3.3.1. Расцентровка валов в агрегате

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

3.3. Диагностика дефектов уровня «агрегат»

Взаимное положение центров валов двух соседних механизмов, в зоне их агрегатного соединения, измеренное при разобранной соединительной муфте, в практике принято характеризовать термином «центровка», или «расцентровка». Это проблема объединения двух, и более механизмов, в единый агрегат. Если оси валов двух механизмов идеально совпадают, т. е. один вал является как бы продолжением другого - говорят о хорошем качестве центровки валов механизмов в агрегате. Если же осевые линии валов не совпадают, то говорят о плохом качестве центровки, при этом используется термин «расцентровка валов в агрегате».

Реально «качество центровки» валов, не соединенных муфтой полностью определяется взаимным пространственным положением геометрических осей опорных вкладышей подшипников скольжения или качения в подшипниковых стойках или щитах отдельных механизмов. Поскольку валы отдельных механизмов в агрегате чаще всего имеют различные диаметры, то мы еще раз подчеркнем, что центровка валов (механизмов) производится не по опорным поверхностям подшипников, а по их геометрическим осям (центрам).

Очевидно, что измерение величины расцентровки валов лучше всего производить в зоне из сочленения, перед установкой соединительной муфты. В самом общем случае, качество центровки нескольких механизмов можно определить и по правильности монтажа линии вала агрегата, контролируемой по центрам опорных подшипников вала, хотя это сделать сложнее, так как расстояние между подшипниками многократно больше, чем между торцами центрируемых валов.

Расцентрованные валы двух механизмов конечно можно, пусть и принудительно, объединить в единый агрегат, используя соединительные муфты, что часто делается на практике. Однако ясно, что при работе так собранного агрегата будут иметь место повышенные вибрации, обусловленные увеличенными статических, а также и динамических нагрузок, вызванных изгибными усилиями, действующими на соединенные валы. Эти нагрузки будут воздействовать на опорные подшипники и муфту, и приводить к их повышенному износу.

Причин появления расцентровок в работающем, или во вводимом в работу, оборудовании достаточно много. Это процессы изготовления, монтажа, влияние технологических параметров, изменение свойств фундамента, искривление конструкций и подводящих трубопроводов под воздействием изменения температуры, изменение режима работы  оборудования, и т. д. Часть этих причин мы рассмотрим ниже, когда будем рассматривать особенности диагностирования данного дефекта в различных типах вращающегося оборудования.

При всем многообразии форм практического проявления расцентровки, можно выделить два основных вида этого дефекта, который согласно нашей классификации дефектов вращающегося оборудования относится к  уровню «агрегат»:

  • Параллельная, или сдвиговая расцентровка. Это параллельное взаимное смещение осей центрируемых роторов друг относительно друга.
  • Угловая расцентровка. Это излом оси агрегата в месте сочленения валов на некоторый угол. При этом в зоне муфты имеет место хорошее совмещение центров валов.

Чаще всего на практике расцентровка валов механизмов носит комплексный характер, в ней присутствуют признаки и параллельного, и углового взаимного смещения валов. В своем большинстве диагностические признаки обоих типов этого дефекта также примерно одинаковы. Мы раздели эти два проявления одного и того же дефекта на два только для того, чтобы лучше объяснить особенности их возникновения и диагностирования.

3.3.1.1. Общие вопросы диагностирования расцентровки

Приступая к описанию общих методов диагностирования расцентровки валов по спектрам вибросигналов, что соответствует теме главы 3 данной работы, мы должны сделать значимое методическое отступление. Это отступление базируется на реальных практических результатах.

Практика работы сотрудников нашей компании по диагностике различных причин повышенной вибрации в оборудовании различными методами, достаточно обширная по объему, охватывающая большое количество реальных измерений, дала для диагностики расцентровок несколько неожиданный практический результат. Он заключался в том, что применение спектральных методов диагностики для выявления дефекта типа «расцентровка», при достаточно большой общей трудоемкости выполняемых работ, не дает нужной практической  эффективности.

Лучшие результаты, с точки зрения достоверности диагнозов, были получены при выявлении расцентровок с использованием более простых методов пространственного анализа интегральных параметров вибросигнала, таких, как СКЗ (среднее квадратичное значение) виброскорости, описанных выше, в разделе 2.

Попробуем кратко пояснить это, на первый взгляд парадоксальный результат, заключающийся в том, что более простые методы вибрационной диагностики более эффективны для практической деятельности. Напомним, что все написанное ниже справедливо только при диагностике расцентровки валов механизмов в агрегате.

Известно, что основными диагностическими признаками наличия расцентровки в агрегате, появляющимися в спектре вибросигнала, является наличие трех основных гармоник оборотной частоты - первой, второй и, довольно часто, третьей. Однако такой набор гармоник не является уникальным, он появляется в спектре вибросигнала и при наличии целого ряда других причин повышенной вибрации оборудования. Это и ослабление крепления агрегата к фундаменту, и дефект посадки подшипника, и изгиб вала и т. д.

Принять «однозначное диагностическое решение», базируясь только на основе анализа спектра вибросигнала, что причиной повышенной вибрации данного агрегата является только расцентровка, является достаточно сложной задачей. Обычно диагностические заключения в этом случае являются довольно сложной логической функцией, в которой говориться о наличии расцентровки, как возможного дефекта. Завершается такое заключение обычно дежурной фразой «о необходимости проведения дополнительных исследований, которые и помогут повысить достоверность диагностики».

Кроме более высокой достоверности и меньшей трудоемкости проведения диагностических работ по выявлению расцентровок по общему уровню вибросигналов, можно отметить большую наглядность и «прозрачность» этого метода диагностики. На основе нашего опыта обучения сотрудников служб вибрационной диагностики можно сделать следующий вывод. Если для обучения методике диагностики расцентровок по СКЗ виброскорости было достаточно и одного дня, то достаточно уверенной диагностики этой же причины, но при помощи спектров вибросигналов, удавалось добиться только через несколько месяцев.

Тем не менее, поскольку целью и предметом данного раздела является рассмотрение возможностей применения спектральных методов, то именно их мы и будем рассматривать.

Для начала приведем самые общие вопросы и рекомендации, которых необходимо придерживаться при выполнении вибрационной диагностики расцентровок в оборудовании по спектрам вибросигналов. Таких рекомендаций достаточно много, но мы уделим основное внимание четырем:

  • Во-первых, хотелось бы предостеречь читателей от категорических заявлений по поводу наличия или отсутствия расцентровки в контролируемом агрегате, особенно если Вы сделали только один замер на одном подшипнике и в одном направлении. При появлении предположения о возможности наличия расцентровки в районе данной соединительной муфты необходимо выполнить полный комплекс измерений вибрации, как минимум, на двух подшипниках с двух сторон муфты, на каждом в трех проекциях. Более полное диагностическое заключение может быть получено только в том случае, когда измерения вибрации будут выполнены на всех подшипниках двух агрегата.
  • Во-вторых, регистрировать необходимо не спектр вибросигнала, а временной сигнал, желательно виброскорости. Сама форма вибрационного сигнала много говорит опытному диагносту о характере происходящих в оборудовании процессов. Мало того, что мы понимаем, что вторая, четная гармоника, приводит к несимметрии вибросигнала относительно временной точки, главное, что на временном сигнале можно очень хорошо увидеть соударения в муфте. Измерение в размерности виброскорости – это возможность правильно оценить разрушающее энергетическое воздействие возможного дефекта на конструкцию агрегата.
  • В-третьих, важным фактором для диагностики расцентровки является знание начальной фазы колебаний, особенно для первой и второй гармоник. Предпочтение, если это только возможно, нужно отдавать регистрации синхронизированных, а лучше синхронных вибросигналов. Можно смело утверждать, что знание начальной фазы вибрации, особенно синхронно по всем подшипникам агрегата, повышает итоговую достоверность диагностики расцентровки очень сильно, может даже в два раза.
  • В-четвертых, нужно достаточно хорошо и подробно представлять конструкцию и принцип работы диагностируемого агрегата, а особенно соединительной муфты, понимать процессы, в ней происходящие. Только это дает возможность правильно дифференцировать в общей вибрации ту ее часть, которая является наведенной от расцентровки.

Расцентровка является частой и распространенной причиной повышенной вибрации в оборудовании. Во время проведения нами первичных массовых обследований на предприятиях, которые раньше не занимались проблемами вибрационной диагностики, количество работающих агрегатов с неудовлетворительным качеством центровки доходило до 50 - 70 % от общего числа эксплуатируемых агрегатов.

Один из самых первых признаков возникновения (наличия) расцентровки валов в агрегате - наличие увеличенных радиальных вибраций на подшипниках с двух сторон муфты при достаточно низких вибрациях в других точках. По направлению эти вибрации обычно сосредоточены почти полностью в плоскости расцентровки. По крайней мере, мы имеем не менее чем двукратное различие в уровне вибрации, измеренной в наших двух стандартных направления – «В» и «О».

Для более точного определения направления смещения валов можно воспользоваться очень простым правилом - необходимо построить график распределения амплитуды вибраций в радиальном направлении, в функции угла установки датчика на подшипнике. Датчик переставляется вокруг по подшипнику, каждый раз точка замера переносится на 30 - 45 градусов по направлению или против направления вращения ротора.

В итоге можно будет построить круговой график распределения вибрации, своеобразную «розу радиальных вибраций», которую мы назвали так по аналогии с «розой ветров» в науках о климате. При наличии в агрегате расцентровки, в такой «розе вибраций» чаще всего будут два явно выраженных амплитудных пика, расположенных диаметрально противоположно. Если аналогичная картина будет на подшипнике другого механизма, расположенном «через муфту», то вероятность наличия (диагностирования) расцентровки в контролируемом агрегате будет очень высока.

Если аналогичная картина будет выявлена на всех 4 подшипниках агрегата, состоящего из двух сочлененных механизмов, то вероятность наличия расцентровки будет еще выше. Мы не будем подробно пояснять это заявление, надеемся, что читатель сам проведет такой, достаточно простой анализ, и согласиться с нами.

Этот диагностический признак – наличие пиков на «розе вибрации» - справедлив как для СКЗ виброскорости, так и для амплитуды первой, и особенно второй гармоники в спектре сигнала вибрации. С точки зрения спектрального анализа это признак больше относится к сфере, в которой рассматриваются взаимные фазы радиальной вибрации в различных направлениях, применительно к разным гармоникам. Мы немного коснемся этого в следующих подразделах, относящихся к анализу различных практических проявлений расцентровки.

С точки зрения спектрального анализа вибрационных сигналов имеет место характерное изменение спектрального состава сигналов. В основном наблюдается резкое увеличение амплитуды второй гармоники оборотной частоты, а иногда и третьей гармоники. Возрастание второй гармоники в спектре вибросигнала объясняется достаточно просто - процессы от некачественной центровки валов, вследствие неправильного монтажа подшипников, повторяются дважды за один оборот вала, т. е. с двойной частотой.

Спектр осевой составляющей вибрации при расцентровке также всегда несет в себе характерные особенности - практически всегда есть вторая и третья гармоники, хотя амплитуда вибрации в осевом направлении может возрасти не так очень значительно, как в радиальном направлении.

Эти заключения носят общий характер, и в ряде практических случаев могут иметь значительные отличия, основные из которых мы рассмотрим ниже.

3.3.1.2. Угловая расцентровка

Причин возникновения угловой расцентровки линии вала агрегата достаточно много, но чаще всего это связано с особенностями монтажа агрегата. Линию вала при монтаже могут «сломать» как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной.

В вертикальном направлении появление угловой расцентровки чаще всего вызывается неправильным выбором толщины прокладок под подшипниками со стороны муфты, и под «полевыми» подшипниками, расположенными «снаружи» агрегата. Причин возникновения таких ошибок достаточно много, и мы не будем их касаться. Скажем только одно, чем выше квалификация монтажной бригады, тем меньше шансов неправильно смонтировать линию вала агрегата.

В горизонтальной плоскости расцентровка «по раскрытию муфты» также обычно возникает за счет ошибок монтажа. Правильно выставить линию вала длинного агрегата достаточно сложно, особенно в случае, когда отдельные механизмы в агрегате имеют различные габаритные размеры и монтажную высоту.

В отличие от рассмотренного выше небаланса масс ротора, который может возникать по целому ряду причин, как «рукотворных, так и технологических, угловая расцентровка валов в агрегате, практически всегда, является «рукотворным дефектом», вносимым персоналом монтажной бригады. Трудно даже представить ситуацию, когда этот дефект самопроизвольно возникает в процессе работы, разве только при каких-либо тепловых, достаточно экзотичных, воздействиях на агрегат.

Для иллюстрации основных признаков угловой расцентровки, проявляющихся в спектре сигналов вибрации, рассмотрим небольшой практический пример. В качестве такого примера возьмем многоступенчатый насос мощностью 1600 кВт для закачки воды в нефтяной пласт, приводимый во вращение синхронным электродвигателем с напряжением питания обмотки статора 6 кВ. Частота вращения ротора насоса равна 3000 оборотов в минуту.  

Рис. 3.2.2.1. Спектры вибрации при наличии угловой расцентровки Спектры вибросигналов, зафиксированные на подшипнике электродвигателя, расположенном рядом с муфтой, показаны на рис. 3.2.2.1. Здесь, как и везде в тексте данной работы, приведены «характерные вибрационные сигналы и спектры». Они отличаются от получаемых на практике некоторой «рафинированностью», т. е. в них отсутствуют второстепенные признаки других дефектов, и вредные помехи. Исключение составляют случаи, когда мы специально обращаем внимание читателя на такие составляющие, только тогда мы включаем их в наши графики и логические рассуждения.

Как минимум, в одном из радиальных направлений измерения вибрации преобладающей является вторая гармоника в спектре. Достаточно часто это проявляется в обоих радиальных направлениях, вертикальном и поперечном.

Угловая расцентровка обычно характеризуется достаточно высоким общим уровнем осевой вибрации. Особенностью угловой расцентровки является то, что максимум мощности осевой вибрации сосредоточен, чаще всего, или на первой или на второй гармониках частоты вращения ротора.

Бывают случаи максимума и на третьей гармонике, это все зависит от типа муфты и геометрического положения роторов в пространстве. В приведенном примере максимум мощности осевой вибрации сосредоточен на первой гармонике.

Третья гармоника вибросигнала может иметь максимум при наличии наклона оси ротора относительно горизонтали, когда ротор «скатывается» под своим собственным весом по направлению к муфте. Это достаточно сложный процесс, в который вмешиваются усилия осевого центрирования валов в отдельных механизмах. В нашем примере это могли бы быть усилия электромагнитной осевой стабилизации ротора относительно статора, для электродвигателя, и усилия от узла осевой разгрузки рабочего колеса в насосе. Все эти три осевых усилия в сумме могут давать очень сложную вибрационную картину.

При угловой расцентровке фаза осевой составляющей вибрации чаще всего изменяется на 180 градусов с двух сторон полумуфты. На практике, но достаточно редко, встречаются случаи, когда фазы вибрации на двух подшипниках могут совпадать.

Фаза гармоник в радиальном направлении может быть не полностью устойчивой. Это хорошо согласуется с картиной физических процессов в агрегате при угловой расцентровке, когда основой являются осевые удары полумуфт друг о друга, а радиальные усилия и вибрации являются уже вторичными, по сравнению с осевыми усилиями.

При устранении этой расцентровки насоса для закачки воды в пласт, спектры вибросигналов которого приведены на рисунке, во время проведения плановых ремонтных работ, было выявлено, что она имела в своем составе так же и небольшую параллельную (сдвиговую) компоненту.

3.3.1.3. Параллельная расцентровка

Классические случаи возникновения параллельной расцентровки на практике выглядят, например, следующим образом.

  • При проведении монтажных работ подшипники одного механизма сдвинули по горизонтали в ту, или иную сторону на одинаковое расстояние.
  • Или при монтаже агрегата, на последнем этапе работ, «полевые» подшипники механизмов сдвинули в разные стороны.
  • Центровку валов неподвижных механизмов выполнили хорошо, но не учли, что на одном механизме были подшипники качения, а на другом подшипники скольжения. При работе вал «всплыл» на масляном клине подшипников скольжения (параллельно) вверх.

Таких, на первый взгляд курьезных случаев, на практике случается очень много.

Рис. 3.2.2.2. Спектры вибрации при наличии параллельной расцентровки Параллельный тип расцентровки часто имеет аналогичные вибрационные симптомы с угловой расцентровкой, но при нем максимально высокой является радиальная вибрация, вертикальная и (или) поперечная.

На рис 3.2.2.2., для примера, приведены спектры трех вибрационных сигналов, зарегистрированных на одном подшипнике, характерные для параллельной расцентровки валов в агрегате.

На рисунке хорошо видно, что соотношение первой и второй гармоник оборотной частоты в радиальном направлении, при параллельной расцентровке, всегда примерно одинаковое - вторая гармоника превышает первую гармонику по амплитуде. Превышение может быть весьма существенным, в несколько раз.

Абсолютное значение амплитуд первой и второй гармоник определяется, в основном, двумя параметрами - величиной имеющейся расцентровки и типом и конструкцией муфты. О влиянии типа муфты на характер расцентровки достаточно подробно будет сказано ниже, в следующем разделе.

Осевая составляющая вибрации при параллельной расцентровке обычно возрастает незначительно, за исключением случая расцентровки на изношенной муфте. При такой муфте в осевой составляющей обычно бывает максимальной вторая гармоника вибросигнала, третья же бывает редко, только при специфических износах соединительных муфт.

При параллельной расцентровке в спектре могут быть увеличенными гармоники с частотой, равной «характерным параметрам муфты». Это может быть число пазов в муфте, число характерных зубцов, количество соединительных болтов, и т. д. Объясняется это тем, что именно через эти элементы передаются динамические усилия, обязательно возникающие при расцентровке.

Фаза радиальной составляющей вибрации на подшипниках двух механизмов, со стороны муфты, различается ровно на 180 градусов. Если признаки параллельной расцентровки валов механизмов имеют место и на «полевых» (внешних) подшипниках механизмов, то и там фаза отличается на 180 градусов, относительно «внутреннего» подшипника данного механизма. В этом случае, если последовательно переходить от подшипника к подшипнику вдоль всего агрегата, то каждый раз фаза вибрации будет изменяться на 180 градусов. Мы не будем подробно описывать причину возникновения этой особенности параллельной расцентровки, предоставив право сделать это нашему читателю. В этом нет ничего сложного.

3.3.1.4. Влияние типа соединительной муфты на проявление расцентровки

Всем знаком термин, используемый в политике – «серый кардинал». Этот та личность, которая, говоря реально, определяет поведение королей и других правителей. Так вот в любом дефекте с наименованием «расцентровка» есть свой «серый кардинал», который практически полностью определяет особенности проявления и диагностики этого дефекта. Имя этому «серому кардиналу» – соединительная муфта. В зависимости от типа муфты, соединяющей валы двух механизмов в единый агрегат, значительно изменяется общая и спектральная вибрационная картина проявления расцентровки.

Повторим это же высказывание, но несколько иначе. Картина вибраций на подшипниках контролируемого агрегата, возникающая при расцентровке валов двух механизмов, зависит от многих параметров, но в наибольшей степени зависит от типа и конструкции соединительной муфты и от ее технического состояния.

Все многообразие применяемых на практике соединительных муфт, исходя из основных конструктивных особенностей, можно свести в три основные группы:

  • Жесткие муфты.
  • Гибкие муфты.
  • Подвижные муфты с гистерезисом.

Рассмотрим особенности влияния каждого из этих типов муфт на вибрационную картину, сопровождающую расцентровку валов двух механизмов. Причем эти особенности, чаще всего, будут справедливы как при угловой, так и при параллельной расцентровке. 

Соединение валов механизмов при помощи жесткой муфты

Жесткой называется такая муфта, при помощи которой валы двух механизмов могут быть объединены практически в единое целое. Жесткие муфты используются в крупных агрегатах, т. к. способны передавать через себя большие усилия.

После монтажа жесткой муфты оси валов двух механизмов агрегата, в точке их соединения, обязательно будут совпадать. При наличии расцентровки, а именно такой случай и интересует нас, такое совпадение тоже будет создано, но принудительно. Возникнет некоторое противоречие – расцентровка по осям подшипников существует, но в точке соединения валов в агрегат их оси будут совпадать. Вполне очевидно, что это может быть реализовано только за счет принудительного прогиба валов механизмов, которые выгнуться по идеальной кривой линии, проложенной по осям четырех подшипников агрегата. Также очевидно, что форма этой линии зависит от особенностей конструкции роторов, их диаметров, жесткости и т. д., но мы этого вопроса касаться не будем, это предмет отдельного разговора.

Приведенная картина соответствует ситуации выведенного из работы агрегата, моменту проведения монтажа и объединения отдельных механизмов в единый агрегат. Нас же больше всего интересует вопрос, а что же произойдет, если такой агрегат будет введен в работу, каким образом будет проявляться реально существующая расцентровка в вибрационных сигналах?

Вопрос диагностирования расцентровки в агрегате с жесткой муфтой, если в качестве источника информации используются вибрационные сигналы, является достаточно сложной задачей. Он распадается на два практических случая, различающихся типом имеющейся в агрегате расцентровки. Причем все особенности вибрации опорных подшипников будут зависеть не только от правильности монтажа линии агрегата по осям подшипников, но и от правильности монтажа жесткой муфты, от ее технического состояния.

Первый практический случай

Мы имеем агрегат с расцентровкой по осям подшипников, и используемая жесткая муфта не имеет дефектов, а также правильно смонтирована. Этому случаю соответствует парадоксальное заключение - в таких условиях мы вряд ли сможем диагностировать в агрегате расцентровку, используя для этого спектры вибросигналов.

Попробуем пояснить это подробнее. Расцентровка валов в агрегате, при использовании исправных жестких муфт, и подшипников скольжения, сама по себе не создает периодических возмущающих сил, действующих на подшипники. Имеется только статическое нагружение подшипников в плоскости расцентровки, но оно не сказывается в спектре вибрационного сигнала, т. к. в нем «видны» только периодически действующие силы и вибрации.

Результатом этого достаточно простого заключения и являются большие последствия - диагностировать расцентровку валов, соединенных жесткой муфтой, при помощи методов спектральной вибрационной диагностики достаточно трудно.

В этом есть одно исключение. Все вышесказанное справедливо в том случае, если ротора механизмов имеют одинаковую радиальную симметрию, и жесткость. В исключение попадают ротора турбогенераторов, имеющую различную жесткость в направлении оси магнитных полюсов, и в перпендикулярном направлении. Причина наличия такой неодинаковой жесткости неявнополюсного ротора обусловлена неравномерным распределением по поверхности ротора пазов, в которых располагается обмотка возбуждения.

Именно неодинаковая жесткость ротора будет модулировать статическую нагрузку на подшипники, обусловленную расцентровкой «в жесткой муфте». В результате в спектре вибрации появиться максимальная вторая гармоника – основной признак расцентровки. Амплитуда этой гармоники будет пропорциональна функции двух параметров – величины расцентровки и величины отличия жесткости ротора в направлении оси полюсов и в перпендикулярном направлении.

При отсутствии дефекта монтажа муфты, и при наличии двух симметричных роторов, диагностику расцентровки в жесткой муфте можно все - таки выполнить, но при этом эту процедуру следует производить другими, более «специфическими» методами диагностики. Такая расцентровка может быть диагностирована на основании анализа распределения СКЗ виброскорости по подшипникам по всем трем направлениям, причем и это будет сделать достаточно непросто.

Второй практический случай

Мы также имеем агрегат с расцентровкой, но в этом случае жесткая муфта или имеет дефекты, или неправильно, т. е. с перекосом, смонтирована. Должен иметь место дефект монтажа или состояния муфты, который на практике характеризуют термином «колено». В этом случае мы достаточно легко сможем диагностировать расцентровку по спектрам вибрационных сигналов.

Если «колено» в муфте, хоть в малой степени, присутствует, то диагностика расцентровки возможна, но при этом будет диагностироваться не расцентровка, а интегральный специфический параметр, который можно условно определить как «произведение расцентровки на колено». Это происходит потому, что сам дефект типа «колено» является той лакмусовой бумагой, которая приводит к появлению в спектрах вибросигналов характерной картины и позволяет выявлять расцентровку. Чем «сильнее будет колено», тем более сильной будет казаться расцентровка.

В этом случае, для общности понимания термина «успокоение агрегата», можно вернуться к разделу о диагностике небаланса, где мы рассматривали похожий практический случай. В том случае описывался практический пример, когда процедура устранения небаланса механизма «устранила» дефект фундамента агрегата, и еще ряд других опасных дефектов. Здесь мы имеем аналогичную диагностическую картину, когда устранение «колена» в муфте приведет к «условному» устранению расцентровки по осям опорных подшипников агрегата. Произойдет классическое «успокоение агрегата», выражающееся в снижении вибрации опорных подшипников. При этом сам дефект типа «расцентровка» останется, но явно проявляться в вибрационных сигналах он не будет.

В целом все рассуждения о диагностике расцентровки валов, соединенных жесткой муфтой, можно заключить следующим. Диагностировать такую расцентровку сложно, но крайне важно. Это обусловлено тем, что при помощи жестких муфт объединяются механизмы в наиболее ответственных и дорогих агрегатах.

Гибкая муфта

Примером такой муфты служит линзовая муфта, в которой валы механизмов соединяются при помощи элемента специальной формы, напоминающего по форме один элемент барометрической коробки. В небольших агрегатах гибкая муфта может иметь очень упрощенную конструкцию, например, она может быть собрана при помощи нескольких согнутых гибких пластин.

В спектре вибрации, зарегистрированной на подшипниках вблизи такой муфты с расцентровкой, характерные спектральные признаки расцентровки видны почти в классическом проявлении. В радиальном направлении, в направлении основной плоскости расцентровки происходит общее увеличение вибрации, особенно второй гармоники оборотной частоты. В осевом направлении сильно вырастают вторая и третья гармоники.

Реакцию гибкой муфты на степень расцентровки валов (по осям опорных подшипников) можно характеризовать термином «нелинейная связь величины вибрационных признаков от величины расцентровки».

При начальном появлении расцентровки практически все признаки компенсируются самой муфтой, которая не зря называется гибкой. По мере роста величины расцентровки валов она будет все в меньшей степени компенсироваться гибкостью муфты, и вибрация опорных подшипников будет возрастать.

Начиная с некоторого значения, будет наблюдаться  практически прямая связь между величиной расцентровки и уровнем вибрации, вызванным этой расцентровкой. Это значение определяется величиной допустимой расцентровки, которую, исходя из конструктивных особенностей, может «сгладить» гибкая муфта.

С точки зрения процедуры диагностики расцентровки валов, соединенных гибкой муфтой, можно сказать следующее. Наиболее уверенно можно диагностировать этот дефект в том случае, когда величина расцентровки равна или превышает возможности гибкой муфты. При меньших значениях смещения валов механизмов (опорных подшипников) диагностические признаки в спектре вибросигнала будут «смазанными», т. е. непропорционально малыми.

Подвижная муфта с гистерезисом

В этот класс можно отнести те муфты, которые в пределах небольших взаимных смещений полумуфт могут вести себя как подвижное соединение валов, а при больших смещениях они ведут себя как жесткие или гибкие муфты. К ним можно отнести зубчатые муфты, разнообразные пальцевые и кулачковые, пружинные и т. д.

Величина допустимого взаимного смещения валов механизмов, при котором не возникает увеличения вибраций, нагрузок на опорные подшипники, определяется конструкций муфты. Именно это значение допустимого смещения и может рассматриваться как величина гистерезиса муфты.

При наличии в агрегате расцентровки, но когда не происходит выход из диапазона допустимых смещений полумуфт относительно друг друга, выявить эту расцентровку средствами вибрационной диагностики достаточно сложно. Самым интересным в этом случае является то, что даже если ее и удастся выявить, то устранять нет необходимости. Состояние центровки агрегата является в этом случае конструктивно допустимым, на которое и рассчитана используемая муфта.

Расцентровка такого уровня будет диагностироваться по вибрационным сигналам, например, при использовании зубчатой муфты, но только при наличии внутренних дефектов в самой муфте. Наиболее часто встречающимся дефектом муфт с гистерезисом является питтинг - выкрашивание металла с соприкасающихся поверхностей полумуфт. 

На начальных этапах развития питтинга в районе первой и второй оборотных гармоник появляются специфические «горбы», поднятия на спектре. Появление этих поднятий на спектре объясняется проблемами передачи вращающего момента от двигателя к исполнительному механизму через зону дефектного зуба. Максимальная нагрузка на этот дефектный зуб ложиться дважды за один оборот вала. По мере развития зоны дефекта увеличивается зашумленность спектра вибросигнала. Последняя фаза питтинга – сваривание полумуфт за счет перегрева, «переводит» зубчатую муфту из категории гибких, в категорию жестких муфт, со всеми вытекающими отсюда диагностическими подробностями.

В заключение отметим, что если величина расцентровки выходит за значения, на которые рассчитана подвижная муфта, то имеет место значительное увеличение мощности вибрационных сигналов. В спектре появляются классические вторая и третья гармоники, спектр вибросигнала зашумлен вблизи оборотных гармоник, но это наблюдается только при больших расцентровках.

В этом состоит коренное отличие методов вибрационной диагностики расцентровок от методов непосредственного контроля смещения валов, например, при помощи лазерных приборов центровки. В вибросигнале явные признаки расцентровки появляются только тогда, когда расцентровка по своей величине превысит смещение, допустимое для конструкции данной муфты.

При использовании одновременно двух методов контроля качества центровки, например, по вибрации и при помощи лазерного прибора центровки, могут возникнуть сложности, связанные с трактовкой противоречивых заключений. Например, лазерный прибор может показать наличие расцентровки, но при этом по вибрации она не будет диагностироваться. Такое противоречие может иметь место в муфте с гистерезисом, когда смещение валов есть, но величина этого смещения валов меньше значения, допустимого для данной муфты.

Лазерный прибор покажет истинное смещение валов в неработающем агрегате, а вибрационные методы позволят сделать заключение, что такая расцентровка не сказывается на работе агрегата. Заключения двух методов становятся одинаковыми в том случае, когда смещение валов в зоне соединения превысит допустимые компенсационные возможности используемой соединительной муфты.

Расцентровка на изношенной муфте

Как уже говорилось выше, наличие в агрегате признаков расцентровки позволяет диагностировать, делать «видимым» техническое состояние соединительных муфт с гистерезисом. Опять возвращаясь к методике «успокоения» агрегатов, можно сказать, что если расцентровки нет, то большинство дефектов в соединительных муфтах не мешает нормальной работе оборудования. Иными словами, опытный диагност может устранить дефект соединительной муфты, устранив расцентровку.

По этой причине мы выделили отдельно случай, когда соединительная муфта имеет дефекты, а в агрегате присутствует расцентровка. В этом случае мы может средствами вибрационной диагностики выявлять и дифференцировать оба этих опасных дефекта вращающегося оборудования.

Динамические усилия, возникающие при расцентровке валов, воздействуют на опорные подшипники, повышая уровень вибрации. Это позволяет оценивать изношенность муфты и целостность конструктивных элементов. Картина проявления дефектов зависит от типа муфты, она различна в зубчатых муфтах, пальцевых, пружинных и т. д.

Рис. 3.2.2.3. Спектр вибрации на подшипниках агрегата при наличии изношенной муфты Рассмотрим проявление расцентровки на примере зубчатой соединительной муфты, у которой, по тем или иным причинам, произошел значительный износ зубчатых пар, увеличились зазоры в зубчатых соединениях.

Пример спектра вибрации в вертикальном направлении, при наличии параллельной расцентровки, показан на рисунке 3.2.2.3. На рисунке хорошо видны первые две гармоники оборотной частоты, свойственные сдвиговой расцентровке, и несколько меньшая по величине третья гармоника.

Далее, до восьмой гармоники, и даже дальше, до двенадцатой, чего на спектре не видно, следуют гармоники, свойственные механическому ослаблению. По амплитуде эти гармоники в примерно два раза меньше гармоник от расцентровки.

Такая спектральная картина говорит о достаточно сильном развитии серьезного и опасного дефекта - износе зубчатого зацепления в муфте. Если бы на спектре гармоники от ослабления почти сравнялись бы с гармониками от расцентровки, то можно было говорить о почти полной деградации зубчатых пар в муфте.

Стратегий для обеспечения дальнейшей безаварийной эксплуатации данного агрегата может быть две. Необходимо или отремонтировать, или заменить муфту, или же добиться идеальной центровки валов механизмов в агрегате, исключающей появление радиальных усилий в муфте.

3.3.1.5. Технологическая расцентровка валов

В этом пункте хочется еще раз указать на существование целого класса специфических видов расцентровки, носящими «блуждающий» характер. При определенных условиях работы оборудования такие расцентровки диагностируются по спектрам вибросигналов, а при других условиях - нет. В одних случаях они на самом деле возникают и исчезают, а в других случаях они просто мастерски «маскируются». Тем не менее, такие расцентровки, как минимум, необходимо уметь диагностировать и выявлять, а еще лучше устранять.

Причин появления таких расцентровок достаточно много, мы только укажем основные из них. Это может быть:

  • Неодинаковые тепловые изменения линейных параметров подшипниковых опор, приводящие к различным взаимным смещениям центров подшипников в пространстве. Разные подшипниковые стойки могут иметь разную температуру, в силу различных причин, что скажется на их линейных размерах. Самым сложным здесь является то, что температура отдельных подшипниковых стоек является сложной функцией большого числа внешних и внутренних параметров диагностируемого агрегата.
  • Неравномерные тепловые линейные расширения (продольные) больших агрегатов под воздействием разогрева в процессе пуска или при изменении режимов работы. При таких линейных расширениях могут происходить различные заедания и перекосы, которые и вызовут расцентровки, имеющие «блуждающий» характер.
  • Различная степень «технологической стабилизации» или, наоборот, «технологической нестабильности» роторов, возникающей при изменении режимов работы контролируемого агрегата. Это может возникнуть, например, при наличии дефектов в направляющем аппарате насосов и турбин, которые могут привести к возникновению «стационарного» изгиба ротора в одном (в неподвижных координатах) направлении. Такой изгиб вала будет давать стандартную вибрационную картину расцентровки. Хотя, если в этом случае мы попытаемся определить классические признаки расцентровки, как изгиб линии вала агрегата по осям опорных подшипников, то никакой расцентровки не будет.
  • Различные тепловые деформации присоединенных к агрегату конструкций, например, тепловые деформации трубной обвязки насосов. С такими случаями приходилось встречаться автору, когда уровень вибрации имел классический суточный тренд, связанный с температурой окружающей среды. Так происходило потому, что трубопроводы к диагностируемому насосу проходили по улице. Аналогичным может быть влияние от искривления фундаментов, при изменении температуры окружающей среды, смены времен года и т. д., также приводящие к искривлению идеальной линии вала.

Наиболее важным вопросом, который приходится решать при диагностике таких «блуждающих» расцентровок, является выявление основных причин, приводящих к появлению тепловых (технологических) расцентровок. Если такую причину, пусть даже в результате длительных исследований, удается выявить, то вероятность устранения такого дефекта достаточно высока.

Наш краткий обзор случаев нестандартного проявления расцентровки не претендует на абсолютную полноту. Нам кажется, что каждый специалист по вибрационной диагностике, имеющий достаточный практический опыт, может и сам привести немало интересных и поучительных случаев, связанных с диагностикой и устранением таких «блуждающих» расцентровок. Такие случаи всегда очень хорошо помнятся, ведь не зря говорят, что самыми любимыми являются дети, с которыми было много забот.