Диагностика неисправностей машины или механизма.

Диагностика дисбаланса

Многие специалисты полагают, что дисбаланс или неуравновешенность ротора машины или механизма это самый простой,  наиболее распространенный и достаточно легко диагностируемый дефект. Однако этот дефект очень легко перепутать с другими неисправностями, возникающими в машине.

Причины возникновения дисбаланса в машинах и механизмах могут иметь различную природу, вызванные многими особенностями конструкции и эксплуатации.

По типу, специфике проявления в общей картине вибрации, по особенностям проведения диагностики, дисбаланс можно условно разделить:

• Статический
• Моментный
• Динамический

Основными, наверное, всем известными  в спектральной диагностике признаками дисбаланса вращающихся масс роторов в различных типах машин и механизмах считают:

1. Максимальная амплитуда колебаний, наблюдаемая  на обоих подшипниках на частоте вращения ротора в 2,5 — 5 раз выше  других составляющих  (по частоте) вибрации.
2. Отношение амплитуды частоты вращения (первой гармоники) к  аналогичной амплитуде в поперечном направлении находится в  диапазоне примерно 0,7-1,2 .
3. Обычно дисбаланс проявляется на одновременно двух подшипниках  одного ротора, то есть при дисбалансе амплитуда колебаний возрастает на обеих опорах. Очень редко амплитуда колебаний возрастает на одной опоре, если дисбаланс сосредоточен со стороны этой опоры.
4. При неизменной частоте вращения дисбаланс не зависит от режима работы машины или механизма.

Все выше перечисленные признаки изменения амплитуды вибрации  ротора позволяют вам определить, имеет  ротор дисбаланс или нет. Однако определить какая форма дисбаланса присутствует на роторе  сказать нельзя. Только анализ фаз колебаний подшипников поможет вам  определить форму дисбаланса и тем самым исключить возможность постановки неправильного диагноза.

Давайте изучим вышеперечисленные формы дисбаланса, и посмотрим, как мы можем проанализировать показания фазы на концах ротора и показания фазы измеренной в вертикальном направлении  с горизонтальным направлением  для  определения формы дисбаланса.

Статический дисбаланс

Статический дисбаланс — это есть  смещение центра масс ротора относительно оси его вращения. Этот тип дисбаланса называют статическим, еще  потому, что его можно определить, даже если ротор не вращается. Если поместить ротор в свободных от трения подшипники, то ротор повернется так, что тяжелая точка окажется в самом нижнем положении.

Рис.6  Статический дисбаланс ротора

При статическом дисбалансе ротора наблюдается вибрация на  подшипниковых опорах, как в вертикальном, так и в поперечном  направлении. Амплитуды колебаний на  обоих подшипниках ротатора будут одинаковы или немного отличаться.

Диагностические признаки статического дисбаланса при анализе фаз  колебаний будут следующие:

1. Фаза колебаний на частоте вращения должна быть достаточно  устойчивой и не меняться с течением времени.

2. Фаза колебаний на частоте вращения в вертикальном направлении  должна отличаться от фазы колебаний в горизонтальном направлении  примерно на 90 или 270 градусов.

3. Фазы колебаний на частоте вращения ротора на двух подшипниках  одного ротора должны мало отличаться друг от друга. При чисто  статическом дисбалансе сдвига фаз вообще не должно быть. Различие  в сдвиге фаз более нуля градусов свидетельствует о том, что на роторе  кроме статического дисбаланса присутствует  моментный.

Моментный дисбаланс

Этот вид дисбаланса ротора еще иногда называют дисбалансом моментов, поскольку на роторе присутствует два дисбаланса, которые расположены друг относительно друга под углом 180⁰ . Этот вид дисбаланса выявляется только при вращении ротора относительно поперечной оси проходящей через центр масс.

Рис.7 Моментный дисбаланс ротора

Иначе можно сказать, что моментный дисбаланс характеризуется таким распределением масс на роторе, при котором его ось вращения и ось инерции пересекаются в центре масс ротора (рис.7 ).

Диагностические признаки моментного дисбаланса при анализе фаз  колебаний будут следующие:

1. Фаза колебаний на частоте вращения должна быть достаточно  устойчивой и не меняться с течением времени.

2. Фаза колебаний на частоте вращения в вертикальном направлении  должна отличаться от фазы колебаний в горизонтальном направлении  примерно на 90 или 270 градусов.

3. Фазы колебаний на частоте вращения ротора на двух подшипниках  одного ротора должны отличаться друг от друга на 180⁰ , то есть быть в противофазе. При чисто  моментном дисбалансе сдвига фаз должно составлять 150 – 210 градусов. Различие  в сдвиге фаз больше или меньше 180 градусов свидетельствует о том, что на роторе  кроме моментного дисбаланса присутствует статический дисбаланс.

Динамический дисбаланс

На практике статический или динамический дисбаланс в чистом виде встречается крайне редко.  Скорее всего, мы будем иметь комбинацию статического и моментного дисбаланса, как показано на рисунке 8. Такую Комбинацию дисбалансов называют динамическим дисбалансом.

Рис.8 Динамический дисбаланс ротора

Поэтому диагностические признаки для моментного и статического дисбаланса будут так же правомерными для динамического, но только первые два пункта.

При анализе фаз вибрации машин и механизмов  диагностическим признаком наличия на роторе машины или механизма динамического дисбаланса будет:

Если Фазы колебаний на частоте вращения ротора на двух подшипниках  одного ротора отличаться друг от друга на 90⁰ , то вклад статического и моментного дисбаланса в общую вибрацию одинаков. При дальнейшем увеличении или уменьшении сдвига фаз  вклад статического и динамического дисбаланса будет увеличиваться  или уменьшаться, постепенно смещаясь к одному из видов.

Несоосность  валов

Дефекты несоосности валов машин и механизмов очень распространены и диагностика его по одному только частотному спектру вибрации может вызывать трудности. Этот дефект можно легко перепутать с другими неисправностями, включая дисбаланс и механическое ослабление.

Рис. 9 Идеальная соосность валов двигателя с насосом

Одним из самых первых признаком  несоосности валов – наличие увеличенных радиальных колебаний на подшипниковых опорах  с двух сторон соединительной муфты, направление которых ориентировано обычно в плоскости несоосности.

Рис. 10 Виды несоосности соединяемых валов машины или механизма

Большую помощь в диагностике несоосности валов машин и механизмов оказывает анализ фаз колебаний.

Когда машина имеет несоосность, то возникающие при этом силы пропорциональны величине радиального и углового смещения между осями вращения соединяемых валов. Эти силы сильно отличаются от сил возникающих при неуравновешенности ротора, поэтому соотношения фаз при этих дефектах будет сильно отличаться.

Если Вы предполагаете что на роторе машины имеется дисбаланс или несоосность соединяемых валов, то выполните анализ полученных данных (амплитуда и фаза колебаний), как описано в предыдущем разделе статьи. В результате проведенного анализа вы увидите, что признаки дисбаланса не соблюдаются  (например, фаза в вертикальном и горизонтальном направлениях составляет 110 ° и 70 °, вместо 90⁰), а это говорит о том, что машина имеет другой вид неисправности – несоосность валов.

Диагностическими признаками несоосности валов при анализе фаз  колебаний будут:

1. 1. Соотношение фаз между вертикальным и горизонтальным направлением измерения вибрации на концах машины, не будут удовлетворять правилам соответствующим дефекту — дисбаланс ротора. В результате смещения валов возникает радиальная и угловая несоосность, которая зависит от типа используемой соединительной муфты  и  разность фаз на концах машины в вертикальном и горизонтальном направлениях не будет согласованной.
2. 2. Если машина имеет несоосность, то вы не удивите разность фаз в 90 градусов между вертикальным и горизонтальным направлением  измерения вибрации на одном и том же подшипнике. Показания фазы в этом случае будут ближе к 0 или 180 градусам.
3. 3. Если имеет место большие угловые смещения осей, то показание фаз на соседних подшипниках с муфтой будут различаться на 0 градусов, то есть амплитуда колебаний на этих подшипниках будет в фазе (синфазна).

Угловая несоосность валов характеризуется достаточно высоким уровнем осевой вибрации. Максимум  мощности осевой вибрации сосредоточен на первой или второй гармониках частоты вращения . Фаза осевой составляющей вибрации изменяется на 180 градусов с двух сторон муфты.

1. 4. Если имеет место большое радиальное смещение осей, то показание фаз на соседних подшипниках с муфтой будут различаться на 0 градусов, то есть амплитуда колебаний на этих подшипниках будет в фазе (синфазна).

Эксцентриситет

Эксцентриситет -это, когда центр вращения смещен относительно геометрической оси шкива, зубчатого колеса, подшипника, или ротора.

При эксцентриситете самые высокие колебания будут наблюдаться по вертикальной оси электродвигателя ,поэтому измерения вибрации нужно проводить в этом направлении, как показано на рисунке 11.

Рис. 11  Соотношение фаз при эксцентриситете

Сдвиг фаз между измерениями, проведенными по оси проходящей вертикально через центр вала электродвигателя и под прямым углом будет составлять  0 ° или 180 °.

Заметьте, что мы не проводим измерения фазы вертикальном и горизонтальном направлении измерения (как требует ГОСТ), а проводим измерения перпендикулярно  к оси вала , вертикально и горизонтально (особенно различается при ременной передачи)  .

Изгиб вала

При изгибе вала наблюдается высокий уровень амплитуды колебаний с частотой вращения ( 1X) в осевом направлении. Если изгиб вала будет наблюдаться около центра вала, то перобладает вибрация с частотой вращения ( 1X), а если же изгиб вала будет ближе к муфте то будет наблюдаться вторая гармоническую составляющую( 2X) вибрации. В вертикальном и горизонтальном направлении в измерениях будут присутствовать пики амплитуд с частотой вращения кратные 1X и 2X частоты вращения, однако основным диагностическим признаком будет измерение в осевом направлении.

Основным  критерием при диагностике изгиба вала является показание фазы вибрации:

1. Фаза первой гармоники частоты вращения (1X) измеренная в осевых направлениях на противоположных концах вала будет в противофазе и приблизительно равняться 180 °

2. Если произвести измерения фазы вибрации вокруг вала  — с обеих сторон вала по горизонтали, вверху и внизу, как показано на рисунке 12, то показания фазы практически совпадает во всех точках замера.

Рис.12 Соотношение фаз при изгибе вала

Перекос подшипника

Перекос подшипника – это одна из форм смещения, которая будет возбуждать  вибрацию в осевом направлении, уровень которой выше чем в радиальном направлении. Эти признаки распределения вибрации схожи с распределением колебаний при   других дефектах в машине или механизме (например, несоосность валов).

Существует две формы перекоса подшипника.

1. Если внешнее кольцо подшипника имеет перекос к верху .

Разница в показаниях фазы в осевом направлении с одной стороны вала к обратной будет составлять 180 °. Все зависит, от того в какую сторону перекошен подшипник. Разницу фаз в 180 ° можно увидеть, если произвести измерения с левой и с правой стороны подшипника  или сверху и снизу.

1. Если внутреннее кольцо подшипника перекошено на валу.

При вращении вала кажется что подшипник «бьет». Разность фаз при этом составляет 180 °.  Если сравнить показания фаз измеренных вверху и справа, снизу и  слева (или с 12:00 до 3:00 с 6:00 до 9:00), то разность фаз будет составлять 90 ° (Рис.13) .

Рис.13 Соотношение фаз при перекосе подшипника

Механические ослаблениия

Анализ фазы вибрации подшипниковых опор машины или механизма используется  при определении ослабления посадки детали. Так как  вращение детали с ослабленной посадкой вызывает вибрацию с частотой вращения (1Х), то анализируя вибрацию только с помощью спектрального анализа этот дефект можно перепутать с несоосностью, изгибом вала и перекосом подшипника.

Для правильного определения данного дефекта используют анализ фаз вибрации машин и механизмов.

Показания фазы не будет совпадать с правилами, которые мы обсуждали до сих пор, и будет носить случайный характер,  что может помочь вам различать два вида причины ослабления посадки.

В случае ослабления конструкции фундамента, фаза может использоваться двумя способами. Во-первых, если уровни вибрации достаточно высоки, то машина совершает колебательные движения вперёд-назад. Показания фазы, измеренные в горизонтальном направлении, могут совпадать по фазе, но в отличие от дисбаланса, не будет наблюдаться сдвига фаз в 90º между вертикальным и горизонтальным направлением измерения.

Если в фундаменте трещина или ослаблен болт крепления двигателя к раме (рис.14) , то для диагностики этих дефектов измеряют фазу вибрации, перемещая акселерометр от одной точки замера к другой по контуру (например: контур двигатель-рама-фундамент). При наличии дефекта при перемещении акселерометра через трещину или границу стягивания двух деталей с помощью болта, сдвиг фаз изменится приблизительно на 180градусов.

Рис.14 Соотношение фаз при ослаблении крепежа

Заключение

Я надеюсь, что у Вас теперь возобновился интерес к анализу фазы вибрации. Фаза вибрации может помочь Вам не только правильно диагностировать, но и конкретизировать широкий диапазон неисправностей. Процедура измерения фазы вибрации подшипниковых опор машины или механизма не сложна, поэтому рекомендую обязательно при диагностике неисправностей в машине обязательно выполнять анализ фаз вибрациию

Статья написана по материалам лекций Института вибрации США.