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

Подождите немного. Документ загружается.

Спектр виброускорения (Рис. 4.2) на переднем подшипнике электро-

двигателя является классическим примером возникновения несоосности

(если спектральная составляющая с частотой 100 Гц не связана с другими

дефектами). Спектральный анализ с высокой разрешающей способностью

может подтвердить возникновение несоосности, если частоты гармоники

будет кратно именно частоте вращения, а не частоте сети, при этом именно

уровень 2f

свидетельствует о наличии расцентровки. Необходимо обратить

внимание на то, что из-за недостаточной разрешающей способности по час-

тоте при анализе спектра энергия сигнала перераспределяется между со-

ставляющими 98 и 100 Гц, 148 и 150 Гц, 198 и 200 Гц при частоте враще-

ния 49.64 Гц.

Рис. 4.2. Спектр виброускорения на переднем подшипнике двигателя

Спектр виброскорости (Рис. 4.3), полученный с датчика, который ус-

тановлен на переднем подшипнике электродвигателя в радиальном направ-

лении, достаточно хорошо отражает нарушение центровки. При этом ам-

плитуды более высоких гармоник – 198 Гц, 298 Гц существенно меньше

амплитуды составляющей 100 Гц, указывающей на расцентровку. В силу

чего, при диагностике нарушения центровки лучше пользоваться парамет-

ром виброскорость. Наличие первой оборотной гармоники 50 Гц вызвано

не только нарушением центровки, но и развитием дисбаланса ротора.

Рис. 4.3. Амплитудно-частотный спектр виброскорости на переднем подшипнике

двигателя в радиально-поперечном направлении

Рис. 4.4. Амплитудно-частотный спектр виброперемещения на переднем подшип-

нике двигателя в радиально-поперечном направлении

Среднеквадратичное значение виброскорости, измеренной на корпусе

подшипника в горизонтальном направлении в диапазоне частот

10…1000 Гц, в основном определяется амплитудой четных оборотных гар-

моник, может достигать и существенно превышать 10 мм/с. Наличие слу-

чайных низкочастотных колебаний 5…15 Гц в спектре виброперемещения

(Рис. 4.4) свидетельствует об ослаблении крепления двигателя к фундамен-

ту, что и является причиной нарушения центровки.

4.2. Ослабление крепления

Ослабления крепления или механические ослабления – зазоры между

деталями, люфты, неплотная затяжка (сборка) составных частей, наруше-

ние целостности несущих элементов фундаментов, неплотная посадка вра-

щающихся деталей – являются нелинейным откликом агрегата (механиче-

ской системы) на воздействие неуравновешанных сил и являются причина-

ми возбуждения детерминированной и случайной вибрации.

4.2.1. Виды ослаблений

Податливость опор:

- конструктивное и эксплуатационное ослабление опор, опорной

плиты, основания, элементов крепления (анкеров, болтов), фундамента;

- ослабление взаимного крепления при сборке (неплотная затяжка)

составных частей опор ротора, вкладышей, корпусов подшипников, фунда-

ментных рам и ригелей фундамента;

- неполное прилегание, искажение формы рамы и основания (короб-

ление фундаментной плиты);

Люфты в неподвижных соединениях, целостность деталей:

- неплотное прилегание деталей;

- ослабление крепления и нарушение связи между корпусом под-

шипника и ротором;

- ослабление крепления и нарушение связи между корпусом под-

шипника и корпусом агрегата;

- ослабление крепления и нарушение связи между опорами корпусом

агрегата 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 вращаю-

щихся элементов:

- трещины колеса или вала;

- ослабление (неплотная посадка) рабочих колес вентиляторов и на-

сосов, подшипников, вкладышей подшипников, муфт;

- чрезмерный зазор во втулках или элементах подшипников.

4.2.2. Диагностические признаки

При некоторых видах нарушений жесткости траектория движения ва-

ла агрегата может сильно отличаться от эллиптической: вал может совер-

шать хаотические движения в подшипнике. Во многих случаях характер-

ным признаком ослабления крепления является зависимость уровня и ха-

рактера вибраций от направления измерений. Для колебаний характерна

нестационарность, что и придает кривой относительных колебаний слож-

ный и хаотичный характер.

Амплитуда вибрации в горизонтальном и вертикальном направлениях

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

правило, значительно превосходит осевую (для горизонтальных агрегатов).

Характерные признаками ослабления крепления (жесткости):

Временной сигнала виброускорения имеет нестационарный, импульс-

ный характер. В спектре присутствует достаточно большое количество це-

лых (1¸10) и кратных составляющих f

, а также субгармоники. При этом

спектр нестабилен во времени, устойчивую оценку спектра можно получить

при осреднении его на протяжении нескольких десятков секунд.

Форма временного сигнала виброскорости, как правило, имеет более ста-

ционарный характер (по сравнению с виброускорением) при длине реализации

несколько оборотов. Однако амплитуда сигнала обычно бывает нестабильна от

оборота к обороту. Можно наблюдать импульсы, период которых кратен частоте

вращения вала. Спектр виброскорости более стабилен. Гармонические состав-

ляющие проявляются более четко, хотя также требуется осреднение спектра.

Часто наличие составляющей 0.5f

с амплитудой близкой или хотя бы в два раза

меньшей f

в осевом направлении свидетельствует о люфте, а присутствие со-

ставляющей 1.5f

на корпусе подшипника насоса в радиальных направлениях –

об ослаблении посадки подшипника и, возможно, о его перекосе.

Временной сигнал виброперемещения содержит значительную низко-

частотную случайную составляющую и амплитуда сигнала весьма неста-

бильна от оборота к обороту. В спектре сигнала могут присутствовать со-

ставляющие f

и ее субгармоник в радиальных направлениях. Амплитуда f

значительно выше остальных - 0.5 f

, 1.5 f

, 2.5f

. Более высокочастотные

составляющие, как правило, незначительны.

Ослабление крепления агрегата к фундаменту увеличивают вибрацию

объекта вследствие уменьшения жесткости системы. Поэтому при доста-

точной жесткости системы опора – фундамент величина вибрускорения

крышки подшипника в несколько раз превосходит величину виброускоре-

ния опоры. В противном случае это отношение уменьшается. Амплитуды и

фазы колебаний в близлежащих сечениях опоры и фундаментной рамы раз-

личны. В отдельных случаях низкочастотная вибрация усиливается вслед-

ствие резонанса системы «ротор – опоры».

Чрезмерная слабина при сборке подшипников скольжения и их вкла-

дышей вызывает появление составляющих от

до ½ от f

, что может быть

принято за масляный вихрь.

Среднеквадратическое значение виброперемещения в диапазоне час-

тот 10…200 Гц при ослаблении крепления превышает десятки и даже сотни

микрометров.

4.2.3. Локализация дефекта

Чем ближе место с нарушением жесткости к ротору (в системе фундамент–

опора–подшипник–вал), тем интенсивней проявляются высшие гармоники час-

тоты вращения вала. Обычно уровень виброскорости на ослабленной опоре дви-

гателя превышает уровень виброскорости на подшипнике в 1.5¸3 раза.

4.2.4. Динамика развития дефекта

В общем случае ослабления начинают проявляться в радиальных на-

правлениях в виде появления первых гармоник f

, напоминая дисбаланс

или расцентровку, наличие которых усугубляет течение «болезни». Разви-

ваясь во времени ослабления начинают проявляться в появлении более вы-

соких гармоник f

, причем в процессе зарождения и развития дефекта, виб-

рация на одной или нескольких высших гармониках могут превосходить

вибрацию на частоте возбуждения. По мере развития дефекта (уменьшения

жесткости системы) в спектре вибрации между высшими гармониками f

особенно в низкочастотной части появляются шумовые случайные состав-

ляющие (рис. 4.4). Тренд виброперемещения имеет скорость роста, соот-

ветствующую скорости развития дефекта.

4.3. Оценка технического состояния агрегата

Техническое состояние агрегата определяется состоянием многих его узлов

и механизмов, каждый из которых имеет свои диагностические признаки неис-

правностей и дефектов. Для оценки технического состояния агрегата необходим

комплексный подход к анализу виброакустических сигналов с целью выявления

диагностических признаков. В качестве примера в Таблице 4.1 приведен свод-

ный перечень диагностических признаков неисправностей и дефектов электро-

двигателя, входящего в наиболее распространенные типы агрегатов. Анализ этих

признаков показывает насколько кропотливым и тщательным должен быть ана-

лиз характеристик сигналов для выявления диагностических признаков.

Таблица 4.1

Сводный перечень диагностических признаков

на примере агрегата с электродвигателем

Признак. Описание сигнала. Неисправность.

Временной сигнал вибрации является достаточно простым, с достаточно

малым количеством гармоник и шумов в области механических дефектов.

Преобладает вибрация с f

Небаланс вращающейся

массы ротора.

Амплитуда всех гармоник «механической природы» в спектре значительно

меньше (в 2–5 раз) амплитуды f

Небаланс вращающейся

массы ротора.

Отношение амплитуды f

в вертикальном направлении к f

: в поперечном

направлении составляет »0,7–1,2 и редко выходит за его границы. (Исклю-

чение: подшипниковые опоры с сильно выраженной анизотропией).

Небаланс вращающейся

массы ротора.

Уровень вибрации при небалансе в осевом направлении, меньше чем уро-

вень вибрации в радиальном направлении (исключение: большая податли-

вость опоры в осевом направлении и (или) при наличии изгиба вала).

Небаланс вращающейся

массы ротора.

При имеющейся возможности изменения f

хорошо видно, что с роcтом f

вибрация интенсивно возрастает.

Небаланс вращающейся

массы ротора.

В спектре явно доминирует пик гармоники f

: ротора. Статический небаланс.

При помощи фазы синхронизированных спектров колебаний подшипников,

особенно по величине начальной фазы f

Фаза f

должна быть достаточно устойчивой и не меняться с течением вре-

мени. В вертикальном направлении фаза f

должна отличатся от фазы f

поперечном направлении примерно на 90

или на 270

Статический небаланс.

Фазы первых гармоник одинаковых проекций вибрации на двух разных

подшипниках одного ротора мало отличатся друг от друга:

1.Если сдвига фаз вообще нет.

2.При сдвиге в 90

3.При сдвиге в 180

Дисбаланс:

1.Статический.

2. Оба типа небаланса.

3.Динамический.

На различных частотах вращения ротора, амплитуда f

в спектре вибрации

будет изменяться с изменением скорости и будет расти примерно прямо

пропорционально квадрату частоты вращения ротора.

Статический небаланс.

Составляющая f

явно выражена в осевой и радиальной проекциях вибро-

сигнала. Фаза f

в осевой вибрации обычно достаточна стабильна, а в ради-

альном направлении – иногда нет.

Небаланс консольного

ротора.

При запуске в рабочем режиме вибрация начинает медленно расти и дости-

гает своего максимума. При запуске в режиме холостого хода – отсутствие

небаланса (вибрации).

Тепловой небаланс.

Появление в спектре вибросигнала большого количества сильно выражен-

ных гармоник f

(до 10 и более). «Пропусков» в гармоническом ряду почти

не бывает. Амплитуда гармоник по мере роста номера гармоники может по-

степенно уменьшаться, но никогда не растет. Случайная низкочастотная

вибрация с частотой менее 20 Гц.

Механические ослабле-

ния.

Низкочастотная вибрация с частотой меньше 10 Гц, иногда даже с

частотой в доли герц. Большая амплитуда виброперемещения на f

Ослабление фундамен-

та.

Спектральная картина полностью напоминает картину, характерную

для расцентровки в вертикальной плоскости + одна гармоника 0.5f

По амплитуде она может достигать примерно половины или одной

трети от максимального пика на спектре f

. Случайная низкочастот-

ная вибрация

Дефект крепления к

фундаменту.

Продолжение таблицы 4.1

Признак. Описание сигнала. Неисправность.

Спектр вибросигнала имеет в своем составе большое количество

гармоник с целым номером и несколько гармоник с кратностью 0.5.

Случайная низкочастотная вибрация

Ослабление посадки эле-

ментов на валу.

Низкочастотная вибрация как в вертикальном, так и в поперечном

направлениях. Частота масляной вибрации (0.42 – 0.48) f

Масляная вибрация.

Дефект сепаратора у под-

шипниках качения.

Если частота вибрации, с течением времени, смещается к 0.5f

Хорошее состояние

внешней поверхности

вкладыша подшипника

скольжения и плохое со-

стояние поверхности

шейки вала.

Если частота масляной вибрации снижается к величине 0.4f

Тогда все наоборот.

Увеличение зазоров в

подшипнике скольжения.

На спектре появляются гармоники kf

, k=10 или даже 20.

Последняя стадия увели-

ченного зазора в под-

шипнике скольжения.

В спектре вибрации проявляется усиление f

и 2f

. Значительно воз-

растает осевая составляющая общей вибрации, часто до недопусти-

мых значении.

Неправильная установка

подшипника скольжения

(баббитовых вкладышей)

Частотный состав прост и обычно ограничивается f

Перекос баб-

битовых вкла-

дышей

Изгиб

вала.

Частотный состав ограничивается f

, а также возможно появление

гармоники с частотой, равной произведению f

на число сегментов.

Перекос сегментных

вкладышей

Наряду с эффектом перекоса на спектре возникает «резонансное

поднятие» в диапазоне средних и высоких частот в виде небольшо

го

«купола» с небольшой мощностью.

Излишняя подвижность

вкладыша подшипника

скольжения в опоре

Спектральная картина ослабленной посадки элементов с большим

количеством целых и дробных гармоник в спектре.

Последняя стадия боль-

шой подвижности

Радиальные, вертикальные вибрации будут содержать гармоники,

пропорциональные произведению f

на «порядок эллипсности» шей-

ки вала. При эллипсе - 2f

, при «Трехгранности» - 3f

и т.д.

Эллипсность шейки вала

В спектре вибросигналов наряду с f

, появляется пик на частоте де-

фекта элемента подшипника. По амплитуде пик характерной гармо-

ники соизмерим с амплитудой f

или 2f

, но по своей мощности еще

много им уступает им - в спектре пик подшипниковой гармоники

является очень узким.

Первый признак дефек-

тов подшипников каче-

ния.

Амплитуда характерной гармоники уже не растет, а рядом с ней,

очень близко, появляется первая пара боковых составляющих.

Расширение зоны дефек-

та в подшипнике.

Обычно появляются гармоники с номером два и три от основной

частоты дефекта подшипника. Рядом с каждой такой гармоникой

тоже будут иметь место боковые частоты, число пар которых может

быть достаточно большим. Чем более развит дефект, тем больше

боковых составляющих у гармоник частоты дефекта.

Дальнейшее развитие

дефекта

Продолжение таблицы 4.1

Признак. Описание сигнала. Неисправность.

В спектре есть две гармоники от характерной частоты подшипниково-

го дефекта, первая и вторая. Вокруг каждой гармоники расположено

по две пары боковых гармоник, расположенных слева и справа.

Износ подшипника уже

очевиден.

Если семейство основных гармоник различается не намного, то сумма

этих частот представляет из себя общее поднятие спектра – «энергети-

ческий горб», захватывающий такой диапазон частот, куда входят все

гармоники от уже существующих дефектов подшипника качения.

Последняя стадия разви-

тия дефекта подшипни-

ка, – когда он уже пол-

ностью деградировал.

Гармоника на частоте f

эм

=100 Гц Особое внимание следует уделять на-

личию дробных гармоник - ½ f

эм

и т.д.

Ослабление прессовки

пакета стали, обрыв или

замыкание в обмотке

статора электромашины.

Появляется на частоте вращения поля в зазоре и на частоте f

эм

=100

Гц.

Иногда сопровождается появлением боковых гармоник. Обычно со-

провождается неравенством вертикальной и поперечной, составляю-

щих соответствующих гармоник.

Эксцентриситет, эллипс-

ность, внутренней рас-

точки статора относи-

тельно оси вращения ро-

тора.

Возникновение осевых нагрузок и вибрации.

Неправильный взаим

ный

осевой монтаж ак

тивных

пакетов ротора и стато-

ра.

На спектре вибросигнала усилена f

. Усиливается f

эм

, вокруг которой

иногда появляются боковые гармоники, сдвинутые друг от друга на

частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов.

Эксцентриситет внеш

ней

поверхности ротора от-

носительно оси его вра-

щения.

Появление f

и боковых полос, сдвинутых относительно f

на интер-

вал, равный произведению частоты скольжения на число полюсов дви-

гателя.

Обрыв или нарушение

контакта в стержнях или

кольцах «бельчьей клет-

ки» в асинхронном дви-

гателе.

Усиление f

эм

или, при ослаблении стали в области зубцов, появление

пазовой частоты ротора с боковыми полосами, сдвинутыми друг от

друга на f

эм

Ослабление прессовки

всего пакета стали рото-

ра или только в области

зубцов.

В спектре вибросигнала возникает специфическая картина. В основ

ном

это вибрация с высокой амплитудой гармоники на f

эм

(100 Гц).

Проблемы стали и меди

статора

Наличие боковой гармоники вблизи частоты f

эм

=100 Гц.

Замыкание витка в ста-

торе

Также могут появиться и вторая (200 Гц) гармоника частоты f

эм

, тре

тья

(300), а также ряд дробных гармоник.

Значительные дефекты в

стали

На спектре вибросигнала усиление составляющей f

эм

Электромагнитные про-

блемы в статоре.

В спектре вибросигнала вокруг f

появились симметрично располо-

женные боковые составляющие. Аналогичные составляющие возмож-

но большей интенсивности, появляются и вокруг составляющей f

эм

Также появляются составляющие частоты скольжения f

в диапазоне

от 0.3 до 2.0 Гц или модуляция f

Эксцентриситет ротора

5. Диагностика поршневых машин

5.1. Выбор мест установки датчиков

Сложность вибродиагностики поршневых машин заключается в цик-

личности работы их движущихся частей, т.к. в основном диагностика дви-

гателей, центробежных агрегатов производится с помощью спектральных

оценок вибросигнала. В поршневых машинах вибросигнал представляет

собой почти периодический процесс и степень износа агрегата отражается

на изменении уровня вибросигнала при определенных значениях угла по-

ворота коленчатого вала. Однако распознать износу какой детали соответ-

ствует изменение вибросигнала достаточно сложно, так как зазоры в раз-

личных деталях могут вызывать изменение величины вибросигнала при од-

них и тех же значениях по углу поворота вала. Решением данной проблемы

может быть, во-первых, "грамотный" выбор количества точек расположе-

ния вибродатчиков, во-вторых, "удачное" место расположения датчиков на

агрегате, в-третьих, "надежный" алгоритм обработки сигналов. Критерием

решения этих проблем может быть только практический опыт по анализу

неисправностей поршневых компрессоров (ПК) в момент их капитального

ремонта и сопоставление неисправностей с накопленными данными.

Для получения вибросигналов на ПК фирмы Worthington-Turbodjne

установлены вибродатчики на каждом цилиндре в следующих точках (Рис.

5.1):

- на крышке цилиндров в осевом направлении;

- на регулирующем клапане ближней к крышке полости (полости

ВМТ) нагнетания цилиндров 1

ой

ступени в радиальном направлении по от-

ношению к оси цилиндра (штока);

- на регулирующем клапане ближней к коленчатому валу полости

(полости НМТ) нагнетания цилиндров 1

ой

ступени в радиальном направле-

нии по отношению к оси цилиндра (штока);

- над штоком поршня в вертикальном направлении;

- над ползуном в вертикальном направлении;

- рядом с ползуном в осевом направлении (вдоль штока).

На ПК типа 4М16М-45/35-55 вибродатчики установлены на каждом

цилиндре в точках согласно рисунку 5.2.

Для исследовательских целей на клапанах 1

го

и 2

го

рядов (одновре-

менно вибродатчики устанавливались на три клапана, поэтому считывание

данных проводилось в режиме разделения времени). В стационарном ре-

жиме датчики установлены в осевом направлении на цилиндре и в радиаль-

ном между выпускными клапанами; над ползуном в вертикальном направ-

лении; в области коренной шейки коленчатого вала.

Временные реализации вибросигналов считывались с работающих ком-

прессоров. Анализ вибросигналов производился исходя из логики работы ПК

согласно диаграммы движения закрывающих органов клапанов (Рис. 5.3).

Для впускного клапана отрезки 1-2 и 5-9 соответствуют времени пре-

бывания закрывающего органа на седле, 2-3 - времени открытия клапана.

Отрезок 3-4 соответствует времени пребывания закрывающего органа у ог-

раничителя подъема и 4-5 - времени закрытия клапана. Отрезок 1-9 соот-

ветствует времени одного оборота вала компрессора.

Рис. 5.1. Схема расположения датчиков на ПК фирмы WORCHINGTON