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

4.9. Дефекты состояния и монтажа муфт

Объединение нескольких отдельных механизмов в единый агрегат осуществляется при помощи соединительных муфт различной конструкции. Качество монтажа соединительных муфт и их техническое состояние, изменяющееся в процессе эксплуатации, во многом определяет общее техническое состояние агрегата.

Для разных типов муфт по вибропараметрам диагностируются различные дефекты, поэтому рассмотрение возможных проблем будем вести раздельно для разных муфт.

4.9.1. Дефекты жестких муфт

В крупных стационарных агрегатах, например в турбоагрегатах электростанций, достаточно широко распространены жесткие муфты различной конструкции. Общим для таких муфт является то, при что при их помощи соединяемые валы механизмов очень четко и жестко фиксируются относительно друг друга. В идеале, при помощи жесткой муфты, два ротора объединяются в единое целое.

Благодаря применению жестких муфт удается решить целый ряд сложных технологических задач. Например в турбоагрегатах удается уменьшить или даже вообще исключить из конструкции некоторые сложные узлы и дополнительные подшипники осевой фиксации и разгрузки роторов. Это достигается соединением при помощи жесткой муфтой двух механизмов с противоположным направлением действия осевых усилий.

Процесс монтажа жестких муфт проводится с минимальными допусками и требует высокой культуры производства, и тем не менее довольно часто сопровождается различными дефектами. Наиболее распространенными дефектами монтажа жестких муфт являются следующие:

Коленчатость соединения в жесткой муфте, или, говоря кратко, "колено". Заключается в том, что при монтаже или в процессе эксплуатации по тем или иным причинам центры соединяемых валов не точно совпадают друг с другом. В результате сочлененные валы при таком дефекте представляют собой не единый вал, а вал с дефектом в месте соединения. Итогом возникновения дефекта типа "колено" в жесткой муфте становится возрастание вибрации оборудования
Угловой излом в жесткой муфте, приводящий к излому вала. В практике этот дефект называется достаточно часто другими терминами, такими, как "маятник" или "раскрытие муфты". Термин "маятник" возник вероятно потому, что при вращении вала с таким дефектом центр свободного конца вала совершает круговое вращение. Может его называют так ориентируясь на способ диагностики "маятника", применяемый на практике. При этом способе проверки свободный конец ротора подвешивается на тросе и освобождается от подшипника. Далее ротор начинают медленно проворачивать. Маятник диагностируется по поперечным перемещениям ротора в районе отсутствующего подшипника. Недостатком этого метода диагностики является его большая трудоемкость и ряд ограничений на его применение. Термин "раскрытие муфты" возник также из практики и соответствует диагностированию дефекта по неполному схождению полумуфт ( валов ) вдоль окружности при проведении монтажа муфты
Различные дефекты посадки полумуфт на соединяемые валы, выражающиеся в отклонениях от условий идеального монтажа. При неправильной посадке полумуфт в узле сочленения валов возникают или параллельные сдвиги ( колено ), или угловые изломы в муфте ( маятник ). Несмотря на индивидуальную природу возникновения этих дефектов в агрегатах, в данном случае из - за неправильной посадки полумуфт, в конечном итоге все они приводятся или к дефекту первого вида - к колену, или к дефекту типа маятник, или же к их совместному проявлению. Это основные специфические дефекты жесткой муфты

При всех вышеописанных дефектах жестких муфт картина физических процессов примерно одинаковая и имеет две основные особенности:

С одной стороны, в агрегате возникает картина небаланса масс вращающегося ротора за счет смещения осей центров масс
С другой стороны, на эту картину вибраций классического небаланса "наслаиваются сверху" вибрационные особенности достаточно специфического процесса, условно говоря, "вращающейся расцентровки"

От стандартной расцентровки, "неподвижной" в пространстве, расцентровка "вращающаяся" отличается только, условно рассуждая, примененной системой координат. Обычная неподвижная расцентровка диагностируется в неподвижной системе координат, связанной с статором или фундаментом. "Вращающаяся расцентровка" диагностируется во вращающейся, подвижной, системе координат, связанной с вращающимся ротором агрегата. Если при диагностике учитывается такое изменение в подходе поиску расцентровки, то далее можно считать все проявления обоих расцентровок одинаковыми.

Очень важным является то, что оси поверхностей шеек роторов при наличии дефектов в жестких муфтах оказываются смещенными относительно идеальной оси вращения роторов. При этом контактные зоны шеек валов совершают круговые движения внутри вкладышей подшипников ( скольжения ). Сопровождающую такой процесс картину небаланса первоначально стараются убрать при помощи балансировки. Установка балансировочных грузов может снизить уровень вибрации, но картина "обскальзывания" ( по аналогии с обкатыванием ) шейки вала по внутренней окружности подшипника скольжения сохранится и снизить вибрацию до приемлемого уровня обычно не удается. Если даже вибрация снизится, то ее уровень будет зависимым от нагрузки агрегата.

Для корректной диагностики дефектов жесткой муфты "колено" и "маятник" по вибросигналам обязательно необходимо наличие синхронных или синхронизированных вибросигналов. При этом необходимо зарегистрировать не менее восьми вибросигналов - по два на каждом из четырех подшипников в вертикальном и поперечном направлениях. Подшипники берутся с двух сторон жесткой муфты плюс подшипники с других сторон сочлененных муфтой механизмов.

Диагностика дефектов муфты на колено и маятник ведется, в основном, по фазам первой гармоники оборотной частоты ротора во всех контролируемых точках одновременно. Первое требование к полученным сигналам - фазы первых гармоник должны быть стабильными. В противном случае источник вибрации нужно искать в каком - либо другом месте агрегата.

Колено. На подшипниках с двух сторон муфты фазы первых гармоник должны различаться на 180° ( с учетом допустимой погрешности определения фазы до 30 градусов ). Это условие должно выполняться и в вертикальном и в поперечном направлениях измерения вибрации. Особенно обязательно в вертикальном направлении.

Фаза первых гармоник в вибросигналах с подшипников, расположенных через механизм от муфты, менее информативна и не всегда условия по ней выполняются. Это скорее всего следует считать дополнительным диагностическим признаком. Фаза первой гармоники с двух сторон сочлененных механизмов, с подшипников, расположенных через механизм от муфты, должна тоже различаться на 180° .

При "опирании" двух роторов на три подшипника, что довольно часто бывает в модернизированных турбоагрегатах, коленчатость в муфте равнозначна небалансу ротора, не имеющего второй опоры вблизи муфты. Этот дефект модернизированного агрегата диагностируется так же и достаточно просто устраняется как небаланс.

Маятник. Для диагностики маятника необходимо проводить сравнение начальных фаз сразу по всем четырем подшипникам. На подшипниках с двух сторон муфты фазы первых гармоник должны быть одинаковыми. Это справедливо и для вертикальной и для поперечной проекций. Фаза первых гармоник на двух подшипниках, которые расположены через механизмы от муфты, должны быть тоже равны между собой. Фазы первых гармоник на подшипниках с двух сторон каждого из сочлененных механизмов должны различаться между собой примерно на 180° .

Если говорить проще, то по фазам первой гармоники на четырех подшипниках должно соблюдаться условие: если принять за базу для сравнения фазу первого подшипника, считать ее начальной, то фаза второго подшипника отличается от первого на 180° , фаза третьего равна фазе второго, фаза четвертого отличается от третьего на 180° и равна фазе первого подшипника.

В практике часто один из "крайних" подшипников соединяемых механизмов ( иногда и два ) расположен внутри агрегата, т. к. в агрегате больше двух механизмов. Эти дополнительные механизмы "сглаживают" картину дефекта муфты на подшипнике, расположенном между механизмами. В итоге бывает, что фаза оборотной гармоники первого или четвертого подшипников соединяемых муфтой механизмов могут выпадать из общей логики.

Степень дефекта жесткой муфты обычно оценивают по повышению общего уровня вибрации. Если агрегат имеет вибрации повышенного уровня и причиной тому является муфта, то обычно решение о проведении ремонта зависит от соотношения норм на вибрацию для данного агрегата и текущего уровня вибрации.

Часто, большей частью с профилактической целью, персоналом проводится процедура балансировки агрегата в собственных подшипниках. Точнее говоря, делается попытка "успокоить" агрегат, уменьшив вибрации установкой балансировочных грузов. Эффективность такой попытки обычно не очень велика.

4.9.2. Дефекты полужестких муфт

Под полужесткими муфтами будем понимать здесь муфты с волновыми ( линзовыми ) компенсаторами, очень напоминающие по внешнему виду один или несколько гибких сегментов от барометрической коробки.

Муфты такого типа по своим свойствам являются промежуточными, между жесткими и "подвижными" типами муфт. Наличие в них упругих элементов создает определенную гибкость в месте соединения валов и тем позволяет несколько уменьшить влияние дефектов сопряжения валов.

При рассмотрении процессов в таких муфтах не следует сильно преувеличивать компенсирующие способности волновых компенсаторов, так как и они, с целью передачи вращающего момента, обладают достаточно высокой жесткостью. Компенсаторы позволяют заметно снизить влияние излома оси ( маятника ), гораздо хуже компенсируется эффект коленчатости.

Если муфта имеет только одну "волну" компенсатора, то общее влияние коленчатости на вибрацию агрегата снижается не очень существенно.

Таким образом в полужесткой муфте следует обычным образом диагностировать при помощи спектров вибрации дефект муфты типа колено. Методика диагностирования не отличается от аналогичной процедуры в жесткой муфте, описывать ее снова здесь нет необходимости.

4.9.3. Дефекты пальцевых и зубчатых муфт

Такие муфты широко применяются в практике для соединения валов в агрегатах малой и средней мощности. К этому классу следует относить различные типы пальцевых и зубчатых муфт, допускающих свободные малые смещения ( расцентровки ) валов соединяемых механизмов. Специфическая конструкция муфт позволяет снизить требования к точности монтажа агрегатов благодаря компенсации небольших расцентровок или сглаживанию степени их проявления. В некоторых теоретических работах такие типы муфт даже называют подвижными.

При большой разнице принципов и основ работы таких муфт им свойственны примерно одинаковые дефекты и одинаковая картина проявления этих дефектах в спектрах вибрации. При использовании подвижных муфт общее повышение вибрации вызывается несколькими основными дефектами:

Несоосностью рабочих венцов полумуфт. В спектре вибросигнала это проявляется как обычная расцентровка, диагностируемая стандартно. Отличие заключается в том, что в спектре появляется дополнительная гармоника, частота которой равна произведению оборотной частоты ротора на число зубцов или пальцев в муфте. Довольно часто, при значительных расцентровках венцов полумуфт, эта гармоника на спектре генерирует свои гармоники, кратные двум, трем. Такая картина, для примера, имеет место на спектре вибрации насоса на рис. 4.9.1., приводимого во вращение асинхронным двигателем с частотой вращения 1440 об/мин.
Износ элементов муфты, в итоге нарушающий правильную форму рабочих поверхностей. Приводит к проблемам контактных поверхностей и на спектре дает картину износа зубчатой пары. Частота зубцовой гармоники равна произведению оборотной частоты ротора на число зубцов или пальцев. Особых отличий такой спектр обычно не имеет. Иногда на спектре появляются несколько рядом расположенных гармоник на частотах, на первый взгляд не относящейся к какому - либо характерному параметру агрегата. Например, три гармоники - 15, 16 17 от оборотной, хотя на муфте более 30 зубцов. Если эти гармоники есть с двух сторон муфты, то можно уверенно утверждать, что они "пришли" от дефектов муфты, таких, как износ или дефект зубцов ( в зубчатой муфте ).
Заклинивание или даже "сваривание" подвижных элементов муфты в некотором промежуточном рабочем положении. В таком случае муфта начинает работать как жесткая и все дефекты диагностируются по пункту 4.9.2.

4.9.4. Дефекты торсионных муфт

Для соединения роторов различной массы иногда используют торсионные муфты. Примером использования торсионной муфты является подсоединение к турбогенератору возбудителя - машины постоянного тока небольшой мощности.

В торсионной муфте основным соединительным элементом является длинный стержень, работающий на скручивание. Одним концом он соединен с генератором, далее проходит через отверстие в вале возбудителя и соединяется с валом возбудителя на противоположной стороне возбудителя.

Такой тип муфты, по своим свойствам, похож на полужесткую муфту и диагностируется аналогично. Необходимо только помнить, что понятие "подшипники рядом с муфтой" имеет здесь несколько иной смысл. По генератору все обычно, а вот подшипник возбудителя, расположенный "рядом с муфтой" на самом деле находится с другой стороны возбудителя.

Кроме того у торсионной муфты бывает свой специфический дефект, приводящий к резкому возрастанию осевой вибрации. Возникает он следующим образом, при одновременном появлении двух обстоятельств.

Первое. Фланец торсиона, закрепляемый на валу генератора, должен быть смонтирован не перпендикулярно, а с небольшим перекосом к плоскости монтажа. Или же торсион должен быть изогнут до монтажа. Самое главное состоит в том, что торсион должен вращаться в изогнутом состоянии, должен иметь место дефект типа маятник.

Второе. Наружный подшипник возбудителя, к которому крепится торсион, должен быть смещен с идеальной линии монтажа вала генератора в вертикальном или поперечном направлениях.

Совокупность двух таких дефектов при монтаже возбудителей турбоагрегатов бывает достаточно часто, качеству монтажа возбудителя часто не придается очень большого внимания. В результате, в процессе своего вращения, торсион будет периодически, с оборотной частотой ротора, менять кривизну своего изгиба, и в итоге будет изменяться его длина. Изменение будет вроде бы не очень значительным, но это на первый взгляд. За счет разницы масс роторов генератора и возбудителя все осевые перемещения будут приходиться на ротор возбудителя и вибрация на нем в осевом направлении может даже значительно превысить нормативное значение. Частота этой вибрации обычно равна частоте первой гармоники, хотя и бывают исключения.

Для устранения такого дефекта необходимо проверить правильность монтажа линии вала агрегата или правильно смонтировать торсионный вал.

4.9.5. Дефекты пружинных муфт

Это одна из разновидностей муфт, в которой полумуфты объединяются или при помощи отдельных плоских пружинных пластин или при помощи фигурной пружинной ленты, попеременно проходящей через пазы полумуфт.

Наряду со стандартными дефектами в такой муфте бывает специфический дефект, вызванный поломкой или заклиниванием пружинных элементов.

На спектре вибросигнала, в диапазоне частот примерно от 5 - 10 гармоники оборотной частоты и до зубцовой частоты муфты ( оборотная частота, умноженная на число зубцов ), могут появиться один или несколько пиков, разделенных между собой по частоте на шаг, численно равный оборотной частоте ротора. Это основной признак дефекта.

Данный дефект проявляется не на зубцовой частоте муфты, равной произведению оборотной частоты на количество пружинных элементов, а обычно на меньшей. Очевидно это происходит потому, что нескольких зубцов, вследствии дефекта, начинают работать как единое целое. Может причина этого и в другом. Как бы то ни было, дефект по такому признаку диагностируется достаточно уверенно.

Скачать книгу в формате PDF (607 кб)