Некоторые дефекты, выделяемые по диагностической информации

Основными элементами агрегата, обеспечивающими его работоспособность, являются подшипниковые узлы электродвигателя и насоса, муфтовое соединение в агрегате, крепление агрегата на фундаменте (раме), состояние и крепление фундамента, массовые и жесткостные характеристики трубопроводов [14]. На рис. 5.3 приведены основные элементы электронасоса ЦН-54.

Рис. 5.3.  Основные элементы агрегата

Основными возбуждающими силами, приводящими к возникновению вибраций в агрегате, являются:

1) небаланс роторов электродвигателя и насоса (статический, динамический и тепловой);

2) расцентровка (параллельная  или радиальная и  угловая или торцевая);

3) механические ослабления (общее ослабление фундамента, ослабление крепления к фундаменту, ослабление посадки элементов на валу);

4) задевания в электродвигателе и насосе;

5) проблемы подшипников (скольжения, качения) электродвигателя и насоса;

6)электромагнитные дефекты (проблемы стали и меди статора, проблемы эксцентричности статора, неправильный осевой монтаж двигателя, эксцентричный ротор, обрыв стержней обмоток) ротора, дефекты зубцово-пазовой структуры ротора)

7) колебания давления на входе и выходе из насоса (автоколебания жидкости в трубопроводах, автоколебания трубопроводов).

Следовательно, для выявления вышеперечисленных причин появления вибраций при эксплуатации агрегата необходимо рассмотреть физическую модель процессов, приводящих к их появлению.

 

5.3.1. Небаланс масс ротора

Небаланс вращающихся масс ротора является одним из самых наиболее распространенных дефектов оборудования, обычно приводящим к резкому увеличению вибраций. В литературе и в практике, наряду с термином «небаланс», применяются и другие наименования этого дефекта, такие как дисбаланс, дебаланс, разбаланс и т. д. ГОСТом предлагается преимущественное использование термина «дисбаланс». В данном разделе будет использовано простое и понятное слово «небаланс», понятное всем, даже и неспециалистам.

Причины возникновения небаланса в оборудовании могут иметь различную природу, являться следствием многих особенностей конструкции и эксплуатации. В целом, после проведения некоторой систематизации и обобщения, все многообразие причин появления небалансов можно, конечно условно, свести в несколько основных групп:

1) Дефект изготовления вращающегося ротора или его элементов на заводе, на ремонтном предприятии, недостаточный выходной контроль предприятия - изготовителя оборудования, удары при перевозке, плохие условия хранения;

2) Неправильная сборка оборудования при первичном монтаже или после выполненного ремонта;

3) Наличие на вращающемся роторе изношенных, сломанных, дефектных, недостающих, недостаточно прочно закрепленных и т. д. деталей и узлов;

4) Результат воздействия параметров технологических процессов и особенностей эксплуатации данного оборудования, приводящих к неравномерному нагреву и искривлению роторов.

По своему типу, специфике проявления в общей картине вибрации, по особенностям проведения диагностики небалансы можно условно подразделить на:  статический и динамический небаланс.

Особенности проявления этих основных небалансов в вибросигналах и полученных на их основе спектрах, особенности проведения их диагностики рассмотрены ниже.

Основными, чаще всего встречающимися признаками наличия небалансов вращающихся масс роторов в оборудовании различных типов можно считать следующие:

1. Временной сигнал вибрации является достаточно простым, с достаточно малым количеством гармоник и шумов в области механических дефектов. В этом вибросигнале преобладает вибрация с периодом, соответствующим оборотной частоте вращения вала – оборотная частота ротора. Исключение составляют сигналы, в которых присутствуют, а иногда и преобладают, характерные частоты другой природы, например, электромагнитной или гидродинамической.

2. Амплитуда всех гармоник «механической природы» в спектре значительно меньше, не менее чем в 2 – 5 раз, амплитуды гармоники оборотной частоты ротора. Если производить сравнение по мощности, то не менее 60 % мощности вибросигнала сосредоточено в одной гармонике.

3. Особенностью в вибросигнале при небалансе и его спектре является появление вибрации во всех радиальных направлениях измерения вибрации – как в вертикальном, так и в поперечном направлениях.

4. Очень часто полностью справедливо простое и понятное диагностическое правило о том, что «небаланс ходит по кругу». Отношение амплитуды первой гармоники в вертикальном направлении к аналогичной гармонике в вибросигнале поперечного направления находится в диапазоне примерно 0,7 – 1,2 и редко выходит за его границы. Исключение составляют подшипниковые опоры с сильно выраженной анизотропией.

Обычно первая гармоника в вертикальном направлении равна, а чаще чуть меньше первой гармоники вибрации в поперечном направлении. Исключение составляют машины со специфическими конструктивными особенностями, такие, например, как турбогенераторы, у которых вертикальная составляющая вибрации всегда больше из-за неравномерной жесткости ротора, возникающей за счет особенности расположения продольных пазов в массивном неявнополюсном роторе. Отклонения от этого правила возникают также при увеличенных боковых зазорах в подшипнике, при очень больших различиях в величине податливости подшипниковых стоек в вертикальном и поперечном направлениях.

5. Уровень вибрации при небалансе в осевом направлении чаще всего меньше, чем уровень вибрации в радиальном направлении. Это правило не соблюдается при большой податливости опор в осевом направлении и (или) при наличии изгиба вала. При небалансе в вибрации осевого направления первая гармоника может быть и не преобладающей, в ней могут присутствовать значительные гармоники других частот, например второй, третьей.

6. Обычно картина небаланса проявляется одновременно на двух подшипниках контролируемого на небаланс механизма. Только на одном из подшипников небаланс диагностируется достаточно редко, только в тех случаях, когда он полностью сосредоточен непосредственно в районе подшипника.

7. Если имеется возможность изменения частоты вращения ротора, то обычно хорошо видно, что, чаще всего, с ростом частоты вращения вибрация от небаланса интенсивно возрастает.

8. При отсутствии других дефектов состояния, при неизменной частоте вращения ротора, в классическом проявлении небаланса, вибрация от него практически не зависит от режима работы агрегата и не связана с его нагрузкой.

Вибрация от небаланса, во многих случаях, является тем самым возбуждающим фактором, который приводит к «проявлению» в состоянии оборудования и в спектре зарегистрированной вибрации признаков различных дефектов. Исчезновение или появление вибрации от небаланса приводит к появлению или исчезновению вибраций, вызываемых рядом других причин.

  Статический небаланс. Это самый простой, наиболее распространенный и достаточно легко диагностируемый тип небаланса. При значительном статическом небалансе его можно даже определить в выключенном состоянии оборудования без применения приборов контроля вибрации. Неподвижный ротор с сильным статическим небалансом даже стремится установиться в таком положении, когда наиболее тяжелая точка будет находиться внизу. Для уменьшения влияния трения в подшипниках ротор можно привести рукой в медленное вращение, тогда он сможет более точно установиться тяжелой точкой вниз. Однако обычно такой процедуры поиска статического небаланса и дальнейшей компенсации тяжелой точки грузами оказывается недостаточно для балансировки ротора. В неподвижном состоянии статический момент от небаланса чаще всего значительно меньше моментов трения в подшипниках и уплотнениях ротора.

Стандартная практическая ситуация – ротор в отключенном состоянии может останавливаться в любом положении, внешне небаланса нет, а вибрация повышена. Процедуру более точной и окончательной диагностики наличия небаланса и последующей балансировки необходимо всегда производить на рабочей скорости вращения ротора, используя для контроля наличия небаланса виброизмерительные приборы.

Приведенная на рис. 5.4 спектральная картина распределения амплитуды  вибрации по гармоникам (кратным f), соответствующей небалансу, внешне проста и понятна. На спектре явно доминирует пик гармоники оборотной частоты ротора. На спектре также присутствуют и вторая гармоника от оборотной частоты ротора и несколько гармоник в низкочастотной части спектра, но все они по амплитуде много меньше оборотной гармоники.

 

Рис. 5.4.  Спектр вертикальной проекции вибраций ротора с небалансом

 

Как уже говорилось выше, такая же картина вибраций, как в вертикальном направлении, обычно бывает и в поперечном направлении регистрации вибрации. Причем пики первых гармоник оборотных частот в этих направлениях должны быть примерно равны по величине (обычно).

В осевом направлении картина спектра вибрации может несколько отличаться от спектров вибрации в радиальных направлениях. В первую очередь в этом направлении, чаще всего, имеет место меньший уровень вибрации.

Поясним причины возникновения вибрации в осевом направлении. В некоторых методических пособиях по диагностике говорится, что при небалансе осевая вибрация отсутствует. Так бывает, но достаточно редко. В большинстве практических случаев при наличии небаланса осевая составляющая вибрации всегда есть.

Вибрация, в своем первоначальном толковании, есть проекция траектории прецессии контролируемой точки на направление оси установки вибродатчика. Прецессия подшипника, за счет усилия от небаланса, теоретически должна проходить в плоскости, перпендикулярной оси ротора.

На практике картина прецессии контролируемой точки много сложнее. Перемещение в перпендикулярной к оси вращения плоскости всегда приводит и к перемещениям контролируемой точки в осевом направлении. Это возникает за счет особенностей крепления подшипника внутри опоры, неодинаковой жесткости опор по разным осям, колебаний подшипника вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной оси вращения ротора и т. д. Все это в сумме и приводит к возникновению при небалансе в пространственной прецессии подшипника значительной осевой составляющей.

При небалансе масс вращающегося ротора осевая вибрация присутствует практически всегда, но имеет некоторые особенности. По уровню она обычно всегда меньше радиальных составляющих. В спектре осевой вибрации могут иметь место значительные, наряду с первой гармоникой оборотной частоты, вторая и третья ее гармоники. Особенно сильно эти гармоники проявляются в том случае, когда небаланс приводит к перемещениям или колебаниям подшипников внутри опор.

Пользу при диагностике небалансов приносит регистрация фазы вибросигналов. При регистрации фаз нескольких сигналов их синхронизируют при помощи метки, устанавливаемой на валу агрегата. У синхронных машин с частотой вращения 3000 об/мин можно в качестве синхронизирующей метки можно брать какой – либо параметр синусоиды питающей сети.

По величине начальной фазы первой гармоники оборотной частоты вращения вала ротора, используя фазы синхронизированных спектров при статическом небалансе, можно сделать следующие замечания:

1.  Фаза первой гармоники должна быть достаточно устойчивой и не меняться с течением времени.

2. Фаза колебания первой гармоники в вертикальном направлении должна отличаться от фазы первой гармоники в поперечном направлении примерно на 90 или 270 град. Выбор того или иного значения угла сдвига зависит от того, в какую сторону сдвинута точка установки поперечного датчика от точки установки вертикального – против направления вращения ротора или же по направлению вращения.

3. Фазы первых гармоник одинаковых проекций вибрации на двух разных подшипниках одного ротора должны мало отличаться друг от друга. При чисто статическом небалансе сдвига фаз вообще не должно быть. При наложении на статический небаланс динамического сдвиг фаз начинает расти. При сдвиге фаз в 90 град вклад статического и динамического небалансов в общую вибрацию примерно одинаков. При дальнейшем увеличении динамической составляющей в небалансе сдвиг фаз растет и при 180 град имеющийся небаланс имеет чисто динамическую первопричину.

Дополнительно по статическому небалансу можно отметить, что если в процессе исследований имеется возможность проведения замеров вибрации при различных частотах вращения ротора, то амплитуда первой гармоники в спектре вибрации, обусловленная статическим небалансом, будет изменяться с изменение и скорости и будет расти примерно пропорционально квадрату частоты вращения ротора.

Чисто статический небаланс масс ротора может быть, обычно, достаточно просто откорректирован при помощи установки одного или нескольких балансировочных грузов в зоне, диаметрально противоположно тяжелой точке в одной или нескольких плоскостях коррекции. Аналогичный результат достигается процедурой «снятия лишнего металла», но только уже на тяжелой стороне ротора.

  Динамический небаланс. Причина возникновения термина «динамический небаланс» достаточно проста. Рассмотрим ротор, статический небаланс которого равен нулю. В отключенном состоянии (имеется в виду состояние, когда приводной двигатель отключен от питающей сети) ротор идеально уравновешен и может останавливаться в любом положении.

Можно быть уверенным с вероятностью 90 %, что при приведении этого ротора во вращение вибрации на его подшипниках, свойственные картине небаланса, будут значительными, если не сказать большими. Рассмотрим причины их возникновения.

При переводе ротора из неподвижного, статического состояния в динамическое, вращающееся, претерпевает изменение совокупность сил, действующих на ротор и распределенных вдоль оси. Наряду со статическими моментами на ротор начнут действовать динамические усилия, также приводящие к состоянию, которое мы привыкли называть термином небаланс. С учетом условий возникновения такого небаланса его и принято называть динамическим небалансом, т. е. небаланс, возникающий при вращении.

Динамический небаланс обусловливают динамические силы, связанные с продольной угловой несимметрией распределения масс на вращающемся роторе. Вспомним для сравнения – при статическом небалансе имеет место только чисто угловой небаланс, без учета его распределения вдоль продольной оси ротора.

Причину динамического небаланса, говоря очень просто, можно пояснить на примере. Ротор необходимо (естественно мысленно и условно) нужно распилить как бревно, на несколько дисков. Полученные диски могут иметь разные свойства. Возможны три варианта в случае динамического небаланса:

1. Идеален тот случай, когда все полученные диски не имеют статического небаланса, тогда собранный из дисков ротор тоже не будет иметь небаланса.

2. Практический случай, когда отдельные диски имели небалансы и собранный ротор тоже имеет небаланс (вопрос о том, какой он, статический или динамический пока не рассматриваем).

3. Идеальный случай, когда отдельные диски, обладающие небалансом, сложились в единое целое так, что собранный ротор, в итоговой сумме, не имеет небаланса.

Эти три простых примера позволяют рассмотреть все основные разновидности небалансов, встречающихся в практике достаточно часто, можно утверждать, что в третьем, самом сложном случае, ротор имеет динамический небаланс, а во втором случае – статический и динамический небаланс одновременно.

На рис. 5.5 приведены два схематических рисунка, имеющих своей целью подробнее объяснить природу и причины возникновения динамического небаланса.

.

На рис. 5.5, а показан ротор, собранный условно из двух дисков, каждый из которых имеет одинаковый статический небаланс. Сборка выполнена так, что суммарный небаланс равен сумме небалансов дисков.

На рис. 5.5, б показан ротор, также собранный из двух дисков с исходным небалансом, но при сборке эти два диска были взаимно ориентированы так, чтобы первичные небалансы дисков оказались действующими навстречу друг другу. В итоге это привело к тому, что в статике, при неподвижном роторе небалансы дисков уравновесили друг друга.

Совершенно иная картина сил, действующих на подшипник, будет при приведении ротора во вращении. Две силы, показанные на рис.5.5, б, будут создавать динамический момент, создающий две силы, действующие на два опорных подшипника в противофазе. Чем быстрее будет вращаться  ротор, тем сильнее будет динамический момент, действующий на подшипники. Это и есть динамический небаланс.

В практике никогда не бывает только чисто статического небаланса или чисто динамического – всегда есть их сумма, в которой есть вклад каждой разновидности небаланса. Это даже привело к появлению в литературе и в практике работы некоторых диагностов термина «косая пара сил».

По сдвигу фаз первых гармоник оборотной частоты на двух опорных подшипниках одного ротора (в синхронизированных или синхронных спектрах) можно оценить вклад каждого типа небаланса в общую картину вибраций.

При сдвиге фаз первых гармоник примерно в 0 град мы имеем дело с чисто статическим небалансом, при 180 град – с чисто динамическим небалансом. При 90 град сдвига фаз первых гармоник вклад от обоих типов небаланса примерно одинаков. При промежуточных значениях угла сдвига для оценки вклада того или иного небаланса необходимо интерполировать.

Следует заметить, что амплитуда первой гармоники в спектре вибрации, при изменении частоты вращения, изменяется больше, чем изменения частоты вращения ротора. Это объясняется следующим. Каждая сила от небаланса пропорциональна квадрату угловой скорости (частоты вращения), т.е. линейное изменение частоты вращения приводит к степенной зависимости изменения амплитуды. При динамическом небалансе это:

Во-первых, условно говоря, динамический небаланс возбуждает вибрации, пропорциональные разнице сил. Но если возвести в квадрат разницу сил как одну единую силу, получится один результат. Если возвести в квадрат каждую силу отдельно, а затем вычесть уже квадраты сил, то в итоге будет получена совсем иная цифра, чем в первом случае, значительно больше, чем квадрат разности сил.

Во-вторых, силы от небаланса воздействуют на ротор и начинают его изгибать. Ротор изменяет свою форму так, что центр масс данной части ротора смещается в сторону уже имеющегося небаланса. В итоге небаланс начинает возрастать еще больше, еще больше увеличивая силу небаланса, еще больше увеличивая изгиб.

Осевая вибрация при динамическом небалансе обычно имеет несколько большую амплитуду, чем при чисто статическом небалансе.

К динамическому небалансу приводят тепловые деформации, а также технологические разбросы укладки (сборки) конструктивных элементов ротора, которые проявляются в процессе эксплуатации роторных агрегатов. Эти причины приносят много проблем в диагностике состояния оборудования. Такой тип небаланса, который имеет место только при определенных условиях, т. е. может появляться, а затем исчезать. Условно говоря, к нему можно применить термин «блуждающий небаланс». Однако более правильно говорить о нем, как “ тепловом или технологическом ”, т. к. этот термин дополнительно отражает и основные причины его возникновения и исчезновения.

Каких-либо очень общих рекомендаций по диагностике такой причины повышенной вибрации в оборудовании привести достаточно сложно, да и наверное невозможно. Такой небаланс выявляется в результате достаточно скрупулезных исследований.

Рассмотрим особенности «блуждающего небаланса» на достаточно простых конкретных примерах, которые касаются наиболее распространенных причин, приводящих к возникновению такого небаланса.

Тепловой небаланс. Это наиболее часто встречающаяся разновидность небаланса, меняющегося в процессе работы, к которому хорошо подходит термин «блуждающий небаланс». Например, в роторе электрической машины по какой-либо причине засоряется один из сквозных каналов осевого направления, по которому проходит охлаждающий воздух. Ротор перед сборкой балансировался на балансировочном станке и имел необходимые параметры качества балансировки. После включения механизма в работу примерно 15 – 20 мин вибрации двигателя находятся в норме, но затем начинают медленно расти и примерно через 2 ч достигают своего максимума. Диагностика дает картину классического небаланса.

В этом простом, практически хрестоматийном случае все объясняется просто. В связи с нарушением равномерности обдува ротора по внутренним каналам, ротор нагревается неравномерно и через некоторое время, определяемое постоянной времени теплового разогрева ротора, изгибается.

Для диагностики такой причины следует проследить изменение вибраций в процессе пуска и разогрева. Если контролируется фаза вибрации, то можно указать область локального теплового перегрева ротора.

Технологический небаланс. Покажем его влияние на примере с насоса, производительность которого регулируется при помощи приоткрытия или призакрытия специальных заслонок – шиберов. Такие насосы достаточно широко применяются для систем регулирования подачи рабочего тела.  За счет этого аэродинамическая радиальная сила от погрешности изготовления лопастей насоса воздействует на вал ротора, возникает дисбаланс сил. После монтажа колесо насоса было отбалансировано на рабочей частоте вращения ротора при полностью открытых заслонках. Таким образом, технологические погрешности в изготовлении  лопасти, приводящие к радиальному давлению на ротор, необходимо компенсировать добавочным грузом.

Небаланс с гистерезисом. Гистерезис небаланса на роторе обусловлен наличием упругого элемента, который под действием центробежных сил при почти номинальной частоте вращения смещается на несколько больший радиус и приводит к небалансу. Возврат его на меньший радиус происходит при снижении частоты вращения. Гистерезис небаланса обусловлен повышенным трением при перемещении элемента в пазу.

Элемент обмотки ротора имеет возможность с большим усилием перемещаться в пазу. Когда центробежная сила превышет усилие смещения, обмотка изгибается и происходит смещение. Гистерезис обусловлен силами трения при перемещении обмотки в пазу.

Расцентровка

Взаимное положение центров валов двух соседних роторов, измеренное в месте их соединения при разобранной соединительной муфте, в практике принято характеризовать термином «центровка». Если оси двух валов идеально совпадают, т.е. один вал является как бы продолжением другого, говорят о хорошем качестве центровки валов механизмов в агрегате. Если же осевые линии валов не совпадают, то говорят о плохом качестве центровки и используется термин «расцентровка двух валов». В общем случае качество центровки нескольких механизмов определяется правильностью монтажа линии вала агрегата, контролируемой по центрам опорных подшипников вала.

В практике качество центровки валов, не соединенных муфтой полностью определяется взаимным геометрическим, пространственным положением опорных вкладышей подшипников скольжения или же параметрами монтажа подшипников качения в подшипниковых стойках или щитах.

Различают два основных вида расцентровки:

1. параллельную (или радиальную);

2. угловую (или торцевую).

Параллельная расцентров ка валов – это параллельное взаимное смещение осей соседних центрируемых роторов друг относительно друга. Если произошло смещение одного из опорных подшипников на небольшое расстояние, что бывает в практике чаще всего, то в итоге это будет не параллельная расцентровка, а комбинированная – параллельная плюс угловая. Обычно в таких случаях, максимальным вкладом в общую вибрацию будет являться вклад от параллельной расцентровки. Дело в том, что возникший при смещении одного подшипника угол излома по своей величине не превышает 1 град, что обычно не очень существенно, а сдвиг валов в точке центровки может равняться 1 мм и более, что может существенно сказаться на режиме работы агрегата. Естественно, что определяющим фактором, влияющим на повышение вибраций, будет параллельная расцентровка, хотя при этом будет присутствовать и угловая.

Угловая расцентровка – это излом оси в месте сочленения валов на некоторый угол при хорошем совмещении центров валов в районе их торцев. При описании угловой расцентровки часто используют термин «раскрытие муфты». Такое название угловой расцентровки обусловлено способом контроля наличия этого типа расцентровки при помощи измерения зазоров между валами в нескольких точках по окружности.

Встречающиеся в практике случаи расцентровки валов практически всегда являются сложными, комбинированными, включающими в себя одновременно основные элементы обоих типов расцентровки. По итогам проводимой диагностики по спектрам вибросигналов выявляется наиболее сильно проявляющая себя расцентровка, по которой и определяются дефекты и даются  рекомендации к их устранению.

Причин появления расцентровок в работающем оборудовании достаточно много. Это и процессы износа, влияние технологических параметров, изменение свойств фундамента, искривление подводящих трубопроводов под воздействием изменения температуры на улице, изменение режима работы и т. д.

Особенности диагностики расцентровки. Парадокс заключался в том, что применение спектральных методов диагностики для выявления расцентровок, при большой общей трудоемкости выполняемых работ, не дает нужной практической эффективности. Лучшие результаты, с точки зрения трудоемкости и достоверности, достигаются при диагностике расцентровок с использованием более простых методов пространственного анализа интегральных параметров вибросигнала, таких как СКЗ (среднее квадратичное значение) виброскорости.

 Известно, что основной диагностической особенностью наличия расцентровки в спектре вибросигнала является наличие трех гармоник оборотной частоты – первой, второй и, довольно часто, третьей. Однако такой же набор гармоник появляется в спектре вибросигнала при наличии целого ряда других причин повышенной вибрации оборудования – это ослабление крепления к фундаменту, дефект посадки подшипника, изгиб вала и т.д. Принять «однозначное диагностическое решение» по спектру вибросигнала, что причиной повышенной вибрации данного агрегата является только расцентровка, – достаточно сложная задача.

Приведем самые общие правила, которых необходимо придерживаться при выполнении спектральной вибрационной диагностики расцентровок в оборудовании.

1. При появлении предположения возможности наличия расцентровки в районе данной соединительной муфты необходимо выполнить полный комплекс измерений вибрации на двух подшипниках с двух сторон муфты, на каждом в трех проекциях. С целью повышения достоверности получаемых диагнозов желательно даже сделать это на четырех подшипниках двух сцентрованных механизмов.

2. Важным фактором для диагностики расцентровки является знание начальной фазы колебаний, особенно для первой и второй гармоник. Если имеется возможность регистрации синхронизированных, а тем более синхронных вибросигналов, – это необходимо сделать обязательно. Можно смело утверждать, что знание начальной фазы повышает достоверность диагностики расцентровки очень сильно, может даже в два раза.

3. Регистрировать виброизмерительным комплексом необходимо временной сигнал, желательно виброскорости. Сама форма временного вибросигнала много говорит опытному вибродиагносту о характере происходящих в оборудовании процессов. Мало того, как вторая, четная гармоника приводит к несимметрии вибросигнала относительно оси времени, главное, что на временном сигнале можно очень хорошо увидеть соударения в муфте. Характер этих соударений, их интенсивность во многом определяется типом соединительной муфты и видом расцентровки. Анализ  спектра вибросигнала необходимо проводить, как дополнительную, расширяющую возможность построения технической диагностики операцию.

4. Нужно достаточно хорошо и подробно представлять конструкцию и принцип работы соединительной муфты, понимать процессы, в ней происходящие. Только это дает возможность правильно дифференцировать в общей вибрации ту ее часть, которая является наведенной от расцентровки.

Расцентровка является частой и распространенной причиной повышенной вибрации в оборудовании. Во время проведения первых и массовых обследований на предприятиях, которые раньше не занимались проблемами вибродиагностики, количество работающих агрегатов с неудовлетворительной центровкой доходило до 50 – 70 % от общего числа агрегатов.

Один из самых первых признаков расцентровки валов – наличие увеличенных радиальных вибраций на подшипниках с двух сторон муфты при достаточно низких вибрациях в других точках. По направлению эти вибрации обычно сосредоточены почти полностью в плоскости расцентровки.

Для определения направления плоскости смещения валов, по которой произошло возникновение расцентровки, можно воспользоваться очень простым правилом - необходимо построить распределение вибраций в осевом направлении, в зависимости от угла установки датчика на подшипнике. Датчик переставляется вокруг по подшипнику, каждый раз точка замера переносится на 30 – 45 град по направлению или против направления вращения ротора.

В итоге можно будет построить круговой график, своеобразную «розу вибраций», которую мы называем так по аналогии с «розой ветров» в науках о климате. При наличии расцентровки в такой «розе вибраций» чаще всего будут два явно выраженных пика, диаметрально противоположных. Если аналогичная картина будет на другом подшипнике, расположенном через муфту, вероятность параллельной расцентровки будет очень велика.

Кроме того, происходит характерное изменение спектрального состава вибросигналов – резко увеличивается амплитуда второй гармоники оборотной частоты, а иногда и третьей гармоники. Возрастание второй гармоники в спектре вибросигнала объясняется достаточно просто – процессы от некачественной центровки валов, вследствие неправильного монтажа подшипников, повторяются дважды за один оборот вала.

Осевая составляющая при расцентровке всегда несет в себе характерные особенности – практически всегда есть вторая и третья гармоники, хотя амплитуда вибрации в осевом направлении может возрасти не очень значительно.

Эти заключения носят общий характер, но в ряде случаев в практике диагностики могут иметь место особенности, основные из которых рассмотрены ниже.

Влияние типа муфты на вибрации при расцентровке. Картина вибраций на двух контролируемых подшипниках, возникающая при расцентровке валов двух соединяемых механизмов (по подшипникам), зависит от многих параметров, но в наибольшей степени зависит от типа и конструкции соединительной муфты, ее технического состояния.

Все многообразие применяемых на практике соединительных муфт, исходя из основных конструктивных особенностей (их влияние на характер вибрации при расцентровке), можно свести в три основные группы:

1) жесткие муфты;

2) гибкие муфты;

3) подвижные муфты с гистерезисом.

Жесткая муфта. Это муфта, при помощи которой два разных вала объединяются практически в единое целое.

После сборки жестких муфт оси роторов обязательно будут всегда принудительно совпадать. Расцентровка, т. е. некорректный монтаж «линии вала по подшипникам», при этом отсутствует. Она сказывается только в изменении величины и направления усилий, действующих на подшипники, деформирует «розу вибраций» в направлении некорректности в монтаже подшипников.

При параллельной вертикальной расцентровке происходит разгрузка опор, расположенных ниже. Противоположные же опоры, через муфту, при этом нагружаются. При угловой вертикальной расцентровке происходит перераспределение усилий на ближние и дальние подшипники, если считать от полумуфты. Если расцентровки имеют горизонтальную ориентацию, то возникают соответствующие горизонтальные реакции.

Расцентровка при жестких муфтах и подшипниках скольжения не создает сама по себе возмущающих сил, не сказывается в спектре вибрации. Ее влияние на вибрацию определяется изменением жесткости смазочного слоя опорных подшипников вдоль зазора за счет изменения опорных реакций.

Результатом этого достаточно простого заключения являются большие последствия - диагностировать расцентровку валов, соединенных жесткой муфтой, при помощи методов спектральной вибродиагностики достаточно трудно. Если при монтаже муфты ремонтным службам удалось полностью исключить дефект монтажа типа «колено», то отдиагностировать по спектрам вибросигналов параллельную расцентровку в жесткой муфте очень сложно.

Если «колено» в муфте, хоть в малой степени, присутствует, то диагностика возможна, но будет диагностироваться не расцентровка, а интегральный специфический параметр, который можно условно определить как «произведение расцентровки на колено». Это происходит потому, что сам дефект типа «колено» является той лакмусовой бумагой, которая приводит к появлению в спектрах вибросигналов характерной картины и позволяет выявлять расцентровку.

При отсутствии дефекта монтажа муфты типа «колено» диагностику расцентровки в жесткой муфте можно все-таки выполнить, но при этом ее следует производить другими, более «специфическими» методами вибродиагностики, например, при помощи применения для диагностики синхронных или синхронизированных вибросигналов, регистрация которых является более сложной, и требует более сложных приборов.

Гибкая муфта. Примером такой муфты служит линзовая муфта, в которой валы соединяются при помощи элемента, напоминающего по форме элемент барометрической коробки.

В спектре вибрации на подшипниках вблизи такой муфты с расцентровкой характерные спектральные признаки расцентровки видны почти в классическом проявлении, хотя и в несколько ослабленном, можно сказать сглаженном виде.

В радиальном направлении, в направлении основной плоскости расцентровки происходит общее увеличение вибрации, особенно второй гармоники оборотной частоты. В осевом направлении сильно вырастают вторая и третья гармоники.

Подвижная муфта с гистерезисом. В эту группу можно отнести те муфты, которые в пределах небольших взаимных смещений полумуфт (центруемых валов) ведут себя как свободное соединение, а при больших смещениях – как жесткие или гибкие муфты. Оси роторов таких муфт после сборки могут оставаться взаимно смещенными, и вибрация при этом не будет большой, при условии смещения соединяемых валов на небольшую величину, не превышающую технологический зазор, обеспечивающий  свободное перемещение соединительных элементов муфты, т.е. люфтов.

К этой группе относятся муфты зубчатые, разнообразные пальцевые и кулачковые, пружинные и т.д.

При расцентровках в оборудовании, которые по своей величине не выходят из диапазона допустимых смещений, муфты с гистерезисом, т. е. с небольшой подвижностью, компенсируют смещение валов и вибрация существенно не возрастает. В этом состоит коренное отличие методов вибрационной диагностики расцентровок от методов непосредственного контроля смещения валов, например, при помощи лазерных центровщиков. В вибросигнале явные признаки расцентровки появляются только тогда, когда по своей величине расцентровка превысит смещение, допустимое для конструкции данной муфты.

При использовании одновременно двух методов контроля качества центровки, например, по вибрации и при помощи лазерного центровщика, могут возникнуть сложности, связанные с трактовкой противоречивых заключений. Например, лазерный центровщик может показать наличие расцентровки, но при этом по вибрации она не будет диагностироваться. Такое противоречие может иметь место в муфте с гистерезисом, когда смещение валов есть, но величина этого смещения валов меньше значения, допустимого для данной муфты. Лазерный центровщик покажет истинное смещение валов в неработающем агрегате, а вибрационные методы позволят сделать заключение, что такая расцентровка не сказывается на работе агрегата. Заключения, сделанный с помощью  двух методов, становятся одинаковыми в том случае, когда смещение валов в зоне соединения превысит допустимые компенсационные возможности муфты.

Диагностирование расцентровки при возникновении вибрации расцентрованной муфты с гистеризисом проводится по спектрам вибросигналов. На картину «чистой расцентровки», наблюдаемой при наличии жесткой муфты, будут накладываться динамические удары в моменты «переключения внутреннего зазора в муфте», когда полумуфты будут перемещаться во взаимно противоположные направления в диапазоне допустимого гистерезиса.

Такой характер ударов полумуфт друг о друга приводит к появлению во временном вибросигнале колебаний, симметричных относительно оси времени, т.е. к появлению в спектре нечетных гармоник, наибольшей из которых, наряду с возросшей первой гармоникой, будет третья гармоника. Пятую и седьмую можно наблюдать, но по своей величине они малы. Эти гармоники добавляются к первой гармонике оборотной частоты, имеющей место практически всегда, и ко второй, которая всегда свойственна расцентровке.

Четные гармоники оборотной частоты возникают обычно в моменты ударов, а поскольку при расцентровке на один оборот приходится обычно два удара, то преобладающей является вторая гармоника. Появление второй гармоники в сигнале достаточно хорошо объясняется при помощи анализа «розы вибраций», имеющей при расцентровке два диаметрально противоположных максимума. Такая картина распределения вибраций может быть получена только при наложении вибраций двух гармоник, первой и второй, когда вторая гармоника модулирует первую. В итоге на суммарной вибрации появляются два пика. 

В спектре вибрации расцентровки валов механизмов, соединенных при помощи муфты с гистерезисом часто происходит наложение гармоник от двух различных причин повышенной вибрации – расцентровки и «механического ослабления». Под механическим ослаблением здесь следует понимать наличие свободных зазоров в муфте, через пространство которых происходят постоянные соударения полумуфт. Первопричиной соударений является расцентровка.

По качественным и количественным соотношениям в проявлении ослабления в расцентрованной муфте можно достаточно корректно судить о ее техническом состоянии, оценивать состояние зубцовых пар зубчатой муфты, определять наличие сломанных элементов в пружинной муфте и т. д. Удары полумуфт друг о друга, вызванные расцентровкой, являются тем самым «молоточком», который возбуждает диагностические колебания.

Для каждого конкретного типа соединительной муфты с нелинейностью типа «люфт», можно разработать целый ряд простых диагностических правил, позволяющих достаточно подробно контролировать ее техническое состояние.

Влияние   угловой расцентровки. Угловая расцентровка валов роторов обычно характеризуется достаточно высоким общим уровнем осевой вибрации агрегатов. Особенностью угловой расцентровки является то, что максимум мощности осевой вибрации сосредоточен чаще всего или на первой, или на второй гармониках частоты вращения ротора.

Бывают случаи максимума и на третьей гармонике, это все зависит от типа муфты и геометрического положения роторов в пространстве. В приведенном примере максимум мощности осевой вибрации сосредоточен на первой гармонике. Третья гармоника вибросигнала может иметь максимум при наличии наклона оси ротора относительно горизонтали, когда ротор «скатывается»  под своим собственным весом по направлению к муфте. При угловой расцентровке фаза осевой составляющей вибрации изменяется на 180 град с двух сторон полумуфты. Фаза гармоник в радиальном направлении может быть не полностью устойчивой. Это хорошо согласуется с картиной физических процессов в агрегате при угловой расцентровке, когда основой являются осевые удары полумуфт друг о друга, а радиальные усилия и вибрации являются уже вторичными, по сравнению с осевыми усилиями.

Параллельная расцентровка часто имеет аналогичные вибрационные симптомы с угловой расцентровкой, но при ней максимально высокой является радиальная вибрация. Фаза радиальной вибрации меняет свое значение на 180 град при переходе через муфту.

Соотношение первой и второй гармоник оборотной частоты в радиальном направлении при параллельной расцентровке всегда примерно одинаковое: вторая гармоника превышает первую гармонику по амплитуде и по мощности. Это соотношение является относительным.

Абсолютное значение первой и второй гармоник определяется в основном  двумя параметрами – величиной имеющейся расцентровки и типом и конструкцией муфты. О влиянии типа муфты на характер расцентровки сказано было выше.

Осевая составляющая вибрации при параллельной расцентровке обычно возрастает очень незначительно, за исключением случая расцентровки на изношенной муфте. При такой муфте в осевой составляющей обычно бывает максимальной вторая гармоника вибросигнала, третья же бывает максимальной редко, только при специфических износах соединительных муфт.

Расцентровка на изношенной муфте. Как уже говорилось выше расцентровка позволяет диагностировать состояние соединительных муфт с гистерезисом, т. е. с небольшим зазором между элементами полумуфт типа «люфт». Удары, возникающие при расцентровке, позволяют оценивать изношенность муфты и целостность конструктивных элементов. Картина проявления дефектов зависит от типа муфты, она различна в зубчатых муфтах, пальцевых, пружинных и т. д.

Рассмотрим проявление расцентровки на примере зубчатой соединительной муфты, у которой из-за расцентровки, первоначальной причины, произошел значительный износ зубчатых пар, увеличились зазоры в зубчатых соединениях.

Пример спектра вибрации в вертикальном направлении при наличии вертикальной же параллельной расцентровки показан на рис. 5.6. На рисунке хорошо видны первые две гармоники оборотной частоты, свойственные сдвиговой расцентровке, несколько меньшая по величине третья гармоника. Далее, до восьмой гармоники, и даже дальше, до двенадцатой, чего на спектре не видно, следуют гармоники, свойственные механическому ослаблению. По амплитуде эти гармоники в примерно два раза меньше гармоник от расцентровки.

Рис. 5.6. Вибрация агрегата с расцентровкой и износом муфты

 

Такая спектральная картина говорит о достаточно сильном развитии серьезного и опасного дефекта – износе зубчатого зацепления в муфте. Текущее техническое состояние зубчатых пар не соответствует данному состоянию агрегата и его центровке. Если бы на спектре гармоники от ослабления почти сравнялись с гармониками от расцентровки, то можно было говорить о почти полной деградации зубчатых пар в муфте.

Выхода для практики в этом случае два: или заменить муфту (ее элементы), или добиться идеальной центровки, исключающей сдвиговые усилия в муфте.

Режимная (технологическая) расцентровка. Здесь хочется еще раз указать на существование специфических расцентровок, по степени своего проявления зависящих, кроме всего прочего, от режимов работы оборудования. По своему виду они могут быть параллельными или угловыми. Специфичность их заключается в том, что они носят «блуждающий»  характер. При определенных условиях работы оборудования такие расцентровки диагностируются по спектрам вибросигналов, а при других условиях нет.

Основными причинами, приводящими к появлению таких «блуждающих» расцентровок, можно назвать:

1) неодинаковые тепловые изменения линейных параметров подшипниковых опор, приводящие к различным взаимным смещениям центров подшипников в пространстве;

2) различная степень «технологической стабилизации» или, наоборот, «технологической нестабильности» при изменении нагрузки на агрегат, приводящая к изменению проявления расцентровок в различных режимах работы;

3) тепловые деформации присоединенных к агрегату конструкций, например, тепловые деформации трубной обвязки насосов;

4) тепловые линейные расширения агрегатов под воздействием разогрева в процессе пуска или при изменении режимов работы;

5) искривления фундаментов в процессе работы, при изменении температуры окружающей среды, смены времен года и т.д., приводящие к искривлению идеальной линии вала.

Наиболее важным вопросом, который приходится решать при диагностике таких расцентровок, является установление причин, приводящих к появлению тепловых (режимных) расцентровок. Если такую причину удается дифференцировать, то вероятность устранения расцентровки достаточно высока.