Виброакустического диагностирования
 Скачать 2.49 Mb.
|
|
2.2.1. Износ подшипников качения На начальных стадиях развития дефекта подшипника в спектре вибрации появляются характерные некратные частотные компоненты, называемые час- тотами дефектов подшипников, а также их гармоники. Частоты дефектов с уровнем 0.15 мм/с (67 VdB) и выше считаются значительными. Иногда новый подшипник также создает подшипниковые частоты, что может быть связано с повреждениями при установке, транспортировке или дефектами изготовления. Если дефект подшипника очень небольшой, например, трещина на од- ном из колец, то в спектре появятся гармоники частоты дефекта, причем амплитуда на его основной частоте будет очень маленькой. Если дефект возникает в виде скола кольца большей площади, то обычно основная час- тота дефекта подшипника выше, чем ее производные. По мере развития де- фекта возрастает общий уровень частот дефектов, а также общий уровень широкополосного шума (рис. 2.3 а). Существует много различных вариантов развития спектральных струк- тур, вызванных неисправностями подшипников. Они определяются харак- тером начального дефекта, скоростью и нагружением. Если дефект расположен на внутреннем кольце (рис. 2.3 б), то будет про- исходить амплитудная модуляция частоты дефекта подшипника частотой вра- щения. В результате вокруг частоты дефекта появятся боковые полосы с ша- гом f o . Амплитудная модуляция возникает из-за того, что дефект на внутрен- нем кольце входит и выходит из зоны нагружения подшипника один раз за оборот. При нахождении в зоне нагружения дефект вызывает сильную вибра- цию на частоте прохождения шариков, а когда он вне зоны нагружения - очень слабую. То есть амплитуда вибрации на частоте дефекта подшипника изменяется (модулируется) с частотой вращения, что приводит к появле- нию боковых составляющих (полос). Боковые полосы, расположенные на расстоянии f o вокруг частот де- фектов подшипника, являются верным признаком его развивающегося из- носа и почти всегда указывают на дефект внутреннего кольца. Необходимо заметить также, что из-за увеличившегося зазора в подшипнике в спектре появились гармоники оборотной частоты, и становится заметной вторая гармоника подшипниковой частоты дефекта. Иногда при сильном дисбалансе ротора дефект внутреннего кольца не сопровождается амплитудной модуляцией. Это объясняется тем, что цен- тробежная сила дисбаланса все время создает нагружение в одном и том же положении на периферии внутреннего кольца. Такое часто случается в вер- тикальных машинах, где сила тяжести не создает нагрузки ни на одну из 15 сторон подшипника. а) б) Рис. 2.3. Амплитудно-частотный спектр огибающей виброускорения подшипника качения с дефектами: а) – внешней обоймы; б) – внутренней обоймы Еще один пример боковых полос в спектре подшипника связан с се- 16 параторной частотой (FTF). Она равна частоте вращения сепаратора внутри подшипника. Если одно из тел качения имеет скол, трещину или, что еще хуже, развалилось на кусочки, то, находясь в зоне нагружения, оно будет производить вибрационный шум, а вне ее - оставаться тихим. Вращаясь в подшипнике вместе с сепаратором, оно проходит через зону нагружения с частотой дефекта сепаратора. Тем самым осуществляется амплитудная мо- дуляция частот дефектов подшипника сепараторной частотой, и, в резуль- тате, вокруг последнего появляются боковые полосы с шагом частоты де- фекта сепаратора. Финальная стадия износа подшипника иногда называется термальной, когда подшипник становится горячим, а смазка в нем разрушается. Резуль- тат - катастрофическое повреждение, сопровождающееся плавлением тел качения и/или колец. На этой стадии, в вибрационном спектре повышается шумовой фон. Ключевым моментом эффективности диагностики подшипников является отслеживание развития их частот дефектов во времени (трен- дов), начиная с момента возникновения . Иногда небольшой дефект в под- шипнике развивается столь стремительно, что в течение короткого времени подшипник полностью разрушается. Поэтому для раннего обнаружения де- фекта необходимо чувствовать очень слабые компоненты вибрации. Следу- ет знать, что некоторые типы машин содержат в усредненных спектрах час- тоты дефектов подшипников. В этом случае диагностика осуществляется на основе существенного превышения средних уровней. Любые значительные частоты дефектов подшипников необходимо внимательно отслеживать на предмет ухудшения. 2.2.2. Вибрация, вызываемая прецессией приводного вала насоса в подшипниках качения с радиальным зазором. Если в шарикоподшипнике есть радиальный зазор, то в процессе вра- щения вала его ось совершает прецессию - блуждания, допускаемые поя- вившимися вследствие наличия радиального зазора промежуточными сте- пенями свободы. В процессе блуждания вал сталкивается с телами качения. Возникают ударные воздействия, которые являются источниками вибрации и шума. Ударные импульсы, вызываемые прецессией вала при наличии ради- ального зазора на одной из двух его опор, 0 0 (1 ) sin m q h e F R N p = + (2.1) 17 где h 0 - радиальный зазор; е - коэффициент восстановления, равный для стали 5/9; N - число тел качения; F m - радиальная сила на валу - реакция вала; m - масса, приведенная к подшипнику; R - радиус окружности, проведенной через центры шариков. Частота повторения импульсов ( - ) 2 n R a N f R = (2.2) где а - радиус шарика; n - частота вращения вала, с - 1 . Выражения (2.1) и (2.2) получены в предположении, что значение и направление радиальной силы, действующей на вал, постоянны; радиаль- ный зазор мал по сравнению с линейными размерами элементов подшип- ника; проскальзывание шариков относительно обоймы отсутствует. Гиро- скопические силы не учитываются. Так как насосы работают при больших частотах вращения приводных валов, при прецессии приводного вала могут возникнуть переменные гиро- скопические моменты, нагружающие его опоры. Гироскопический момент 1 Г M J ww = (2.3) где ω - угловая скорость вала; J - момент инерции вала; ω 1 - угловая скорость вала при его прецессии. В первом приближении 1 0 sin F Lh mR N p w = (2.4) где L - расстояние между опорами вала. Гироскопический момент нагружает опоры нормально относительно линии действия силы F с частотой, примерно равной частоте импульсов q 0 , вызванных прецессией вала [см. выражение (2.2)]. 2.2.3. Вибрация, вызванная ударными импульсами при качении шари- ков шарикоподшипников по волнистым беговым дорожкам. Предполагая отсутствие проскальзывания шариков относительно кольца и равномерное расположение волн кольца, частота ударных импуль- сов 18 (1 ) 2 B nNz a f q R = ± , (2.5) где z B - число волн в дорожке; q - общий наибольший делитель между N и z B В формуле (2.5) знаки "плюс" и "минус" относятся к случаю качения шариков соответственно по внешней и внутренней дорожке. 2.2.4. Вибрация, вызванная ударными импульсами при качении овальных (гранных) шариков (роликов) по беговым дорожкам. Частота этих импульсов ( ) Г nNz R a f q a R = ± , (2.6) где z г - число гранных (овальных) тел качения. Вынужденные колебания, вызываемые ударными импульсами с час- тотой, определяемой по формулам (2.5) или (2.6), при наличии множества волн (выкрашивании) беговых дорожек и гранностей шаров, как правило, вызывают сплошной спектр вибрации в характерных для подшипниковых гармоник диапазонах частот. Неуравновешенность сепаратора обусловливает вибрацию с частотой (1- cos ) . 2 a n f R b = (2.7) 2.3. Подшипники скольжения Подшипники скольжения являются неотъемлемой частью многих и очень ответственных агрегатов, широко применяются в энергетическом оборудовании, мощных насосах, компрессорах, электродвигателях и т. д. При кажущейся простоте конструкции, подшипник скольжения со- стоит из трех элементов – из антифрикционного вкладыша, части поверхности вала и слоя масла между ними, на самом деле это сложный и ответственный узел, в котором возможно возникновение опасных дефектов. Большинство дефектов подшипников скольжения генерируют в спек- тре пики на более низких частотах, чем f o , которые называют субгармони- ками оборотной частоты. Иногда также возникают гармоники самих суб- гармонических пиков, что указывает на тяжелое повреждение подшипника. В машинах с длинными гибкими роторами, например, в паровых и га- зовых турбинах, ротор всегда имеет, по крайней мере, один изгибный резо- нанс с собственной частотой ниже рабочей скорости вращения. Эти собст- венные частоты называют критическими скоростями. Они возбуждаются, когда скорость вращения ротора в процессе разгона совпадает с собствен- 19 ной частотой. По этой причине разгон должен быть достаточно быстрым, чтобы машина не долго находилась в критическом режиме. Первая, то есть низшая критическая скорость соответствует основной моде изгибных коле- баний ротора. Если подшипники закреплены более свободно, то они будут двигаться и поглощать энергию резонанса, слегка снижая его величину. Второй критический резонанс соответствует вилянию (прецессии) ос- новной массы ротора. Он приводит к воздействию на подшипники больших сил на частоте f o , но сам ротор перемещается не очень сильно, и поэтому данную критическую скорость иногда трудно заметить при разгоне. Та же критическая скорость при податливых подшипниках сопровождается более сильной вибрацией. Абразивный износ возникает вследствие истирания трущихся по- верхностей и прямо пропорционален удельному давлению на трущиеся по- верхности и пути скольжения. Заедание возникает вследствие контакта поверхностей в условиях разрушения масляной пленки. Усталостный износ возникает вследствие усталости поверхност- ного слоя при относительном скольжении поверхностей и вследствие мик- ро-шероховатостей. 2.3.1. Срыв масляного клина Срыв масляного клина - это состояние, которое характеризуется силь- ной вибрацией между 0.38f o и 0.48 f o . Он никогда не проявляется точно на 0.5 f o , но всегда на чуть более низких частотах. Если амплитуда этой суб- гармоники превышает 50 % от величины первой оборотной гармоники час- тоты вращения вала, то следует говорить о серьезном характере дефекта и об опасном влиянии его на общее состояние агрегата. Срыв возникает вследствие чрезмерного зазора и слишком легкого радиального нагружения подшипника, что приводит к скоплению масляной пленки в одном месте и вынуждает цапфу перемещаться внутри подшипника по кругу с частотой, немного меньшей оборотной. Срыв - это серьезная неисправность, которая требует немедленного вмешательства, так как она может достаточно быст- ро привести к возникновению прямого контакта металлических деталей внутри подшипника. Диагностические особенности возникновения субгармоники с часто- той масляной вибрации: - если частота масляной вибрации смещается ближе к значению 0,5 (от оборотной частоты), то можно говорить о хорошем состоянии внешней 20 поверхности антифрикционного вкладыша и о плохом состоянии поверхно- сти шейки вала (дефект сосредоточен на поверхности шейки вала); - если частота масляной вибрации располагается сравнительно бли- же к величине 0,4 частоты вращения вала, то лучшим является состояние поверхности шейки вала. Разболтанность_подшипника_скольжения'>2.3.2. Разболтанность подшипника скольжения При монтаже подшипника скольжения всегда тщательно контроли- руются зазоры со всех сторон ротора, так как все они участвуют в работе. В процессе работы из-за износа зазоры постепенно возрастают и наступает такой момент, когда это начинает сказываться на состоянии агрегата и про- являться в спектре вибрации. Достаточно часто при этом в агрегате должен присутствовать еще один, какой-либо, дефект другой природы возникно- вения, например дисбаланс или расцентровка. Разболтанность подшипника вызывает появление гармоник основ- ной частоты f o , а в серьезных случаях - гармоник 1/2 f o , т.е. половинных по- рядков. Часто причиной половинных порядков является дрожание подшип- ника в корпусе. Иногда при очень сильной разболтанности появляются да- же субгармоники гармоники третьего (1/3 f o ) и четвертого (1/4 f o ) порядка. При возникновении и развитии дефектов зубчатого зацепления подшип- ников существенно возрастает среднеквадратический уровень виброускорения корпуса подшипника, вызванный ростом соответствующих частотных состав- ляющих. Так в диапазоне частот 10…3000 Гц виброускорение, измеренное в направлении действия вектора максимальных суммарных сил, действующих в опорах, может достигать и существенно превышать 20 м/с 2 3. Диагностика электродвигателей и центробежных машин Различные типы машинного оборудования – электродвигатели, цен- тробежные насосы, компрессоры, вентиляторы и другие – могут иметь оди- наковые виды дефектов и неисправностей, в частности, дисбаланс вра- щающихся узлов. 3.1. Дисбаланс При развитии дисбаланса среднеквадратический уровень виброскоро- сти, измеряемой в диапазоне частот 10…1000 Гц на корпусе подшипника в горизонтальном направлении почти совпадает с амплитудой первой обо- ротной гармоники и может достигать 5…10 мм/с и более (рис. 3.1). 21 3.1.1. Анализ спектральных и временных характеристик вибросигна- лов Вибросигнал с переднего подшипника электродвигателя содержит почти периодическую составляющую с наложенным относительно малым уровнем шума. При рассмотрении его после увеличения масштаба по вре- мени можно увидеть, что период сигнала составляет около 20 мс. Рис. 3.1. Сигнал виброускорения переднего подшипника электродвигателя На спектре сигнала, полученного с помощью переносной системы COMPACS-MICRO (Рис. 3.2.), видна составляющая на частоте 50 Гц. Вто- рая и третья гармоники оборотной частоты имеют значительно меньшую амплитуду. Наличие первых гармоник оборотной частоты может свидетельство- вать о следующем: - нарушение баланса вращающегося элемента (ротора); - нарушение соосности валов; - ослабление крепления неподвижных (корпусных) и подвижных элементов агрегатов. 22 Рис. 3.2. Амплитудно-частотный спектр вибросигнала с переднего подшипника электродвигателя 3.1.2. Дисбаланс масс ротора Неуравновешенность вращающихся масс ротора является одним из са- мых распространенных дефектов оборудования, обычно приводящим к резко- му увеличению вибраций. Неуравновешенность ротора вызывается возникно- вением (в силу различных причин) отклонений геометрических размеров ро- тора от номинальных конструктивных, т.е. дисбаланса. При вращении такого ротора с некоторой угловой скоростью в каждом поперечном сечении, имею- щем отклонение размеров от номинальных, возникает центробежная сила, вращающаяся вместе с ротором и вызывающая переменные нагрузки на опо- ры. При этом результирующая центробежная сила, являясь статической на- грузкой для ротора, может вызывать значительный прогиб вала ротора. Цен- тробежные силы, или дисбаланс, воздействуют на опоры ротора и агрегата, вызывая значительные нагрузки и вибрации последнего. Причины возникновения дисбаланса в оборудовании могут иметь раз- личную природу, являться следствием многих особенностей конструкции и эксплуатации. К ним относятся: - дефекты, связанные с нарушением изготовления, сборки и балан- сировки ротора, которые характеризуются повышенным уровнем вибрации непосредственно после завершения ремонта или монтажа агрегата; 23 - наличие на вращающемся роторе различных изношенных, дефект- ных и т.п. деталей и узлов; - дефекты эксплуатации, такие как разрушение частей ротора (на- пример, частей лопаток, рабочего колеса и др.) в процессе работы, которые характеризуются внезапными изменениями амплитуды и/или фазы колеба- ний, а также различные виды износа деталей ротора (например, трущихся и рабочих шеек вала, лопастей колес и др.), отложения вредных примесей на роторе (налипания) в процессе работы агрегата, уменьшение натяга (нару- шение посадок) деталей ротора, которые характеризуются сравнительно медленными (в течение эксплуатации) изменениями амплитуды и/или фазы вибраций, результат неравномерного износа конструкции ротора; - неравномерная внутренняя структура или наличие внутренних де- фектов в конструкционных материалах ротора. По своему типу, специфике проявления в общей картине вибрации, по особенностям проведения диагностики, дисбалансы можно условно подраз- делить на: - статический дисбаланс; - динамический дисбаланс; - моментный дисбаланс. 3.1.3. Статический дисбаланс Это наиболее простой тип дисбаланса, который эквивалентен нали- чию тяжелого места (сосредоточенной массы) в одной точке ротора. Он на- зывается статическим потому, что проявляется даже без вращения ротора. Если последний разместить на двух параллельных лезвиях, то тяжелое ме- сто будет стремиться занять самое низкое положение (Рис. 3.3). F=F1+F2 Рис. 3.3. Схема расположения дисбалансирующих масс при статическом дисбалансе Статический дисбаланс ротора может быть вызван, например, нару- шением соосности бочки и шеек ротора, прогибом ротора, различием в массе одинаковых диаметрально противоположных элементов (например, полюсов синхронных машин или секций обмоток якоря), смещением масс пропиточного лака при сушке и др. Статический дисбаланс приводит к воздействию на оба опорных под- |