вибрация — это механические ко- лебания тела около положения равновесия.
За последние несколько десятилетий вибрационная диагностика ста- ла основой контроля и прогноза состояния вращающегося оборудования.
Физической причиной ее быстрого развития является огромный объем диа- гностической информации, содержащейся в колебательных силах и вибра- ции машин, работающих как в номинальных, так и в специальных режимах.
Техническим обеспечением вибрационной диагностики являются высоко- точные средства измерения вибрации и цифровой обработки сигналов, воз- можности которых непрерывно растут, а стоимость снижается.
В настоящее время диагностическая информация о состоянии вра- щающегося оборудования извлекается из параметров не только вибрации, но и других процессов, в том числе рабочих и вторичных, протекающих в машинах. Естественно, что развитие диагностических систем идет по пути расширения получаемой информации не только за счет усложнения мето- дов анализа сигналов, но и за счет расширения количества контролируемых процессов.
Вибрационная диагностика, как и любая другая диагностика, включает в себя три основных направления:
- параметрическую диагностику;
- диагностику неисправностей;
- превентивную диагностику.
Как было сказано выше, параметрическая диагностика используется для аварийной защиты и управления оборудованием, а диагностическая информация содержится в совокупности отклонений величин этих пара-
34
Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций метров от номинальных значений. Системы параметрической диагностики обычно включают в себя несколько каналов контроля различных процессов, в том числе вибрации и температуры отдельных узлов оборудования. Объ- ем используемой вибрационной информации в таких системах ограничен, т. е. каждый вибрационный канал контролирует два параметра, а именно ве- личину нормируемой низкочастотной вибрации и скорость ее нарастания.
Обычно вибрация нормируется в стандартной полосе частот от 2 (10) Гц до
1000 (2000) Гц. Величина контролируемой низкочастотной вибрации не всег- да определяет реальное состояние оборудования, но в предаварийной ситу- ации, когда появляются цепочки быстро развивающихся дефектов, их связь существенно вырастает. Это позволяет эффективно использовать средства аварийной защиты оборудования по величине низкочастотной вибрации.
Наибольшее применение находят упрощенные вибрационные системы ава- рийной сигнализации. Такие системы чаще всего используются для своев-
ременного обнаружения ошибок персонала, управляющего оборудованием.
Диагностика неисправностей в данном случае — это вибрационное обслуживание вращающегося оборудования, называемое виброналадкой, которое выполняется по результатам контроля его вибрации прежде всего для обеспечения безопасных уровней вибрации высокооборотных ответ- ственных машин со скоростью вращения 3000 об./мин и выше. Именно в высокооборотных машинах повышенная вибрация на частоте враще- ния и кратных частотах существенным образом снижает ресурс машины, с одной стороны, а с другой — чаще всего является следствием появления в машине или фундаменте отдельных дефектов. Выявление опасного роста вибрации машины в установившихся или переходных (пусковых) режимах работы с последующим определением и устранением причин этого роста является основной задачей виброналадки.
В рамках виброналадки после обнаружения причин роста вибрации вы- полняется ряд сервисных работ, таких как центровка, балансировка, изме- нение колебательных свойств (отстройка от резонансов) машины, а также замена смазки и устранение тех дефектов в узлах машины или фундамент- ных конструкциях, которые повлекли за собой опасный рост вибрации.
Превентивная диагностика машин и оборудования — это обнаружение всех потенциально опасных дефектов на ранней стадии развития, наблю- дение за их развитием и на этой основе долгосрочный прогноз состояния оборудования. Вибрационная превентивная диагностика машин как само- стоятельное направление в диагностике начала формироваться лишь в кон- це 80-х годов прошлого века.
Основной задачей превентивной диагностики является не только об- наружение, но и идентификация зарождающихся дефектов. Знание вида каждого из обнаруженных дефектов позволяет резко повысить достовер- ность прогноза, так как каждый вид дефекта имеет свою скорость развития.
35
7. ВибродиагностикаСистемы превентивной диагностики состоят из средств измерения наиболее информативных процессов, протекающих в машине, средств или программного обеспечения для анализа измеряемых сигналов и про- граммного обеспечения для распознавания и долгосрочного прогноза со- стояния машины. К наиболее информативным процессам обычно относят вибрацию машины и ее тепловое излучение, а также ток, потребляемый электродвигателем, используемым в качестве электропривода, и состав смазки. К настоящему времени не определены лишь наиболее информа- тивные процессы, позволяющие с высокой достоверностью определять и прогнозировать состояние электрической изоляции в электрических машинах.
Превентивная диагностика, основанная на анализе одного из сигна- лов, например вибрации, имеет право на существование лишь в тех случаях, когда позволяет обнаружить абсолютное (более 90 %) число потенциально опасных видов дефектов на ранней стадии развития и дать прогноз безава- рийной работы машины на срок, достаточный для подготовки к текущему ремонту. Такая возможность в настоящее время может быть реализована не для всех типов машин и не для всех отраслей промышленности.
Наибольшие успехи превентивной вибрационной диагностики связа- ны с прогнозом состояния низкооборотного нагруженного оборудования, используемого, например, в металлургии, бумажной и полиграфической промышленностях. В таком оборудовании вибрация не
оказывает решаю- щего влияния на его надежность, т. е. специальные меры по снижению ви- брации применяются крайне редко. В этой ситуации параметры вибрации наиболее полно отражают состояние узлов оборудования, и с учетом до- ступности этих узлов для периодического измерения вибрации, превентив- ная диагностика дает максимальный эффект при минимальных затратах.
Сложнее всего вопросы превентивной вибрационной диагностики ре- шаются для машин возвратно-поступательного действия и высокооборот- ных газотурбинных двигателей. В первом случае полезный сигнал вибрации во много раз перекрыт вибрацией от ударных импульсов, возникающих при смене направления движения инерционных элементов, а во втором — шу- мом потока, который создает сильную вибрационную помеху в тех точках контроля, которые доступны для периодического измерения вибрации.
Успехи превентивной вибрационной диагностики среднеоборотных машин со скоростью вращения от 300 до 3000 об./мин также зависят от типа диагностируемых машин и от особенностей их работы в разных отраслях промышленности. Наиболее просто решаются задачи контроля и прогноза состояния широко распространенного насосного и вентиля- ционного оборудования, особенно если в нем используются подшипники качения и асинхронный электропривод. Такое оборудование применяет- ся практически во всех отраслях промышленности и в городском хозяй-
36
Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций стве, и его перевод на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию не требует больших финансовых и временных затрат.
Свою специфику имеет превентивная диагностика на транспорте, которая выполняется не в движении, а на специальных стендах. Во- первых, интервалы между диагностическими измерениями в этом случае не определяются реальным состоянием оборудования, а планируются по данным о пробеге. Во-вторых, отсутствует контроль режимов рабо- ты оборудования в этих интервалах, а всякое нарушение условий экс- плуатации может резко ускорить развитие дефектов. В-третьих, диагно- стика осуществляется не в номинальных режимах работы оборудования, в которых происходит развитие дефектов, а в специальных стендовых, в которых дефект может не изменять контролируемые параметры ви- брации, либо изменять их не так, как в номинальных режимах работы.
Все сказанное требует специальных доработок традиционных систем превентивной диагностики применительно к разным видам транспорта, проведения их опытной эксплуатации и обобщения полученных резуль- татов. К сожалению, подобная работа часто даже не планируется, хотя, например, количество комплексов превентивной диагностики, исполь-
зуемых на железных дорогах, составляет несколько сотен, а количество мелких фирм, поставляющих эту продукцию на предприятия отрасли, превышает десяток.
Работающий агрегат — источник большого количества колебаний различной природы. Основные динамические силы, действующие в ма- шинах роторного типа (а именно турбины, турбокомпрессоры, электро- двигатели, генераторы, насосы, вентиляторы и т. д.), возбуждая их вибра- цию или шум, представлены ниже. Из сил
механической природы следует выделить:
1. Центробежные силы, определяемые неуравновешенностью враща- ющихся узлов;
2. Кинематические силы, определяемые неровностью взаимодей- ствующих поверхностей и прежде всего поверхностей трения в подшип- никах;
3. Параметрические силы, определяемые в первую очередь перемен- ной составляющей жесткости вращающихся узлов или опор вращения;
4. Силы трения, которые далеко не всегда можно считать механиче- скими, но почти всегда они являются результатом суммарного действия множества микроударов с деформацией (упругой) контактирующих микро- неровностей на поверхностях трения;
5. Силы ударного вида, возникающие при взаимодействии отдельных элементов трения, сопровождающемся их упругой деформацией.
Из
сил электромагнитного происхождения в электрических машинах следует выделить:
37
7. Вибродиагностика1. Магнитные силы, определяемые изменениями магнитной энергии в определенном ограниченном пространстве, как правило, в ограниченном по протяженности участке воздушного зазора;
2. Электродинамические силы, определяемые взаимодействием маг- нитного поля с электрическим током;
3. Магнитострикционные силы, определяемые эффектом магнито- стрикции, т. е. изменением линейных размеров магнитного материала под действием магнитного поля.
Из cил аэродинамического происхождения следует выделить:
1. Подъемные силы, т. е. силы давления на тело, например, лопасть рабочего колеса, движущаяся в потоке либо обтекаемая потоком;
2. Силы трения на границе потока и неподвижных частей машины
(внутренней стенки трубопровода и т. п.);
3.
Пульсации давления в потоке, определяемые его турбулентно- стью, срывом вихрей и т. п.
Ниже представлены примеры дефектов, выявляемых вибродиагности- кой:
1) небаланс масс ротора;
2) расцентровка;
3) механическое ослабление (дефект изготовления или естественный износ);
4) задевания (затирания) и т. д.
Небаланс вращающихся масс ротора:a) дефект изготовления вращающегося ротора или его элементов на заводе, на ремонтном предприятии, недостаточный выходной контроль предприятия-изготовителя оборудования, удары при перевозке, плохие ус- ловия хранения;
b) неправильная сборка оборудования при первичном монтаже или после выполненного ремонта;
c) наличие на вращающемся роторе изношенных, сломанных, де- фектных, недостающих, недостаточно прочно закрепленных и т. д. деталей и узлов;
d) результат воздействия параметров технологических процессов и особенностей эксплуатации данного оборудования, приводящих к не- равномерному нагреву и искривлению роторов.
РасцентровкаВзаимное положение центров валов двух соседних роторов в практике принято характеризовать термином «центровка».
Если же осевые линии валов не совпадают, то говорят о плохом каче- стве центровки и используется термин «расцентровка двух валов».
38
Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций
Качество центровки нескольких механизмов определяется правильно- стью монтажа линии вала агрегата, контролируемой по центрам опорных подшипников вала.
Причин появления расцентровок в работающем оборудовании доста- точно много. Это процессы износа, влияние технологических параметров, изменение свойств фундамента, искривление подводящих трубопроводов под воздействием изменения температуры на улице, изменение режима работы и т. д.
Механическое ослаблениеДостаточно часто под термином «механическое ослабление» понима- ется сумма нескольких различных дефектов, имеющихся в конструкции или являющихся следствием особенностей эксплуатации: чаще всего ви- брации при механических ослаблениях вызываются соударениями враща- ющихся деталей между собой или соударениями подвижных элементов ротора с неподвижными элементами конструкции, например с обоймами подшипников.
Все эти причины сведены воедино и имеют здесь общее название «ме- ханические ослабления» потому, что в спектрах вибросигналов они дают качественно примерно одинаковые картины.
Механические ослабления,
являющиеся дефектом изготовления, сборки и эксплуатации: всевозможные чрезмерно свободные посадки деталей вра- щающихся роторов, сопряженные с наличием нелинейностей типа «люфт», имеющих место также и в подшипниках, муфтах, самой конструкции.
Механические ослабления, являющиеся результатом естественного износа конструкции, особенностей эксплуатации, следствием разрушения элементов конструкции. В эту же группу следует относить все возможные трещины и дефекты в конструкции и фундаменте, увеличения зазоров, воз- никшие в процессе эксплуатации оборудования.
Тем не менее такие процессы тесно связаны с вращением валов.
ЗадеванияЗадевания и «затирания» элементов оборудования друг о друга различ- ной первопричины имеют место в процессе работы оборудования достаточ- но часто и по своему происхождению могут быть разделены на две группы:
- нормальные конструктивные задевания и затирания в различного типа уплотнениях, используемых в насосах, компрессорах и т. д.;
- итог, или даже последняя стадия, проявления в агрегате других дефектов состояния конструкции, например износ опорных элементов, уменьшение или увеличение технологических зазоров и уплотнений, ис- кривление конструкций.
Задеванием в практике называют обычно процесс прямого контакти- рования вращающихся частей ротора с неподвижными элементами кон- струкции агрегата или фундамента.
39
7. ВибродиагностикаКонтактирование по своей физической сути (в некоторых источни- ках применяются термины «трение» или «затирание») может иметь ло- кальный характер, но только на начальных стадиях. На последних стадиях своего развития задевание обычно происходит непрерывно в течение все- го оборота.
Техническим обеспечением вибрационной диагностики являются высо- коточные средства измерения вибрации и цифровой обработки сигналов, возможности которых непрерывно растут, а стоимость снижается.
Основные типы оборудования для вибрационного контроля:1. Портативное оборудование;
2. Стационарное оборудование;
3. Оборудование для балансировки;
4. Диагностические системы;
5. Программное обеспечение.
По результатам замеров вибродиагностики составляются формы сиг- налов и спектры вибрации.
Сравнение формы сигналов, но уже с эталонной, можно осуществлять с помощью еще одной информационной спектральной технологии, осно- ванной на узкополосном спектральном анализе сигналов. При использо- вании такого вида анализа сигналов диагностическая информация содер- жится в соотношении амплитуд и начальных фаз основной составляющей и каждой из кратных ей по частоте составляющих.
Рис. 30. Формы и спектры вибрации сердечника трансформатора,
работающего в нормальном режиме
40
Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций
Рис. 16. Формы и спектры вибрации сердечника трансформатора при перегрузке, сопровождающейся магнитным насыщением сердечника
Спектры сигнала вибрации: их анализ показывает, что появление маг- нитного насыщения активного сердечника сопровождается искажением формы и ростом составляющих вибрации на гармониках питающего на- пряжения.
41
8. Магнитная структуроскопияМагнитные методы неразрушающего контроля применяют в основном для контроля изделий из ферромагнитных материалов, т. е. изделий, которые под воз- действием внешнего (намагничивающего) магнитного поля изменяют свои маг- нитные характеристики: магнитную проницаемость, величины и направления магнитного потока, вследствие возмущений поля, вызванных дефектами. К фер- ромагнитным материалам относятся: железо, сталь, чугун, никель, кобальт и неко- торые сплавы (алюминия с никелем и др.) — материалы, из которых изготавлива- ется большая часть электротехнического оборудования на станциях и подстанциях.
Магнитный неразрушающий контроль основан на выявлении различны- ми способами магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами, или на определении и оценке магнитных свойств объекта контроля.
Таблица 5Виды магнитных методов№ п/п Метод контроля
Основной параметр контроля
Цель проведения контроля
1
Магнитопорош- ковый
Рисунок из порошка над магнит- ным полем рассеяния
Обнаружение де- фектов типа на- рушения сплош- ности металла
(поверхностные, подповерхност- ные и внутренние деффекты)
2
Магнитографи- ческий
Намагниченность ленты над маг- нитным полем рассеяния
3
Индукционный
Мгновенная ЭДС, индуцируемая в перемещаемой катушке
4
Феррозондовый
ЭДС, пропорциональная градиен- ту или напряженности измеряемо- го магнитного поля
Измерение тол- щины листов же- сти, немагнитных покрытий, упроч- ненного слоя и слоя поверхно- сти закалки
5
Пондеромотор- ный
Сила притяжения постоянно- го магнита или электромагнита к контролируемому объекту
6
Метод эффекта
Холла
ЭДС Холла, возникающая в полу- проводнике с током под воздействи- ем
поперечного магнитного поля7
Магниторези- сторный
Электрическое сопротивление по- лупроводника с током, изменяю- щееся под воздействием внешнего магнитного поля
8
Метод магнит- ной памяти
Зоны концентрации напряжений
—
42
Диагностика электрооборудования электрических станций и подстанций
Скачать 1 Mb.