Расцентровка.
Взаимное положение центров валов двух соседних роторов, измеренное в месте их соединения при разобранной соединительной муфте, в практике принято характеризовать термином “центровка”. Если оси двух валов 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 качество центровки и используется термин “расцентровка двух валов”. В общем случае качество центровки нескольких механизмов определяется правильностью монтажа линии вала агрегата, контролируемой по центрам опорных подшипников вала.
В практике качество центровки валов, не соединенных муфтой полностью определяется взаимным геометрическим, пространственным положением опорных вкладышей подшипников скольжения или же параметрами монтажа подшипников качения в подшипниковых стойках или щитах.
Различают два основных вида расцентровки:
- параллельную ( или радиальную );
- угловую ( или торцевую ).
Параллельная расцентровка валов - это параллельное взаимное смещение осей соседних центрируемых роторов друг относительно друга. Если произошло смещение одного из опорных подшипников на небольшое расстояние, что бывает в практике чаще всего, то в итоге это будет не параллельная расцентровка, а комбинированная - параллельная + угловая. Обычно, в таких случаях, максимальным в общую вибрацию будет является вклад от параллельной расцентровки. Дело в том, что возникший при смещении одного подшипника угол излома по своей величине не превышает одного углового градуса, что обычно не очень существенно, а сдвиг валов в точке центровки может равняться миллиметру и более, что может существенно сказаться на режиме работы агрегата. Естественно, что определяющим фактором, влияющим на повышение вибраций, будет параллельная расцентровка, хотя при этом будет присутствовать и угловая.
Угловая расцентровка - это излом оси в месте сочленения валов на некоторый угол при хорошем совмещении центров валов в районе их торцев. При описании угловой расцентровки часто используют термин “раскрытие муфты”. В основе такого названия угловой расцентровки лежит способ контроля наличия такого типа расцентровки при помощи измерения зазоров между валами в нескольких точках по окружности.
Встречающиеся в практике случаи расцентровки валов практически всегда являются сложными, комбинированными, включающими в себя одновременно основные элементы обоих типов расцентровки. По итогам проводимой диагностики по спектрам вибросигналов выявляется наиболее сильно проявляющая себя расцентровка, по которой и дается диагноз и рекомендации к устранению.
Причин появления расцентровок в работающем оборудовании достаточно много. Это и процессы износа, влияние технологических параметров, изменение свойств фундамента, искривление подводящих трубопроводов под воздействием изменения температуры на улице, изменение режима работы и т. д.
Особенности диагностики расцентровки.
Практика работы сотрудников нашей фирмы по диагностике в оборудовании различных причин повышенной вибрации различными методами, достаточно обширная по объему, дала для диагностики расцентровок несколько неожиданный практический результат. эффективности. Более лучшие результаты, с точки зрения трудоемкости и достоверности, были получены нами при диагностике расцентровок с использованием более простых методов пространственного анализа интегральных параметров вибросигнала, таких, как СКЗ ( среднее квадратичное значение ) виброскорости.
Попробуем кратко пояснить это наше, на первый взгляд парадоксальное, заявление. Известно, что основными диагностическими особенностями наличия расцентровки в спектре вибросигнала является наличие трех гармоник оборотной частоты - первой, второй и, довольно часто, третьей. Однако такой же набор гармоник появляется в спектре вибросигнала при наличии целого ряда других причин повышенной вибрации оборудования - это ослабление крепления к фундаменту, дефект посадки подшипника, изгиб вала и т. д. Принять “однозначное диагностическое решение” по спектру вибросигнала, что причиной повышенной вибрации данного агрегата является только расцентровка, является достаточно сложной задачей.
Не рассматривая вопрос о трудоемкости проведения диагностических работ по выявлению расцентровок по общему уровню вибросигналов и по спектрам вибросигналов, можно сравнить их по сложности обучения персонала каждому из методов. На основе нашего опыта обучения сотрудников можно сделать вывод - если для обучения методике диагностики расцентровок по СКЗ виброскорости было достаточно и одного дня, то достаточно уверенной диагностике этой же причины, но при помощи спектров вибросигналов, удавалось обучить только через несколько месяцев.
Тем не менее, поскольку целью и предметом данной методической разработки является рассмотрение возможностей применения спектральных методов для диагностики состояния оборудования ниже будем рассматривать их применение на практике. Другие вибродиагностические методы, применимые в практической диагностике наличия расцентровок в оборудовании, не являются предметом настоящего рассмотрения и, очевидно, должны быть рассмотрены в других разработках.
Для начала приведем самые общие рекомендации, которых необходимо придерживаться при выполнении спектральной вибрационной диагностики расцентровок в оборудовании.
Это:
- В первую очередь 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 на двух подшипниках с двух сторон муфты, на каждом в трех проекциях. С целью повышения достоверности получаемых диагнозов желательно даже сделать это на четырех подшипниках двух сцентрованных механизмов.
- Важным фактором для диагностики расцентровки является знание начальной фазы колебаний, особенно для первой и второй гармоник. Если имеется возможность регистрации синхронизированных, а тем более синхронных, вибросигналов - это необходимо сделать обязательно. Можно смело утверждать, что знание начальной фазы повышает достоверность диагностики расцентровки очень сильно, может даже в два раза.
- Регистрировать спектроанализатором необходимо не спектр вибросигнала, а временной сигнал, желательно виброскорости. Сама форма временного вибросигнала много говорит опытному вибродиагносту о характере происходящих в оборудовании процессов. Мало того, что мы понимаем, как вторая, четная гармоника приводит к несимметрии вибросигнала относительно оси времени, главное, что на временном сигнале можно очень хорошо увидеть соударения в муфте. Характер этих соударений, их интенсивность, во многом определяется типом соединительной муфты и видом расцентровки.
- Нужно достаточно хорошо и подробно представлять конструкцию и принцип работы 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 первых и массовых обследований на предприятиях, которые раньше не занимались проблемами вибродиагностики, количество работающих агрегатов с неудовлетворительной центровкой доходило до 50 - 70 % от общего числа агрегатов.
Один из самых первых признаков расцентровки валов - 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.
Для определения направления плоскости смещения валов, по которой произошло возникновение расцентровки, можно воспользоваться очень простым правилом - необходимо построить распределение вибраций в осевом направлении, в зависимости от 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, своеобразную “розу вибраций”, которую мы называем так по аналогии с “розой ветров” в науках о климате. При наличии расцентровки на в такой “розе вибраций” чаще всего будут два явно выраженных пика, диаметрально противоположных. Если аналогичная картина будет на другом подшипнике, расположенном через муфту - вероятность параллельной расцентровки будет очень велика.
Кроме того происходит характерное изменение спектрального состава вибросигналов - резко увеличивается амплитуда 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.
Осевая составляющая при расцентровке всегда несет в себе характерные особенности - практически всегда есть вторая и третья гармоники, хотя амплитуда вибрации в осевом направлении может возрасти не очень значительно.
Эти заключения носят общий характер, но в ряде случаев в практике диагностики могут иметь место значительные отличия, основные из которых мы рассмотрим ниже.
Влияние типа муфты на вибрации при расцентровке.
Картина вибраций на двух контролируемых подшипниках, возникающая при расцентровке валов двух соединяемых механизмов ( по подшипникам ), зависит от многих параметров, но в наибольшей степени зависит от типа и конструкции соединительной муфты, ее технического состояния. Все многообразие применяемых на практике соединительных муфт, исходя из основных конструктивных особенностей, имеется в виду их влияния на характер вибрации при расцентровке, можно свести в три основные группы:
- жесткие муфты;
- гибкие муфты;
- подвижные муфты с гистерезисом.
Жесткая муфта.
Это муфта, при помощи которой два разных вала объединяются практически в единое целое.
После сборки жестких муфт оси роторов обязательно будут всегда принудительно совпадать. Расцентровка, т. е. некорректный монтаж “линии вала по подшипникам”, при этом отсутствует. Она сказывается только в изменении величины и направления усилий, действующих на подшипники, деформирует “розу вибраций” в направлении некорректности в монтаже подшипников.
При параллельной вертикальной расцентровке происходит разгрузка опор, расположенных ниже, противоположные же опоры, через муфту, при этом нагружаются. При угловой вертикальной расцентровке происходит перераспределение усилий на ближние и дальние подшипники, если считать от полумуфты. Если расцентровки имеют горизонтальную ориентацию - то возникают соответствующие горизонтальные реакции.
Расцентровка при жестких муфтах и подшипниках скольжения не создает сама по себе возмущающих сил, не сказывается в спектре вибрации. Ее влияние на вибрацию определяется изменением жесткости смазочного слоя опорных подшипников вдоль зазора за счет изменения опорных реакций.
Результатом этого достаточно простого заключения являются большие последствия - диагностировать расцентровку валов, соединенных жесткой муфтой, при помощи методов спектральной вибродиагностики достаточно трудно. Если при монтаже муфты ремонтным службам удалось полностью исключить дефект монтажа типа “колено”, то отдиагностировать по спектрам вибросигналов параллельную расцентровку в жесткой муфте очень сложно.
Если “колено” в муфте, хоть в малой степени, присутствует, то диагностика возможна, но 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.
При отсутствии дефекта монтажа муфты типа “колено” диагностику расцентровки в жесткой муфте можно все - таки выполнить, но при этом ее следует производить другими, более “специфическими” методами вибродиагностики, например, при помощи применения для диагностики синхронных или синхронизированных вибросигналов, регистрация которых является более сложной, и требует более сложных приборов.
Гибкая муфта.
Примером такой муфты служит линзовая муфта, в которой валы соединяются при помощи элемента специальной формы, напоминающего по форме один элемент барометрической коробки. В спектре вибрации на подшипниках вблизи такой муфты с расцентровкой характерные спектральные признаки расцентровки видны почти в классическом проявлении, хотя и в несколько ослабленном, можно сказать сглаженном виде. 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.
Подвижная муфта с гистерезисом.
В этот класс можно отнести те муфты, которые в пределах небольших взаимных смещений полумуфт ( центруемых валов ) ведут себя как свободное соединение, а при больших смещениях - как жесткие или гибкие муфты. Оси роторов таких муфт после сборки могут оставаться взаимно смещенными и вибрация при этом не будет большой, по крайней мере при смещениях валов на небольшую величину, не превышающую зону свободных перемещений, люфтов. К этому классу можно отнести зубчатые муфты, разнообразные пальцевые и кулачковые, пружинные и т. д. При расцентровках в оборудовании, которые по своей величине не выходят из диапазона допустимых смещений, муфты с гистерезисом, т. е. с небольшой подвижностью, компенсируют смещение валов и вибрация существенно не возрастает. В этом состоит коренное отличие методов вибрационной диагностики расцентровок от методов непосредственного контроля смещения валов, например, при помощи лазерных центровщиков. В вибросигнале явные признаки расцентровки появляются только тогда, когда по своей величине расцентровка превысит смещение, допустимое для конструкции данной муфты.
При использовании одновременно двух методов контроля качества центровки, например, по вибрации и при помощи лазерного центровщика, могут возникнуть сложности, связанные с трактовкой противоречивых заключений. Например, лазерный центровщик 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 центровщик 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 муфты.
Рассмотрим предпосылки возникновения в вибрации расцентрованной муфты с гистеризисом характерных гармоник, по которым проводится диагностирование расцентровки по спектрам вибросигналов. На картину “чистой расцентровки”, наблюдаемой при наличии жесткой муфты, будут накладываться динамические удары в моменты “переключения внутреннего зазора в муфте”, когда полумуфты будут перемещаться во взаимно противоположные направления в диапазоне допустимого гистерезиса. Такой характер ударов полумуфт друг о друга приводит к появлению во временном вибросигнале колебаний, симметричных относительно оси времени, т. е. появлению в спектре нечетных гармоник, наибольшее значение из которых, наряду с возросшей первой гармоникой, будет иметь третья гармоника. Пятую и седьмую можно наблюдать, но по своей величине они малы. Эти гармоники добавляются к первой гармонике оборотной частоты, имеющей место практически всегда, и ко второй, которая всегда свойственна расцентровке.
Четные гармоники оборотной частоты возникает обычно в моменты ударов, а поскольку при расцентровке на один оборот приходится обычно два удара, то преобладающей, из четных гармоник, является вторая гармоника. Появление второй гармоники в сигнале достаточно хорошо объясняется при помощи анализа “розы вибраций”, имеющей при расцентровке два диаметрально противоположных максимума. Такая картина распределения вибраций может быть получена только при наложении вибраций двух гармоник, первой и второй, когда вторая гармоника модулирует первую. В итоге на суммарной вибрации появляются два пика.
В спектре вибрации расцентровки валов механизмов, соединенных при помощи муфты с гистерезисом часто происходит наложение гармоник от двух различных причин повышенной вибрации - расцентровки и “механического ослабления”. Под механическим ослаблением здесь следует понимать наличие свободных зазоров в муфте, через пространство которых происходят постоянные соударения полумуфт. Первопричиной соударений является расцентровка.
По качественным и количественным соотношениям в проявлении ослабления в расцентрованной муфте можно достаточно корректно судить о ее техническом состоянии, оценивать состояние зубцовых пар зубчатой муфты, определять наличие сломанных элементов в пружинной муфте и т. д. Удары полумуфт друг о друга, вызванные расцентровкой, являются тем самым “молоточком”, который возбуждает диагностические колебания.
Для каждого конкретного типа соединительной муфты, с нелинейностью типа люфт, можно разработать целый ряд простых диагностических правил, позволяющих достаточно подробно контролировать ее техническое состояние.
Угловая расцентровка.
Рассмотрим проявление в спектре вибросигнала угловой расцентровки валов двух механизмов на практическом примере. Это многоступенчатый насос мощностью 1600 кВт для закачки воды в нефтяной пласт. Частота вращения насоса составляет 3000 об/мин. Спектры вибросигналов, зафиксированных при этом на подшипнике скольжения электродвигателя, расположенном рядом с муфтой, в трех направлениях, показаны на рис.1.
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.
Рис.1 Спектр вибрации агрегата с угловой расцентровкой.
При угловой расцентровке фаза осевой составляющей вибрации изменяется на 180 градусов с двух сторон полумуфты. 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 1. во время проведения плановых ремонтных работ, было выявлено, что она имела в своем составе так же и частичную параллельную компоненту.
Параллельная расцентровка.
Параллельный тип расцентровки часто имеет аналогичные вибрационные симптомы с угловой расцентровкой, но при ней максимально высокой является радиальная вибрация. Фаза радиальной вибрации меняет свое значение на 180 градусов при переходе через муфту. Соотношение первой и второй гармоник оборотной частоты в радиальном направлении при параллельной расцентровке всегда
примерно одинаковое - вторая гармоника превышает первую гармонику по амплитуде и по мощности. Это соотношение является относительным.
Абсолютное значение первой и второй гармоник определяется, в основном, двумя параметрами - величиной имеющейся расцентровки и типом и конструкцией муфты. О влиянии типа муфты на характер расцентровки сказано было выше.
Осевая составляющая вибрации при параллельной расцентровке обычно возрастает очень незначительно, за исключением случая расцентровки на изношенной муфте. При такой муфте в осевой составляющей обычно бывает максимальной вторая гармоника вибросигнала, третья же бывает максимальной редко, только при специфических износах соединительных муфт.
На рис 2. приведены спектры вибрации, характерные для параллельной расцентровки.
Рис.2 Спектр вибрации агрегата с параллельной расцентровкой.
Расцентровка на изношенной муфте.
Как уже говорилось выше расцентровка позволяет диагностировать состояние соединительных муфт с гистерезисом, т. е. с небольшим зазором между элементами полумуфт типа люфт. Удары, возникающие при расцентровке позволяют оценивать изношенность муфты и целостность конструктивных элементов. Картина проявления дефектов зависит от типа муфты, она различна в зубчатых муфтах, пальцевых, пружинных и т. д. Рассмотрим проявление расцентровки на примере зубчатой соединительной муфты, у которой из - за расцентровки, первоначальной причины, произошел значительный износ зубчатых пар, увеличились зазоры в зубчатых соединениях.
Пример спектра вибрации в вертикальном направлении при наличии вертикальной же параллельной расцентровке показан на рисунке 3.
Рис. 3 Спектр вибрации агрегата с расцентровкой и износом муфты.
На рисунке хорошо видны первые две гармоники оборотной частоты, свойственные сдвиговой расцентровке, 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. Текущее техническое состояние зубчатых пар не соответствует данному состоянию агрегата и его центровке. 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.
Выхода для практики в этом случае два - или заменить муфту ( ее элементы ), или добиться идеальной центровки, исключающей сдвиговые усилия в муфте.
Режимная ( технологическая ) расцентровка.
В этом пункте хочется еще раз указать на существование специфических расцентровок, по степени своего проявления зависящих, кроме всего прочего, от режимов работы оборудования. По своему виду они могут быть параллельными или угловыми. Специфичность их заключается в том, что они носят “блуждающий” характер. При определенных условиях работы оборудования такие расцентровки диагностируются по спектрам вибросигналов, а при других условиях нет.
Основными причинами, приводящими к появлению таких “блуждающих” расцентровок, можно назвать:
- неодинаковые тепловые изменения линейных параметров подшипниковых опор, приводящие к различным взаимным смещениям центров подшипников в пространстве;
- различная степень “технологической стабилизации” или, наоборот, “технологической нестабильности” при изменении нагрузки на агрегат, приводящая к изменению проявления расцентровок в различных режимах работы;
- тепловые деформации присоединенных к агрегату конструкций, например, тепловые деформации трубной обвязки насосов;
- тепловые линейные расширения агрегатов под воздействием разогрева в процессе пуска или при изменении режимов работы;
- искривления фундаментов в процессе работы, при изменении температуры окружающей среды, смены времен года и т. д., приводящие к искривлению идеальной линии вала.
Наиболее важным вопросом, который приходится решать при диагностике таких расцентровок, является выявление причин, приводящих к появлению тепловых ( режимных ) расцентровок. Если такую причину удается дифференцировать, то вероятность устранения расцентровки достаточно высока.
Расцентровка + “колено” + подшипник скольжения.
Здесь хочется привести практический пример, хотя и встречающийся в практике достаточно редко, но показывающий всю сложность проявления расцентровки в спектральной вибрационной картине, на которую значительно влияет конструкция агрегата и его текущее техническое состояние.
В турбоагрегате между цилиндром низкого давления ( ЦНД ) и турбогенератором фиксировалась очень интересная картина вибраций. По спектру вибросигналов с двух сторон муфты диагностировались небаланс и сдвиговая расцентровка. Вопрос о необходимости проведения центровки механизмов был спорным, т. к. ее проявление было нестандартным. На стороне ЦНД диагностировалась чисто поперечная параллельная расцентровка, а на стороне генератора - чисто вертикальная и тоже сдвиговая.
На стороне ЦНД в вертикальной проекции была только первая гармоника, аналогично в поперечном направлении на генераторе. Вообще первая гармоника с двух сторон муфты была максимальной. Небаланс имел более ярко выраженную картину. Попытка балансировки однако кончилась малым снижением вибрации.
После проведения ревизии муфты и центровочных работ вибрация снизилась до нормы.
В турбоагрегате между ЦНД и генератором расположена обычно гибкая линзовая муфта. При монтаже муфты в ней диагностировалось “колено”. Под воздействием теплового вертикального расширения, неодинакового роста стоек подшипников при различной температуре, в муфте возникла вертикальная параллельная расцентровка.
Кроме того при монтаже, может и по тепловым причинам, имела место небольшая сдвиговая поперечная расцентровка. В конечном итоге получилась сдвиговая расцентровка по диагонали.
Все это приводило к тому, что сдвинутые за счет “колена в муфте” валы вращались так, что когда вал генератора был ниже вала ЦНД, подшипник ЦНД разгружался, толщина маслянного клина увеличивалась. При дальнейшем повороте вала следовал удар по подшипнику ЦНД в поперечном направлении. В следующей фазе поворота вала наносился удар по подшипнику генератора, причем всегда в направлении сверху вниз. Это было выявлено только при синхронной регистрации сразу шести вибросигналов с двух сторон полумуфты.
Во многом такая сложная картина вибраций, затруднившая диагностику на первом этапе, выполнявшуюся с применением одноканального спектроанализатора, возникла из - за наличия в агрегате подшипников скольжения. В таких подшипниках маслянный клин имеет нелинейную несущую способность, в результате чего, при определенных условиях, что видно по вышеописанному примеру, происходит перераспределение нагрузок между подшипниками даже в течении одного оборота вала.
Данный пример убедительно показывает, что применение 16 канального синхронного спектроанализатора существенно расширяет возможности спектральной диагностики, особенно в сложных случаях.
Приобететение доступа к файлам
ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.