Виброакустического диагностирования
 Скачать 2.49 Mb.
|
|
f o , а также субгармоники. При этом спектр нестабилен во времени, устойчивую оценку спектра можно получить при осреднении его на протяжении нескольких десятков секунд. Форма временного сигнала виброскорости, как правило, имеет более ста- ционарный характер (по сравнению с виброускорением) при длине реализации несколько оборотов. Однако амплитуда сигнала обычно бывает нестабильна от оборота к обороту. Можно наблюдать импульсы, период которых кратен частоте вращения вала. Спектр виброскорости более стабилен. Гармонические состав- ляющие проявляются более четко, хотя также требуется осреднение спектра. Часто наличие составляющей 0.5f o с амплитудой близкой или хотя бы в два раза меньшей f o в осевом направлении свидетельствует о люфте, а присутствие со- ставляющей 1.5f o на корпусе подшипника насоса в радиальных направлениях – об ослаблении посадки подшипника и, возможно, о его перекосе. Временной сигнал виброперемещения содержит значительную низко- частотную случайную составляющую и амплитуда сигнала весьма неста- бильна от оборота к обороту. В спектре сигнала могут присутствовать со- ставляющие f o и ее субгармоник в радиальных направлениях. Амплитуда f o значительно выше остальных - 0.5 f o , 1.5 f o , 2.5f o . Более высокочастотные составляющие, как правило, незначительны. Ослабление крепления агрегата к фундаменту увеличивают вибрацию объекта вследствие уменьшения жесткости системы. Поэтому при доста- точной жесткости системы опора – фундамент величина вибрускорения крышки подшипника в несколько раз превосходит величину виброускоре- ния опоры. В противном случае это отношение уменьшается. Амплитуды и фазы колебаний в близлежащих сечениях опоры и фундаментной рамы раз- 54 личны. В отдельных случаях низкочастотная вибрация усиливается вслед- ствие резонанса системы «ротор – опоры». Чрезмерная слабина при сборке подшипников скольжения и их вкла- дышей вызывает появление составляющих от 1 / 3 до ½ от f o , что может быть принято за масляный вихрь. Среднеквадратическое значение виброперемещения в диапазоне час- тот 10…200 Гц при ослаблении крепления превышает десятки и даже сотни микрометров. 4.2.3. Локализация дефекта Чем ближе место с нарушением жесткости к ротору (в системе фундамент– опора–подшипник–вал), тем интенсивней проявляются высшие гармоники час- тоты вращения вала. Обычно уровень виброскорости на ослабленной опоре дви- гателя превышает уровень виброскорости на подшипнике в 1.5 ¸3 раза. 4.2.4. Динамика развития дефекта В общем случае ослабления начинают проявляться в радиальных на- правлениях в виде появления первых гармоник f o , напоминая дисбаланс или расцентровку, наличие которых усугубляет течение «болезни». Разви- ваясь во времени ослабления начинают проявляться в появлении более вы- соких гармоник f o , причем в процессе зарождения и развития дефекта, виб- рация на одной или нескольких высших гармониках могут превосходить вибрацию на частоте возбуждения. По мере развития дефекта (уменьшения жесткости системы) в спектре вибрации между высшими гармониками f o и особенно в низкочастотной части появляются шумовые случайные состав- ляющие (рис. 4.4). Тренд виброперемещения имеет скорость роста, соот- ветствующую скорости развития дефекта. 4.3. Оценка технического состояния агрегата Техническое состояние агрегата определяется состоянием многих его узлов и механизмов, каждый из которых имеет свои диагностические признаки неис- правностей и дефектов. Для оценки технического состояния агрегата необходим комплексный подход к анализу виброакустических сигналов с целью выявления диагностических признаков. В качестве примера в Таблице 4.1 приведен свод- ный перечень диагностических признаков неисправностей и дефектов электро- двигателя, входящего в наиболее распространенные типы агрегатов. Анализ этих признаков показывает насколько кропотливым и тщательным должен быть ана- лиз характеристик сигналов для выявления диагностических признаков. 55 Таблица 4.1 Сводный перечень диагностических признаков на примере агрегата с электродвигателем Признак. Описание сигнала. Неисправность. Временной сигнал вибрации является достаточно простым, с достаточно малым количеством гармоник и шумов в области механических дефектов. Преобладает вибрация с f o Небаланс вращающейся массы ротора. Амплитуда всех гармоник «механической природы» в спектре значительно меньше (в 2–5 раз) амплитуды f o Небаланс вращающейся массы ротора. Отношение амплитуды f o в вертикальном направлении к f o : в поперечном направлении составляет »0,7–1,2 и редко выходит за его границы. (Исклю- чение: подшипниковые опоры с сильно выраженной анизотропией). Небаланс вращающейся массы ротора. Уровень вибрации при небалансе в осевом направлении, меньше чем уро- вень вибрации в радиальном направлении (исключение: большая податли- вость опоры в осевом направлении и (или) при наличии изгиба вала). Небаланс вращающейся массы ротора. При имеющейся возможности изменения f o хорошо видно, что с роcтом f o вибрация интенсивно возрастает. Небаланс вращающейся массы ротора. В спектре явно доминирует пик гармоники f o : ротора. Статический небаланс. При помощи фазы синхронизированных спектров колебаний подшипников, особенно по величине начальной фазы f o : Фаза f o должна быть достаточно устойчивой и не меняться с течением вре- мени. В вертикальном направлении фаза f o должна отличатся от фазы f o в поперечном направлении примерно на 90 0 или на 270 0 Статический небаланс. Фазы первых гармоник одинаковых проекций вибрации на двух разных подшипниках одного ротора мало отличатся друг от друга: 1.Если сдвига фаз вообще нет. 2.При сдвиге в 90 0 3.При сдвиге в 180 0 Дисбаланс: 1.Статический. 2. Оба типа небаланса. 3.Динамический. На различных частотах вращения ротора, амплитуда f o в спектре вибрации будет изменяться с изменением скорости и будет расти примерно прямо пропорционально квадрату частоты вращения ротора. Статический небаланс. Составляющая f o явно выражена в осевой и радиальной проекциях вибро- сигнала. Фаза f o в осевой вибрации обычно достаточна стабильна, а в ради- альном направлении – иногда нет. Небаланс консольного ротора. При запуске в рабочем режиме вибрация начинает медленно расти и дости- гает своего максимума. При запуске в режиме холостого хода – отсутствие небаланса (вибрации). Тепловой небаланс. Появление в спектре вибросигнала большого количества сильно выражен- ных гармоник f o (до 10 и более). «Пропусков» в гармоническом ряду почти не бывает. Амплитуда гармоник по мере роста номера гармоники может по- степенно уменьшаться, но никогда не растет. Случайная низкочастотная вибрация с частотой менее 20 Гц. Механические ослабле- ния. Низкочастотная вибрация с частотой меньше 10 Гц, иногда даже с частотой в доли герц. Большая амплитуда виброперемещения на f o . Ослабление фундамен- та. Спектральная картина полностью напоминает картину, характерную для расцентровки в вертикальной плоскости + одна гармоника 0.5f o По амплитуде она может достигать примерно половины или одной трети от максимального пика на спектре f o . Случайная низкочастот- ная вибрация Дефект крепления к фундаменту. 56 Продолжение таблицы 4.1 Признак. Описание сигнала. Неисправность. Спектр вибросигнала имеет в своем составе большое количество гармоник с целым номером и несколько гармоник с кратностью 0.5. Случайная низкочастотная вибрация Ослабление посадки эле- ментов на валу. Низкочастотная вибрация как в вертикальном, так и в поперечном направлениях. Частота масляной вибрации (0.42 – 0.48) f o Масляная вибрация. Дефект сепаратора у под- шипниках качения. Если частота вибрации, с течением времени, смещается к 0.5f o Хорошее состояние внешней поверхности вкладыша подшипника скольжения и плохое со- стояние поверхности шейки вала. Если частота масляной вибрации снижается к величине 0.4f o Тогда все наоборот. Увеличение зазоров в подшипнике скольжения. На спектре появляются гармоники kf o , k=10 или даже 20. Последняя стадия увели- ченного зазора в под- шипнике скольжения. В спектре вибрации проявляется усиление f o и 2f o . Значительно воз- растает осевая составляющая общей вибрации, часто до недопусти- мых значении. Неправильная установка подшипника скольжения (баббитовых вкладышей) Частотный состав прост и обычно ограничивается f o Перекос баб- битовых вкла- дышей Изгиб вала. Частотный состав ограничивается f o , а также возможно появление гармоники с частотой, равной произведению f o на число сегментов. Перекос сегментных вкладышей Наряду с эффектом перекоса на спектре возникает «резонансное поднятие» в диапазоне средних и высоких частот в виде небольшого «купола» с небольшой мощностью. Излишняя подвижность вкладыша подшипника скольжения в опоре Спектральная картина ослабленной посадки элементов с большим количеством целых и дробных гармоник в спектре. Последняя стадия боль- шой подвижности Радиальные, вертикальные вибрации будут содержать гармоники, пропорциональные произведению f o на «порядок эллипсности» шей- ки вала. При эллипсе - 2f o , при «Трехгранности» - 3f o и т.д. Эллипсность шейки вала В спектре вибросигналов наряду с f o , появляется пик на частоте де- фекта элемента подшипника. По амплитуде пик характерной гармо- ники соизмерим с амплитудой f o или 2f o , но по своей мощности еще много им уступает им - в спектре пик подшипниковой гармоники является очень узким. Первый признак дефек- тов подшипников каче- ния. Амплитуда характерной гармоники уже не растет, а рядом с ней, очень близко, появляется первая пара боковых составляющих. Расширение зоны дефек- та в подшипнике. Обычно появляются гармоники с номером два и три от основной частоты дефекта подшипника. Рядом с каждой такой гармоникой тоже будут иметь место боковые частоты, число пар которых может быть достаточно большим. Чем более развит дефект, тем больше боковых составляющих у гармоник частоты дефекта. Дальнейшее развитие дефекта 57 Продолжение таблицы 4.1 Признак. Описание сигнала. Неисправность. В спектре есть две гармоники от характерной частоты подшипниково- го дефекта, первая и вторая. Вокруг каждой гармоники расположено по две пары боковых гармоник, расположенных слева и справа. Износ подшипника уже очевиден. Если семейство основных гармоник различается не намного, то сумма этих частот представляет из себя общее поднятие спектра – «энергети- ческий горб», захватывающий такой диапазон частот, куда входят все гармоники от уже существующих дефектов подшипника качения. Последняя стадия разви- тия дефекта подшипни- ка, – когда он уже пол- ностью деградировал. Гармоника на частоте f эм =100 Гц Особое внимание следует уделять на- личию дробных гармоник - ½ f эм , 3 / 2 f эм , 5 / 2 f эм и т.д. Ослабление прессовки пакета стали, обрыв или замыкание в обмотке статора электромашины. Появляется на частоте вращения поля в зазоре и на частоте f эм =100 Гц. Иногда сопровождается появлением боковых гармоник. Обычно со- провождается неравенством вертикальной и поперечной, составляю- щих соответствующих гармоник. Эксцентриситет, эллипс- ность, внутренней рас- точки статора относи- тельно оси вращения ро- тора. Возникновение осевых нагрузок и вибрации. Неправильный взаимный осевой монтаж активных пакетов ротора и стато- ра. На спектре вибросигнала усилена f o . Усиливается f эм , вокруг которой иногда появляются боковые гармоники, сдвинутые друг от друга на частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов. Эксцентриситет внешней поверхности ротора от- носительно оси его вра- щения. Появление f o и боковых полос, сдвинутых относительно f o на интер- вал, равный произведению частоты скольжения на число полюсов дви- гателя. Обрыв или нарушение контакта в стержнях или кольцах «бельчьей клет- ки» в асинхронном дви- гателе. Усиление f эм или, при ослаблении стали в области зубцов, появление пазовой частоты ротора с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на f эм Ослабление прессовки всего пакета стали рото- ра или только в области зубцов. В спектре вибросигнала возникает специфическая картина. В основном это вибрация с высокой амплитудой гармоники на f эм (100 Гц). Проблемы стали и меди статора Наличие боковой гармоники вблизи частоты f эм =100 Гц. Замыкание витка в ста- торе Также могут появиться и вторая (200 Гц) гармоника частоты f эм , третья (300), а также ряд дробных гармоник. Значительные дефекты в стали На спектре вибросигнала усиление составляющей f эм Электромагнитные про- блемы в статоре. В спектре вибросигнала вокруг f о появились симметрично располо- женные боковые составляющие. Аналогичные составляющие возмож- но большей интенсивности, появляются и вокруг составляющей f эм Также появляются составляющие частоты скольжения f s в диапазоне от 0.3 до 2.0 Гц или модуляция f s Эксцентриситет ротора 58 5. Диагностика поршневых машин 5.1. Выбор мест установки датчиков Сложность вибродиагностики поршневых машин заключается в цик- личности работы их движущихся частей, т.к. в основном диагностика дви- гателей, центробежных агрегатов производится с помощью спектральных оценок вибросигнала. В поршневых машинах вибросигнал представляет собой почти периодический процесс и степень износа агрегата отражается на изменении уровня вибросигнала при определенных значениях угла по- ворота коленчатого вала. Однако распознать износу какой детали соответ- ствует изменение вибросигнала достаточно сложно, так как зазоры в раз- личных деталях могут вызывать изменение величины вибросигнала при од- них и тех же значениях по углу поворота вала. Решением данной проблемы может быть, во-первых, "грамотный" выбор количества точек расположе- ния вибродатчиков, во-вторых, "удачное" место расположения датчиков на агрегате, в-третьих, "надежный" алгоритм обработки сигналов. Критерием решения этих проблем может быть только практический опыт по анализу неисправностей поршневых компрессоров (ПК) в момент их капитального ремонта и сопоставление неисправностей с накопленными данными. Для получения вибросигналов на ПК фирмы Worthington-Turbodjne установлены вибродатчики на каждом цилиндре в следующих точках (Рис. 5.1): - на крышке цилиндров в осевом направлении; - на регулирующем клапане ближней к крышке полости (полости ВМТ) нагнетания цилиндров 1 ой ступени в радиальном направлении по от- ношению к оси цилиндра (штока); - на регулирующем клапане ближней к коленчатому валу полости (полости НМТ) нагнетания цилиндров 1 ой ступени в радиальном направле- нии по отношению к оси цилиндра (штока); - над штоком поршня в вертикальном направлении; - над ползуном в вертикальном направлении; - рядом с ползуном в осевом направлении (вдоль штока). На ПК типа 4М16М-45/35-55 вибродатчики установлены на каждом цилиндре в точках согласно рисунку 5.2. Для исследовательских целей на клапанах 1 го и 2 го рядов (одновре- менно вибродатчики устанавливались на три клапана, поэтому считывание данных проводилось в режиме разделения времени). В стационарном ре- жиме датчики установлены в осевом направлении на цилиндре и в радиаль- 59 ном между выпускными клапанами; над ползуном в вертикальном направ- лении; в области коренной шейки коленчатого вала. Временные реализации вибросигналов считывались с работающих ком- прессоров. Анализ вибросигналов производился исходя из логики работы ПК согласно диаграммы движения закрывающих органов клапанов (Рис. 5.3). Для впускного клапана отрезки 1-2 и 5-9 соответствуют времени пре- бывания закрывающего органа на седле, 2-3 - времени открытия клапана. Отрезок 3-4 соответствует времени пребывания закрывающего органа у ог- раничителя подъема и 4-5 - времени закрытия клапана. Отрезок 1-9 соот- ветствует времени одного оборота вала компрессора. Рис. 5.1. Схема расположения датчиков на ПК фирмы WORCHINGTON 60 Рис. 5.2. Схема расположения датчиков на ПК Рис. 5.3. Диаграмма движения закрывающих органов клапана 61 Для нагнетательного клапана отрезок 1-6 соответствует времени пре- бывания закрывающего органа на седле, 6-7 - времени открытия клапана, отрезки 7-8 - времени пребывания закрывающего органа у ограничителя подъема и 8-9 - времени закрытия клапана. Кривые 2-3 (у впускного клапана) и 6-7 (у нагнетательного клапана) характеризуют перемещение закрывающих органов от седла к ограничите- лю. Соответственно кривые 4-5 и 8-9 - перемещение закрывающих органов от ограничителя к седлу. Площади диаграмм движения 2-3-4-5 для впускных и 6-7-8-9 для нагне- тательных клапанов можно рассматривать как диаграммы время—сечение, определяющие среднюю скорость газа в щели клапана за период его действия. При правильной работе клапанов закрытие их должно заканчиваться к моменту прихода поршня к соответствующей мертвой точке. Принято счи- тать первой (верхней) мертвой точкой называть точку, соответствующую моменту крайнего положения поршня, когда заканчивается процесс нагне- тания, а второй (нижней) мертвой точкой - момент другого крайнего поло- жения поршня, когда заканчивается процесс всасывания. Если закрытие впускного клапана происходит в период, когда в цилинд- ре компрессора уже должен начаться процесс сжатия, т. е. точка 5 (Рис. 5.3) окажется значительно правее второй мертвой точки, то это значит, что клапан закрывается с запаздыванием. Если закрытие нагнетательного клапана заканчивается в период, когда в цилиндре компрессора уже должен начаться процесс расширения, т. е. когда точка 9 (Рис. 5.3) окажется значительно правее первой мертвой точки, то это значит, что нагнетательный клапан закрывается с запаздыванием. И в том и в другом случае нормальный процесс работы компрессора будет нарушен. Запаздывание закрытия клапанов при данном режиме работы компрес- сора имеет место тогда, когда усилия клапанных пружин малы, а массы под- вижных органов и величины подъемов закрывающих органов велики. При большой высоте подъема устранять запаздывание закрытия клапана чрезмер- ным увеличением усилия пружины нецелесообразно, так как при этом клапан полностью не открывается. Закрывающий орган в течение всего времени, ко- гда клапан должен быть открыт, находится во взвешенном неустановившемся состоянии, совершая колебательные движения между седлом и ограничите- лем, как это показано пунктиром на рисунке 5.3. В таком случае на диаграмме движения площадь, ограниченная штрихо- вой линией и осью абсцисс, сильно сокращается и уменьшается фактор время- сечение и увеличивается средняя скорость газа в клапанах, что приводит к увеличению сопротивления клапана и снижению к.п.д. компрессора. 62 Последовательность работы клапанов (считая от ВМТ) ПК по углу по- ворота коленчатого вала (у.п.в.), которая определяет вид сигнала с вибро- датчика, приведена в Таблице 5.1. Таблица 5.1 Последовательность движения закрывающих органов клапанов У.п.в. после ВМТ Действие 70-90 ° открытие впускного клапана в ближней к крышке полости нагнетания (в полости ВМТ) 80-100 ° открытие нагнетательного клапана в ближней к коленчатому валу по- лости нагнетания (в полости НМТ) 170-180 ° закрытие нагнетательного клапана в полости НМТ 170-190 ° закрытие впускного клапана полости ВМТ после НМТ 70-90 ° открытие впускного клапана в полости НМТ 80-100 ° открытие нагнетательного клапана в полости ВМТ 170-180 ° закрытие нагнетательного клапана ВМТ 170-190 ° закрытие впускного клапана полости ВМТ В качестве примера анализа динамики поршневого компрессора на рисунке 5.4 приведена диаграмма динамической активности кривошипно- шатунного механизма (КШМ) и цилиндро-поршневой группы поршневого компрессора с одной полостью нагнетания. Рис. 5.4. Диаграмма работы поршневого компрессора с одной полостью нагнетания 63 Вибросигнал на нормально функционирующем ПК имеет сложный характер и структуру (Рис. 5.5). В данном случае по временной реализации все же возможно определить работу механизмов, в частности, клапанов. Спектр такого сигнала (Рис. 5.6), как правило, имеет несколько резонанс- ных зон. Однако выделение огибающей в определенном диапазоне частот (Рис. 5.7) позволяет существенно упростить структуру сигнала и на нем можно достаточно четко выделить циклограмму работы ПК. Рис. 5.5. Нормальный вибросигнал Рис. 5.6. Амплитудно-частотный спектр поршневого компрессора |