Русов В.А. "Спектральная вибродиагностика" 1996 г.

Глава 4.1 Глава 4.2 Глава 4.3 Глава 4.4 Глава 4.5 Глава 4.6 Глава 4.7 Глава 4.8 Глава 4.9

4.3. Механические ослабления

Это обобщенное название целого ряда специфических дефектов оборудования, имеющих в практических случаях совершенно различную первопричину, локализацию и по разному влияющих на состояние агрегатов. Достаточно часто под термином "механическое ослабление" понимается сумма нескольких различных дефектов, имеющихся в конструкции или являющихся следствием особенностей эксплуатации. Происхождение ослаблений довольно часто характеризуют вторым термином, применяемым для обозначения дефектов такого происхождения, это слово "люфт", очень понятное всем сотрудникам механических служб.

Все эти различные причины сведены воедино и имеют здесь общее название "механические ослабления" по той простой причине, что в спектрах вибросигналов они дают качественно примерно одинаковые картины.

При всех этих, внешне достаточно разных, дефектах вибрационные процессы возбуждаются за счет соударений различных элементов конструкции, сопровождающих процесс работы оборудования, обусловленных увеличенными зазорами или люфтами в конструкции. Чаще всего вибрации при механических ослаблениях вызываются соударениями вращающихся деталей между собой или соударениями подвижных элементов ротора с неподвижными элементами конструкции, например, с обоймами подшипников.

Возможны соударения только неподвижных элементов между собой, но такие соударения чаще всего являются уже вторичными, вызванными, например, небалансами вращающихся масс. Тем не менее такие процессы тесно связаны с вращением валов. Во всех случаях соударений преобладающими в спектре вибросигналов являются синхронные компоненты ( гармоники ).

4.3.1. Общие вопросы диагностики ослаблений

Происхождение механических ослаблений в оборудовании весьма различно, связано с большим количеством различных параметров конструкции, монтажа и эксплуатации, но в целом все их можно разделить на две большие группы:

Механические ослабления, являющиеся дефектом изготовления, сборки и эксплуатации. К ослаблениям этой группы следует относить всевозможные чрезмерно свободные посадки деталей вращающихся 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 всевозможные трещины и дефекты в конструкции и фундаменте, увеличения зазоров, возникшие в процессе эксплуатации оборудования

Деление на эти две группы достаточно условное, т. к. основа для проведения диагностики, т. е. спектр вибросигнала, примерно одинакова в качественном и количественном отношениях и в первом и во втором случаях. Просто таким делением хотелось еще раз подчеркнуть, что реальные причины возникновения механических ослаблений значительно различаются.

Временной вибросигнал при ослаблениях содержит в себе значительную нестационарную, непериодическую компоненту, которая приводит к тому, что от оборота к обороту форма временного сигнала может сильно меняться. По форме временного сигнала вести диагностику механического ослабления достаточно сложно, т. к. он нестационарен, непостоянен. На временном сигнале имеется большое количество пиков от соударений, которые носят, на первый взгляд, хаотический характер. Такая форма временного сигнала обычно сопровождает все дефекты типа "механическое ослабление" или "люфт".

Причина нестационарности соударений и формы временного сигнала легко объяснима, нужно только попытаться энергично помешать чайной ложкой в стакане - это ведь тоже упрощенная до предела модель ослабления. Проводя этот эксперимент Вы убедитесь, что удары ложкой о стенки стакана каждый раз будут происходить в разных, всегда случайных точках. Ударов много, места ударов различны, интервал времени между ударами может сильно различаться. Соответствующий вид будет иметь и временной вибросигнал - очень сильна будет нестационарная компонента вибросигнала. Хотелось бы предложить Вам запомнить издаваемый при таком помешивании звук - в практике диагностики ослаблений с ним можно встретится достаточно часто.

Пространственная ориентация направления механических ослаблений часто приводит к тому, что характер и интенсивность вибрации по различным направлениям, например в вертикальном и поперечном направлениях, может сильно различаться. Это следует всегда помнить и при возможности не жалеть времени на измерение вибрации во многих направлениях имея конечной целью построение "розы вибраций". Ее помощь в диагностике ориентации ослаблений незаменима.

Ослабление может быть ориентировано в вертикальном направлении, поперечном и даже в осевом. Все определяется особенностями конструкции и ее техническим состоянием. Например, в насосах чаще всего возникает и диагностируется осевое ослабление, вызванное гидравлическими особенностями работы систем осевой разгрузки рабочих колес насоса.

Имеющие место при механическом ослаблении множественные нестационарные соударения элементов обычно приводят к появлению в спектре вибросигнала большого количества сильно выраженных гармоник оборотной частоты вращения ротора. Их число может доходить до 10 и даже более. "Пропусков" в гармоническом ряду этих "целых" гармоник почти не бывает, присутствуют все гармоники подряд. Амплитуда гармоник по мере роста номера гармоники может постепенно уменьшаться, но никогда не растет. Иногда амплитуда гармоник примерно стабильна до 5 - 7 гармоники, а затем начинает примерно монотонно убывать.

При примерно равной или монотонно убывающей амплитуде гармоник, по мере роста порядкового номера, одна из них чаще всего выделяется. Она имеет, при примерно средней амплитуде, явно сравнительно увеличенную мощность, выражающуюся в значительном уширении гармонического пика внизу, или даже поднятия общего уровня вибрации на спектре вблизи этой гармоники. Иногда такое поднятие на спектре захватывает два или даже три гармонических пика.

Причины возникновения такой спектральной картины вполне объяснимы. Для корректного частотного математического описания достаточно случайных соударений в спектре сигнала приходится использовать много гармоник различной частоты, захватывающих достаточно широкий частотный спектр. Но поскольку все соударения так или иначе связаны с частотой вращения ротора, почти все гармоники в спектре являются синхронными и "целыми по номеру".

Только вблизи одной гармоники, являющейся основной в процессах соударений ( это очень важно ! ), происходит поднятие спектра или просто уширение гармоники. Это уширение обозначает сосредоточение мощности ударов в одной частотной полосе и вызывается наличием несинхронных компонент в исходном вибросигнале вблизи данной синхронной гармоники.

Несинхронные компоненты имеют частоту, близкую к частоте основной гармоники процесса. Например эта гармоника может быть связана с числом пальцев в дефектной пальцевой муфте, имеющей сильный износ или даже механический дефект. Или это число лопаток дефектного колеса насоса. Такая "уширенная" гармоника часто имеет в спектре свои гармоники. Для примера, при дефекте посадки на вал колеса насоса с шестью лопатками наиболее сильными в спектре будут шестая и двенадцатая гармоники оборотной частоты ротора.

Появление всех остальных гармоник на спектре вибросигнала чаще всего есть результат различных "биений" и т. д. основной частоты соударений с частотой вращения ротора, это есть итог модуляции вибрации особенностями конструкции, величинами зазоров и т. д. Очень часто это считают просто результатом применения математического преобразования Фурье, т. е. способа описания вибросигнала или примененного "обуживающего" окна фильтрации на входе спектроанализатора.

В любом случае при диагностике механических ослаблений основное внимание нужно уделять именно этой основной гармонике процесса, имеющей максимальную мощность. Необходимо постараться выявить особенности и первопричины возникновения основной гармоники. Очень важно найти связь ее частоты и амплитуды с особенностями конструкции или эксплуатации данного агрегата, в котором возникло механическое ослабление.

Как уже говорилось выше это может быть гармоника, связанная с числом пальцев в соединительной муфте, с числом сегментов в подшипнике скольжения, это может быть лопаточная частота насоса, следствие расцентровки и т. д.

Механическое ослабление чаще всего носит направленный характер, поэтому в различной степени проявляется при проведении виброизмерений в различный направлениях. "Набор гармоник" в вибросигналах, измеренных в разных направлениях различен. Спектральная картина, свойственная механическому ослаблению, наиболее сильна в том направлении, в котором суммарная мощность "целых" гармоник с номером от третьего и до, примерно, пятнадцатого максимальна.

Часто полезным для диагностики данного дефекта является обычное прослушивание ухом вибраций подшипника или корпуса механизма, на который имеется подозрение на наличие механического ослабления. Прослушивание желательно проводить как можно ближе к той точке, где подозревается ослабление Для проведения прослушивания лучше всего использовать обычную сухую деревянную палочку или дощечку достаточных размеров. Эффективность диагностики "механических ослаблений" при помощи процедуры "прослушивания" достаточно высока и ей не следует пренебрегать.

Все соударения от имеющегося механического ослабления прекрасно слышны ухом через "деревянный зонд", и тот, кто хотя бы раз их слышал, никогда уже ни с какой другой причиной повышенной вибрации не спутает. Как уже говорилось выше, по звуку вибрация от "ослабления" во многом похожа на процесс "мешания" чайной ложечкой в пустом стакане без воды, а может и с водой, та или иная аналогия определяется особенностями конструкции агрегата.

4.3.2. Общее ослабление фундамента

В некоторых работах по вибродиагностике этот дефект фундамента часто называют нарушением целостности фундамента. Физическая суть этого дефекта достаточно проста - это общее механическое ослабление внутренней структуры фундамента, или ослабление только подножия фундамента, или ослабление внутренних связей в фундаменте, или же наличие в массиве фундамента трещин различной природы и направления.

Под ослаблением здесь понимается общее ухудшение качества фундамента, приводящее к снижение возможности фундамента выполнять свое основное назначение - сглаживать вибрации оборудования, демпфировать их.

Чаще всего дефект выявляется персоналом по факту значительного увеличения общего уровня вибрации агрегата и, что особенно заметно, увеличением вибрации отдельных элементов фундамента.

Часто такой дефект фундамента существует достаточно долго "невыявленным", и только возникновение в агрегате дефекта другого происхождения, появление которого повышает уровень вибраций агрегата, позволяет выявить повышенные вибрации фундамента и диагностировать "механическое ослабление" фундамента.

Причина этого повышения вибраций, при появлении, например, небаланса, сосредоточена как в небалансе, так и внутри самого фундамента, это его внутренний дефект, его внутреннее ослабление, не позволяющее распространяться вибрациям по всему массиву равномерно. Фундамент не может полностью поглощать энергию вибраций от агрегата.

Поиск ослабления в фундаменте может быть произведен вибродиагностом по принципу измерения "контурной вибрации" на агрегате и на фундаменте. При этом датчик перемещается в том или ином направлении и выполняется замер вибрации через примерно одинаковые промежутки на конструкции или в ее узловых и характерных точках.

Анализ фазы контурной вибрации может позволить достаточно просто обнаружить точку ослабления или место прохождения трещины по месту скачка общего уровня вибрации или по моменту изменения фазы его гармоники скачком на 180°, которое всегда происходит в таких "пограничных" точках.

Спектр вибрации при таком виде механического ослабления фундамента достаточно прост, обычно в нем присутствует только одна и очень большая первая гармоника вибросигнала, наведенная от небаланса вращающегося ротора, всегда имеющего место в практике.

В отличии от дефекта типа "чистый небаланс" данный дефект максимален в своем проявлении обычно в одном из направлений измерения вибрации. Это очень легко выясняется при помощи построения "розы вибраций", например по СКЗ виброскорости. Если в "розе вибраций" есть четкий пик в одном направлении - значит механическое ослабление более вероятно, чем "чистый небаланс".

Если в агрегате с механическим ослаблением фундамента будет расцентровка, т. е. она будет возбуждать вибрации агрегата, то в спектре вибрации на фундаменте будут присутствовать все характерные признаки расцентровки. Для примера на рис. 4.3.2. приведен такой спектр.

Очень характерным параметром для диагностики общего ослабления фундамента является расчет отношения общего уровня вибрации, замеренного непосредственно на контролируемом подшипнике к аналогичному параметру вибрации, замеренному непосредственно на фундаменте. Желательно, чтобы замер вибрации на фундаменте производился в непосредственной близости от места крепления к нему контролируемого элемента конструкции оборудования.

Порядок проведения такой оценки общего состояния фундамента прост. Замеряется общий уровень ( СКЗ виброскорости ) вибрации на подшипнике в трех направлениях. Далее аналогично замеряется общий уровень вибрации в точках под подшипниками, в местах крепления стоек, прямо на массиве фундамента.

Последовательно рассчитываются три отношения уровня вибрации на подшипнике к вибрации на фундаменте ( для вертикальной, поперечной и осевой проекций ). Эти значения не должны очень сильно различаться и численно должны быть равны примерно двум. Если такое соотношение вибраций примерно соблюдается под всеми подшипниками и во всех направлениях измерения вибросигналов - значит проблем с качеством данного фундамента нет.

Если же соотношение равняется примерно 1,4 - 1,7 или еще менее, то это означает, что данный фундамент уже не может в полной мере демпфировать вибрации установленного на нем агрегата из - за своего, в целом, неудовлетворительного состояния.

Если же соотношение вибраций на агрегате и на фундаменте равно или больше, чем значение 2,5 - 3,0, то возможны два варианта ответа на вопрос о текущем техническом состоянии фундамента.

Основной и часто встречающийся в практике вариант оценки состояния - ослаблено крепление агрегата к фундаменту. Возможен и второй вариант ответа на поставленный вопрос о техническом состоянии - фундамент находится в великолепном состоянии. Этот вариант идеален и в него хочется верить, но к сожалению в практике этот вариант случается чрезвычайно редко, чаще всего верной оказывается версия об ослаблении крепления агрегата.

В практике достаточно часто ослабление фундамента приводит к возникновению низкочастотных вибраций с частотой меньше 10 Гц, иногда даже с частотой в доли герц. Обычно они вызываются трещинами в монолитных фундаментах или ослаблениями в сборных фундаментах. Вопрос анализа таких вибраций является отдельным и рассматривать его в данном методическом руководстве не будем.

4.3.3. Ослабление крепления к фундаменту

Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации оборудования, вызываемая дефектами крепления или же механическими ослаблениями самих элементов крепления агрегата к фундаменту, отрывом анкеров и т. д. Варианты механического ослабления крепления могут быть различными и определяются конструктивными особенностями крепежных деталей.

На практике механическое ослабление крепления обычно вызывается потерей различных центрующих прокладок, ослаблением крепежных болтов, отрывом крепежных анкеров, трещинами в сварных соединениях рам, стоек подшипников. При раздельном креплении статоров и роторов электрических машин механическое ослабление крепления возможно и как для подшипников, так и непосредственно для статоров.

Очень часто в практике бывает так, что дефект крепления оборудования к фундаменту существует уже давно, но значительно проявляться и оказывать влияние на работу агрегата стал только в последнее время. Причина такой картины вибрационного проявления дефекта в следующем. Очевидно раньше общее техническое состояние самого агрегата было достаточно хорошим и не было большой необходимости сглаживать фундаментом небольшие вибрации агрегата.

После появления в агрегате достаточно сильного дефекта, например небаланса или расцентровки, возникшей после проведения некорректного ремонта, общие вибрации резко выросли и при этом стали четко видны недостатки крепления к фундаменту. Возникла проблема состояния фундамента, которую реально можно устранить двумя путями - или проведением процедуры балансировки или центровки агрегата или же при помощи улучшения качества крепления оборудования к фундаменту. Желательно, конечно, сделать и то, и другое сразу, что бы было меньше проблем в будущем.

Спектральная картина вибраций в агрегате с дефектом крепления к фундаменту, зарегистрированная на подшипнике, будет почти полностью напоминать картину, характерную для расцентровки в вертикальной плоскости, даже когда самой расцентровки в агрегате и нет. На спектре вибрации агрегата с таким дефектом будет и одна характерная гармоника с частотой 0,5 от оборотной частоты ротора, которой нет при чистой расцентровке. По амплитуде она может достигать примерно половины или одной трети от максимального пика на спектре, обычно от первой оборотной гармоники ротора.

Для разделения дефекта крепления к фундаменту с расцентровкой следует так же всегда помнить, что вся характерная вибрация от дефекта фундамента сосредоточена только в вертикальном направлении. Кроме того следует помнить, что при расцентровке такая картина имеет место с двух сторон муфты, а при ослаблении крепления к фундаменту она чаще всего имеет место только в точках, в которых есть ослабление крепления.

Почему спектральная картина похожа на расцентровку - это достаточно просто и понятно. Причиной вибрации являются соударения между конструкцией и фундаментом, очень похожие на соударения в зазоре муфты. Причиной появления гармоники кратностью 0,5 являются процессы, период которых равен двум периодам вращения ротора. Они вызваны, вероятнее всего тем, что ось симметрии кривой временного сигнала несколько не совпадает ( по углу наклона ) с осью времени и при одном обороте ротора имеет положительный наклон, а в другом - отрицательный.

С точки зрения механики дробная гармоника есть результат неодинакового "прижатия" агрегата к фундаменту, когда при одном направлении перемещения вибрации возбуждающая колебания сила совпадает с весом агрегата, а в другом направлении они действуют встречно.

Совсем просто говоря, можно утверждать, что дробная гармоника с кратностью 0,5 появляется в результате своеобразного эффекта "подпрыгивания" агрегата на фундаменте.

Как уже говорилось несколько выше, отношение общего уровня вибросигнала, СКЗ виброскорости, для вертикальной составляющей вибрации на фундаменте, в точках крепления подшипников, к аналогичной проекции вибрации на подшипнике, не должно превышать по своему значению величину, равную 2,5 - 3,0.

Если при проведении измерений это отношение примет значение более трех, значит имеют место проблемы крепления агрегата к фундаменту. Это легко объяснимо с физической точки зрения - агрегат вибрирует, а фундамент нет, и происходит это из - за ослабления взаимных связей между ними.

4.3.4. Ослабление посадки элементов на валу

Это самый известный и широко распространенный в практике тип механического ослабления в оборудовании. Он возникает по различным причинам, но заключается в одном, в ослаблении посадки различных элементов конструкции ротора на валу или же при появлении эффекта нестационарного обкатывания ротора в посадочных отверстиях с увеличенным зазором.

Этот дефект достаточно часто возникает из - за чрезмерного увеличения зазоров в подшипниках скольжения, или из - за увеличенных зазоров в элементах подшипников качения. Такая локализация механического ослабления становится заметной в вибрации при наличии дополнительных дефектов, типа небаланса, вызывающих радиальные нагрузки на подшипники.

Механическое ослабление может возникать в синхронных машинах с возбудителем, смонтированном на свободном конце ротора. Причиной механического ослабления является слабое крепление магнитной системы возбудителя на валу.

Очень часто механическое ослабление может возникать при неплотной посадке соединительных полумуфт на валах, возникающей при износах и нарушениях технологии монтажа.

Всем этим, внешне различным причинам повышенной вибрации, всем типам механических ослаблений, обычно соответствует одинаковый и очень характерный спектр вибросигнала, имеющий в своем составе большое количество гармоник с целым номером и нескольких гармоник с кратностью 0,5, т. е. дробных гармоник.

На рис. 4.3.3. приведен пример такого спектра для ротора насоса с частотой вращения 3000 об/мин с механическим ослаблением, появившемся из - за увеличенного зазора в подшипнике скольжения.

Общее число целых гармоник на таком спектре может достигать до 15 - 20, причем в таком спектре между гармониками могут быть два - три пропуска целых по номеру гармоники.

Максимальной на приведенном спектре является вторая гармоника оборотной частоты, что не является обязательным при таком типе дефекта оборудования. На приведенном спектре вибросигнала есть также три пика дробных гармоник и субгармоник с кратностью 1/2, т. е. с частотами 25, 75 и 125 Гц. Следуя классической терминологии спектральной диагностики это есть одна субгармоника и две гармоники с дробным номером. Достаточно часто на спектрах при таком дефекте могут быть обнаружены несколько дробных гармоник или субгармоник с частотной кратностью к оборотной частоте вращения вала, равной значению 1/3.

Временные сигналы и спектры таких дефектов обычно характеризуется нестабильной фазой колебаний, которая может широко варьироваться от одного измерения к другому, особенно при изменении направления вращения вала, если такой эксперимент возможно провести при проведении обследования.

Форма временного сигнала при таком типе механического ослабления существенно нестационарна и нестабильна. Она имеет в своем составе много различных, неявно выраженных пиков от внутренних динамических ударов, следующих хаотично, без очевидной связи между собой.

Временной сигнал мало пригоден для диагностики данного дефекта оборудования.

4.3.5. Ослабление в агрегатах с вертикальной осью

В оборудовании, в котором рабочий вал расположен горизонтально, справедливы вышеописанные диагностические правила, что чаще всего механическое ослабление проявляется в вибрации и может быть отдиагностировано только тогда, когда в агрегате есть неуравновешенные динамические силы. Эти силы могут быть вызваны другими дефектами, например небалансом, расцентровкой и т. д. Если возмущающей силы в агрегате нет, то ослабление может и не проявляться в спектре вибрации и тогда спектральными методами его нельзя отдиагностировать.

Иначе дело обстоит в агрегатах с вертикальным направлением вала. В таких случаях если в агрегате есть механическое ослабление - то оно будет проявляться в спектре вибрации всегда. Причина этого явления проста - в агрегате с горизонтальным валом ротор прижат к подшипнику собственным весом, что является стабилизирующим фактором, требующим для возбуждения вибраций значительной возбуждающей силы, соизмеримой с весом ротора. При вертикальном расположении ротора агрегата для возбуждения вибраций достаточно очень небольших усилий.

В наибольшей мере все это относиться к вертикальным насосам с длинным промежуточным валом, передающим вращающее усилие от двигателя к насосу, к вертикальным перемешивателям химических процессов.

Общая картина физических процессов и ее спектральное "отражение" соответствуют описанным в пункте 4.3.4. и нет смысла описывать ее повторно.

Главное в другом, опасность ухудшения технического состояния агрегата от механического ослабления ротора в подшипниках и поддерживающих кольцах в данном случае более высока. Нужно очень серьезно относиться к ней.

Положительным аспектом является то, что этот дефект проявляется в спектре на ранней стадии и его легко обнаружить проводя своевременные обследования.

Скачать книгу в формате PDF (607 кб)