с

3. Диагностика электродвигателей и центробежных машин

Различные типы машинного оборудования – электродвигатели, цен-

тробежные насосы, компрессоры, вентиляторы и другие – могут иметь оди-

наковые виды дефектов и неисправностей, в частности, дисбаланс вра-

щающихся узлов.

3.1. Дисбаланс

При развитии дисбаланса среднеквадратический уровень виброскоро-

сти, измеряемой в диапазоне частот 10…1000 Гц на корпусе подшипника в

горизонтальном направлении почти совпадает с амплитудой первой обо-

ротной гармоники и может достигать 5…10 мм/с и более (рис. 3.1).

3.1.1. Анализ спектральных и временных характеристик вибросигна-

лов

Вибросигнал с переднего подшипника электродвигателя содержит

почти периодическую составляющую с наложенным относительно малым

уровнем шума. При рассмотрении его после увеличения масштаба по вре-

мени можно увидеть, что период сигнала составляет около 20 мс.

Рис. 3.1. Сигнал виброускорения переднего подшипника электродвигателя

На спектре сигнала, полученного с помощью переносной системы

COMPACS-MICRO (Рис. 3.2.), видна составляющая на частоте 50 Гц. Вто-

рая и третья гармоники оборотной частоты имеют значительно меньшую

амплитуду.

Наличие первых гармоник оборотной частоты может свидетельство-

вать о следующем:

- нарушение баланса вращающегося элемента (ротора);

- нарушение соосности валов;

- ослабление крепления неподвижных (корпусных) и подвижных

элементов агрегатов.

Рис. 3.2. Амплитудно-частотный спектр вибросигнала с переднего подшипника

электродвигателя

3.1.2. Дисбаланс масс ротора

Неуравновешенность вращающихся масс ротора является одним из са-

мых распространенных дефектов оборудования, обычно приводящим к резко-

му увеличению вибраций. Неуравновешенность ротора вызывается возникно-

вением (в силу различных причин) отклонений геометрических размеров ро-

тора от номинальных конструктивных, т.е. дисбаланса. При вращении такого

ротора с некоторой угловой скоростью в каждом поперечном сечении, имею-

щем отклонение размеров от номинальных, возникает центробежная сила,

вращающаяся вместе с ротором и вызывающая переменные нагрузки на опо-

ры. При этом результирующая центробежная сила, являясь статической на-

грузкой для ротора, может вызывать значительный прогиб вала ротора. Цен-

тробежные силы, или дисбаланс, воздействуют на опоры ротора и агрегата,

вызывая значительные нагрузки 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 балан-

сировки ротора, которые характеризуются повышенным уровнем вибрации

непосредственно после завершения ремонта или монтажа агрегата;

- наличие на вращающемся роторе различных изношенных, дефект-

ных и т.п. деталей и узлов;

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

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

характеризуются внезапными изменениями амплитуды и/или фазы колеба-

ний, 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 (нару-

шение посадок) деталей ротора, которые характеризуются сравнительно

медленными (в течение эксплуатации) изменениями амплитуды и/или фазы

вибраций, результат неравномерного износа конструкции ротора;

- неравномерная внутренняя структура или наличие внутренних де-

фектов в конструкционных материалах ротора.

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

особенностям проведения диагностики, дисбалансы можно условно подраз-

делить на:

- статический дисбаланс;

- динамический дисбаланс;

- моментный дисбаланс.

3.1.3. Статический дисбаланс

Это наиболее простой тип дисбаланса, который эквивалентен нали-

чию тяжелого места (сосредоточенной массы) в одной точке ротора. Он на-

зывается статическим потому, что проявляется даже без вращения ротора.

Если последний разместить на двух параллельных лезвиях, то тяжелое ме-

сто будет стремиться занять самое низкое положение (Рис. 3.3).

F=F1+F2

Рис. 3.3. Схема расположения дисбалансирующих масс

при статическом дисбалансе

Статический дисбаланс ротора может быть вызван, например, нару-

шением соосности бочки и шеек ротора, прогибом ротора, различием в

массе одинаковых диаметрально противоположных элементов (например,

полюсов синхронных машин или секций обмоток якоря), смещением масс

пропиточного лака при сушке и др.

Статический дисбаланс приводит к воздействию на оба опорных под-

шипника сил на частоте f

– частота вращения вала), причем обе эти си-

лы имеют одинаковое направление. Вибрационные сигналы от них нахо-

дятся в фазе друг с другом. Чистый статический дисбаланс создает силь-

ный пик амплитуды на частоте ротора f

в спектре вибрации. Амплитуда

этого пика зависит от степени серьезности дисбаланса и пропорциональ-

на квадрату частоты вращения вала. Относительные уровни вибрации

подшипников на частоте f

зависят от положения тяжелого места на про-

дольной оси ротора.

3.1.4. Моментный дисбаланс

Причиной моментного дисбаланса могут быть перекосы насаживае-

мых на вал узлов: коллектора, контактных и бандажных колец, рабочих ко-

лес и многие другие причины.

При моментном дисбалансе в состоянии, когда приводной двигатель

отключен от питающей сети, ротор идеально уравновешен и может оста-

навливаться в любом положении. При переводе ротора из неподвижного,

статического состояния в динамическое, вращающееся, претерпевает изме-

нение совокупность сил, действующих на ротор и распределенных вдоль

оси. Наряду со статическими моментами на ротор начнут действовать ди-

намические усилия, приводящие к дисбалансу. Учитывая условия возник-

новения такого дисбаланса, его принято называть моментным дисбалансом,

т.е. возникающим при вращении. Моментный дисбаланс обуславливают

динамические силы, связанные с продольной угловой асимметрией распре-

деления масс на роторе - в отличие от статического дисбаланса, когда не

учитывалось распределение масс вдоль продольной оси ротора.

Ротор (Рис. 3.4) 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 дисба-

лансы ротора уравновесят друг друга. При этом ось ротора и ось инерции

пересекаются в центре масс.

Рис. 3.4. Схема расположения дисбалансирующих масс

при динамическом дисбалансе

Совершенно иная картина сил, действующих на подшипник, будет

иметь место при приведении ротора во вращение.

Ротор с моментным дисбалансом может быть статически сбалансиро-

ван. Однако при вращении он приводит к появлению на подшипниках цен-

тробежных сил, которые имеют противоположные фазы. При исследова-

нии спектров без фазовой информации невозможно различить статический

и динамический дисбалансы. Для коррекции последнего требуется много-

плоскостная балансировка, тогда как статический дисбаланс теоретически

может быть исправлен единственной корректирующей массой.

3.1.5. Динамический дисбаланс

Комбинация статического и моментного дисбаланса называют дина-

мическим дисбалансом. При динамическом дисбалансе ось ротора и ось

инерции не пересекаются или пересекаются не в центре масс. Вращение

этого ротора вызовет значительный уровень вибрации на его подшипниках.

Типичным примером динамического дисбаланса является дисбаланс ротора

консольного насоса.

3.1.6. Прогиб вала

Дисбаланс, связанный с прогибом вала, часто остаточный, также мо-

жет вызываться дефектами изготовления (остаточные деформации, неодно-

родность вала, тепловая нестабильность электрических машин и др.), де-

фектами монтажа (в торцевых гаечных соединениях, перекосы в шпоноч-

ных соединениях, нарушение натяга дисков и др.), дефектами эксплуатации

(задевания, в результате неравномерного охлаждения, нагрева ротора или

нарушения зазоров и др.).

3.1.7. Дисбаланс консольных машин

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

балансе ротора создается сильная вибрация на частоте f

в осевом направ-

лении, а также некоторая вибрация в радиальном направлении на ближай-

шем к ротору подшипнике. Это объясняется тем, что дисбаланс создает

изгибающий момент вала и вызывает осевые движения корпуса подшип-

ника.

3.1.8. Признаки дисбаланса

В случае дисбаланса сигнал виброускорения на фоне первой гармони-

ки частоты вращения вала часто насыщен средне- и высокочастотной и слу-

чайной составляющими, возбуждаемыми даже исправными подшипниками

качения и другими источниками (рис. 3.2).

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

оборотной частоте одинаковы, синфазны и имеют устойчивый характер, то

это статический дисбаланс;

- если амплитуды виброскоростей на конечных опорах ротора на

оборотной частоте одинаковы и противофазны, то это моментный дисба-

ланс;

- если амплитуды виброскоростей на конечных опорах ротора на

оборотной неодинаковы, не синфазны и не противофазны, то это динамиче-

ский дисбаланс.

При механическом дисбалансе параметры вибрации зависят от часто-

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

внешних условий работы и температуры агрегата. Вибрация может прояв-

ляться как в радиальном, так и осевом направлениях, однако, в силу зави-

симости от жесткости подшипника, обычно горизонтально-радиальная

вибрация преобладает над вертикальной. При этом часто наблюдаются

более интенсивные колебания опор корпуса ротора с дисбалансом, а

влияние его колебаний на вибрацию сопряженных агрегатов, особенно в

случае применения гибких муфт, обычно относительно невелико.

В данном случае (Рис. 3.2.) амплитуда первой гармоники на частоте

50 Гц значительно больше амплитуды остальных гармоник. Следовательно,

можно предположить, что данный агрегат имеет дисбаланс ротора.

Уровень виброскорости (Рис. 3.5. ) достаточно велик и превышает допус-

тимый порог согласно Руководящему документу [11] по эксплуатационным нор-

мам вибрации. Уровень виброперемещения (Рис. 3.6. ) также велик и также пре-

вышает порог согласно [11], установленный для данного агрегата. Наличие

большого уровня вибраций с оборотной частотой, возможно, привело к ослабле-

нию креплений подшипников ротора и агрегата в целом. Поэтому необходимо

проверить крепление не только агрегата в целом, но и крепление всех соедине-

ний.

При анализе сигналов необходимо тщательно проверять частоту обо-

ротной гармоники. Так, при реальной частоте вращения двигателя около

2880 мин

-1

частота оборотной гармоники будет соответствовать 48 Гц. При

недостаточной разрешающей способности спектрального анализа (более 1

Гц) составляющие с частотой сети (50 Гц ± 2%) и составляющая с оборот-

ной частотой (48 Гц) сольются в одну спектральную линию. Поэтому для

проведения достоверного анализа необходимо иметь разрешающую спо-

собность анализатора по частоте не менее 0.5-1 Гц, что соответствует вре-

мени выборки сигнала 2-1 сек. Пример спектра сигнала виброускорения с

разрешающей способностью 0.5 Гц приведен на рисунке 3.7.

Рис. 3.5. Амплитудно-частотный спектр виброскорости при дисбалансе

Рис. 3.6. Спектр виброперемещения при дисбалансе

Рис. 3.7. Спектр сигнала с разрешающей способностью 0.5 Гц.

3.2. Диагностические признаки

неисправностей электродвигателей

Электродвигатель представляет собой сложное сочетание взаимосвя-

занных колебательных систем с несколькими источниками возмущающих

сил. Каждый из источников имеет свой характерный спектр вибрации. В

зависимости от типа, конструктивного исполнения и скорости вращения

электрических машин в спектре вибрации может преобладать тот или иной

источник.

Двигатель переменного тока. Существует два типа двигателей пере-

менного тока: синхронные и асинхронные. Двигатели любого из этих типов

могут питаться однофазным либо трехфазным электрическим током. В про-

мышленности обычно применяют трехфазные установки из-за их более вы-

сокой эффективности.

Синхронные электродвигатели гораздо менее распространены, чем

асинхронные, однако их используют в некоторых специальных приложени-

ях, требующих абсолютного постоянства скорости, а также для коррекции

коэффициента мощности. Синхронные и асинхронные двигатели похожи во

многих отношениях, но отличаются в некоторых деталях.

Статор двигателя переменного тока имеет несколько проволочных

обмоток из провода, уложенного в пазах статора.

Этих пазов всегда зна-

чительно больше, чем обмо-

ток, поэтому последние пе-

реплетаются достаточно

сложным образом. Когда на

обмотки подается перемен-

ный ток, внутри статора

создается вращающееся

магнитное поле. Скорость

этого вращения зависит от

числа обмоток, то есть ко-

личества полюсов.

В трехфазном двигателе три обмотки формируют два магнитных по-

люса вследствие совместного действия их электрических токов, разность

фаз которых составляет 120 градусов. При сетевой частоте сети 50 Гц и

двух полюсах статора, частота вращения поля будет 50 оборотов в секунду

или 3000 мин

-1

. Если имеется 4 полюса (6 обмоток), то поле будет вращать-

ся со скоростью 1500 мин

-1

и так далее.

Синхронный двигатель. Если внутри статора разместить постоянно

намагниченный в поперечном направлении круглый ротор, то последний

будет закручиваться магнитным притяжением со скоростью вращения поля.

Она называется синхронной скоростью, а такая конструкция - синхронным

электродвигателем. Он вращается в точности синхронно с сетевой часто-

той.

Синхронные двигатели применяются в электрических часах для обес-

печения точности хода. Их также применяют в промышленности. В этих

двигателях ротор является электромагнитом и возбуждается постоянным

током. Синхронные электродвигатели обладают одной интересной особен-

ностью: если ротор перевозбужден, то есть если его магнитное поле пре-

вышает определенную величину, то двигатель ведет себя подобно конден-

сатору в сети питания. Это может использоваться для коррекции коэффи-

циента мощности промышленных предприятий, эксплуатирующих большое

количество асинхронных двигателей.

Асинхронный двигатель. Отличие асинхронного двигателя от син-

хронного заключается в том, что его ротор не является постоянным магни-

том. Он состоит из электропроводных стержней, расположенных вдоль оси

и вставленных в специальные пазы, которые равномерно распределены по

окружности. Стержни соединены друг с другом (закорочены, как говорят

электрики) кольцами, которые привариваются к их концам с обеих сторон