3.3.2. Дефекты соединительных муфт в агрегатах

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

3.3. Диагностика дефектов уровня «агрегат»

Объединение нескольких отдельных механизмов в единый технологический агрегат всегда осуществляется при помощи соединительных муфт различной конструкции. Качество монтажа соединительных муфт, а также их техническое состояние, изменяющееся в процессе эксплуатации, во многом определяет общее техническое состояние агрегата.

Основное назначение соединительных муфт – передача энергии от источника (турбины, ДВС или электродвигателя) к потребителю этой энергии, к приводному механизму (генератору, насосу, вентилятору, или другому механизму). По этой причине дефекты, возникающие в соединительных муфтах, в значительной степени сказываются на общем вибрационном состоянии агрегата, так как через них проходит вся преобразуемая технологическим агрегатом энергия.

 В данном разделе мы рассмотрим дефекты основных типов соединительных муфт, обращая наибольшее внимание на возможности диагностирования этих дефектов по спектрам вибрационных сигналов. Для разных типов муфт по вибрационным параметрам могут быть диагностированы различные дефекты, это связано с особенностями конструктивного исполнения муфт. Поэтому рассмотрение возможных практических проблем для каждого типа муфт мы будем вести раздельно, с учетом их конструктивных особенностей.

3.3.2.1. Дефекты жестких муфт

В крупных стационарных агрегатах, например в турбоагрегатах электростанций, достаточно широко распространены жесткие муфты различной конструкции. Общим для таких муфт является то, что с их помощью соединяемые валы механизмов очень четко и жестко фиксируются относительно друг друга. В идеале, при помощи жесткой муфты два ротора могут быть объединены практически в единое целое.

Здесь мы дополнительно не акцентируем внимание на том, что жесткие муфты могут передавать через себя очень большой вращающий момент, в направлении от механизма - источника энергии, к механизму – потребителю (преобразователю). Это является основной отличительной особенностью жестких муфт, это очевидно.

Благодаря применению жестких муфт удается решить целый ряд сложных технологических задач. Например, в мощных агрегатах удается уменьшить или даже вообще исключить из конструкции некоторые сложные узлы и дополнительные подшипники осевой фиксации и разгрузки роторов. Это достигается соединением при помощи жесткой муфтой двух механизмов с противоположным направлением действия осевых усилий.

Процесс монтажа жестких муфт должен проводиться с минимальными технологическими допусками и требует обеспечения на предприятии высокой культуры производства. По ряду причин различной природы возникновения, которые упоминать здесь нет смысла, в процессе монтажа жесткой муфты в агрегате возможно возникновение нескольких типов наиболее часто встречающихся дефектов. Диагностика этих дефектов может быть достаточно эффективно выполнена при помощи анализа вибрационных сигналов, поэтому они рассматриваются в данном разделе.

Наиболее распространенными дефектами монтажа, и эксплуатации жестких муфт являются три:

  1. «Коленчатость» соединения в жесткой муфте, или, как кратко говорят на практике дефект типа «колено». Заключается в том, что при монтаже, или уже в процессе эксплуатации агрегата, по тем или иным технологическим причинам центры соединяемых валов не точно совпадают друг с другом. Они жестко соединены друг с другом, но их оси не совпадают. В результате сочлененные валы агрегата, при таком дефекте, представляют собой не единый вал, как это должно быть, а вал с дефектом типа «колено» (аналог одного звена коленчатого вала) в месте соединения. Практическим итогом создания, или возникновения этого дефекта в жесткой муфте, становится возрастание вибрации оборудования.
  2. Угловой излом вала в жесткой муфте, приводящий к излому линии вала агрегата. В практике этот дефект называется достаточно часто и другими терминами, такими, как «маятник» или «раскрытие муфты». Термин «маятник» возник, вероятнее всего потому, что при вращении вала с таким дефектом центр противоположного от муфты конца вала совершает круговое вращение. Может дефект называется так, исходя из способа диагностики этого дефекта, применяемого на практике. При этом способе проверки правильности монтажа муфты свободный конец ротора подвешивается на тросе и освобождается от подшипника. Далее ротор начинают медленно проворачивать. Маятник диагностируется по поперечным перемещениям ротора в районе отсутствующего подшипника, где осуществлен тросовый подвес вала. Недостатком этого метода диагностики является его большая трудоемкость и ряд технологических ограничений на его применение. Термин «раскрытие муфты» возник также из практической деятельности монтажных бригад. Он соответствует диагностированию данного дефекта по неодинаковому схождению торцов полумуфт (валов механизмов) вдоль окружности, точно измеренному микрометром, или другим измерительным прибором, в нескольких точках при проведении монтажа муфты.
  3. Дефекты посадки полумуфт на соединяемые валы, выражающиеся в отклонениях от требований идеального монтажа. При неправильной посадке полумуфт в узле сочленения валов возникают или параллельные сдвиги (колено), или угловые изломы в муфте (маятник). В любом случае этот дефект всегда трансформируется или к дефекту первого вида - к колену, или к дефекту типа маятник, или же к их совместному проявлению, что бывает на практике чаще всего. Это основные специфические дефекты жесткой муфты.

При всех вышеописанных дефектах жестких муфт картина физических процессов в агрегате при вращении двух валов, соединенных жесткой муфтой, имеющей дефекты монтажа, примерно одинаковая и имеет две основные особенности:

С одной стороны, в агрегате возникает картина небаланса масс вращающегося ротора за счет смещения осей центров масс. В наибольшей мере вибрационная картина дефектной муфты похожа, по своим спектральным проявлениям в вибрационном сигнале, на классический небаланс, если в муфте присутствует дефект типа «маятник».

С другой стороны, на эту вибрационную картину классического небаланса «наслаиваются сверху» вибрационные особенности достаточно специфического процесса, который можно, условно говоря, назвать «вращающейся расцентровкой». На это максимальное влияние оказывает дефект жесткой муфты типа «колено».

От стандартной расцентровки, «неподвижной» в пространстве, которая как мы уже не раз говорили, определяется по осям опорных подшипников, «вращающаяся расцентровка» отличается применяемой системой координат. Неподвижная расцентровка диагностируется в неподвижной системе координат, связанной со статором, или фундаментом агрегата. «Вращающаяся расцентровка» имеет место и диагностируется только в том случае, когда мы переходим во вращающуюся систему координат, связанную с вращающимся ротором агрегата, т. е. с самой жесткой муфтой.

Несмотря на такие достаточно большие физические отличия, вибрационная картина при дефекте типа «колено» очень похожа на сдвиговую расцентровку, имеющую ось расцентровки в направлении, немного отличающемся от вертикального (физическая тонкость для любителей анализа, почему не точно по вертикали?).

В некоторых источниках есть ссылки на то, что при дефекте жесткой муфты типа «колено» мы имеем вибрационную картину, напоминающую процесс вращения ротора, имеющего неодинаковую жесткость по двум осям. Таким является ротор синхронного турбогенератора, у которого пазы для укладки обмотки возбуждения неравномерно распределены по окружности. Да, это так, в этих двух случаях спектры вибрационных сигналов имеют много общих особенностей.

Объяснение здесь достаточно простое. При дефекте типа «колено» центры валов, в районе шеек опорных подшипников, сдвинуты от общей оси вала на расстояние, равное половине величины «колена». По этой причине, за счет постоянного перераспределения нагрузки на подшипники, расположенные с двух сторон жесткой муфты, будет иметь место увеличенная вертикальная вибрация. В спектре этой вибрации будут преобладать первая и вторая гармоники оборотной частоты. Такая картина распределения гармоник в спектре будет как при использовании ротора с переменной жесткостью, так и при дефекте жесткой муфты типа «колено».

Очень важным, как мы уже упоминали, является то, что оси поверхностей опорных шеек роторов при наличии дефектов в жестких муфтах, как при дефекте типа «колено, так и при дефекте типа «маятник», оказываются смещенными относительно идеальной оси вращения роторов. При этом контактные зоны шеек валов совершают круговые движения внутри вкладышей подшипников (скольжения).

Увеличенную первую гармонику, возникшую из-за дефекта муфты, принимают за признак наличия небаланса, что достаточно правильно. Естественно, что в этом случае обычно начинают процесс балансировки, стараясь убрать повышенную вибрацию при помощи балансировки. Установка балансировочных грузов может снизить уровень вибрации, но картина скольжения шейки вала по внутренней окружности подшипника скольжения (из-за дефекта муфты) сохранится, и снизить вибрацию до приемлемого уровня не удается. Если даже вибрацию и удастся снизить до приемлемого значения, то оказывается возможным только для одного режима работы оборудования.

В этом случае уровень вибрации оказывается зависимым от технологической нагрузки агрегата. Обычно такой случай специалисты по балансировке относят к категории технологических небалансов, что правильно по форме, но неправильно по содержанию, балансировкой такой дефект не устраняется.

Короткое замечание о требованиях к аппаратуре вибрационного контроля, которую необходимо использовать для диагностики дефектов жесткой муфты. Для корректной диагностики дефектов жесткой муфты «колено» и «маятник» по сигналам вибрации, обязательно использование многоканальных приборов синхронной, или синхронизированной регистрации сигналов. При этом желательно синхронно зарегистрировать не менее четырех - восьми вибрационных сигналов. Измерения вибрации необходимо выполнять на всех четырех опорных подшипниках агрегата, для чего и необходимо минимум четыре синхронных измерительных канала. Измерения обязательно производятся на подшипниках с двух сторон жесткой муфты, плюс на подшипниках «с других сторон» от муфты, «через механизм» от муфты. Если измерения проводить одновременно в вертикальном и поперечном направлении, что весьма полезно для диагностики, то в этом случае необходима восьмиканальная аппаратура.

Диагностика дефектов муфты на колено и маятник ведется, в основном, по фазам первой гармоники оборотной частоты ротора. Это выполняется во всех контролируемых опорных точках агрегата одновременно. Первое требование к полученным сигналам - фазы первых гармоник должны быть стабильными. В противном случае, источник повышенной вибрации нужно искать в каком - либо другом месте агрегата.

Диагностические признаки дефекта типа «колено»

На опорных подшипниках с двух сторон муфты фазы первых гармоник вибросигнала должны различаться на 180°, с учетом допустимой погрешности определения фазы до 30 градусов. Это условие должно выполняться как в вертикальном направлении измерения вибрации, так и в поперечном. Особенно важно, чтобы это условие обязательно выполнялось в вертикальном направлении.

Фазы первых гармоник в вибросигналах с подшипников, расположенных через механизм от муфты, менее информативны и не всегда необходимые условия по ним выполняются. Скорее всего, такое условие следует считать дополнительным диагностическим признаком наличия дефекта. Оно звучит следующим образом, фазы первых гармоник в вибросигналах с двух сторон сочлененных муфтой механизмов, на подшипниках, расположенных через механизм от муфты, должны тоже различаться на 180°.

При поддержке двух роторов при помощи трех опорных подшипников, что бывает в модернизированных турбоагрегатах при удалении в турбине одного цилиндра, «коленчатость» в муфте равнозначна наличию небаланса ротора. Это возникает из-за отсутствия второй опоры одного ротора вблизи жесткой муфты. Дефект муфты типа «колено» в таком модернизированном агрегате по диагностическим признаком очень похож на небаланс. Особенностью является то, что он достаточно просто устраняется установкой балансировочных грузов.

Диагностические признаки дефекта типа «маятник»

Для диагностики маятника обязательно необходимо проводить синхронное сравнение начальных фаз вибрационных сигналов сразу по всем четырем подшипникам. На опорных подшипниках с двух сторон муфты фазы первых гармоник должны быть одинаковыми. Это справедливо как для вертикальной составляющей, так и для поперечной составляющих вибрационного сигнала.

Фазы первых гармоник на двух подшипниках, которые расположены через механизмы от муфты, или как еще говорят «на полевых подшипниках», должны быть тоже равны между собой.

Фазы первых гармоник на опорных подшипниках с двух сторон каждого из сочлененных механизмов должны различаться между собой примерно на 180°.

Если говорить проще, то это правило можно сформулировать следующим образом.  По фазам первых гармоник на четырех подшипниках агрегата должно соблюдаться следующее условие. Если принять за базу для сравнения фазу первого «полевого» подшипника агрегата, и считать ее начальной, то далее, по порядку следования подшипников, фаза первой гармоники меняется следующим образом: +180 градусов, +0 градусов, +180 градусов.

В практике часто один из «полевых» подшипников соединяемых механизмов, иногда и оба, расположены внутри агрегата, т. к. в контролируемом агрегате может больше двух механизмов. Эти дополнительные механизмы «сглаживают» картину дефекта муфты типа «маятник» на подшипнике, расположенном между механизмами. В итоге бывает, что фаза оборотной гармоники первого или четвертого подшипников соединяемых муфтой механизмов могут выпадать из общей логики.

Если имеет место комплексный дефект монтажа жесткой муфты, типа «маятник + колено», то сдвиг фаз вибрационных сигналов на «рядом расположенных подшипниках» агрегата не будет кратен величине 180 градусов, а может занимать некоторое промежуточное положение, что достаточно часто бывает на практике. Величина фазового сдвига вибрационных сигналов будет зависеть от «весовых вкладов» разных типов дефектов.

Степень дефекта жесткой муфты обычно оценивают по повышению общего уровня вибрации. Если агрегат имеет вибрации повышенного уровня и причиной тому является муфта, то обычно решение о проведении ремонта зависит от соотношения норм на вибрацию для данного агрегата и текущего уровня вибрации.

Часто, с целью снижения повышенной вибраций агрегата с признаками небаланса, но на самом деле имеющего дефект монтажа жесткой муфты, диагностическим персоналом проводится процедура динамической балансировки агрегата в собственных подшипниках. Точнее говоря, делается попытка «успокоить» агрегат, уменьшив вибрации установкой балансировочных грузов. Эффективность такой попытки, при дефектах жесткой муфты, обычно не очень велика.

3.3.2.2. Дефекты полужестких муфт

Под полужесткими соединительными муфтами будем понимать здесь достаточно узкий класс муфт с волновыми (линзовыми) компенсаторами, очень напоминающие по внешнему виду один или несколько гибких сегментов от барометрической коробки. Муфты такого типа по своим свойствам являются промежуточными, между жесткими и «подвижными» типами муфт.

Наличие в полужестких муфтах упругих элементов создает определенную гибкость (но не подвижность!) в месте соединения валов и тем самым позволяет несколько уменьшить влияние дефектов сопряжения валов. Тем не менее, поскольку эти муфты, также как и жесткие, предназначены для передачи больших усилий от одного механизма к другому, то в силу их технологических особенностей диагностики дефектов в таких муфтах не сильно отличается от диагностики дефектов в жестких муфтах.

При рассмотрении процессов в таких муфтах не следует сильно преувеличивать компенсирующие способности линзовых элементов, так как и они, с целью передачи вращающего момента, обладают достаточно высокой жесткостью. Тем не менее, такие компенсаторы позволяют заметно снизить влияние излома оси, дефект типа «маятник», на вибрационное состояние агрегата. Дефект типа «маятник» для полужестких муфт не является критическим, и в вибрационных сигналах он сильно не проявляется. В этом заключается самое большое отличие полужесткой муфты, от жесткой муфты.

Гораздо хуже гибким элементом линзовой муфты компенсируется эффект типа «колено». Если муфта имеет только одну «волну» компенсатора, то общее влияние «колена» на вибрационное состояние опорных подшипников агрегата снижается не очень существенно. В результате в полужесткой муфте следует обычным образом, как и жесткой муфте, следует диагностировать дефект муфты типа «колено», используя для этого спектры вибрационных сигналов. Методика диагностирования этого дефекта не отличается от аналогичной процедуры в жесткой муфте, описывать ее снова здесь нет необходимости.

3.3.2.3. Дефекты торсионных и пружинных муфт

В данном разделе кратко рассматриваются особенности диагностики дефектов по вибрационным параметрам агрегатов, оснащенных торсионными и пружинными муфтами, которые, в самом общем плане, могут быть отнесены к полужестким муфтам.

Для соединения роторов различной массы иногда используют торсионные муфты. Примером использования торсионной муфты является подсоединение к турбогенератору электромашинного возбудителя - машины постоянного тока небольшой мощности.

В торсионной муфте основным соединительным элементом является длинный стержень, работающий на скручивание. Одним концом он соединен с генератором, далее проходит через отверстие в вале возбудителя и соединяется с валом возбудителя на противоположной стороне возбудителя.

Такой тип муфты, по своим свойствам, похож на полужесткую муфту и диагностируется аналогично. Необходимо только помнить, что понятие «подшипники рядом с муфтой» имеет здесь несколько иной смысл. По генератору все обычно, а вот подшипник возбудителя, расположенный «рядом с муфтой» на самом деле находится с другой стороны возбудителя.

Кроме того, у торсионной муфты бывает свой специфический дефект, приводящий к резкому возрастанию осевой вибрации. Возникает он при одновременном появлении двух обстоятельств.

  1. Фланец торсиона, закрепляемый на валу генератора, должен быть смонтирован не перпендикулярно, а с небольшим перекосом к плоскости монтажа. Или же торсион должен быть изогнут до монтажа. Самое главное состоит в том, что торсион должен вращаться в изогнутом состоянии, должен иметь место дефект типа «маятник».
  2. Наружный подшипник возбудителя, к которому крепится торсион, должен быть смещен с идеальной линии монтажа вала генератора в вертикальном или поперечном направлениях.

Совокупность двух таких дефектов при монтаже возбудителей турбоагрегатов бывает достаточно часто. Качеству монтажа возбудителя часто не придается очень большого внимания. В результате, в процессе своего вращения, торсион будет периодически, с оборотной частотой ротора, менять кривизну своего изгиба, и в итоге будет изменяться его длина. Изменение будет вроде бы не очень значительным, но это на первый взгляд. За счет разницы масс роторов генератора и возбудителя все осевые перемещения будут приходиться на ротор возбудителя и вибрация на нем в осевом направлении может даже значительно превысить нормативное значение. Частота этой вибрации обычно равна частоте первой гармоники, хотя и бывают исключения.

Для устранения такого дефекта необходимо проверить правильность монтажа линии вала агрегата или правильно смонтировать торсионный вал.

Диагностика дефектов пружинных муфт

Это одна из разновидностей соединительных муфт, в которой валы объединяются при помощи отдельных плоских пружинных пластин. Иногда используются фигурная пружинная лента. Эта лента попеременно проходит через пазы полумуфт. Наряду со стандартными дефектами в такой муфте бывает специфический дефект, вызванный поломкой или заклиниванием пружинных элементов.

На спектре вибросигнала, в диапазоне частот примерно от 5 - 10 гармоники оборотной частоты и до зубцовой частоты муфты (оборотная частота, умноженная на число зубцов), могут появиться один или несколько пиков, разделенных между собой по частоте на шаг, численно равный оборотной частоте ротора. Это основной признак дефекта.

Данный дефект проявляется не на зубцовой частоте муфты, равной произведению оборотной частоты на количество пружинных элементов, а обычно на более маленькой частоте. Очевидно, что это происходит потому, что нескольких зубцов, вследствие дефекта, начинают работать как единое целое. Может быть, причина этого и в другом. Как бы то ни было, дефект по такому признаку диагностируется достаточно уверенно.

3.3.2.4. Дефекты пальцевых и зубчатых муфт

Такие муфты широко применяются в практике для соединения валов в агрегатах малой и средней мощности. К этому классу следует относить различные типы пальцевых и зубчатых муфт, допускающих свободные малые смещения (расцентровки) валов соединяемых механизмов.

В некоторых источниках такие типы муфт называют подвижными. В других работах встречается название «муфты с гистерезисом». Мы не будем вступать в дискуссию о названии таких муфт, при всем внешнем многообразии названий все они несут в себе примерно одинаковый смысл. Каждое такое название чаще всего акцентирует внимание на конструктивных особенностях таких муфт или особенностях их монтажа. Типов таких муфт существует очень большое разнообразие.

Очень важно понимать, что в диапазоне этих малых, конструктивно допустимых взаимных смещений валов механизмов относительно друг друга, влияние расцентровок любого типа на вибрационное состояние контролируемого агрегата ослаблено, или даже отсутствует совсем. Специфическая конструкция муфт позволяет снизить требования к точности монтажа агрегатов благодаря компенсации небольших расцентровок или сглаживанию степени их проявления. Благодаря этому значительно снижается трудоемкость монтажных работ, а также допускается возможность работы оборудования при наличии некоторых дефектов монтажа и эксплуатации.

При большой разнице принципов и основ работы таких муфт им свойственны примерно одинаковые дефекты и одинаковая картина проявления этих дефектах в спектрах вибрации. При использовании подвижных муфт общее повышение вибрации вызывается несколькими основными дефектами:

Рис. 3.3.2.3. Спектр вибрации агрегата с 4-х пальцевой соединительной муфтой, имеющей перекос венцов
  1. Расцентровкой венцов полумуфт. Это обычная расцентровка двух валов механизмов агрегата по осям подшипников. В спектре вибросигнала это проявляется как сдвиговая расцентровка, диагностируемая стандартно. Отличие заключается в том, что в спектре появляется дополнительная гармоника, частота которой равна произведению оборотной частоты ротора на число зубцов или пальцев в муфте. Довольно часто, при значительных расцентровках венцов полумуфт, эта гармоника на спектре генерирует свои гармоники, кратные двум, трем. Такая картина, для примера, имеет место на спектре вибрации насоса на рис. 3.3.2.3., приводимого во вращение асинхронным двигателем с частотой вращения 1440 об/мин.
  2. Износ элементов муфты, в итоге нарушающий правильную форму рабочих поверхностей. Приводит к проблемам контактных поверхностей и на спектре дает картину износа зубчатой пары. Частота зубцовой гармоники равна произведению оборотной частоты ротора на число зубцов или пальцев. Особых отличий такой спектр обычно не имеет. Иногда на спектре появляются несколько рядом расположенных гармоник на частотах, на первый взгляд не относящейся к какому - либо характерному параметру агрегата. Например, в спектре могут появиться три гармоники, 15, 16 и 17 от оборотной частоты, хотя на муфте всего более 30 зубцов. Если эти гармоники есть с двух сторон муфты, то можно уверенно утверждать, что они "пришли" от дефектов муфты, таких, как износ или дефект зубцов (в зубчатой муфте). Объяснить возникновение таких гармоник сложно, но при желании можно. Они вызываются проблемами работы зубчатой пары в муфте.
  3. Заклинивание или даже "сваривание" подвижных элементов муфты в некотором промежуточном рабочем положении. Мы уже достаточно подробно рассматривали этот случай при описании диагностики расцентровки в разделе о влиянии муфт с гистерезисом на проявление и диагностику расцентровки. Там даже приведено объяснение такого специфического эффекта, как «питтинг». В таком случае зубчатая муфта начинает работать как жесткая, и все дефекты диагностируются по пункту 3.3.2.2.