Виброакустического диагностирования

• Название: Виброакустического диагностирования
• Дата: 22.02.2022
• Размер: 2.49 Mb.
• Имя файла: 36d7215.pdf
• Тип: Решение; #370076
• страница: 5 из 10

J) кавитационного шума насосов сильно зависит от окружной скорости колеса (u), которая может быть выражена соотношени- ем J

u
b
. Величина показателя
b
изменяется в зависимости от стадии кави- тации. В осевых насосах в начальный момент развития паровой кавитации
b
»
30
¸
20, а в зоне развитого кавитационного шума
b
»
9. В центробежных насосах величины
b
соответственно равны:
b
»
12
¸
14 и
b
»
6.
3.3.6. Вихреобразования и турбулентные пульсации давления в объ-
емных роторных насосах
Вихреобразования обусловлены взаимодействием рабочих элементов этих насосов (шестерен винтов, пластин) между собой и корпусом. В ос- новном вихреобразования носят случайный характер. Спектр вибрации, вызываемой вихреобразованиями, преимущественно высокочастотный, сплошной, обычно маскируется другими более интенсивными источника- ми. Микропульсации давления в этих насосах так же, как и в лопастных, могут быть обусловлены турбулентностью потока жидкости.
В турбулентном пограничном слое возникают напряжения сдвига, ко- торые вызывают деформацию элементарных объемов жидкости. Каждый такой элемент представляет излучатель звуковой вибрации, причем излуче- ние происходит за счет деформации элемента без изменения объема. На твердой границе
- на поверхности обтекаемого тела - при этом действуют хаотические пульсации давления. Как источник вибрации турбулентные пульсации давления в дозвуковом потоке малоэффективны. Спектр вибра- ции от турбулентных пульсаций давления в потоке жидкости занимает ши- рокую область частот и в значительной степени неравномерен по интен- сивности.

44
3.3.7. Анализ сигналов
Вибросигнал (Рис. 3.12) получен с переднего подшипника насоса, с номинальной частотой вращения ротора 3000 мин
–1
, т.е. частота 1-ой обо- ротной гармоники чуть меньше 50 Гц (f
о
=49,77 Гц). Частота 8-ой гармони- ки совпадает с лопаточной частотой, т.к. количество лопаток на рабочем колесе равно восьми. Если установить гармонический курсор на частоту
f
л
=398 Гц, то можно увидеть наличие второй гармоники на частоте 796 Гц, и третьей - на частоте 1194 Гц. Появление гармоник лопаточной частоты свидетельствует о:
- пульсации давления в потоке;
- нарушении гидродинамики потока перекачиваемого продукта;
- возможном зарождении дефекта лопаток.
Пульсации давления в потоке и создаваемая ими вибрация преимуще- ственно носят случайный характер и проявляется приблизительно с посто- янным уровнем в широкой полосе частот до 1000-2000 Гц с дальнейшим снижением уровня на 6-12 дБ на октаву. При этом возникают колебания корпусов, труб и рабочих лопаток.
Рис. 3.12. Амплитудно-частотный спектр виброускорения корпуса насоса с лопа- точными частотами.
Нарушения гидродинамики потока перекачиваемого продукта могут проявляться в виде:
- вихреобразования в потоке;

45
- неоднородности потока в проточной части центробежных агрега- тов;
- гидродинамической неуравновешенности;
- кавитации.
Вихреобразования в потоке возникают при изменении сечения трубо- провода, поворотах труб, прохождении потоком распределительной и регу- лирующей арматуры, на кромках лопастей и приводят к случайным пульса- циям давления.
Неоднородности потока в проточной части центробежных агрегатов
(чаще всего насосов и вентиляторов, реже - компрессоров, турбин) возни- кают от неравномерности поля скоростей и давлений по шагу между лопа- стями рабочего колеса. Спектральный состав пульсаций достаточно сложен и характеризуется наличием гармоник оборотной и лопаточной частот, а также модуляцией лопаточных гармоник оборотной и другими гармоника- ми. Диагностические признаки гидродинамической неуравновешенности при спектральном анализе совпадают с признаками дисбаланса ротора, од- нако силы ее вызывающие существенно меньше, в силу чего на практике гидродинамическая неуравновешенность ротора обнаруживается крайне редко: только когда ротор отбалансирован с высокой степенью точности.
Измеряя фазу вибрации на частоте вращения ротора относительно метки на валу можно определить дефектное место рабочего колеса (дефектную ло- пасть). В тоже время гидродинамическая неуравновешенность в отличие от механической создает на входе и выходе рабочего колеса периодически пульсирующий поток (даже при отсутствии кавитации), т.е. спектр оги- бающей высокочастотной случайной вибрации может содержать составляющую на частоте вращения ротора, а глубина модуляции высокочастотной вибрации может соответствовать общему вкладу гидродинамической неуравновешенности ротора.
Кавитация возникает при местном понижении давления в тех облас- тях где ее скорость достигает максимального значения, т.е. при обтекании тел или в районе ядер вихрей. Вибрация при кавитации носит случайный характер, составляющие колебания лежат в области средних и высоких час- тот и могут быть велики по значению. Обычно максимум широкополосной вибрации находится в диапазоне 500...3000 Гц, который по мере развития кавитационного процесса смещается в область низких частот. При совпаде- нии собственных частот колебаний рабочих лопастей или деталей насоса с частотами возмущающих колебаний, возникающих при кавитации, особен- но при малых подачах, возможно появление интенсивных автоколебаний лопаток и даже ротора, обвязки и корпуса.

46
Признаки ранней кавитации можно выявить ориентируясь на анализ гармоник лопаточной частоты в амплитудно-частотном спектре виброуско- рения в диапазоне частот до 3000 Гц.
Дефекты лопаток связаны обычно с неравномерным эксплуатацион- ным износом лопаток, при этом может появляться вибрация на частоте вра- щения ротора и ее гармониках (вызываемая появившимся дисбалансом), лопаточных частотах, которые могут быть модулированы оборотной часто- той или другими частотами при наличии других дефектов.
Анализ амплитудного спектра сигнала (Рис. 3.12, Рис. 3.13) свиде- тельствует о наличии явных диагностических признаков нарушений гидро- динамики и пульсаций давления, в частности, присутствуют лопаточные гармоники в спектре сигнала. В данном случае наличие гармоник лопаточ- ной частоты свидетельствует о кавитации в форме срыва вихрей с лопаток рабочего колеса.
При возникновении кавитации и других гидродинамических источни- ков среднеквадратическое значение виброускорения, измеренного на кор- пусе подшипника в горизонтальном направлении, вызванное ростом ампли- туд лопаточных частот, может существенно превышать 15 м/с
2 в диапазоне частот 10…3000 Гц.
Рис. 3.13. Амплитудно-частотный спектр виброускорения корпуса насоса с лопа- точными частотами.

47
4. Диагностика агрегатов
4.1. Несоосность
Несоосностью (расцентровкой) называют состояние, при котором
центральные оси соединенных валов не совпадают. Несоосность присутст- вует всегда и ее развитие (увеличение) часто служит причиной нарушения работоспособности агрегатов. Если центральные оси несоосных валов ос- таются при этом параллельными, то
- имеет место параллельная несоос- ность. Если центральные оси несоосных валов пересекаются в точке соединения, но не параллельны, тогда несоосность называется угловой.
Почти все встречающиеся на практике несоосности машин являются комбинацией этих двух основных типов.
4.1.1. Причины несоосности
Несоосность обычно вызывается следующими причинами:
- неточной сборкой составных частей (двигателей, насосов и т.п.);
- относительным смещением составных частей после сборки;
- деформацией податливых опор;
- тепловым расширением конструкции машины;
- неперпендикулярностью торцов муфты осям валов;
- нежесткостью основания.
Несоосность приводит к следующим проблемам:
- сильный износ и нагрев муфты;
- растрескивание вала вследствие усталости, вызванной изгибом;
- чрезмерное нагружение подшипников;
- преждевременный выход из строя подшипников;
- срез вала двигателя или машины.
4.1.2. Параллельная несоосность
Параллельная несоосность создает как поперечную силу, так и изги- бающий момент на связанном конце каждого вала. На подшипниках с каж- дой стороны муфты возникают высокие уровни вибрации на частоте 2f
o
, а также на f
o
в радиальном направлении, причем эти вибрации находятся в противофазе. Чаще всего, компонента 2f
o
выше, чем f
o
. При чисто парал- лельной несоосности осевые вибрации на частотах f
o
и 2f
o
невелики, и так- же находятся в противофазе. Если скорость машины не является постоян- ной, то уровень вибрации, вызванной дисбалансом, будет изменяться про- порционально квадрату скорости. В то же время, уровень вибрации, вы-

48 званной несоосностью, не изменяется.
4.1.3. Угловая несоосность
При угловой несоосности на каждом валу возникает изгибающий мо- мент. Из-за этого создаются сильные осевые вибрации на частоте f
o
(а также некоторая вибрация на 2f
o
) на обоих подшипниках, находящиеся в противофа- зе. Кроме того, присутствуют достаточно сильные уровни радиальной и/или поперечной вибрации на f
o
и 2f
o
, которые имеет одинаковую фазу с двух сто- рон муфты. Обычно для несоосных соединений характерны также достаточно высокие осевые f
o
-уровни на подшипниках на других концах валов.
4.1.4. Общая несоосность
Большинство случаев несоосности являются комбинацией двух опи- санных выше типов, а их диагностика основана на преобладании 2f
o
-пиков над f
o
-пиками в радиальной вибрации, и на существовании сильных пиков
f
o
, преобладающих над пиками 2f
o
в осевой вибрации. При этом следует убедиться, что высокие осевые уровни f
o
не вызваны дисбалансом консоль- ных роторов.
4.1.5. Изгиб вала
Вибрация агрегата в случае изгиба вала схожа с характеристикой не- соосности, и их легко спутать. Изгиб вала электродвигателя обычно проис- ходит из-за неравномерного нагрева ротора с плохим стержнем и вызывает
на обоих подшипниках сильные осевые вибрации на частоте f
o
и 2f
o
, а
также высокие радиальные и поперечные составляющие f
o
. Компоненты
f
o
на противоположных концах ротора будут иметь противоположные
фазы.
4.1.6. Анализ спектральных и временных характеристик вибросигна-
лов
Характер вибрации агрегатов при нарушениях соосности валов в большинстве случаев определяется конструкцией применяемых соедини- тельных муфт. Гибкие или подвижные муфты способны компенсировать значительные нарушения соосности валов практически без изменения виб- росостояния агрегата за счет ухудшения условий работы собственных эле- ментов. Жесткие муфты, например, пальцевые, испытывая лишь повышен- ные напряжения в жестких соединениях, полностью передают изменив- шиеся условия работы валов на опоры, вызывая значительные изменения их реакций и вибросостояния агрегата. Зубчатые и полужесткие муфты допус- кают определенные нарушения соосности соединяемых валов при малоза-

49 метном изменении вибросостояния агрегата, но при этом для зубчатых муфт расцентровка может иметь различные неблагоприятные последствия: ускоренный износ, деформация или поломка зубьев. Иногда муфта оказы- вается прочнее смежного подшипника, что приводит к повреждению по- следнего. В некоторых случаях влияние конструкции и состояния муфты на вибрацию агрегата выражается в подавлении диагностических признаков расцентровки на смежных подшипниках и признаки расцентровки прояв- ляются на внешних относительно муфты подшипниках дефектно сопря- женных валов.
Характер вибрации при расцентровке зависит от величины и места приложения неуравновешенных сил, крутящего момента, свойств и качест- ва смазочного слоя в подшипниках, а также состояния муфты, подшипни- ков и их опор. В вибросигнале обычно присутствуют колебания с частотой вращения ротора (оборотная частота), часто гармоники выше 2-ой. При оп- ределенных условиях возможно появление низкочастотной вибрации.
4.1.7. Типовые параметры сигнала с признаками несоосности.
При значительных нарушениях соосности валов (при отсутствии дру- гих дефектов) для формы сигнала виброускорения носит почти периодиче- ский характер с небольшим уровнем (Рис. 4.1). Форма сигнала виброскоро- сти обычно имеет более детерминированный характер. По мере развития дефекта и изменения состояния оборудования количество гармоник может увеличиваться до 10 и более.
Рис. 4.1. Временная реализация вибросигнала с переднего подшипника электро- двигателя

50
Спектр виброускорения (Рис. 4.2) на переднем подшипнике электро- двигателя является классическим примером возникновения несоосности
(если спектральная составляющая с частотой 100 Гц не связана с другими дефектами). Спектральный анализ с высокой разрешающей способностью может подтвердить возникновение несоосности, если частоты гармоники будет кратно именно частоте вращения, а не частоте сети, при этом именно уровень 2f
o
свидетельствует о наличии расцентровки. Необходимо обратить внимание на то, что из-за недостаточной разрешающей способности по час- тоте при анализе спектра энергия сигнала перераспределяется между со- ставляющими 98 и 100 Гц, 148 и 150 Гц, 198 и 200 Гц при частоте враще- ния 49.64 Гц.
Рис. 4.2. Спектр виброускорения на переднем подшипнике двигателя
Спектр виброскорости (Рис. 4.3), полученный с датчика, который ус- тановлен на переднем подшипнике электродвигателя в радиальном направ- лении, достаточно хорошо отражает нарушение центровки. При этом ам- плитуды более высоких гармоник – 198 Гц, 298 Гц существенно меньше амплитуды составляющей 100 Гц, указывающей на расцентровку. В силу чего, при диагностике нарушения центровки лучше пользоваться парамет- ром виброскорость. Наличие первой оборотной гармоники 50 Гц вызвано не только нарушением центровки, но и развитием дисбаланса ротора.

51
Рис. 4.3. Амплитудно-частотный спектр виброскорости на переднем подшипнике двигателя в радиально-поперечном направлении
Рис. 4.4. Амплитудно-частотный спектр виброперемещения на переднем подшип- нике двигателя в радиально-поперечном направлении
Среднеквадратичное значение виброскорости, измеренной на корпусе подшипника в горизонтальном направлении в диапазоне частот
10…1000 Гц, в основном определяется амплитудой четных оборотных гар- моник, может достигать и существенно превышать 10 мм/с. Наличие слу- чайных низкочастотных колебаний 5…15 Гц в спектре виброперемещения

52
(Рис. 4.4) свидетельствует об ослаблении крепления двигателя к фундамен- ту, что и является причиной нарушения центровки.
4.2. Ослабление крепления
Ослабления крепления или механические ослабления – зазоры между деталями, люфты, неплотная затяжка (сборка) составных частей, наруше- ние целостности несущих элементов фундаментов, неплотная посадка вра- щающихся деталей – являются нелинейным откликом агрегата (механиче- ской системы) на воздействие неуравновешанных сил и являются причина- ми возбуждения детерминированной и случайной вибрации.
4.2.1. Виды ослаблений
Податливость опор:
- конструктивное и эксплуатационное ослабление опор, опорной плиты, основания, элементов крепления (анкеров, болтов), фундамента;
- ослабление взаимного крепления при сборке (неплотная затяжка) составных частей опор ротора, вкладышей, корпусов подшипников, фунда- ментных рам и ригелей фундамента;
- неполное прилегание, искажение формы рамы и основания (короб- ление фундаментной плиты);
Люфты в неподвижных соединениях, целостность деталей:
- неплотное прилегание деталей;
- ослабление крепления и нарушение связи между корпусом под- шипника и ротором;
- ослабление крепления и нарушение связи между корпусом под- шипника и корпусом агрегата;
- ослабление крепления и нарушение связи между опорами корпусом агрегата и фундаментной плитой;
- появление трещин у несущих элементов рамы, корпуса и фундамента;
- нарушение целостности конструкции фундамента;
- увеличение податливости опор корпуса;
- ослабление закладных деталей;
Ослабление связей между деталями, образующими систему вращаю- щихся элементов:
- трещины колеса или вала;
- ослабление (неплотная посадка) рабочих колес вентиляторов и на- сосов, подшипников, вкладышей подшипников, муфт;
- чрезмерный зазор во втулках или элементах подшипников.

53
4.2.2. Диагностические признаки
При некоторых видах нарушений жесткости траектория движения ва- ла агрегата может сильно отличаться от эллиптической: вал может совер- шать хаотические движения в подшипнике. Во многих случаях характер- ным признаком ослабления крепления является зависимость уровня и ха- рактера вибраций от направления измерений. Для колебаний характерна нестационарность, что и придает кривой относительных колебаний слож- ный и хаотичный характер.
Амплитуда вибрации в горизонтальном и вертикальном направлениях может сильно отличаться. При этом, амплитуда радиальной вибрации, как правило, значительно превосходит осевую (для горизонтальных агрегатов).
Характерные признаками ослабления крепления (жесткости):
Временной сигнала виброускорения имеет нестационарный, импульс- ный характер. В спектре присутствует достаточно большое количество це- лых (1
¸10) и кратных составляющих