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

Подождите немного. Документ загружается.

рацию лопасти и звуковой импульс в рабочей среде.

Лопасть рабочего колеса при вращении регулярно набегает на неод-

нородность потока, вследствие чего возбуждаемые при этом вибрация и

шум проявляются на лопастной частоте.

Вибрация на этой частоте возникает также при взаимодействии неод-

нородного потока, выходящего из рабочего колеса, с лопастями сзади стоя-

щего направляющего (спрямляющего) аппарата.

Вибрация и шум насосов от неоднородности потока снижаются при

увеличении зазора между лопастями рабочего колеса и неподвижными (ста-

торными) лопатками, а также путем подбора рационального сочетания их

чисел.

При равномерной частотной характеристике корпуса насоса во всем

диапазоне лопастных частот интенсивность вибрации и шума от неодно-

родности потока растет в 4…6-й степени от окружной скорости.

В общем случае неоднородность потока возбуждает вибрацию в об-

ласти частот от 10f

до 50f

или (1-4)f

. При этом, вибросигнал содержит

составляющие:

- на частоте вращения ротора и ее гармониках;

- на лопаточной частоте (f

или BPF) и ее гармониках;

- на боковых частотах вокруг лопаточной частоты и ее гармониках и

субгармониках.

В частности:

1. Разброс газодинамических (гидродинамических) характеристик ло-

пастей, выражающийся в нарушении расчетной формы лопастей, может

приводить к появлению составляющих на лопаточной частоте и ее модуля-

ции гармониками оборотной частоты (f

k f

);

2. При динамическом эксцентриситете рабочего колеса относи-

тельно языка или направляющего аппарата на входе или выходе (в основ-

ном, при очень малых значениях зазора) также может появиться амплитуд-

ная модуляция лопаточной частоты f

и ее гармоник m f

оборотной часто-

той f

и ее гармониками k f

, т.е. составляющие m f

k f

(Рис. 3.11)

;

3. Статический эксцентриситет в большинстве случаев не очень

сильно влияет общий на уровень вибрации и существенно может прояв-

ляться лишь в случае малых зазоров между рабочим колесом и языком спи-

рали отвода;

4. При неравномерном эксплуатационном износе лопастей могут

появляться f

и ее гармоники k f

, лопаточные частоты m f

и их модуляци-

онные составляющие

k f

Рис. 3.11. Спектр вибрации центробежного компрессора

при динамическом эксцентриситете

3.3.4. Турбулентные пульсации давления

Поток жидкости, движущейся вдоль поверхности твердого тела, при оп-

ределенных числах Re становится турбулентным в пристеночном слое. Воз-

никновение вибрации обтекаемого тела в этом случае связано с непосредст-

венным воздействием на поверхность тела пульсаций поля давлений, вызван-

ных пульсацией скоростей турбулентного пограничного слоя. Величина квад-

рата среднеквадратичного давления, пропорциональная интенсивности вибра-

ции, зависит в четвертой степени от скорости потока, т. е. амплитуда пульса-

ций давления определяется динамическим напором. Спектр вибрации обте-

каемой поверхности аналогичен спектру пульсаций давления на стенке. Тур-

булентные пульсации давления, как гидродинамические источники вибрации,

в лопастных машинах имеют второстепенное значение.

3.3.5. Кавитация

Существует несколько различных форм начальной стадии кавитации.

В лопастных (осевых и центробежных) насосах принято различать пузырь-

ковую, профильную и вихревую формы.

Процесс возникновения кавитационных импульсов давления от пу-

зырьковой кавитации схематически представляется следующим образом. В

набегающем на тело потоке содержится очаг кавитации – пузырек. Попав в

зону разрежения вблизи обтекаемого тела, он начинает расти под действи-

ем растягивающих напряжений. Рост продолжается до тех пор, пока кине-

тическая энергия присоединенной к пузырьку массы воды полностью не

израсходуется, т. е. рост пузырька заканчивается за зоной разрежения; уве-

личивающийся пузырек сносится потоком в область повышенного давле-

ния, где он начинает сокращаться. Находящийся внутри пузырька газ ока-

зывает демпфирующее влияние, и пузырек, прежде чем захлопнуться, со-

вершает несколько сжатий и расширений. Эти процессы сопровождаются

выделением виброакустической энергии, причем основная доля энергии из-

лучается на стадии сжатия. Пузырьковая форма кавитации обычно развива-

ется около тел с плавными обводами, например стоек водорезов.

Кавитация является одним из самых мощных источников вибрации и

шума насосов. Причем на виброакустические характеристики насосов су-

щественное влияние оказывает уже начальная стадия кавитации, возни-

кающая в небольших по площади областях.

При профильной кавитации на обтекаемом теле (профиле) образуется

прозрачная или непрозрачная каверна. Как правило, на лопастях рабочих

колес насосов имеет место профильная кавитация с непрозрачной каверной.

Каверна начинает свое развитие у входной кромки обтекаемого профиля.

От хвостовой части каверны непрерывно отделяются различных размеров и

форм участки, которые затем сносятся потоком и замыкаются. Вся каверна

при этом заполнена отдельными пузырьками, которые в месте, где она на-

чинается, существуют независимо друг от друга и сливаются воедино в

средней ее части.

Вихревая кавитация развивается в ядрах вихрей, образующихся на

свободных концах лопастей осевых колес.

Возникновение перечисленных форм кавитации подвержено мас-

штабному эффекту и происходит при давлениях в зоне разрежения боль-

ших, чем давление упругости водяных паров. Под масштабным эффектом

кавитации понимается влияние не только геометрических размеров, но и

величин скорости, давления, температуры, степени насыщенности жидко-

сти воздухом – вообще всех параметров, которыми могут различаться пото-

ки, обтекающие геометрически подобные тела.

Из названных форм начальной стадии кавитации наибольшей виброа-

кустической мощностью обладают вихревая (в осевых насосах) и профиль-

ная (в центробежных насосах). Эти формы кавитации по мере увеличения

ее интенсивности проходят газовую и паровую стадии. При снижении дав-

ления (увеличении скорости потока) наступает такой момент, когда газовые

пузырьки в результате анизотропной направленной диффузии растворенно-

го в воде газа начинают резко расти в объеме. Происходит дегазация жид-

кости, которую часто называют газовой кавитацией; так как при дегазации

возникают импульсы давлений, то рост пузырька имеет циклический ха-

рактер. При дальнейшем понижении давления, т.е. с увеличением растяги-

вающих жидкость напряжений, возникает паровая стадия кавитации.

Вибрация и шум, вызываемые кавитацией, занимают широкий спектр

частот. Причем ранние стадии кавитации проявляются в высокочастотной

части спектра; с увеличением интенсивности кавитации спектр расширяет-

ся в область средних и низких частот. Когда кавитация переходит в срыв-

ную стадию, низкочастотные вибрации бывают настолько сильными, что

могут вызвать поломку насоса.

Интенсивность (J) кавитационного шума насосов сильно зависит от

окружной скорости колеса (u), которая может быть выражена соотношени-

ем J~u

. Величина показателя

изменяется в зависимости от стадии кави-

тации. В осевых насосах в начальный момент развития паровой кавитации

20, а в зоне развитого кавитационного шума

9. В центробежных

насосах величины

соответственно равны:

14 и

3.3.6. Вихреобразования и турбулентные пульсации давления в объ-

емных роторных насосах

Вихреобразования обусловлены взаимодействием рабочих элементов

этих насосов (шестерен винтов, пластин) между собой и корпусом. В ос-

новном вихреобразования носят случайный характер. Спектр вибрации,

вызываемой вихреобразованиями, преимущественно высокочастотный,

сплошной, обычно маскируется другими более интенсивными источника-

ми. Микропульсации давления в этих насосах так же, как и в лопастных,

могут быть обусловлены турбулентностью потока жидкости.

В турбулентном пограничном слое возникают напряжения сдвига, ко-

торые вызывают деформацию элементарных объемов жидкости. Каждый

такой элемент представляет излучатель звуковой вибрации, причем излуче-

ние происходит за счет деформации элемента без изменения объема. На

твердой границе - на поверхности обтекаемого тела - при этом действуют

хаотические пульсации давления. Как источник вибрации турбулентные

пульсации давления в дозвуковом потоке малоэффективны. Спектр вибра-

ции от турбулентных пульсаций давления в потоке жидкости занимает ши-

рокую область частот и в значительной степени неравномерен по интен-

сивности.

3.3.7. Анализ сигналов

Вибросигнал (Рис. 3.12) получен с переднего подшипника насоса, с

номинальной частотой вращения ротора 3000 мин

–1

, т.е. частота 1-ой обо-

ротной гармоники чуть меньше 50 Гц (f

=49,77 Гц). Частота 8-ой гармони-

ки совпадает с лопаточной частотой, т.к. количество лопаток на рабочем

колесе равно восьми. Если установить гармонический курсор на частоту

=398 Гц, то можно увидеть наличие второй гармоники на частоте 796 Гц,

и третьей - на частоте 1194 Гц. Появление гармоник лопаточной частоты

свидетельствует о:

- пульсации давления в потоке;

- нарушении гидродинамики потока перекачиваемого продукта;

- возможном зарождении дефекта лопаток.

Пульсации давления в потоке и создаваемая ими вибрация преимуще-

ственно носят случайный характер и проявляется приблизительно с посто-

янным уровнем в широкой полосе частот до 1000-2000 Гц с дальнейшим

снижением уровня на 6-12 дБ на октаву. При этом возникают колебания

корпусов, труб и рабочих лопаток.

Рис. 3.12. Амплитудно-частотный спектр виброускорения корпуса насоса с лопа-

точными частотами.

Нарушения гидродинамики потока перекачиваемого продукта могут

проявляться в виде:

- вихреобразования в потоке;

- неоднородности потока в проточной части центробежных агрега-

тов;

- гидродинамической неуравновешенности;

- кавитации.

Вихреобразования в потоке возникают при изменении сечения трубо-

провода, поворотах труб, прохождении потоком распределительной и регу-

лирующей арматуры, на кромках лопастей и приводят к случайным пульса-

циям давления.

Неоднородности потока в проточной части центробежных агрегатов

(чаще всего насосов и вентиляторов, реже - компрессоров, турбин) возни-

кают от неравномерности поля скоростей и давлений по шагу между лопа-

стями рабочего колеса. Спектральный состав пульсаций достаточно сложен

и характеризуется наличием гармоник оборотной и лопаточной частот, а

также модуляцией лопаточных гармоник оборотной и другими гармоника-

ми. Диагностические признаки гидродинамической неуравновешенности

при спектральном анализе совпадают с признаками дисбаланса ротора, од-

нако силы ее вызывающие существенно меньше, в силу чего на практике

гидродинамическая неуравновешенность ротора обнаруживается крайне

редко: только когда ротор отбалансирован с высокой степенью точности.

Измеряя фазу вибрации на частоте вращения ротора относительно метки на

валу можно определить дефектное место рабочего колеса (дефектную ло-

пасть). В тоже время гидродинамическая неуравновешенность в отличие от

механической создает на входе и выходе рабочего колеса периодически

пульсирующий поток (даже при отсутствии кавитации), т.е. спектр оги-

бающей высокочастотной случайной вибрации может содержать

составляющую на частоте вращения ротора, а глубина модуляции

высокочастотной вибрации может соответствовать общему вкладу

гидродинамической неуравновешенности ротора.

Кавитация возникает при местном понижении давления в тех облас-

тях где ее скорость достигает максимального значения, т.е. при обтекании

тел или в районе ядер вихрей. Вибрация при кавитации носит случайный

характер, составляющие колебания лежат в области средних и высоких час-

тот и могут быть велики по значению. Обычно максимум широкополосной

вибрации находится в диапазоне 500...3000 Гц, который по мере развития

кавитационного процесса смещается в область низких частот. При совпаде-

нии собственных частот колебаний рабочих лопастей или деталей насоса с

частотами возмущающих колебаний, возникающих при кавитации, особен-

но при малых подачах, возможно появление интенсивных автоколебаний

лопаток и даже ротора, обвязки и корпуса.

Признаки ранней кавитации можно выявить ориентируясь на анализ

гармоник лопаточной частоты в амплитудно-частотном спектре виброуско-

рения в диапазоне частот до 3000 Гц.

Дефекты лопаток связаны обычно с неравномерным эксплуатацион-

ным износом лопаток, при этом может появляться вибрация на частоте вра-

щения ротора и ее гармониках (вызываемая появившимся дисбалансом),

лопаточных частотах, которые могут быть модулированы оборотной часто-

той или другими частотами при наличии других дефектов.

Анализ амплитудного спектра сигнала (Рис. 3.12, Рис. 3.13) свиде-

тельствует о наличии явных диагностических признаков нарушений гидро-

динамики и пульсаций давления, в частности, присутствуют лопаточные

гармоники в спектре сигнала. В данном случае наличие гармоник лопаточ-

ной частоты свидетельствует о кавитации в форме срыва вихрей с лопаток

рабочего колеса.

При возникновении кавитации и других гидродинамических источни-

ков среднеквадратическое значение виброускорения, измеренного на кор-

пусе подшипника в горизонтальном направлении, вызванное ростом ампли-

туд лопаточных частот, может существенно превышать 15 м/с

в диапазоне

частот 10…3000 Гц.

Рис. 3.13. Амплитудно-частотный спектр виброускорения корпуса насоса с лопа-

точными частотами.

4. Диагностика агрегатов

4.1. Несоосность

Несоосностью (расцентровкой) называют состояние, при котором

центральные оси соединенных валов не совпадают. Несоосность присутст-

вует всегда и ее развитие (увеличение) часто служит причиной нарушения

работоспособности агрегатов. Если центральные оси несоосных валов ос-

таются при этом параллельными, то - имеет место параллельная несоос-

ность. Если центральные оси несоосных валов пересекаются в точке

соединения, но не параллельны, тогда несоосность называется угловой.

Почти все встречающиеся на практике несоосности машин являются

комбинацией этих двух основных типов.

4.1.1. Причины несоосности

Несоосность обычно вызывается следующими причинами:

- неточной сборкой составных частей (двигателей, насосов и т.п.);

- относительным смещением составных частей после сборки;

- деформацией податливых опор;

- тепловым расширением конструкции машины;

- неперпендикулярностью торцов муфты осям валов;

- нежесткостью основания.

Несоосность приводит к следующим проблемам:

- сильный износ и нагрев муфты;

- растрескивание вала вследствие усталости, вызванной изгибом;

- чрезмерное нагружение подшипников;

- преждевременный выход из строя подшипников;

- срез вала двигателя или машины.

4.1.2. Параллельная несоосность

Параллельная несоосность создает как поперечную силу, так и изги-

бающий момент на связанном конце каждого вала. На подшипниках с каж-

дой стороны муфты возникают высокие уровни вибрации на частоте 2f

, а

также на f

в радиальном направлении, причем эти вибрации находятся в

противофазе. Чаще всего, компонента 2f

выше, чем f

. При чисто парал-

лельной несоосности осевые вибрации на частотах f

и 2f

невелики, и так-

же находятся в противофазе. Если скорость машины не является постоян-

ной, то уровень вибрации, вызванной дисбалансом, будет изменяться про-

порционально квадрату скорости. В то же время, уровень вибрации, вы-

званной несоосностью, не изменяется.

4.1.3. Угловая несоосность

При угловой несоосности на каждом валу возникает изгибающий мо-

мент. Из-за этого создаются сильные осевые вибрации на частоте f

(а также

некоторая вибрация на 2f

) на обоих подшипниках, находящиеся в противофа-

зе. Кроме того, присутствуют достаточно сильные уровни радиальной и/или

поперечной вибрации на f

и 2f

, которые имеет одинаковую фазу с двух сто-

рон муфты. Обычно для несоосных соединений характерны также достаточно

высокие осевые f

-уровни на подшипниках на других концах валов.

4.1.4. Общая несоосность

Большинство случаев несоосности являются комбинацией двух опи-

санных выше типов, а их диагностика основана на преобладании 2f

-пиков

над f

-пиками в радиальной вибрации, и на существовании сильных пиков

, преобладающих над пиками 2f

в осевой вибрации. При этом следует

убедиться, что высокие осевые уровни f

не вызваны дисбалансом консоль-

ных роторов.

4.1.5. Изгиб вала

Вибрация агрегата в случае изгиба вала схожа с характеристикой не-

соосности, и их легко спутать. Изгиб вала электродвигателя обычно проис-

ходит из-за неравномерного нагрева ротора с плохим стержнем и вызывает

на обоих подшипниках сильные осевые вибрации на частоте f

и 2f

, а

также высокие радиальные и поперечные составляющие f

. Компоненты

на противоположных концах ротора будут иметь противоположные

фазы.

4.1.6. Анализ спектральных и временных характеристик вибросигна-

лов

Характер вибрации агрегатов при нарушениях соосности валов в

большинстве случаев определяется конструкцией применяемых соедини-

тельных муфт. Гибкие или подвижные муфты способны компенсировать

значительные нарушения соосности валов практически без изменения виб-

росостояния агрегата за счет ухудшения условий работы собственных эле-

ментов. Жесткие муфты, например, пальцевые, испытывая лишь повышен-

ные напряжения в жестких соединениях, полностью передают изменив-

шиеся условия работы валов на опоры, вызывая значительные изменения их

реакций и вибросостояния агрегата. Зубчатые и полужесткие муфты допус-

кают определенные нарушения соосности соединяемых валов при малоза-

метном изменении вибросостояния агрегата, но при этом для зубчатых

муфт расцентровка может иметь различные неблагоприятные последствия:

ускоренный износ, деформация или поломка зубьев. Иногда муфта оказы-

вается прочнее смежного подшипника, что приводит к повреждению по-

следнего. В некоторых случаях влияние конструкции и состояния муфты на

вибрацию агрегата выражается в подавлении диагностических признаков

расцентровки на смежных подшипниках и признаки расцентровки прояв-

ляются на внешних относительно муфты подшипниках дефектно сопря-

женных валов.

Характер вибрации при расцентровке зависит от величины и места

приложения неуравновешенных сил, крутящего момента, свойств и качест-

ва смазочного слоя в подшипниках, а также состояния муфты, подшипни-

ков и их опор. В вибросигнале обычно присутствуют колебания с частотой

вращения ротора (оборотная частота), часто гармоники выше 2-ой. При оп-

ределенных условиях возможно появление низкочастотной вибрации.

4.1.7. Типовые параметры сигнала с признаками несоосности.

При значительных нарушениях соосности валов (при отсутствии дру-

гих дефектов) для формы сигнала виброускорения носит почти периодиче-

ский характер с небольшим уровнем (Рис. 4.1). Форма сигнала виброскоро-

сти обычно имеет более детерминированный характер. По мере развития

дефекта и изменения состояния оборудования количество гармоник может

увеличиваться до 10 и более.

Рис. 4.1. Временная реализация вибросигнала с переднего подшипника электро-

двигателя