3.2.3. Механические ослабления

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

3.2. Дефекты оборудования уровня «механизм»

Это обобщенное название целого ряда специфических дефектов оборудования, имеющих различную причину возникновения, локализацию и по-разному влияющих на состояние агрегатов. Достаточно часто под термином «механическое ослабление» понимается сумма нескольких различных дефектов, имеющихся в конструкции, или являющихся следствием особенностей эксплуатации.

Все разнообразие проявлений ослабления связей между элементами механизмов и агрегатов имеет ниже общее название «механические ослабления» по одной простой причине - в спектрах вибросигналов все они дают качественно примерно одинаковые картины.

Механические ослабления довольно часто характеризуют вторым термином, применяемым на практике для обозначения таких дефектов, это слово «люфт», понятное всем сотрудникам механических служб. Мы не используем в данном разделе этот термин в качестве основного только по одной причине – он не охватывает все возможные проявления механических ослаблений.

Возникновение механических ослаблений автоматически приводит к тому, что в процессе работы контролируемого оборудования, по тем или иным причинам, возникают соударения деталей или элементов агрегатов, между которыми ослабли механические связи. Соударения могут происходить как между элементами на вращающемся роторе, так и между неподвижными элементами механизмов, фундамента, а также между подвижными (вращающимися) и неподвижными частями агрегата.

В любом случае, для проявления механических ослаблений в вибрационных сигналах, должны существовать динамические факторы, приводящие к усилиям, заставляющим элементы перемещаться, и соударяться друг с другом. При отсутствии таких возбуждающих сил механические ослабления в конструкции могут не проявляться.

Мы уже выше рассматривали практические случаи, в которых возбуждающие силы были обусловлены наличием в контролируемом агрегате других дефектов, например, небаланса или расцентровки. Если эти «первичные» дефекты устранялись, то и проявления механических ослаблений в спектрах вибрационных сигналов исчезали. Это вполне понятно, ведь исчезали возбуждающие силы.

Механические ослабления не всегда являются «вторичным» дефектом во вращающемся оборудовании, диагностируемым при наличии возмущающих конструкцию «первичных» дефектов. Достаточно часто и механические ослабления сами являются «первичным» дефектом, всегда вызывающим увеличение вибрации агрегата. Особенно часто это случается в механизмах возвратно - поступательного принципа действия или имеющих такие узлы. Знакопеременные нагрузки – наиболее часто встречающаяся причина появления вибраций от механических ослаблений в различных механизмах.

3.2.3.1. Общие вопросы диагностики ослаблений

Происхождение механических ослаблений во вращающемся оборудовании весьма многообразно, связано с большим количеством различных параметров конструкции, монтажа и эксплуатации. В целом все обилие механических ослаблений можно разделить на две большие группы:

  • Механические ослабления, являющиеся дефектом изготовления, сборки и монтажа вращающегося оборудования. К ослаблениям этой группы следует относить всевозможные чрезмерно свободные посадки деталей вращающихся роторов, сопряженные с наличием нелинейностей типа «люфт». Ослабления такого типа могут иметь место в опорных подшипниках любого типа, соединительных муфтах, в элементах самих механизмов, в опорных фундаментах и даже конструкциях зданий.
  • Механические ослабления, являющиеся результатом естественного износа элементов конструкции агрегата, следствием аварийного и внезапного разрушения  элементов конструкции. Ослабления могут возникать при неправильной эксплуатации оборудования, нарушении режимов работы. В эту же группу следует относить всевозможные трещины и дефекты в конструкции и фундаменте, возникшие в процессе эксплуатации контролируемого оборудования.

Деление причин возникновения механических ослаблений на эти две группы является достаточно условным. И в том, и в другом случаях характерные признаки дефекта в спектре  вибросигнала, примерно одинаковы. Важно, что эта диагностическая похожесть наблюдается в спектрах вибрационных сигналов, как в качественном, так и в количественном соотношении.  Просто таким делением хотелось еще раз подчеркнуть, что реальные причины возникновения механических ослаблений значительно различаются.

Форма временного вибросигнала при механических ослаблениях содержит в себе значительную нестационарную, непериодическую компоненту, которая приводит к тому, что даже от оборота к обороту форма сигнала может сильно меняться. По форме временного сигнала проводить диагностику механического ослабления достаточно сложно, так как она часто непостоянна, имеет случайные пики и сдвиги. На временном сигнале имеется большое количество пиков от соударений, которые носят, на первый взгляд, хаотический характер. Такая форма временного сигнала обычно сопровождает все дефекты типа «механическое ослабление» или «люфт».

Причина изменчивости формы вибрационного сигнала при механических ослаблениях легко объяснима. Самой простейшей моделью возникновения этой особенности является всем известная «важная прикладная процедура - перемешивание чайной ложкой сахара в стакане», это упрощенная до предела модель механического ослабления. Проводя этот «практический» эксперимент читатель легко убедится, что удары ложкой о стенки стакана каждый раз будут происходить в разных, всегда случайных точках. Ударов возникает много, места ударов различны, интервал времени между ударами может тоже сильно различаться. Соответствующий вид будет иметь и временной вибросигнал в этом эксперименте - очень сильна будет нестационарная компонента вибросигнала. Хотелось бы предложить читателю запомнить издаваемый при таком, достаточно быстром, помешивании звук - в практике диагностики механических ослаблений с ним можно встретиться достаточно часто.

Пространственная ориентация направления механических ослаблений, чаще всего это радиальное или осевое направление, обычно приводит к тому, что характер и интенсивность вибрации по различным направлениям измерения вибрации на опорных подшипниках, например в вертикальном и поперечном направлениях, может сильно различаться. Это следует всегда помнить, и при возможности не жалеть времени на измерение вибрации во многих направлениях имея конечной целью построение «розы вибраций». Ее помощь в диагностике ориентации ослаблений, как и в диагностике расцентровки, обычно незаменима.

Рис. 3.2.3.1. Вибрационный сигнал и его спектр при механическом ослаблении Имеющие место при механическом ослаблении множественные нестационарные соударения элементов обычно приводят к появлению в спектре вибросигнала большого количества сильно выраженных гармоник оборотной частоты вращения ротора. Их число может доходить до 10 и даже более. Причем важно, что количество этих гармоник в спектре, и их амплитуда, может сильно изменяться, часто при неизменной величине самого механического ослабления. Пример вибрационного сигнала и спектра, при механическом ослаблении, приведен на рисунке 3.2.3.1.

Этому есть объяснение, основанное на анализе физических процессов при знакопеременных нагрузках на зону с механическим ослаблением. Попробуем дать его максимально просто, насколько это возможно, для чего рассмотрим самые основные особенности формирования вибросигнала, и его спектра при таком дефекте:

  • Количество соударений ослабленных элементов конструкции агрегата друг о друга, приходящихся на один оборот ротора, обычно бывает достаточно большим. Как мы уже отмечали, от оборота к обороту это количество может изменяться в некоторых пределах, до ± 30%.
  • В самом простейшем приближении количество соударений на один оборот связано с величиной перемещающихся масс, и приложенными усилиями. Реально эта величина обратно пропорциональна интервалу времени между двумя соударениями масс. Вполне очевидно, что эта величина, как и количество соударений на один оборот, является переменной.
  • Будем считать, что динамические усилия, возникающие при всех соударениях между элементами конструкции, имеют примерно одинаковую силу. Это допущение также не далеко от сути реальных процессов, имеющих место при дефектах типа «люфт».

В силу особенностей работы FFT (функция быстрого преобразования Фурье, предназначенная для получения спектра вибросигнала), максимальную амплитуду в спектре будут иметь те гармоники, которые связаны с соударениями, наиболее часто повторяющимися в процессе вращения вала агрегата.

«Пропусков» в гармоническом ряду этих целых гармоник оборотной частоты почти не бывает, присутствуют все гармоники подряд. Амплитуда гармоник по мере роста номера гармоники может постепенно уменьшаться, но никогда не растет. Иногда амплитуда гармоник примерно стабильна до 5 - 7 гармоники, а затем начинает примерно монотонно убывать.

Причины возникновения в спектре только «целых» гармоник вполне объяснимы. Для корректного частотного математического описания достаточно случайных соударений, в спектре сигнала приходится использовать много гармоник различной частоты, захватывающих достаточно широкий частотный спектр. Но поскольку все соударения, так или иначе, связаны с частотой вращения ротора, почти все гармоники в спектре являются синхронными и «целыми по номеру».

Иногда вблизи одной гармоники, являющейся основной в процессах соударений, происходит поднятие спектра или просто уширение гармоники. Это уширение обозначает сосредоточение мощности ударов в одной частотной полосе и вызывается наличием несинхронных компонент в вибросигнале. Несинхронные компоненты имеют частоту, близкую к частоте основной гармоники процесса. Например, эта гармоника может быть связана с числом пальцев в дефектной пальцевой муфте, имеющей сильный износ или даже механический дефект. Или это число лопаток дефектного колеса насоса. Такая «уширенная» гармоника часто имеет в спектре вибросигнала свое семейство гармоник. Для примера, при дефекте посадки на вал рабочего колеса насоса с шестью лопатками наибольшую амплитуду в спектре будут иметь шестая и двенадцатая гармоники оборотной частоты ротора.

Механическое ослабление, особенно в неподвижных конструкциях, часто всего носит направленный, векторный характер. По этой причине оно в различной степени проявляется при проведении измерений вибрации в различных направлениях. «Набор гармоник» в вибросигналах, измеренных «на фундаменте» в направлениях разных осей агрегата, часто бывает различен. Спектральная картина, свойственная механическому ослаблению, наиболее сильна в том направлении, в котором суммарная мощность «целых» гармоник максимальна.

Часто полезным для диагностики данного дефекта является обычное прослушивание ухом вибраций подшипника или корпуса механизма, на который имеется подозрение на наличие механического ослабления. Прослушивание желательно проводить как можно ближе к той точке, где подозревается ослабление Для проведения прослушивания лучше всего использовать обычную сухую деревянную палочку или дощечку достаточных размеров. Эффективность диагностики механических ослаблений при помощи процедуры «прослушивания» достаточно высока и ей не следует пренебрегать.

Все соударения от имеющегося механического ослабления прекрасно слышны ухом через «деревянный зонд», и тот, кто хотя бы раз их слышал, никогда уже ни с какой другой причиной повышенной вибрации не спутает. Как уже говорилось выше, по звуку вибрация от механического ослабления во многом похожа на процесс перемешивания чайной ложечкой в пустом стакане без воды, а может быть и с водой, та или иная аналогия определяется особенностями конструкции агрегата.

В заключение по общим особенностям диагностирования дефекта «механические ослабления» можно сказать следующее. Этот дефект наиболее «страшно» проявляется в спектре вибросигнала. Появление «развесистого» букета целочисленных гармоник часто вызывает у начинающего диагноста очень тяжелое состояние, близкое к паническому. Ему кажется, что наличие многих гармоник обозначает наличие большого количества дефектов в контролируемом агрегате. Самым сложным является то, что диагносту кажется, что для ничего все непонятно. Лихорадочные поиски характерных особенностей агрегата, чтобы как-то связать частоты гармоник с конструктивными параметрами агрегата кончаются ничем. Все плохо! На самом деле это банальное ослабление связей между элементами конструкции, правда, это не обозначает, что оно не опасно для дальнейшей эксплуатации оборудования.

Задача диагноста, сразу сказать об этом дефекте. Можно долго рассуждать, например, о соотношении амплитуд пятой и восьмой гармоник, но никакого практического смысла это не имеет. Максимум того, что может сделать диагност, так это попытаться уточнить место возникновения этого ослабления, чем он в значительной степени поможет предстоящей работе ремонтных служб предприятия. Но делать это придется ему чаще всего не при помощи анализа спектров вибросигналов, а другими, более простыми и понятными методами, имеющимися в арсенале вибрационной диагностики.

В заключение по описанию общих вопросов диагностики механических ослаблений в агрегате скажем, что он во многом перекликается с диагностикой состояния и поиском дефектов фундаментов, описанной в разделе 3.3.2. Для получения дополнительной информации о диагностике механических ослаблений советуем внимательно причитать и этот раздел настоящего руководства. В нем вы тоже можно ознакомиться с полезной для процедуры диагностики информацией.

Ниже приведена информация о некоторых «стандартных» механических ослаблениях, диагностируемых по вибрационным параметрам.

3.2.3.2. Ослабление посадки элементов механизма на валу

Рис. 3.2.3.2. Спектр вибрации агрегата с ослаблением посадки элементов на валу Это самый известный и широко распространенный в практике тип дефекта, связанный с наличием механических ослаблений в оборудовании. Он может возникать по различным причинам, но заключается в одном и том же - в ослаблении посадки различных элементов конструкции ротора на валу.

Этот же дефект в оборудовании достаточно часто диагностируется из-за увеличения зазоров в опорных подшипниках. В случае использования подшипников скольжения это бывает при увеличении рабочего зазора, а в подшипниках качения дефект проявляется при повышенном износе поверхностей качения, или же при ослабленной посадке обоймы подшипника в опоре, или же на валу.

Очень часто вибрационные признаки механического ослабления в диагностируемых вращающихся агрегатах может возникать при неплотной посадке соединительных полумуфт на валах, возникающей при износах и нарушениях технологии монтажа. Возможно влияние зазора, часто имеющего место между полумуфтами.

Специфическое механическое ослабление может возникать в оборудовании по абсолютно разным причинам. Например, оно может возникать в высоковольтных синхронных машинах. Причиной возникновения дефекта может быть неплотная посадка магнитной системы возбудителя, смонтированного на свободном конце ротора.

Всем этим, внешне различным причинам повышенной вибрации, всем типам механических ослаблений, обычно соответствует одинаковый и очень характерный спектр вибросигнала, имеющий в своем составе большое количество гармоник с целым номером. Как мы уже говорили, амплитуды этих гармоник какой-либо прямой связи с параметрами контролируемого механизма обычно не имеют.

Общее количество «целых» гармоник в спектре велико, не менее десяти, но гармоники с «дробным номером», кратные 0,5 от оборотной частоты, при таком дефекте встречаются достаточно редко.

3.2.3.3. Механические ослабления – трещины в агрегате

Дробные гармоники появляются в спектре вибрационного сигнала в том случае, когда ослабление полностью определяется, или же обязательно сопровождается, наличием трещин в агрегате, или в фундаменте.

Появление дробных гармоник в спектре при таком дефекте объяснить не очень просто, как с использованием математического аппарата, так и без него. Самым сложным является объяснение физического смысла дробных гармоник с номером 1,5 и выше. Гармонику с номером 0,5 от оборотной еще можно как-то представить и объяснить, а вот гармонику, например, с номером 3,5 от оборотной даже и представить сложно. Каким должен быть динамический процесс в механизме, чтобы он продолжался ровно 3,5 раза на один оборот ротора, а затем повторялся. Достаточно сложно объяснить возникновение такой гармоники в спектре вибрационного сигнала. В этом случае действует афоризм, что «сложно объяснить сложное легко, но просто объяснить сложное сложно». Мы попытаемся это сделать, как нам кажется, максимально просто.

С физической точки зрения самое главное объяснить возникновение в механизме дробной гармоники с номером 0,5 от оборотной. Эта гармоника соответствует вибрационным процессам в оборудовании, частота которых не укладывается ровно в один оборот ротора, а занимают два оборота. Чаще всего это процессы, когда в течение одного оборота ротора на подшипники действует сила одного знака, а течение другого оборота на них воздействует сила другого знака.

Так бывает иногда, например, когда трещина располагается на вращающемся роторе, и периодически то «открывается», в течение одного оборота, то «закрывается», в течение другого оборота. Таким образом, в спектре вибрации возникает гармоника с кратностью частоты, равной 0,5 от оборотной частоты. Такое может также происходить при наличии ослаблений (трещин) в конструкции и фундаменте агрегата.

Именно трещины характеризуются дробными гармониками в спектре вибрационного сигнала. Вообще следует с большим подозрением относиться к таким гармоникам, пусть даже небольшой амплитуды. Их появление обычно предшествует возникновению достаточно больших проблем в оборудовании.

Дальше все объяснить немного проще. Поскольку, кроме трещины мы имеем в агрегате и механическое ослабление (на самом деле это одно, и тоже), то возникшая в агрегате вибрация с основной частотой в 0,5*F1, будет также создавать свое семейство гармоник, как и оборотная гармоника, базовая для своего семейства целых гармоник. Созданию семейства дробных гармоник в спектре будет способствовать наличие механических ослаблений в механизме.

Частоты «целых» гармоник от частоты 0,5 будут равны 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 от оборотной частоты вращения ротора агрегата. Это не оговорка, потому что, являясь целыми относительно базовой гармоники 0,5, они будут являться «дробными» гармониками относительно оборотной частоты агрегата. На «целых» частотах эти гармоники сольются с целыми гармониками оборотной частоты, и мы их при этом не заметим, будет иметь место некоторое увеличение амплитуды, и только. На дробных частотах эти гармоники будут выглядеть обособлено, и будут заметны.

Рис. 3.2.3.3. Спектр вибрации агрегата с трещиной в лапе подшипниковой стойки Такие процессы чаще всего возникают в оборудовании при наличии дефектов типа «трещина», «люфт», ну и при некоторых типах механических ослаблений. Такое достаточно часто бывает при наличии трещин в фундаментах.

На рисунке 3.2.3.3. приведен пример спектра вибросигнала, зарегистрированного на подшипниках ротора насоса, вращающегося с частотой 3000 оборотов в минуту. Механическое ослабление в этом агрегате возникло из-за увеличенного зазора в подшипнике скольжения. К картине общего механического ослабления добавились вибрационные признаки наличия трещины на лапе подшипниковой стойки насоса.

Общее число целых гармоник на таком спектре, как и при обычном ослаблении, может достигать до 7 - 10, причем в таком спектре могут быть два - три «пропуска» целых по номеру гармоник оборотной частоты. Например, не будет пятой и седьмой гармоник, как это показано в приведенном примере, на рисунке 3.2.3.3.

Максимальной на приведенном спектре является вторая гармоника оборотной частоты, что не является обязательным при таком типе дефекта оборудования. На приведенном спектре вибросигнала есть также три пика дробных гармоник с кратностью 0,5, т. е. с частотами 25 и 75 Гц. Следуя несколько другой терминологии, это есть одна субгармоника (с частотой, меньше оборотной), и две гармоники с дробным номером, кратным коэффициенту 0,5. Такая терминология в обозначении нецелых гармоник в спектре, также встречается на практике, и в литературе.

 Достаточно часто на спектрах вибрационных сигналов, при наличии трещины, могут быть обнаружены несколько дробных гармоник или субгармоник, с частотной кратностью к оборотной частоте вращения вала, равной значению 1/3. Понятно, что основной гармоникой, «главой семейства, в этом случае является гармоника с частотой 0,33 от оборотной. Она наводится усилиями, один полный цикл действия которых равняется трем оборотам ротора. Все остальные гармоники такой кратности возникают в спектре за счет наличия в агрегате механического ослабления любой природы возникновения.

Это тоже очень опасные для последующей эксплуатации агрегата гармоники, они обычно предвещают очень серьезные проблемы в ближайшем будущем.

Рис. 3.2.3.4. Спектр вибрации агрегата с трещиной в фундаменте Своеобразно проявляется механическое ослабление (трещина) в фундаменте агрегата. На рисунке 3.2.3.4. приведен спектр виброскорости вибрационного сигнала для такого случая. Основным признаком наличия трещины в фундаменте на этом спектре являются два элемента.

Во-первых, это наличие одной гармоники с кратностью 0,33, причем, что является отличием от трещины в механизме, она не имеет своего «развитого» семейства кратных гармоник. Причина отсутствия кратных гармоник достаточно проста, в этом случае нет признаков механического ослабления в механизме, а это значит, что в получаемом спектре не будет кратных гармоник этой частоты, впрочем, как и гармоник оборотной частоты.

Во-вторых, ниже (по частоте) гармоники с кратностью 0,33 имеется локальное поднятие на спектре, имеющее максимум в районе 7 – 10 герц. Если бы это поднятие было до нулевой частоты в спектре, причем с уменьшением частоты амплитуды росли, то это бы говорило, чаще всего, о низком качестве используемой виброизмерительной аппаратуры. В данном случае это говорит о дефекте в фундаменте. Достаточно трудно объяснить это с логической точки зрения, но так чаще всего бывает на практике. Поднятие на спектре в зоне низких частот говорит о наличии дефекта в фундаменте.

Последнее замечание по данному разделу. Форма временного сигнала при наличии трещины в агрегате, и в фундаменте, является нестационарной, и нестабильной. Она имеет в своем составе много различных, неявно выраженных пиков от внутренних динамических ударов, следующих хаотично, без очевидной связи между собой. Вполне понятно, что такой временной сигнал, по своей форме, мало пригоден для диагностики механических ослаблений и трещин в оборудовании.

3.2.3.4. Ослабление в агрегатах с вертикальной осью

В оборудовании, в котором рабочий вал расположен горизонтально, справедливы все вышеописанные диагностические правила. Чаще всего механическое ослабление проявляется в вибрации и может быть выявлено персоналом только тогда, когда в агрегате есть неуравновешенные динамические силы. Эти силы могут быть вызваны другими дефектами, например небалансом, расцентровкой и т. д. Мы называем их динамическими дефектами первого типа.

Если же возмущающей силы в работающем агрегате нет, то механическое ослабление, и даже трещина, может и не проявляться в спектре вибрации. В этом случае дефект спектральными методами диагностировать нельзя.

Иначе дело обстоит в агрегатах с вертикальным направлением вала. В таких случаях если в агрегате есть механическое ослабление - то оно будет проявляться в спектре вибрации практически всегда. Причина этого явления проста - в агрегате с горизонтальным валом ротор прижат к подшипнику собственным весом, что является стабилизирующим фактором, требующим для возбуждения вибраций значительной возбуждающей силы, соизмеримой с весом ротора. При вертикальном расположении ротора агрегата для возбуждения вибраций достаточно очень небольших усилий. В наибольшей мере все это относиться к вертикальным насосам с длинным промежуточным валом.

У этого явления есть обратная сторона. В агрегатах с вертикальным валом механические ослабления проявляются в спектре вибрационных сигналов очень сильно. Поэтому есть достаточно высокая вероятность в переоценке степени возникновения механических ослаблений в агрегатах с вертикальным валом.