Вибродиагностика дефектов вала (ротора) в опорах вращения
Содержание
Дефекты вала или группы соединенных муфтами валов, обнаруживаемые в эксплуатируемых агрегатах по вибрации, это:
-
неуравновешенность вала (ротора),
-
несимметрия формы вала (ротора) относительно оси вращения (смещение, искривление),
-
изменение механических характеристик вала (износ, старение, трещины и т.п.),
-
несоосность соединяемых муфтами валов,
-
несоосность передаваемых через муфту от вала к валу моментов сил.
Кроме перечисленных дефектов вала (ротора), характеризуемых либо несовпадением его осей вращения и инерции (неуравновешенность ротора), либо несовпадением оси вращения и геометрической оси (бой вала), а также дефектов муфт, есть еще одна группа дефектов, определяемая смещением оси вращения ротора относительно неподвижных частей агрегата. Эта группа дефектов, характеризуемая значениями статического эксцентриситета зазора между рабочими узлами ротора и корпусом и влияющая на вибрацию агрегата, также может быть отнесена к дефектам ротора. Но поскольку диагностические признаки статического эксцентриситета зазора определяются взаимодействием насаживаемых на ротор рабочих элементов (рабочих колес, активного сердечника и др.) с корпусом, либо путем механического контакта, либо через рабочую среду, этот вид дефекта обычно относят к списку дефектов соответствующего рабочего узла ротора. К этой же группе дефектов иногда относят и осевой сдвиг ротора, вибродиагностические признаки которого часто совпадают с признаками статического эксцентриситета зазора. Соответственно, анализ диагностических признаков статического эксцентриситета зазоров в агрегате проводится в последующих разделах настоящего обзора, рассматривающих признаки дефектов рабочих узлов, насаживаемых на вал (ротор).
Общим для перечисленных дефектов (кроме статического эксцентриситета зазора) вибродиагностическим признаком является рост вибрации работающего в номинальном режиме агрегата на частоте вращения вала (ротора), но связь между уровнем этой (оборотной) составляющей вибрации и видом дефекта, неоднозначна.
Другие вибродиагностические признаки перечисленных дефектов, используемые для уточнения их вида и величины, по способу их получения можно разделить на три группы:
-
прямые, получаемые в номинальном режиме вращения вала (ротора) в подшипниках,
-
косвенные, являющиеся результатом взаимодействия вращающихся узлов, насаживаемых на ротор, с неподвижными частями агрегата, путем контакта или через рабочую среду (жидкость, газ, магнитное поле),
-
дополнительные, получаемые в процессе виброобследования агрегата с использованием тестовых воздействий.
Поскольку вибрация на частоте вращения наиболее быстроходного ротора в составе сложного агрегата, как правило, определяет контролируемый по действующим стандартам уровень вибрации, анализ причин ее роста из-за перечисленных дефектов проведен ранее, в разделах по виброналадке вращающегося оборудования. Там же приводится и анализ признаков, позволяющих отделить дефекты, характеризующиеся ростом синхронно вращающихся и действующих только на ротор сил, от дефектов, характеризующихся ростом сил взаимодействия между ротором и неподвижными частями агрегата, определяемых «боем» вала (ротора) из-за несовпадения оси вращения и геометрической оси вала (ротора).
Рост вибрации агрегата на частоте вращения ротора без изменения параметров вибрации на других частотах – это общий признак механической неуравновешенности ротора (как остаточной, так и тепловой), гидродинамической (аэродинамической) неуравновешенности и несовпадения осей передачи рабочего (крутящего) момента через соединительную муфту. Уточняют вид дефекта (из перечисленных) по осевой вибрации агрегата, по некоторым из признаков дефектов насаживаемых на ротор агрегата рабочих узлов, или с помощью тестовых воздействий на агрегат (скачек нагрузки).
Рост вибрации агрегата на нескольких гармониках частоты вращения (обычно от второй до пятой) и в нескольких опорах вращения – признак боя вала (ротора), ограничиваемого величиной зазора в опорах вращения. Именно это ограничение – причина изменения формы «траектории» движения оси вала при его бое и появления кратных оборотной составляющих вибрации. Основной причиной боя вала чаще всего является несоосность соединяемых валов, в том числе и из-за дефектов муфты, реже – износ шеек или изгиб вала, в том числе в результате появления трещин. Связь величины вибрации и перегрузок подшипников из-за боя вала – неоднозначна, бой вала может не перегружать подшипники и не создавать опасности задевания вращающихся узлов за неподвижные. Тем более что рост вибрации на кратных гармониках частоты вращения может быть еще и следствием взаимодействия насаживаемых на ротор рабочих узлов с неподвижными частями агрегата.
Поэтому нужен параллельный контроль опасности обнаруженного боя по косвенным признакам – модуляции вибрации агрегата на зубцовой, лопастной и др. характерных частотах агрегата, а также по появлению импульсной вибрации на высоких частотах.
Так, косвенным признаком опасного боя вала, а вместе с ним и ротора наиболее часто используемых в промышленности асинхронных электродвигателей с зазором в доли миллиметра является модуляция зубцовой вибрации частотой вращения ротора, рис. 15.1. Опасной можно считать глубину модуляции более 20%. Но более достоверным признаком боя вала вместе с ротором электродвигателя (динамический эксцентриситет зазора) можно считать модуляцию частотой вращения ротора потребляемого электродвигателем тока, а опасной – глубину модуляции более 2% .
Рис.15.1. Спектр вибрации асинхронного электродвигателя с опасным боем ротора, часто называемым динамическим эксцентриситетом воздушного зазора.
Диагностическим признаком дефектов соединительной муфты, кроме признаков боя вала, являются импульсные нагрузки на муфту и подшипники агрегата при скачкообразном смещении полумуфт один или несколько раз за оборот ротора. Периодические импульсные нагрузки возбуждают высокочастотную импульсную вибрацию подшипников качения, наблюдаемую в спектрах огибающей их высокочастотной вибрации, как это показано на рис.15.2.
Рис.15.2. Спектр огибающей высокочастотной вибрации агрегата с дефектной зубчатой муфтой. Ряд гармоник в спектре огибающей вибрации кратен частоте вращения вала.
Трудности возникают при поиске индивидуальных диагностических признаков трещин в валах агрегата, а именно этот вид дефекта относится к группе наиболее опасных. Его рекомендуется обнаруживать тестовыми методами вибродиагностики. Например, методом акустической дефектоскопии, или методом сравнения собственных частот вертикальных колебаний горизонтального вала (ротора) для разных угловых положений ротора. Но для такого решения задачи необходимо вывести агрегат из эксплуатации, разомкнуть муфты, а, в некоторых случаях, провести частичный демонтаж агрегата. Поэтому задачу обнаружения такого дефекта на ранней стадии развития лучше всего решать в процессе выполнения работ по виброналадке.
Таким образом, диагностика ротора может выполняться по измерениям вибрации на опорах вращения ротора в одном (радиальном направлении) и на одной из опор в осевом направлении.
Содержание
