Виброакустического диагностирования
 Скачать 2.49 Mb.
|
|
5.2. Неравномерность и пульсации давления в поршневых маши- нах Неравномерность давления во всасывающем и, главным образом, на- гнетательном трактах у поршневых насосов и компрессоров вызывается не- равномерностью подачи, которая изменяется за цикл от нуля до максимума в каждой 'рабочей полости. Периодическое изменение давления порождает гидравлическую возмущающую силу и неравномерную нагрузку на при- водную часть машины. Спектр вибрации, обусловленный неравномерностью давления, имеет дискретный характер с составляющими, кратными основной частоте вращения в низкочастотном диапазоне. Гидродинамические силы, связанные с неравномерностью давления во всасывающих и нагнетательных коллекторах, вызывают периодические упругие деформации элементов. В результате их взаимодействия с инерци- онно-жесткостными характеристиками они, в конечном счете, проявляются в виде вибрации корпуса гидроблока и опорных узлов. Кроме того, эти си- лы при определенных условиях возбуждают собственные колебания стол- бов жидкости в каналах гидроблока и присоединенных трубопроводах, ко- торые передаются корпусу и другим элементам машины. Частота собствен- ных колебаний столба жидкости в трубопроводе будет равна p=a/(2L) где а – скорость распространения звука в жидкости; L – высота столба жидкости. Микропульсации давления в рабочих полостях поршневых машин, являющиеся результатом вихреобразований в потоке, а также газовой и па- 65 ровой кавитации, в значительной степени носят случайный характер. Они; возбуждают силы, действующие на гидроблок и другие элементы, вызывая их вибрацию в диапазоне средних и высоких частот. Гидравлические удары – явления, сопровождающиеся скачкообраз- ным повышением давления. При работе поршневых машин гидравлический удар может возникать в двух случаях. В первом случае поток жидкости при ходе всасывания от- рывается от поршня вследствие разности ускорений движения поршня и жидкости, а затем во второй половине хода всасывания поток догоняет поршень с гидравлическим ударом. Подача насоса при этом не изменяется. Если давление в цилиндре будет ниже или равно давлению парообразова- ния, может возникнуть и кавитация Причиной гидравлических ударов могут являться резкие изменения скорости потока в трубопроводе вследствие быстрого его перекрытия кра- ном или задвижкой. Местное повышение давления перед задвижкой со ско- ростью звука распространяется против направления движения жидкости, воздействуя в виде ударной волны на элементы насоса и вызывая их вибра- цию на звуковых частотах. Во втором случае всасываемый поток встречается с поршнем только вначале нагнетания. Это приводит к сильному гидравлическому удару по- тока о поршень, ударной посадке всасывающих клапанов и возбуждению вибрации на частотах, соответствующих тактам всасывания. 5.3. Диагностика гидроударов Другой проблемой, возникающей при эксплуатации поршневых ком- прессоров, является вероятность возникновения гидроударов, иногда при- водящих к разрушению поршня, что характерно для оборудования с боль- шим сроком эксплуатации. По этой причине на Омском НПЗ дважды в те- чение года произошло разрушение поршня одного из компрессоров фирмы Worthington-TurboDyne. Характерной особенностью данного агрегата явля- ется отсутствие измерителя уровня конденсата в сепараторе, который не был установлен еще при монтаже компрессора. Перед монтажом системы КОМПАКС Ò были проведены виброобследования одного из работающих компрессоров с помощью переносной диагностической системы COMPACS-MICRO Ô. Анализ вибросигналов (Рис. 5.8) сразу же выявил, что один из цилиндров первой ступени имеет значительный уровень вибра- ции в моменты приближения поршня к верхней мертвой точке (ВМТ). Ана- лиз технологических режимов и сырья, которым является водород, выявил повышенную влажность последнего, вследствие снижения температуры на 66 приеме на 2-3 °С. Огибающая вибросигнала (Рис. 5.9), полученного с крыш- ки цилиндра в осевом направлении, имеет значительную амплитуду в мо- мент приближения поршня к ВМТ. Сигнал вибродатчика, установленного на цилиндре таким образом, чтобы минимизировать влияние виброактив- ности клапанов, и реагирующего на вибрацию под углом 45 ° к оси поршня и его штока, имеет также значительную амплитуду в момент подхода поршня к ВМТ. В это же время уровень вибрации второго цилиндра был в 1,5 раза меньше в тех же самых точках установки датчиков и в те же самые моменты времени. При этом температура продукта на приеме в этом ци- линдре была в норме. Анализ вибросигналов при нормальных параметрах сырья показыва- ет, что амплитуды вибраций в тех же местах установки датчиков значи- тельно (в 2-3 раза) меньше, что позволяет предположить возникновение микрогидроударов при понижении температуры на приеме в момент виб- рообследования компрессора. В то же время уровни вибросигналов с дат- чиков, установленных на цилиндрах второй ступени, несмотря на более вы- сокое давление нагнетания, были значительно меньше, хотя имели более широкий спектр. На этих же сигналах можно выделить пики вибросигнала, которые со- ответствуют моментам закрытия приемных клапанов и открытия нагнета- тельных. Моменты открытия приемных и закрытия нагнетательных клапа- нов маскируются сильным вибросигналом от микрогидроударов. Уровни вибросигналов в эти моменты времени можно также использовать для ди- агностики технического состояния клапанов. Анализ временных реализаций, полученных с помощью датчиков, ус- тановленных на крышке цилиндра в осевом направлении (Рис. 5.1), на пер- вом и втором регулирующих клапанах цилиндров 1 ой ступени показывает, что в сигнале присутствуют пики, которые характеризуют работу криво- шипно-шатунного механизма и соответствуют диаграмме движения закры- вающих органов клапанов (Рис. 5.3). Пиковое значение выбросов может достигать значительных величин при достаточно небольшом значении СКЗ за весь цикл измерения. Так как скорость движения поршня при его приближении к мертвой точке снижается до нуля, то закрытие клапанов должно происходить плав- но, без ударов. Поэтому в районе ВМТ и НМТ не должно быть пиков виб- росигнала. Наличие же пиков в вибросигнале в районе мертвых точек (Рис. 5.9) свидетельствует о возникновении дефектов и неисправностей в цилин- дро-поршневой группе. При скорости движения поршня близкой к нулевой механические дефекты не могут вызывать высокочастотную, со значитель- 67 ной амплитудой вибрацию. Поэтому возникновение импульсного высоко- частотного вибросигнала может свидетельствовать о газодинамическом ис- точнике сигнала, в частности, возникновении гидроудара вследствие забро- са конденсата. Кроме того, гидроудар вызывает появление вибросигнала в момент прохождения поршнем мертвых точек с датчика, установленного на регулирующих клапанах перпендикулярно оси движения поршня. Рис. 5.8. Вибросигнал с датчиков на цилиндре при гидроударах Рис. 5.9. Огибающая вибросигнала с датчиков на цилиндре при гидроударах 68 Таким образом, синхронное присутствие пиков в области ВМТ и НМТ на огибающих сигналов и высокочастотной вибрации значительной ампли- туды с датчиков, установленных на крышке цилиндров, регулирующих кла- панах полостей ВМТ и НМТ, с амплитудой значительно превышающей ам- плитуды остальных пиков может свидетельствовать о наличии гидроударов в одной или обоих полостях цилиндра. 5.4. Неисправности клапанов Основной проблемой при эксплуатации поршневых компрессоров яв- ляется выявление на ранней стадии процесса разрушения пластинчатых клапанов. Для анализа вибраций клапанов акселерометры были установле- ны на шпильках крепления клапанов. Анализ вибропараметров во времен- ной области (Рис. 5.10) позволили выявить неисправность клапанов на ран- ней стадии в момент поломки первых пружин. При этом, изменение харак- теристик вибропараметров было зафиксировано за пять дней до выявления неисправности клапана обычными методами - по температуре. Разборка клапана подтвердила поломку пружин и пластин клапана. После таких по- ломок клапан восстановлению не подлежал. Для автоматической диагностики клапанов разработан алгоритм, ко- торый дает возможность однозначно выявлять дефекты клапанов. Рис. 5.10. Вибросигналы с исправных и неисправных клапанов 69 На спектре обработанного вибросигнала с неисправного клапана (Рис. 5.11 ) видно, что уровень первой гармоники более чем в два раза превышает уровень второй и более высоких гармонических составляющих. Разборка клапана под- твердила поломку одной из пружины. Этот же клапан без замены пружин экс- плуатировался до момента определения его неисправности обычным способом. За это время уровень первой гармоники увеличился, а уровень второй уменьшил- ся еще в два раза (Рис. 5.12). Таким образом, отношение уровней первой и второй гармоник достигло четырех. Разборка клапана выявила разрушение практически всех пружин и поломку пластин. После ремонта уровень второй гармоники (Рис. 5.13 ) стал превышать первую в 5 раз (Рис. 5.14). Рис. 5.11. Спектр огибающей вибросигнала неисправного клапана С целью уменьшения сложности ремонта важно на ранней стадии оп- ределить возникновение неисправности клапана. На спектре вибросигнала (Рис. 5.15) видно, что уровни первой и второй гармоник соизмеримы. Раз- борка клапана подтвердила поломку всего одной пружины. После ремонта соотношение уровней гармоник восстановилось, т.е. уровень второй гармо- ники стал превышать уровень первой более чем в 5 раз. Аналогичные данные зафиксированы и на других поршневых ком- прессорах. По внешнему виду огибающей временной реализации (Рис. 5.16 ), сложно определить состояние машины. Однако, спектр огибающей в диапазоне 400-1500 Гц (Рис. 5.17) свидетельствует о неисправности клапа- на. После ремонта и ревизии клапанов спектр огибающей сигнала (Рис. 5.18 ) принял нормальный вид. 70 Рис. 5.12. Спектр огибающей вибросигнала неисправного клапана Рис. 5.13. Спектр огибающей вибросигнала исправного клапана после ремонта 71 Рис. 5.14. Спектр огибающей вибросигнала исправного клапана Рис. 5.15. Спектр огибающей вибросигнала разрушающегося клапана 72 Рис. 5.16. Огибающей вибросигнала неисправного клапана Рис. 5.17. Спектр огибающей вибросигнала неисправного клапана 73 Рис. 5.18. Спектр огибающей вибросигнала исправного клапана Статистический анализ гармонических составляющих вибропапра- метров дефектных и исправных клапанов позволил выявить еще более информативный параметр - оказалось, что отношение суммы среднеквадра- тичных значений (СКЗ) уровней гармоник со второй по пятнадцатую к СКЗ первой более устойчиво в статистическом смысле. Анализ показывает, что, если это отношение составляет 2-3 и более, то клапан исправен. В противном случае - клапан неисправен. Такой алго- ритм определения технического состояния пластинчатых клапанов позво- лил значительно повысить достоверность постановки диагноза. Этот алгоритм является частным случаем более общего алгоритма ди- агностики машин методом рекуррентной селекции шумовых и периодиче- ских составляющих (ШПС) вибрации во временной и частотной области, предложенного Костюковым В.Н. еще в 80-х годах прошлого века [12]. Эффективность внедрения систем для диагностики технического со- стояния клапанов поршневых компрессоров определяется стоимостью за- трат на внедрения системы к экономии, полученной от продления срока службы клапанов, сокращения продолжительности ремонта и простоя агре- гатов, исключения нарушений технологического процесса и ухудшения ка- чества продукции. Внедрение систем окупается в течение нескольких меся- цев эксплуатации. При этом значительно повышается безопасность экс- плуатации оборудования взрывопожароопасных производств. 74 5.5. Диагностика ослабления гайки крепления поршня Вибросигнал, синхронизированный по отметке ВМТ и полученный с помощью датчиков, установленных на крышке цилиндра в осевом направ- лении (Рис. 5.1), на первом и втором регулирующих клапанах 1 ого цилинд- ра 1 ой ступени компрессора GC321В, отражают работу исправного ком- прессора. При этом на всех сигналах можно отметить небольшой подъем амплитуды в районе НМТ и ВМТ ([ »0°¸10°] после мертвой точки), что сви- детельствует о нормальной работе нагнетательных клапанов. В ходе эксплуатации компрессора в сигнале виброускорения, который синхронизирован по отметке ВМТ и получен с помощью датчика, установ- ленного на крышке 1 ого цилиндра 1 ой ступени компрессора в осевом направ- лении (Рис. 5.19), появился импульс перед ВМТ и НМТ. На вибросигнале с другого цилиндра этот импульс отсутствовал. В ходе ремонта компрессора GC321В было выявлено: - гайка крепления поршня на штоке 1 ого цилиндра 1 ой ступени - ослаблена; - поршень имеет трещину. Таким образом, подъем амплитуды вибросигнала с датчика, установ- ленного на крышке цилиндра в осевом направлении, перед ВМТ и/или НМТ свидетельствует об ослаблении крепления гайки поршня. 5.6. Износ сальников штока Длительное наблюдение за изменением параметров вибросигнала с датчика, установленного над штоком, позволило зафиксировать увеличение виброперемещения в несколько раз в течение времени от момента пуска ПК после текущего ремонта до остановки его на средний ремонт (Рис. 5.20). Во время среднего ремонта был обнаружен значительный износ сальниковых уплотнений. 5.7. Вибрация деталей крейцкопфа При обследовании крейцкопфных механизмов компрессора выявлено различие в уровне вибросигналов с различных цилиндров. Вибродатчики устанавливались на башмаком крейцкопфа в вертикальном и в осевом на- правлениях. Анализ огибающей виброускорения в различных направлениях (Рис. 5.21) позволил выдвинуть гипотезу о значительном зазоре пальца крейцкопфа в осевом направлении, которая подтвердилась при ремонте компрессора. Кроме того, при ремонте выявлен повышенный зазор в верти- кальном направлении, что отражалось на сигнале в момент примерно за 60 ° по углу поворота вала до ВМТ (Рис. 5.21, нижний сигнал). За период рабо- 75 ты компрессора после ремонта в течение двух месяцев сигнал вибропере- мещения с датчика, установленного над крейцкопфом увеличился в 5 раз (Рис. 5.22). В ходе среднего ремонта выявлен износ башмака - произошло выкрашивание баббита. Рис. 5.19. Вибросигнал при ослаблении гайки крепления поршня Рис. 5.20. Временная реализация виброперемещения при износе сальников штока 76 Рис. 5.21. Вибросигнал над ползуном крейцкопфа Рис. 5.22. Временная реализация виброперемещения 77 5.8. Диагностика износа деталей КШМ Наиболее достоверным способом контроля износа коренных подшип- ников является измерение орбиты движения коренной шейки коленчатого вала с помощью датчиков перемещений. Однако, не всегда имеется воз- можность установить такой датчик. В основном на коренные подшипники устанавливают датчики температуры, с помощью которых чаще всего уда- ется предотвратить значительные износы подшипников и серьезные ава- рии. Акселерометры реагируют на изменение зазора в коренных подшип- никах, но случаи значительного износа коренных подшипников крайне редки. Диагностика ПК позволяет предотвратить аварийные остановки компрессоров по причине износа шатунных подшипников, появления зна- чительных зазоров в пальце крейцкопфа, ослабления крепления штока, гидроударов и поломок клапанов. 6. Анализ трендов вибропараметров Анализ неисправностей более чем 2500 машин, контролируемых в те- чение многих лет автоматической системой диагностики и мониторинга со- стояния КОМПАКС Ò , показывает, что в зависимости от вида неисправно- сти скорость развития дефектов различна. Так, на 40-суточном тренде мож- но наблюдать увеличение зазора в коренном подшипнике поршневого ком- прессора, процессы расцентровки, ослабления крепления и некоторые дру- гие дефекты. Процесс же разрушения подшипников качения более скороте- чен и может колебаться от нескольких суток до нескольких часов. Зафикси- рованы случаи, когда при дефекте подшипника его разрушение и переход диагностических признаков из зоны ТПМ в зону НДП происходил за 15 – 20 минут. Поэтому актуальной стала задача предупреждения персонала о высокой скорости роста уровней диагностических признаков. Аналогичное требование предъявляется к системе при диагностике гидроударов в порш- невых компрессорах. Впервые в мировой практике решение задачи вибродиагностики путем совместного использования вибропараметра и скорости его роста предложено Костюковым В.Н. с сотрудниками в середине 90-х годов прошлого века [8, 9]. Анализ 4-суточного тренда (Рис. 6.1) диагностического признака виб- росигнала с датчика, установленного на переднем подшипнике двигателя насоса 5НГ-5х2, показывает, что его скорость изменения составляет около 4 мм/с в сутки. Система предупредила персонал о расцентровке. Ремонт подтвердил диагноз. Для расцентровки такая скорость изменения диагно- стического признака является достаточно высокой, однако в общем, случае 78 по сравнению с другими дефектами такой тренд можно назвать «медлен- ным». За время перехода диагностического признака из состояния ТПМ в НДП персонал успевает подготовить к запуску резервный агрегат. Дефекты подшипников имеют более быстрые тренды. Тренд (Рис. 6.2) диагностического признака вибросигнала с датчика, установленного на заднем подшипнике двигателя насоса 8НГД-9х3, до момента достижения уровня НДП имеет скорость роста около 1 м/с 2 в час. Это - «средний» тренд. После достижения уровня НДП за 1,6 часа до остановки агрегата скорость со- ставила 6 м/с 2 в час. Это уже «быстрый» тренд. По показаниям системы о не- исправности подшипника агрегат был остановлен и авария предупреждена. Неисправность подшипника подтверждена в результате ремонта. Тренд диагностического признака вибросигнала с переднего подшип- ника насоса НК-65/35-420 (Рис. 6.3) показывает, что за 4 часа уровень ди- агностического признака перешел из зоны ТПМ в зону НДП. Система со- общила о дефекте подшипника. В течение 8 часов скорость роста составила около 1 м/с 2 в час. В следующие 8 часов скорость увеличилась до 5 м/с 2 в час. Затем до остановки агрегата скорость снизалась. Агрегат был останов- лен через 18 часов после предупреждения системы. Ремонт выявил разру- шение подшипника. Из приведенных примеров видно, насколько важно следить за скоро- стью роста трендов диагностических признаков. Однако текущий анализ скорости роста величины диагностического признака затруднен достаточно большой дисперсией абсолютного значения величины признака. Тем не ме- нее, статистический анализ 4-суточных и 12-часовых трендов позволил раз- работать алгоритмы, расчета средней скорости роста величины диагности- ческих признаков, подробное обсуждение которых выходит за рамки на- стоящего пособия. Порог |