Балансировка роторов в собственных подшипниках

2.1. Основные причины появления дебаланса в роторных машинах (Imbalance)

Дебаланс в роторных машинах является наиболее распространенным дефектом, приводящим к резкому увеличению вибрации. Дебаланс связан с процессами, происходящими в механической, тепловой или электромагнитной системах роторов, и в основном именно в результате дебаланса энергия вращения ротора преобразуется в энергию вибрации. Основная причина механического дебаланса - несовпадение центра масс с осью вращения. Возникающая при этом вибрация возбуждается центробежной силой, равной произведению массы дебаланса на угловое ускорение, пропорциональное радиус вектору и квадрату угловой частоты вращения ротора.

Так как масса дебаланса вращается, то вращается и центробежная сила. Вибрация ротора передается на подшипники и центробежная сила, действующая один раз за один оборот вала, может быть обнаружена в любой точке машины.

Таким образом, дебаланс ротора приводит к вибрации всех элементов машины на частоте, совпадающей с частотой вращения ротора (оборотная частота, оборотная гармоника, роторная гармоника, первая гармоника частоты вращения ротора). Вибрация с оборотной частотой обычно присутствует во всех вибрационных спектрах, измеренных на крышке или корпусе подшипника во всех проекциях - вертикальной, поперечной и осевой. Это связанно с тем, что не существует машин с идеально отбалансированным ротором. Минимальные погрешности изготовления, монтажа, неравномерного износа, деформации элементов ротора и т.д. приводят к дебалансу и вибрации роторной машины на оборотной частоте.

Основные причины появления дебаланса:

• Дефекты изготовления ротора и его элементов.

• Недостаточный контроль на заводе-изготовителе или при ремонте, удары при перевозке, плохие условия хранения.

• Дефекты сборки при первичном монтаже или после ремонта.

• Наличие изношенных, дефектных и недостаточно прочно закрепленных деталей.

• Неравномерный износ, старение ротора, появление остаточных деформаций (особенно при нерасчетных режимах работы, приводящих к перегревам и ударам).

• Дефекты структуры метала, наличие внутренних дефектов в материалах.

Чаще всего в качестве вибродиагностического признака повышенного дебаланса используется рост амплитуды оборотной гармоники вибрации в радиальном направлении.

Несмотря на кажущуюся простоту диагностики дебаланса, на практике дело обстоит не так просто, поскольку ряд других дефектов в роторной машине приводит к росту в вибрационном спектре амплитуды оборотной гармоники.

2.2. Дефекты в роторных машинах, приводящие к росту оборотной гармоники вибрации

Механические ослабления (люфт)

Чаще всего вибрация при механических ослаблениях вызывается соударениями вращающихся деталей между собой или подвижных элементов ротора с неподвижными.

Возможны также соударения неподвижных элементов, вызванные источником внешних динамических нагрузок, например, дебалансом. В связи с этим, механические ослабления (люфт) элементов системы «ротор-подшипники» сопровождаются появлением множества нестандартных сил, в результате чего в вибрационных спектрах возникает, наряду с оборотной гармоникой, большое количество гармоник (до 15) оборотной частоты.

Рост амплитуды оборотной гармоники при ударах связан с тем, что основным источником энергии является вращение вала. Одна из высших гармоник имеет явно увеличенную мощность, характеризующую сосредоточение мощности ударов в некотором частотном диапазоне. А остальные гармоники являются следствием сложения (биении) частот соударений с оборотной частотой. Амплитуда этих гармоник зависит от интенсивности ударов, от технического состояния машины (величины зазоров, изношенности машины) и от амплитуды оборотной гармоники.

При диагностике механических ослаблений большую роль играет выбор направления измерения вибрации. Приведенная выше картина отчетливо проявляется только в одном из направлений ‑ там, где суммарная мощность высших (3-15) гармоник максимальна.

Таким образом, диагностическим признаком механических ослаблений (люфта) является, наряду с ростом амплитуды оборотной гармоники, рост амплитуд высших гармоник, среди которых в некотором частотном диапазоне происходит резкое увеличение мощности.

Если на удары при механических ослаблениях (люфте) большое влияние оказывают силы трения, усиливающие нелинейные свойства системы, то в вибрационном спектре возникают дробные гармоники с частотами 0,5; 1,5; 2,5 от оборотной.

Вибрация фундамента

При снижении жесткости внутренней структуры фундамента, отдельных его элементов, нарушении связей между ними или при наличии трещин усиливается вибрация фундамента. Такой дефект приводит к тому, что в вибрационном спектре увеличивается амплитуда оборотной гармоники, наведенная дебалансом ротора. Но в отличие от «чистого дебаланса» рост амплитуды оборотной гармоники происходит только в одном из направлений, в направлении максимального снижения жесткости фундамента.

Одним из методов диагностики этого дефекта является измерение СКЗ виброскорости на крышке подшипника и в местах крепления подшипника к фундаменту в трех направлениях. Для хорошего фундамента отношение этих величин в каждом направлении не должно сильно отличаться и примерно равняться 2. Уменьшение этого отношения до 1,4-1,7 свидетельствует о неудовлетворительной работе фундамента. Если же отношение оказалось равным 2,5-3,0, то либо фундамент работает идеально, либо ослаблены анкерные связи.

Нарушение жесткости фундамента или других элементов крепления машины может диагностироваться и по резкому изменению амплитуды вибрации по высоте.

Уменьшение жесткости или обрыв анкеров также приводит к повышению вибрации машины на оборотной частоте. Обычно этот дефект становится заметным после того, как в машине появился источник интенсивных динамических нагрузок (дебаланс, расцентровка и т.д.), например, в результате некачественного ремонта. Амплитуда вибрации анкеров в этом случае значительно больше амплитуды вибрации фундамента.

Для снижения вибрации машины следует не только улучшить качество крепления машины к фундаменту, но и устранить источник динамических нагрузок.

Вибрация подшипников скольжения

При перекосе или излишней подвижности баббитовых вкладышей несамоустанавливающихся подшипников скольжения в вибрационных спектрах происходит увеличение амплитуд первых двух гармонических составляющих. Этот рост особенно заметен в осевом направлении. Дальнейшее развитие дефекта и рост амплитуд начальных гармоник приводят к разрушению вкладышей, появлению задиров шейки вала и необходимости аварийной остановки машины. Часто этот дефект сопровождается и небольшим изгибом шейки вала.

Сравнение СКЗ виброскорости в осевом и радиальном направлениях позволяет выявить преимущественное влияние осевой вибрации и определить ось перекоса вкладыша. Еще более полную информацию о дефекте можно получить, анализируя зависимость СКЗ виброскорости от угла в плоскости, перпендикулярной оси агрегата. Для получения этой зависимости меняют угловую координату установки датчика на крышке или корпусе подшипника в соответствующей плоскости. Эта зависимость используется при диагностике комбинированного дефекта, состоящего из дефекта установки подшипника и изгиба шейки вала. Если в этой зависимости нет четкого максимума, то имеет место изгиб шейки вала.

В сегментных (самоустанавливающихся) подшипниках при дефектах установки, помимо роста первых двух гармоник, в вибрационном спектре возможно проявление гармоники с частотой, равной произведению числа сегментов на оборотную частоту.

Таким образом, рост амплитуд первых двух гармо­ник к осевом направлении свидетельствует о возможном дефекте установки подшипника скольжения.

Вибрация подшипников качения

При работе подшипников качения в вибрационных спектрах появляется ряд характерных гармоник, частота которых однозначно связана с конструктивными параметрами подшипника и оборотной гармоникой. Основными из характерных гармоник являются гармоники с частотами внешней и внутренней обойм, сепаратора и тел качения. Увеличение амплитуды характерной гармоники свидетельствует о нали­чии дефекта в соответствующем элементе подшипника, рост которого определяет ресурс подшипника.

Все характерные частоты подшипника обычно модулируются оборотной гармоникой, что приводит к появлению вокруг них боковых гармоник. По мере роста дефекта число и амплитуда боковых гармоник увеличиваются. Часто дополнительная мощность вибрации оказывается сосредоточенной не в характерной гармонике, а вокруг нее в возникающих зонах повышенной вибрации, причем в достаточно широком частотном диапазоне.

Но коэффициент модуляции, определяющий амплитуды боковых частот, зависит как от амплитуды характерной гармоники, так и от амплитуды оборотной. Это означает, что с ростом амплитуды оборотной гармоники даже небольшие дефекты подшипника могут приводить к большим динамическим нагрузкам и резкому сокращению его ресурса.

Изгиб вала

Достаточно развитый дефект типа «изгиб вала» обычно приводит, как уже упоминалось, к резкому увеличению вибрации на оборотной частоте в осевом направлении и аварийной остановке машины. Последней стадией этого процесса является недопустимое увеличение зазоров в подшипниках и их разрушение.

При диагностике изгиба вала обычно рассматриваются два случая:

• изгиб вала вблизи подшипника (изгиб шейки вала);

• изгиб вала между подшипниками.

При изгибе шейки вала, в отличие от дебаланса, фаза оборотной гармоники в вертикальном и поперечном направлениях будет отличаться на 90° или 270°. Это означает, при диагностике изгиба большую помощь может оказать одновременная (синхронизированная) регистрация вибросигналов в двух направлениях.

При изгибе вала зависимость СКЗ виброскорости от угла в плоскости, перпендикулярной оси вращения, имеет достаточно круглую форму. Чаще всего это эллипс с горизонтальным расположением большой оси, что связано с различной податливостью подшипниковой опоры в различных направлениях.

Степень увеличения осевой вибрации определяется степенью изгиба ротора. При небольших изгибах различие СКЗ виброскорости в осевом и радиальном направлениях не очень велико. При больших изгибах общий уровень осевой вибрации может более чем в 2 раза превосходить общий уровень вибрации в радиальных направлениях.

Достаточно часто работа с сильно изогнутым валом приводит к появлению в вибрационном спектре 4-6 гармоник. При этом максимальной в радиальных направлениях может оказаться оборотная гармоника. А в осевом -гармоника высшего порядка. Это связано с малой жесткостью подшипниковых опор в осевом направлении. Именно малая осевая жесткость опор приводит к определяющему влиянию осевой вибрации. Хотя осевые усилия обычно не являются максимальными.

При изгибе вала между подшипниками происходит изменение распределения масс по длине ротора, что ведет к увеличению массы дебаланса и росту вибрации на оборотной частоте. При этом фаза оборотной гармоники не меняется.

С целью снижения уровня вибрации ротор балансируют в собственных подшипниках, однако, сразу не удается существенно снизить амплитуду оборотной гармоники и вибрация на обеих подшипниковых стойках не уменьшается. После достаточно квалифицированной балансировки амплитуду оборотной гармоники все же удается снизить до приемлемого уровня, но общий уровень вибрации остается большим. Балансировка приводит к тому, что в вибрационном спектре значительно увеличиваются амплитуды высших гармоник. Более того, балансировка позволяет уменьшить амплитуду оборотной гармоники в радиальных направлениях. А в осевом направлении амплитуда оборотной гармоники не только не уменьшается, но иногда и увеличивается.

Наиболее достоверными диагностическими признаками изгиба вала между подшипниками являются:

• СКЗ виброскорости в радиальных направлениях велико и различается не более чем на 30 %;

• в спектре осевой вибрации присутствует оборотная гармоника, но возможно наличие второй и третьей гармоник с максимальными амплитудами;

• фазы оборотных гармоник в осевом направлении на обеих подшипниковых стойках отличаются всегда на 180°.

Таким образом, для диагностики роторных машин недостаточно измерения вибрационного спектра в одном направлении. Информация об амплитудах гармоник вибрации в одном направлении не может служить основанием для определения типа дефекта. Необходимо иметь информацию об амплитудах и частотах вибрации в трех направлениях. Эта информация должна быть дополнена зависимостью изменения СКЗ виброскорости от угла в различных плоскостях, а в ряде случаев и синхронным изменением спектров, позволяющем оценить относительную фазу соответствующей гармоники.

Из вышесказанного следует, что надежность, эффективность и долговечность работы роторной машины зависит от амплитуды оборотной гармоники вибрации. Оборотная гармоника вибрации, амплитуда которой определяется массой дебаланса, не только приводит к росту нагрузок на элементы машины, но и интенсифицирует развитие других дефектов, также снижающих ресурс машины.