3.2.2. Изгибы валов

Русов В.А. "Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам" 2012 г.

3.2. Дефекты оборудования уровня «механизм»

Под этим термином следует понимать такой дефект технического состояния вала механизма, когда при работе геометрическая ось ротора не совпадает с его осью вращения, проведенной по «центрам» подшипников. Такое определение не является абсолютно корректным, но хорошо описывает причину повышенной вибрации, достаточно часто встречающуюся на практике.

Для длинных, и сравнительно тонких роторов, ось вращения обычно характеризуется не прямой линией, а некоторой кривой, которая учитывает реальный прогиб длинного вала. Эту особенность длинных роторов необходимо учитывать при использовании термина «дефект вращающегося оборудования – изгиб вала», здесь в это название будет вкладываться несколько иной смысл.

Появление изгиба вала всегда приводит к повышению общей вибрации агрегата, которую мы обычно измеряем на опорных подшипниках. Такой дефект обычно он возникает или как итог некорректного изготовления или монтажа агрегата, или же, как прямое следствие отклонения от нормальных технологических и эксплуатационных параметров работы оборудования.

Методам и средствам диагностики изгибов валов при помощи анализа вибрационных сигналов в литературе уделено мало внимания, вероятно по причине слабой выраженности в спектрах вибросигналов основных признаков присутствия в агрегате такого дефекта. Или, может быть, это происходит потому, что основные признаки этого дефекта совпадают с признаками небаланса, и могут быть, почти полностью, скомпенсированы установкой дополнительных балансировочных грузов.

Следует это хорошо понимать, такая коррекция изгиба вала, как небаланса, приводит к тому, что вибрация агрегата становится функцией или нагрузки, или других параметров работы вращающегося оборудования. Поэтому все-таки наиболее действенным способом снижения вибрации в этом случае служит «прямое» устранение изгиба вала, планирование и проведение работ по устранению этого дефекта.

3.2.2.1. Изгиб вала в шейке подшипника

Рассмотрение начнем с простейшего случая, когда изгиб вала по тем или иным причинам произошел в районе одного подшипника. Реальных случаев появления такого дефекта в практике много.

В первую очередь здесь необходимо уточнить определение самого термина «изгиб вала в шейке подшипника». Понятно, что такой изгиб вала, если буквально следовать нашему определению, невозможен. Достаточно трудно представить такой дефект, в котором вал изогнулся в одной точке, причем ничего другого, что могло бы сказаться на вибрационном состоянии агрегата, при этом не произошло. Однако мы продолжаем утверждать, что такой специфический дефект ротора вращающегося механизма существует, и его можно определять таким термином.

Следуя логике дефект изгиб вала можно характеризовать следующим образом. Это происходит в случае, когда две специфических оси, проходящие через опорный подшипник, не совпадают друг с другом. Это следующие оси:

  • Технологическая ось вала в зоне опорного подшипника. Она совпадает с прямой линией, соединяющей центы двух подшипников для «коротких» роторов, или с линией прогиба вала для «длинных» роторов.
  • Реальная ось опорной шейки подшипника скольжения, или посадочного места для внутренней обоймы подшипника качения.

В случае несовпадения этих осей мы будем наблюдать все характерные признаки дефекта, который мы назвали «изгиб вала в шейке подшипника». Из этого определения видно, что может быть «чистого изгиба вала» и нет, но если неравномерно изношена поверхность опорной шейки вала, то признаки дефекта появятся.

Значительное влияние на степень проявления этого дефекта в вибрационном состоянии агрегата может оказать направление еще одной важной оси, проходящей через подшипник - монтажной оси самого опорного подшипника. Направление монтажной оси опорного подшипника определяется конструкцией и монтажом корпуса и вкладыша подшипника скольжения или внешней обоймы подшипника качения.

Влияние направления этой оси на степень проявления описываемого дефекта механизма весьма специфическое, отклонение ее само́й (одной) от технологической оси вала еще не вызывает появление признаков изгиба вала в шейке подшипника. Однако, если эта ось не будет совпадать с технологической осью вала, то она будет усиливать все вибрационные признаки дефекта в случае их появления. То есть появившиеся вибрационные признаки дефекта «изгиб вала», возникающие при несовпадении технологической оси вала и реальной оси опорной шейки вала, при неправильном монтаже подшипника будут еще более сильными, чем при правильном монтаже подшипника.

При наличии большого разброса в причинах возникновения в механизме изгиба вала, итоговое проявление этого дефекта в физической картине вибрационных процессов в оборудовании является одинаковым. Можно выявить четыре основных признака появления изгиба вала.

  1. Если рассмотреть процессы, происходящие в подшипнике, в районе которого имеет место изгиб вала, то можно выявить следующее. На крайние, если считать вдоль оси вала, точки подшипника, например на разные края антифрикционного вкладыша, будет действовать значительная, противофазная, чаще всего даже знакопеременная, нагрузка, жестко связанная с оборотной частотой вращения вала. Направление этой знакопеременной нагрузки в любой момент времени, на противоположных, если смотреть вдоль оси вала точках подшипника, будет взаимно противоположным. Если ближняя к механизму точка подшипника будет перемещаться вверх, то противоположная точка, с другой стороны подшипника, будет перемещаться вниз. На подшипник постоянно будет действовать момент сил, приводящий к «покачиванию» самого подшипника или в гнезде, или подшипника вместе с подшипниковой стойкой.
  2. При диагностике изгибов валов, с использованием синхронизированных или синхронных вибросигналов, а далее и на основе спектров этих вибросигналов, в диагностические правила обязательно следует ввести анализ значений фазовых параметров сигналов. При изгибе вала фаза первой гармоники оборотной частоты в радиальном направлении будет стабильной. При сравнении фаз сигналов, вертикальном и поперечном направлениях, между ними должен существовать сдвиг на 90°.  
  3. «Роза вибраций», построенная на круговых замерах вибрации, выполненных в направлении нескольких перпендикуляров к оси вращения ротора, при изгибе вала обычно имеет достаточно круглую форму и не имеет больших выбросов. Чаще всего мы имеет примерно правильную эллиптическую форму с горизонтальным расположением большей оси эллипса. Соотношение размеров этих осей, в основном, определяется соотношением податливостей опоры в разных направлениях. При увеличении степени изгиба вала, форма этой «розы вибраций» не претерпевает больших изменений, пропорционально увеличиваются только размеры осей эллипса.
  4. Рис. 3.2.2.1. Спектры вибрации агрегата с изогнутым валом в вертикальном (a), поперечном (b) и осевом направлениях (c)
  5. Осевая составляющая вибрации при изгибе вала увеличивается, но не всегда очень сильно, хотя такие случаи и встречаются в практике. Степень увеличения осевой вибрации в наибольшей мере зависит от степени изгиба вала ротора, и податливости подшипниковой опоры в осевом направлении. В пределах небольших изгибов осевая составляющая вибрации по общему уровню, относительно радиальных составляющих вибрации, не очень велика. Преобладающей в спектре осевой вибрации обычно является первая гармоника оборотной частоты ротора.

При больших изгибах, и податливых опорах, осевая составляющая вибрации может стать наибольшей, причем встречаются случаи, когда она больше радиальных составляющих более, чем в два раза. Это достаточно просто объясняется тем, что при вращении сильно изогнутого ротора максимально возрастают колебательные перемещения подшипника в направлении оси, перпендикулярной к радиусу.

Они приводят к такому колебанию подшипника и подшипниковой стойки, что осевые вибрации становятся преобладающими. К этим движениям добавляются продольные перемещения корпуса подшипника вместе со стойкой или с подшипниковым щитом, имеющие основной частотой первую, а иногда и вторую гармонику оборотной частоты ротора.

Достаточно часто в спектре осевой вибрации с сильно изогнутым валом появляются третья, четвертая и иногда «целый лес» гармоник с номером до 4 - 6. Причина их появления заключается в перемещении контролируемой точки по сложной траектории в пространстве, чем-то напоминающей по виду фигуру типа «сложной восьмерки».

На трех спектрах вибросигналов, показанных на рисунке 3.2.2.1., иллюстрируется характерная картина вибрации агрегата с достаточно сильно развитым дефектом. Максимальный уровень вибрации зарегистрирован в осевом направлении, где значение СКЗ виброскорости ненамного превысило нормативное значение, принятое для данного агрегата. Максимальное значение вибрации в осевом направлении может быть тоже достаточно просто объяснена тем, что конструктивная податливость подшипниковой стойки в данном направлении всегда является наибольшей. Обычно из такого условия - наименьшей осевой жесткости проектируются агрегаты с "оптимальной" конструкцией.

Именно малая осевая жесткость подшипниковых стоек чаще всего приводит к максимальным значениям осевых вибраций, хотя осевые усилия и не являются максимальными, по своей величине. Ничего здесь не изменить, определение «вибрация есть возмущающая сила, умноженная на податливость конструкции» справедливо всегда.

Из рисунка также хорошо видно, что основной гармоникой в радиальных составляющих является первая гармоника оборотной частоты ротора. В осевой проекции вибрационного сигнала присутствуют первая, вторая и третья гармоники этой частоты, причем максимальной по величине, в данном случае, является вторая гармоника.

В осевой проекции вибрационного сигнала реально могут присутствовать и более высокочастотные гармоники оборотной частоты ротора, включая появление «горбов» на спектре. Таких гармоник не бывает очень много, кроме того по своей мощности они обычно малы. Поэтому, на приведенном «рафинированном» рисунке в спектре вибрации показаны только самые значительные гармоники.

Необходимо научиться отделять причину повышенной вибрации «изгиб вала» от дефекта типа «неправильная посадка подшипника», который в соответствии с нашей классификацией относится к уровню «подшипник». При наличии этого дефекта, на некоторых стадиях развития, в спектре вибрации появляются примерно одинаковые признаки распределения мощности между гармониками. Разделить эти две причины между собой достаточно сложно, но можно, если анализировать две основные особенности их проявления в вибрационных сигналах.

  • Во-первых, в «розе вибраций», построенной в плоскости, перпендикулярной оси ротора, при неправильной посадке подшипника есть четко выраженный максимум, это «вытянутый эллипс». При изгибе вала картина несколько иная, «роза вибраций» есть более круглый эллипс, очень близкий к окружности.
  • Во-вторых, фаза первой гармоники оборотной частоты для всех проекций вибраций, включая осевую проекцию, является при дефекте «изгиб вала» достаточно устойчивой, чего чаще всего не наблюдается при дефекте «неправильной посадка подшипника».

Работа агрегата с сильным дефектом типа «изгиб вала» приводит, как правило, к достаточно быстрому выходу агрегата из строя. Последней стадией развития такого дефекта являются «разбитые подшипники», недопустимое возрастание в них зазоров. На спектре вибрации это проявляется как картина ослабленной посадки элементов с большим количеством целых и дробных гармоник в спектре. Чем сильнее изгиб вала, тем большая мощность сосредоточена е «целых» гармониках вибрационного сигнала, значит тем больше зазоры в опорных подшипниках.

Финальная стадия развития дефекта типа «изгиб вала в шейке подшипника» всегда приводит к появлению «разбитых подшипников». Если проводить диагностику дефектов на этом этапе, то эти два дефекта уже не разделить. В этом нет ничего сильно плохого, главное во время остановить агрегат на ремонт.

Выбор диагностом того или другого типа дефекта, как первичной причины вывода оборудования из эксплуатации, значительно изменяет стратегию проводимого ремонта. Если принять за первопричину преждевременного останова оборудования дефект опорного подшипника, то последствия использования такой стратегии ремонта абсолютно предсказуемы. Ремонт, замена подшипника, состояние агрегата восстанавливается до нормального.

Однако достаточно скоро все повторяется, подшипник нужно будет неоправданно быстро менять, ремонт повторяется и повторяется. Далее еще предсказуемо, возникает ссылка на низкое качество ремонта, низкое качество подшипников, звучит классическая фраза о том, что «видимо агрегат уже старый», и самое плохое в этом то, что как обычно, никто не виноват. Виноватый есть, это тот диагност, который не смог дифференцировать дефект, для устранения которого необходимо банально «проточить» шейку вала в зоне опорного подшипника. К нашему сожалению, таких случаев в практике бывает немало.

Почему-то в наличие такого дефекта некоторые диагносты даже не верят. «Такого дефекта нет и быть не может, т. к. я в это не верю!» Такую фразу автору приходилось слышать не раз, причем даже от опытных специалистов с солидным стажем работы. Далее следуют ссылки на особенности терминологии и другие формальные и надуманные проблемы.

К нашему сожалению, такой дефект есть в практике, и его нужно диагностировать. И никакие «высокие комиссии», которые иногда создаются «на местах» для отрицания этого дефекта (и методов его диагностики), отменить его появление не могут. Такой дефект необходимо уметь диагностировать, и конечно необходимо уметь его устранять, что обычно не является непреодолимой проблемой для ремонтных служб.

3.2.2.2. Изгиб вала между подшипниками

Это тот случай, когда изгиб вала, которые еще предстоит выяснить диагносту, происходит внутри механизма. Под этим термином «внутри механизма» мы понимаем зону между двумя опорными подшипниками контролируемого механизма.

Возникновение дефекта такого типа сразу же приводит смещению масс ротора в зоне между подшипниками, и к появлению всех характерных признаков небаланса вращающихся масс ротора. При наличии достаточно больших консолей «снаружи» механизма, т. е. при больших внешних вылетах вала от подшипника, например, со стороны соединительной муфты, небаланс может проявиться и в этой зоне.

В спектре вибросигнала механизма с таким дефектом всегда появляется большая первая гармоника с устойчивой фазой – основной признак небаланса. Чаще всего так возникает динамический небаланс, хотя в самых «тяжелых случаях» это может быть и явно выраженным статическим небалансом.

Ротор при таком виде дефекта обычно балансируют в собственных подшипниках и пытаются устранить небаланс. Эта процедура хоть и позволяет существенно уменьшить первую гармонику в спектре вибрации, но основная картина небаланса продолжает сохраняться. Небаланс начинает «блуждать» внутри ротора. Образно говоря, устранение небаланса в одном месте приводит к его появлению в другом, что не очень нравится специалисту, проводящему балансировку. Все это относится к случаю установки корректирующих грузов на стандартных доступных плоскостях механизма.

Причина неудачи балансировки понятна. И небаланс, и изогнутый ротор имеют устойчивую фазу на первой гармонике, являющейся основной в спектре вибрационного сигнала. Этот признак обоснованно укрепляет мнение вибродиагноста в необходимости проведения балансировочных работ. После достаточно кропотливой работы квалифицированного специалиста первую гармонику все же удается снизить до приемлемого уровня, но общая вибрация ротора с изогнутым валом все равно остается значительной.

Снижение амплитуды первой гармоники может привести к парадоксальному результату, основная мощность вибрации может из первой гармоники перейти в гармоники с большим номером. Теперь диагностировать изогнутый вал в радиальном направлении приходится по второстепенным признакам, которые могут присутствовать в спектре вибросигналов, но могут, с той же, если не с большей вероятностью, и отсутствовать в регистрируемых вибрационных сигналах.

Работы, выполненные при стандартной балансировке, устраняют первую гармонику в вибрационном сигнале, зарегистрированном в радиальном направлении, но это приводит и к второму парадоксу. Условно можно сказать, что «задавливаются» основные признаки изогнутого вала, а сам дефект не устраняется. Конечно, с точки зрения успокоения агрегата все это не так и плохо, так как дало конкретный результат – вибрационное состояние агрегата несколько улучшилось. Однако это увеличило динамические нагрузки на ротор, и сам дефект типа изгиб вала, следовательно, и внешние вибрационные признаки небаланса, очень скоро появятся снова. Успех будет кратковременным.

Изгиб вала всегда необходимо пытаться отделить от других типов дефектов, приводящих к возникновению признаков небаланса масс ротора. Большое внимание в таких случаях следует уделять наличию и особенностям осевой составляющей вибрации, которую при балансировке чаще всего не удается сильно уменьшить и модифицировать, иногда она даже увеличивается.

Об этом практические специалисты по балансировке, проводящие такие работы, часто даже не знают, т. к. выполняют все свои действия с использованием стандартных рекомендаций, и обычно контролируют, например, только вертикальную составляющую вибрации. Почему-то все считают, что этого достаточно. Может быть это и правильно, но только не в случае устранения последствий искривления ротора.

Наиболее серьезными признаками наличия изгиба вала внутри механизма являются следующие признаки, справедливые даже после проведения «маскировочной» балансировки:

  • Общий уровень вибрации в радиальных проекциях регистрации вибрации достаточно велик, и обычно различается между собой не более, чем на 30 %;
  • Вибрация в осевом направлении максимальна, и даже после проведения балансировки значительно не снижается.
  • В спектре осевой вибрации присутствует максимальная первая гармоника, хотя могут быть вторая и третья и т. д., причем они тоже могут быть максимальными;

Диагностирование дефекта изогнутый вал существенно изменяет стратегию проведения ремонтных работ. Она предполагает проведение дополнительных диагностических работ на разобранном оборудовании, и, при подтверждении диагноза, принятие мер для устранения этого дефекта