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

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 5.2. Схема расположения датчиков на ПК

Рис. 5.3. Диаграмма движения закрывающих органов клапана

Для нагнетательного клапана отрезок 1-6 соответствует времени пре-

бывания закрывающего органа на седле, 6-7 - времени открытия клапана,

отрезки 7-8 - времени пребывания закрывающего органа у ограничителя

подъема и 8-9 - времени закрытия клапана.

Кривые 2-3 (у впускного клапана) и 6-7 (у нагнетательного клапана)

характеризуют перемещение закрывающих органов от седла к ограничите-

лю. Соответственно кривые 4-5 и 8-9 - перемещение закрывающих органов

от ограничителя к седлу.

Площади диаграмм движения 2-3-4-5 для впускных и 6-7-8-9 для нагне-

тательных клапанов можно рассматривать как диаграммы время—сечение,

определяющие среднюю скорость газа в щели клапана за период его действия.

При правильной работе клапанов закрытие их должно заканчиваться к

моменту прихода поршня к соответствующей мертвой точке. Принято счи-

тать первой (верхней) мертвой точкой называть точку, соответствующую

моменту крайнего положения поршня, когда заканчивается процесс нагне-

тания, а второй (нижней) мертвой точкой - момент другого крайнего поло-

жения поршня, когда заканчивается процесс всасывания.

Если закрытие впускного клапана происходит в период, когда в цилинд-

ре компрессора уже должен начаться процесс сжатия, т. е. точка 5 (Рис. 5.3)

окажется значительно правее второй мертвой точки, то это значит, что клапан

закрывается с запаздыванием.

Если закрытие нагнетательного клапана заканчивается в период, когда в

цилиндре компрессора уже должен начаться процесс расширения, т. е. когда

точка 9 (Рис. 5.3) окажется значительно правее первой мертвой точки, то это

значит, что нагнетательный клапан закрывается с запаздыванием. И в том и в

другом случае нормальный процесс работы компрессора будет нарушен.

Запаздывание закрытия клапанов при данном режиме работы компрес-

сора имеет место тогда, когда усилия клапанных пружин малы, а массы под-

вижных органов и величины подъемов закрывающих органов велики. При

большой высоте подъема устранять запаздывание закрытия клапана чрезмер-

ным увеличением усилия пружины нецелесообразно, так как при этом клапан

полностью не открывается. Закрывающий орган в течение всего времени, ко-

гда клапан должен быть открыт, находится во взвешенном неустановившемся

состоянии, совершая колебательные движения между седлом и ограничите-

лем, как это показано пунктиром на рисунке 5.3.

В таком случае на диаграмме движения площадь, ограниченная штрихо-

вой линией и осью абсцисс, сильно сокращается и уменьшается фактор время-

сечение и увеличивается средняя скорость газа в клапанах, что приводит к

увеличению сопротивления клапана и снижению к.п.д. компрессора.

Последовательность работы клапанов (считая от ВМТ) ПК по углу по-

ворота коленчатого вала (у.п.в.), которая определяет вид сигнала с вибро-

датчика, приведена в Таблице 5.1.

Таблица 5.1

Последовательность движения закрывающих органов клапанов

У.п.в.

после ВМТ

Действие

70-90°

открытие впускного клапана в ближней к крышке полости нагнетания (в

полости ВМТ)

80-100°

открытие нагнетательного клапана в ближней к коленчатому валу по-

лости нагнетания (в полости НМТ)

170-180°

закрытие нагнетательного клапана в полости НМТ

170-190°

закрытие впускного клапана полости ВМТ

после НМТ

70-90°

открытие впускного клапана в полости НМТ

80-100°

открытие нагнетательного клапана в полости ВМТ

170-180°

закрытие нагнетательного клапана ВМТ

170-190°

закрытие впускного клапана полости ВМТ

В качестве примера анализа динамики поршневого компрессора на

рисунке 5.4 приведена диаграмма динамической активности кривошипно-

шатунного механизма (КШМ) и цилиндро-поршневой группы поршневого

компрессора с одной полостью нагнетания.

Рис. 5.4. Диаграмма работы поршневого компрессора

с одной полостью нагнетания

Вибросигнал на нормально функционирующем ПК имеет сложный

характер и структуру (Рис. 5.5). В данном случае по временной реализации

все же возможно определить работу механизмов, в частности, клапанов.

Спектр такого сигнала (Рис. 5.6), как правило, имеет несколько резонанс-

ных зон. Однако выделение огибающей в определенном диапазоне частот

(Рис. 5.7) позволяет существенно упростить структуру сигнала и на нем

можно достаточно четко выделить циклограмму работы ПК.

Рис. 5.5. Нормальный вибросигнал

Рис. 5.6. Амплитудно-частотный спектр поршневого компрессора

Рис. 5.7. Огибающая виброускорения в диапазоне (2 – 3) кГц

поршневого компрессора

5.2. Неравномерность и пульсации давления в поршневых маши-

нах

Неравномерность давления во всасывающем и, главным образом, на-

гнетательном трактах у поршневых насосов и компрессоров вызывается не-

равномерностью подачи, которая изменяется за цикл от нуля до максимума

в каждой 'рабочей полости. Периодическое изменение давления порождает

гидравлическую возмущающую силу и неравномерную нагрузку на при-

водную часть машины. Спектр вибрации, обусловленный

неравномерностью давления, имеет дискретный характер с

составляющими, кратными основной частоте вращения в низкочастотном

диапазоне. Гидродинамические силы, связанные с неравномерностью давления

во всасывающих и нагнетательных коллекторах, вызывают периодические

упругие деформации элементов. В результате их взаимодействия с инерци-

онно-жесткостными характеристиками они, в конечном счете, проявляются

в виде вибрации корпуса гидроблока и опорных узлов. Кроме того, эти си-

лы при определенных условиях возбуждают собственные колебания стол-

бов жидкости в каналах гидроблока и присоединенных трубопроводах, ко-

торые передаются корпусу и другим элементам машины. Частота собствен-

ных колебаний столба жидкости в трубопроводе будет равна

p=a/(2L)

где а – скорость распространения звука в жидкости; L – высота столба жидкости.

Микропульсации давления в рабочих полостях поршневых машин,

являющиеся результатом вихреобразований в потоке, а также газовой и па-

ровой кавитации, в значительной степени носят случайный характер. Они;

возбуждают силы, действующие на гидроблок и другие элементы, вызывая

их вибрацию в диапазоне средних и высоких частот.

Гидравлические удары – явления, сопровождающиеся скачкообраз-

ным повышением давления.

При работе поршневых машин гидравлический удар может возникать

в двух случаях. В первом случае поток жидкости при ходе всасывания от-

рывается от поршня вследствие разности ускорений движения поршня и

жидкости, а затем во второй половине хода всасывания поток догоняет

поршень с гидравлическим ударом. Подача насоса при этом не изменяется.

Если давление в цилиндре будет ниже или равно давлению парообразова-

ния, может возникнуть и кавитация

Причиной гидравлических ударов могут являться резкие изменения

скорости потока в трубопроводе вследствие быстрого его перекрытия кра-

ном или задвижкой. Местное повышение давления перед задвижкой со ско-

ростью звука распространяется против направления движения жидкости,

воздействуя в виде ударной волны на элементы насоса и вызывая их вибра-

цию на звуковых частотах.

Во втором случае всасываемый поток встречается с поршнем только

вначале нагнетания. Это приводит к сильному гидравлическому удару по-

тока о поршень, ударной посадке всасывающих клапанов и возбуждению

вибрации на частотах, соответствующих тактам всасывания.

5.3. Диагностика гидроударов

Другой проблемой, возникающей при эксплуатации поршневых ком-

прессоров, является вероятность возникновения гидроударов, иногда при-

водящих к разрушению поршня, что характерно для оборудования с боль-

шим сроком эксплуатации. По этой причине на Омском НПЗ дважды в те-

чение года произошло разрушение поршня одного из компрессоров фирмы

Worthington-TurboDyne. Характерной особенностью данного агрегата явля-

ется отсутствие измерителя уровня конденсата в сепараторе, который не

был установлен еще при монтаже компрессора. Перед монтажом системы

КОМПАКС

были проведены виброобследования одного из работающих

компрессоров с помощью переносной диагностической системы

COMPACS-MICROÔ. Анализ вибросигналов (Рис. 5.8) сразу же выявил,

что один из цилиндров первой ступени имеет значительный уровень вибра-

ции в моменты приближения поршня к верхней мертвой точке (ВМТ). Ана-

лиз технологических режимов и сырья, которым является водород, выявил

повышенную влажность последнего, вследствие снижения температуры на

приеме на 2-3°С. Огибающая вибросигнала (Рис. 5.9), полученного с крыш-

ки цилиндра в осевом направлении, имеет значительную амплитуду в мо-

мент приближения поршня к ВМТ. Сигнал вибродатчика, установленного

на цилиндре таким образом, чтобы минимизировать влияние виброактив-

ности клапанов, и реагирующего на вибрацию под углом 45° к оси поршня

и его штока, имеет также значительную амплитуду в момент подхода

поршня к ВМТ. В это же время уровень вибрации второго цилиндра был в

1,5 раза меньше в тех же самых точках установки датчиков и в те же самые

моменты времени. При этом температура продукта на приеме в этом ци-

линдре была в норме.

Анализ вибросигналов при нормальных параметрах сырья показыва-

ет, что амплитуды вибраций в тех же местах установки датчиков значи-

тельно (в 2-3 раза) меньше, что позволяет предположить возникновение

микрогидроударов при понижении температуры на приеме в момент виб-

рообследования компрессора. В то же время уровни вибросигналов с дат-

чиков, установленных на цилиндрах второй ступени, несмотря на более вы-

сокое давление нагнетания, были значительно меньше, хотя имели более

широкий спектр.

На этих же сигналах можно выделить пики вибросигнала, которые со-

ответствуют моментам закрытия приемных клапанов и открытия нагнета-

тельных. Моменты открытия приемных и закрытия нагнетательных клапа-

нов маскируются сильным вибросигналом от микрогидроударов. Уровни

вибросигналов в эти моменты времени можно также использовать для ди-

агностики технического состояния клапанов.

Анализ временных реализаций, полученных с помощью датчиков, ус-

тановленных на крышке цилиндра в осевом направлении (Рис. 5.1), на пер-

вом и втором регулирующих клапанах цилиндров 1

ой

ступени показывает,

что в сигнале присутствуют пики, которые характеризуют работу криво-

шипно-шатунного механизма и соответствуют диаграмме движения закры-

вающих органов клапанов (Рис. 5.3). Пиковое значение выбросов может

достигать значительных величин при достаточно небольшом значении СКЗ

за весь цикл измерения.

Так как скорость движения поршня при его приближении к мертвой

точке снижается до нуля, то закрытие клапанов должно происходить плав-

но, без ударов. Поэтому в районе ВМТ и НМТ не должно быть пиков виб-

росигнала. Наличие же пиков в вибросигнале в районе мертвых точек (Рис.

5.9) свидетельствует о возникновении дефектов и неисправностей в цилин-

дро-поршневой группе. При скорости движения поршня близкой к нулевой

механические дефекты не могут вызывать высокочастотную, со значитель-

ной амплитудой вибрацию. Поэтому возникновение импульсного высоко-

частотного вибросигнала может свидетельствовать о газодинамическом ис-

точнике сигнала, в частности, возникновении гидроудара вследствие забро-

са конденсата. Кроме того, гидроудар вызывает появление вибросигнала в

момент прохождения поршнем мертвых точек с датчика, установленного на

регулирующих клапанах перпендикулярно оси движения поршня.

Рис. 5.8. Вибросигнал с датчиков на цилиндре при гидроударах

Рис. 5.9. Огибающая вибросигнала с датчиков на цилиндре

при гидроударах

Таким образом, синхронное присутствие пиков в области ВМТ и НМТ

на огибающих сигналов и высокочастотной вибрации значительной ампли-

туды с датчиков, установленных на крышке цилиндров, регулирующих кла-

панах полостей ВМТ и НМТ, с амплитудой значительно превышающей ам-

плитуды остальных пиков может свидетельствовать о наличии гидроударов

в одной или обоих полостях цилиндра.

5.4. Неисправности клапанов

Основной проблемой при эксплуатации поршневых компрессоров яв-

ляется выявление на ранней стадии процесса разрушения пластинчатых

клапанов. Для анализа вибраций клапанов акселерометры были установле-

ны на шпильках крепления клапанов. Анализ вибропараметров во времен-

ной области (Рис. 5.10) позволили выявить неисправность клапанов на ран-

ней стадии в момент поломки первых пружин. При этом, изменение харак-

теристик вибропараметров было зафиксировано за пять дней до выявления

неисправности клапана обычными методами - по температуре. Разборка

клапана подтвердила поломку пружин и пластин клапана. После таких по-

ломок клапан восстановлению не подлежал.

Для автоматической диагностики клапанов разработан алгоритм, ко-

торый дает возможность однозначно выявлять дефекты клапанов.

Рис. 5.10. Вибросигналы с исправных и неисправных клапанов

На спектре обработанного вибросигнала с неисправного клапана (Рис. 5.11)

видно, что уровень первой гармоники более чем в два раза превышает уровень

второй и более высоких гармонических составляющих. Разборка клапана под-

твердила поломку одной из пружины. Этот же клапан без замены пружин экс-

плуатировался до момента определения его неисправности обычным способом.

За это время уровень первой гармоники увеличился, а уровень второй уменьшил-

ся еще в два раза (Рис. 5.12). Таким образом, отношение уровней первой и второй

гармоник достигло четырех. Разборка клапана выявила разрушение практически

всех пружин и поломку пластин. После ремонта уровень второй гармоники (Рис.

5.13) стал превышать первую в 5 раз (Рис. 5.14).

Рис. 5.11. Спектр огибающей вибросигнала неисправного клапана

С целью уменьшения сложности ремонта важно на ранней стадии оп-

ределить возникновение неисправности клапана. На спектре вибросигнала

(Рис. 5.15) видно, что уровни первой и второй гармоник соизмеримы. Раз-

борка клапана подтвердила поломку всего одной пружины. После ремонта

соотношение уровней гармоник восстановилось, т.е. уровень второй гармо-

ники стал превышать уровень первой более чем в 5 раз.

Аналогичные данные зафиксированы и на других поршневых ком-

прессорах. По внешнему виду огибающей временной реализации (Рис.

5.16), сложно определить состояние машины. Однако, спектр огибающей в

диапазоне 400-1500 Гц (Рис. 5.17) свидетельствует о неисправности клапа-

на. После ремонта и ревизии клапанов спектр огибающей сигнала (Рис.

5.18) принял нормальный вид.