Нарушения соосности валов (расцентровка)

Характер вибрации оборудования при нарушениях соосности валов (расцентровке) в большинстве случаев определяется конструкцией применяемых соединительных муфт. Например, если гибкие или подвижные муфты способны компенсировать значительные нарушения соосности валов практически без изменения вибросостояния агрегата за счет ухудшения условий работы собственных элементов, то жесткие муфты при этом, испытывая лишь повышенные напряжения в болтовых соединениях, полностью передают изменившиеся условия работы валов на опоры, вызывая значительное изменение их реакций и вибросостояния агрегата. Зубчатые и полужесткие муфты допускают определенные нарушения соосности соединяемых валов при малозаметном изменении вибросостояния агрегата, но при этом для зубчатых муфт расцентровка может иметь различные неблагоприятные последствия: ускоренный износ, деформация или излом зубьев. Бывают случаи, когда муфта оказывается прочнее, чем смежный подшипник, что может приводить к повреждению последнего .

В некоторых случаях влияние на вибрацию конструкции и состояния муфты выражается в подавлении диагностических признаков расцентровки на смежных подшипниках, т.е. признаки расцентровки проявляются на внешних (относительно муфты) подшипниках дефектно сопряженных валов.

Таким образом, вибрации опор при расцентровке, хотя и не являются линейной функцией степени развития последней, достаточно адекватно характеризует способность агрегата, как системы, справляться с ней.

Характер вибрации при расцентровке зависит от величины и места приложения неуравновешенных сил, крутящего момента, свойств и качества смазочного слоя в подшипниках, а также состояния муфты. В вибрационном сигнале обычно присутствуют колебания с частотой вращения ротора, возможно ее гармониками, при определенных условиях вследствие расцентровки возможно появление низкочастотной вибрации. Влияние расцентровки на траекторию движения ротора в подшипнике выражается в том, что ее форма по сравнению, например, с формой при дисбалансе несколько усложняется: если при дисбалансе обычно это эллипс, то при расцентровке кривая становится менее "округлая" и может наблюдаться, например, сильно вытянутый эллипс, "деформированный" эллипс, "бананообразная" или "восьмеркообразная" кривые. На рис. 6 — 01 приведены примеры некоторых видов траектории движения ротора в подшипнике скольжения при расцентровке, хотя на практике встречаются и более сложные кривые.

В спектре вибрации практически всегда можно наблюдать преобладающие первую и/или вторую гармоники частоты вращения ротора. Иногда наблюдается сравнительно высокая виброактивность и на гармониках с более высокими номерами, обычно не превышающими 3...5. При нарушениях соосности валов в спектре обычно наблюдается сравнительно низкий уровень шумов, что обусловлено малым уровнем случайной вибрации в вибросигнале.

При значительных нарушениях соосности валов (и отсутствии других развитых дефектов) для формы сигнала виброускорения во многих случаях свойственны следующие особенности: почти периодическая, "нехаотическая" форма кривой вибрации, т.е. практически неизменные временные интервалы соответствующие одному обороту ротора между локальными максимумами (минимумами) кривой вибрации1 . Количество преобладающих локальных максимумов за оборот неизменно и обычно составляет один— дв а, а их пиковое значение может флуктуировать от оборота к обороту в 1,2...2 раза и составляет обычно 0,3... 1§ при развитом дефекте, редко превышая 2§ (при частоте вращения ротора 50 Гц).

Форма сигнала виброскорости обычно имеет более "упорядоченный" (по сравнению с формой сигнала виброускорения) характер: флуктуации значений локальных максимумов кривой от оборота к обороту заметно меньше.

Кривая сигнала может быть асимметрична, положительные и отрицательные значения амплитуд могут отличаться в 1,2... 1,5 раз 2 .

На рис. 6 — 02 приведены формы и спектры сигналов виброускорения и виброскорости, измеренные с интервалом в несколько секунд на крышке задней подшипниковой опоры ЭД расцентрованного насосного агрегата в вертикальном направлении.

На спектрах горизонтальными стрелками помечены первая и вторая гармоники частоты вращения ротора. На спектре виброускорения кратная частоте вращения ротора вибрация, хотя и низкая по уровню, проявляется наглядней, чем на спектре виброкорости. Уровень шумов невысок.

На формах сигнала вибрации вертикальными пунктирными линиями помечены временные интервалы , соответствующие двум оборотам ротора. Сигнал вибрации почти периодический, за один оборот ротора наблюдается два максимума (минимума) кривой, в сигнале виброскорости пиковые значения локальных максимумов (от оборота к обороту ротора) практически неизменны, в сигнале виброускорения флуктуируют в пределах 15% (см. максимумы, помеченные однонаправленными стрелками). Случайная вибрация практически отсутствует.

После останова агрегата была установлена расцентровка со следующими значениями: осевой сдвиг по вертикали У =0,32мм, по горизонтали Н — 0,47мм, излом осей по вертикали V — 0,12мм/100мм, по горизонтали V — 0,09мм/100мм. Следует отметить отличное техническое состояние агрегата: после проведения центровки с применением лазерного центровочного оборудования вибрация опор не превышала 1,1 мм/с .

Очень важно помнить, что анализ форм сигналов необходимо проводить только в комбинации с анализом спектров, и выводы, если имеются какие—либо особенности сигнала, использовать только как дополнительный довод о вероятности наличия того или иного дефекта!

По мере развития дефекта и изменения состояния оборудования (увеличения расцентровки и/или изменения состояния муфты) в спектре обычно возрастает вибрация на первой и/или второй гармонике частоты вращения ротора. Величину и соотношения последних используют в качестве диагностических параметров степени нарушений соосности валов .

Некоторые источники (например,. Г.МиепеП, "Ап 1п1хос1икгюп 1о МасЫпегу Апа1у818 апё Мопиогт§", 1981) сообщают, что, "... как правило, если отношение значений виброскорости второй и первой гармоник частоты вращения ротора составляет 0,3.. .0,75, то состояние оборудования не вызывает опасений и срок эксплуатации оборудования не ограничивают во времени. Если это отношение составляет 0, 75. ..1,5, вполне возможно наличие какого — либо повреждения муфты даже при допустимом уровне вибрации, и данная ситуация должна быть тщательно исследована и исправлена при первой же возможности. Когда значение вибрации на удвоенной частоте вращения ротора более чем в 1,5 раза превышает значение вибрации на частоте вращения ротора, то расцентровка представляет серьезную проблему, которая, вероятно, приведет к ускоренному износу муфты и, в конечном счете, выходу ее из строя".

На рис. 6 — 03 приведен пример развития расцентровки насосного агрегата, увеличивающейся вследствие неравномерной осадки свайного фундамента в течение трех весенних месяцев по мере изменений характеристик грунта.

Апрель (нижний спектр) — вибрация в пределах, допускающих не ограниченную по времени эксплуатацию агрегата, в спектре преобладают 1 и 4 гармоники частоты вращения ротора.

Май (средний спектр) — вибрация существенно возросла и находится в пределах, допускающих ограниченную по времени эксплуатацию агрегата, в спектре по —п режнему преобладают 1 и 4 гармоники частоты вращения ротора, причем вибрация на первой возросла более чем в 3,5 раза, на четвертой — в 1,4 раза.

Июнь (верхний график) — текущее значение вибрации в 1,9 раза превысило предельно допустимое. В спектре преобладает вибрация на частоте вращения ротора.

1,22мм/100мм, по горизонтали V = 0,05мм/100мм. Эта расцентровка появилась в результате весенней подвижки грунта и свайного фундамента в районе заднего подшипника ЭД: опустилась задняя подшипниковая опора (и рама) ЭД. Вибрация на четвертой, восьмой и двенадцатой гармониках частоты вращения ротора (помечена наклонными стрелками) и заметный уровень шумов в спектре были связаны с развивающимися дефектами зубчатой муфты. После замены изношенной муфты и центровки агрегата вибрация опор не превышала 2,1 мм/с .

При расцентровке может встречаться как поперечная, так и высокая осевая вибрация, которая в ряде случаев значительно (в два и более раз) превышает поперечную .

Для торцевой расцентровки характерна высокая осевая и/или поперечная вибрация на первой гармонике частоты вращения ротора, но при этом может быть значительная вибрация на второй, третьей и высших гармониках.

На рис. 6 — 04 приведены спектры виброскорости измеренные на задних подшипниковых опорах ЭД и центробежного насоса в вертикальном, горизонтально — поперечном и осевом направлениях. На спектрах помечены преобладающая вибрация на частоте вращения ротора и некоторые ее гармоники превышающие по значению 1 мм/с. Ось амплитуд приведена в логарифмическом масштабе: обратите внимание на соотношение и уровень гармонических составляющих и шумового компонента.

После останова агрегата была установлена расцентровка со следующими значениями: осевой сдвиг по вертикали V — 0,05мм, по горизонтали Н — 0,03мм, излом осей по вертикали V = 0,34мм/100мм, по горизонтали V = 0,59мм/100мм.

При развитой радиальной расцентровке, как в случае горизонтального осевого сдвига, так и вертикального, вибрации в поперечной плоскости обычно бывают несколько большее осевой, как на первой, так и на второй гармонике частоты вращения ротора. При этом вибрация на второй гармонике часто преобладает в спектре. Примечательно, что в некоторых случаях наибольшей вибрация бывает в направлении, перпендикулярном наибольшему смещению осей: например при больших значениях осевого сдвига по горизонтали преобладает вертикальный компонент вибрации.

0,29мм, по горизонтали Н — 0,52мм, излом осей по вертикали V —

На практике в чистом виде радиальная или торцевая расцентровка встречаются реже, чем их комбинация: т.е. анализируя пространственное распределение компонент вибрации и соотношения уровней вибрации на гармонических составляющих спектра достаточно сложно количественно предсказать величины сдвигов и изломов осей по вертикали и горизонтали (особенно при наличии других дефектов агрегата), но это в общем случае обычно не требуется.

Косвенно можно судить об этом с достаточно большой вероятностью имея данные о температуре и давлении масляной пленки вкладышей подшипников: при расцентровке давление и температура более низкого подшипника будет меньше по значению, чем у смежного с ним, но расположенного выше.

Необходимо помнить, что для увеличения достоверности диагностирования необходимо основываться не только на данных спектрального анализа: в случае расцентровки ценную дополнительную информацию можно почерпнуть, сравнивая фазы вибрации гармонических составляющих на частоте вращения ротора, измеренные на разных подшипниковых опорах.

Очевидно, что если разность фаз вибрации на частоте вращения ротора (или ее второй гармоники) двух смежных подшипниковых опор различных узлов агрегата в осевом направлении составляет 0 или 180 градусов (т.е. вектора вибрации синфазны или антифазны), то дефектное сопряжение локализуется между подшипниками. Например, для жестких или заклиненных муфт: если на работающем оборудовании при сравнении параметров осевой вибрации (измеренных с помощью датчиков относительной вибрации) обнаружится, что вектора вибрации на частоте вращения ротора синфазны, то, наиболее вероятно, что муфта заклинена, а если осевые колебания вала не совпадает по фазе, то муфта не может быть заклинена. Аналогично и для абсолютной вибрации подшипниковых опор — в случае расцентровки вибрации смежных опор в осевом направлении, измеренные с разных сторон муфты должны находиться в противофазе (при отсутствии вибрации, вызванной другими причинами).

— 0,35мм/100мм, по горизонтали V — 0,46мм/100мм. Также был обнаружен дефект муфты. Разность фаз вибраций подшипников на частоте вращения ротора составляет 190 градусов (см. точки, помеченные стрелками), т.е. вибрации практически антифазны. Для вибраций на второй и третьей гармониках частоты вращения ротора разность фаз составляет соответственно 5 и 7 градусов, т.е. вибрации практически синфазны.

Часто, и достаточно обоснованно, администрация предприятий предоставляет возможность проводить специальные исследования вибрации специалистам по вибродиагностике на работающем оборудовании только в крайней нужде — когда многократные ремонты не приводят к снижению вибрации, или внеплановые остановы приносят ощутимый экономический ущерб. Но в момент вывода агрегата или технологической установки из ремонта, например, на нефтехимическом предприятии обычно раз в год, можно получить весьма ценную, хотя и не всеохватывающую, информацию о вибрации. Это касается влияния крутящего момента и теплового состояния агрегата на вибрацию, снятия частотной характеристики, а также получения каскадных спектров. Приведенный ниже пример иллюстрирует это.

В соответствии с рекомендациями завода изготовителя при выводе компрессорного агрегата из ремонта проводились испытания по следующей схеме: пуск агрегата на холостом ходу, выдержка в течение четырех часов, четырехступенчатое увеличение нагрузки до номинальной с выдержкой по часу между ступенями, одноступенчатое снятие нагрузки и останов агрегата с возможностью проведения осмотра и, при необходимости, ремонта перед пуском технологической установки.

Центровка компрессора и мультипликатора проводилась без учета тепловых расширений корпуса мультипликатора и опор компрессора после пуска агрегата, а также без учета толщины масляной пленки и типичного положения шеек валов в подшипниках при работе под нагрузкой.

получены при измерении вибрации

при номинальной нагрузке агрегата.

— нагрузочные. Можно считать, что эти вектора параллельны и разнонаправлены (для удобства восприятия на графике проведены две параллельные прямые).

Характер изменений параметров вибрации в этих и других контрольных точках агрегата при его разогреве и нагружении указывает на расцентровку компрессора и мультипликатора.

Кроме того, на рис. 6 — 08 приведен взаимный фазовый спектр вибрации вышеупомянутых контрольных точек после нагружения. Однонаправленными стрелками на второй и третьей гармониках частоты вращения ротора отмечено, что они находятся практически в противофазе, что также указывает на возможную расцентровку.

После останова агрегата в течение нескольких минут с помощью лазерного центровочного оборудования были проведены измерения положения осей, значения которых составили: осевой сдвиг по вертикали У =0,14мм, по горизонтали Н = 0,16мм, излом осей по вертикали У=0,04мм/100мм, по горизонтали V = 0,02мм/100мм. Т.о. если смотреть со стороны "неподвижного" мультипликатора, то ротор компрессора сдвинулся в сторону тихоходного колеса и вниз. На следующее утро вновь произвели измерения положения осей "холодного" агрегата: осевой сдвиг составил по вертикали V — 0,01мм, по горизонтали Н — 0,02мм, излом осей по вертикали V = 0,01мм/100мм, по горизонтали V = 0,01мм/100мм.

В данном типе мультипликаторов главная ось быстроходного колеса обычно при работе под нагрузкой смещается в сторону от тихоходного и "зависает" в районе "10 часов", если смотреть со стороны переднего подшипника тихоходного вала.

Затем была произведена центровка агрегата с учетом изложенного выше и проведены повторные испытания.

на оборотной частоте ротора

  связано с тем, что при центровке не учитывались

температурные расширения узлов агрегата и положение роторов в подшипниках при работе под нагрузкой.

Характерно, что эти вектора параллельны и разнонаправленны. Их величина отличается из —з а различной жесткости и динамической податливости опор.

На рис. 6 — 09 приведены спектры вибрации тех же контрольных точек при номинальной нагрузке до и после центровки с учетом тепловых расширений и положения ротора. Вибрация компрессора существенно уменьшилась: на частоте вращения ротора в 1,6 раза, а на ее второй и третьей гармониках — в 6 раз. На мультипликаторе уменьшения вибрации не произошло: уменьшение в несколько раз вибрации, связанной с расцентровкой, на второй и третьей гармониках частоты вращения ротора сопровождалось увеличением вибрации на частоте вращения ротора, поскольку имелась вибрация, вызываемая другой причиной, которая ранее компенсировалась: складывалась с вибрацией, вызванной расцентровкой (синхронные колебания).

вызванными другими причинами, на мультипликаторе приводили к незначительному уменьшению вибрации, а на компрессоре к значительному увеличению. В целом по агрегату максимальная вибрация снизилась с 3,6 до 2,6 мм/с , т.е. почти на треть.

рис. 6 —07 и разность фаз между первыми гармониками, помеченную

наклонной стрелкой на рис. 6 — 08). Это говорит о наличии значительной, по отношению к вибрации, вызванной расцентровкой, вибрации, связанной с другими причинами (синхронные колебания). Таким образом, чем больше отношение вибрации, вызванной расцентровкой, к вибрации, вызванной другими причинами, тем ближе этот угол к 180 градусам.

В процессе вибромониторинга, сравнивая характер вибрации опор, вполне возможно отличить расцентровку от ослаблений жесткости, обладающих различными наборами диагностических признаков. В этом случае полезно сравнивать одновременно со спектрами вибрации и осциллограммы сигналов.

На рис. 6 —10 приведены спектры вибрации, измеренной на подшипниковых опорах генератора (индекс Т) и возбудителя (индекс В) парового турбоагрегата. Состав частотных компонентов спектра вибрации опор генератора характерен для расцентровки и не вызывает сомнений — вибрация существенно преобладает на первых двух гармониках частоты вращения ротора практически на всех контрольных точках, как в поперечном , так и в осевом направлениях, уровень шумов низок. На первый взгляд характер вибрации подшипниковых опор возбудителя свойственен для ослаблений жесткости в совокупности с расцентровкой: в спектрах вибрации обеих опор как в горизонтально —п оперечном и вертикальном, так и в осевом направлениях наблюдается достаточно интенсивная вибрация на частоте вращения ротора и гармониках с номерами до 6...8, причем в спектрах вибрации контрольных точек ВIV и ВОН преобладает третья гармоника частоты вращения ротора.

Рассмотрим одновременно спектры (наиболее характерные для нарушений жесткости) и формы сигналов вибрации задней подшипниковой опоры возбудителя в горизонтально — поперечном и осевом направлениях, представленные на рис. 6—11.

Рис. 6—10. Спектры вибрации подшипниковых опор генератора (Т) и возбудителя (В) парового турбоагрегата.

На формах сигналов виброускорения вертикальными пунктирными линиями помечены периоды времени, соответствующие одному обороту ротора. Вертикальными стрелками на кривой вибрации помечены локальные максимумы в течение двух последовательных оборотов ротора. Можно отметить, вибрация носит почти периодический характер. Число локальных максимумов за оборот ротора практически не меняется. Случайная вибрация невелика. Такая форма кривой виброускорения, обычная для развитой расцентровки, нетипична для нарушений жесткости.

Таким образом, на возбудителе наблюдалась нелинейная жесткость опорной системы3, не связанная с какими — либо дефектами. В дальнейшем, после останова агрегата, была обнаружена и устранена расцентровка генератора и возбудителя. Каких —л ибо нарушений жесткости опорной системы возбудителя обнаружить не удалось.