Балансировка при эксплуатации Неуравновешенность (дисбаланс) вращающихся масс и вызванные ею центробежные силы резко увеличивают нагрузку на подшипниковые опоры, отдельные узлы и механизм в целом, что приводит к росту вибрации и существенному снижению ресурса механизма. В отдельных случаях вибрация столь велика, что вибрирует не только сам механизм, но и окружающее его оборудование, здания и сооружения. Сколько энергии при этом тратится не на выполнение работы, а на разрушение, при этом вы еще и оплачиваете энергию, израсходованную на разрушение вашего оборудования. Если балансировка при серийном производстве решается использованием балансировочных станков, то вопросы балансировки при ремонте и эксплуатации долгое время оставались нерешенными. Эксплуатирующие предприятия не могут позволить себе приобретение целой гаммы балансировочных станков, тем более что их загрузка и окупаемость в большинстве случаев будет крайне низкой. Решению этого вопроса способствовало развитие средств контроля технического состояния оборудования по сигналам вибрации. В настоящее время производится ряд портативных приборов, которые кроме основных функций по измерению, обработке и анализу сигналов вибрации предназначены для выполнения динамической балансировки «в собственных опорах».Суть технологии балансировки «в собственных опорах» заключается в том, что в механизм, работающий в нормальном эксплуатационном режиме, в одну или несколько плоскостей ротора устанавливают пробный груз (грузы), по реакции механизма (изменению вибрации) прибор рассчитывает массу необходимого корректирующего груза и угол его установки на роторе для компенсации дисбаланса. Из приборов данного класса хотелось бы отметить анализатор спектра вибрации 795М. Он позволяет выполнить все необходимые измерения и расчет корректирующих масс с «оптимизацией» — выравнивание расчетных остаточных уровней вибрации на опорах. При этом возможна совместная балансировка валопроводов и систем типа «ротор электродвигателя— муфта— рабочее колесо механизма». Функции сложения и разложениявекторов позволяют перераспределять корректирующие массы по заданным направлениям (фиксированным местам для установки грузов).Предусмотрена возможность подбалансировки агрегата и расчета дополнительных корректирующих масс по результатам контрольного пуска с использованием известных коэффициентов влияния, т.е. без производства дополнительных пусков. Все данные по каждой балансировочной работе могут быть записаны в память налюбом этапе работы. Центровка валов. Методы, средства, эффективность Примерно 50% всех поломок машин,и в первую очередь подшипников, вызваны перекосами валов. При несоосных валах возникает момент сил реакции, который приводит к повышенным нагрузкам на опоры и вызывает: износ подшипников; износ уплотнений; повышенное потребление энергии; увеличение уровня вибрации и шума; снижение работоспособности и надежности машин. Определить несоосность можно: прямым измерением; косвенно по повышению температуры подшипниковых узлов; вибродиагностическими методами. Казалось бы, самым простым и надежным является прямое измерение, но на практике традиционные методы (индикаторы, микрометры, щупы) часто не дают результата. Например, в механизме, на котором с помощью индикаторов была произведена центровка с точностью 0,01 мм при допуске 0,04 мм, при контроле технического состояния по вибрации прослеживались явные признаки несоосности. Выверка лазерным центровщиком показала, что при выходе на эксплуатационный режим неравномерный нагрев корпуса механизма по длине и разница между температурой механизма и электродвигателя приводят к перекосу и смещению осей на 0,4 мм, что недопустимо. Опыт показывает, что самыми достоверными являются вибродиагностический метод и прямое измерение лазерным центровщиком, позволяющим точно и, самое главное, быстро произвести измерения на прогретом механизме и определить реальную несоосность при эксплуатации. С какой точностью проводить центровку? В качестве исходных норм можно использовать следующие, определенные статистическии заложенные в европейские стандарты, допуски — см. табл. 1.В технической документации на механизм допуски в большинстве случаев назначаются исходя из возможностей соединительных муфт компенсировать указанные отклонения и являются предельно-допустимыми значениями. Следует помнить, что оптимальным для механизмов является отклонение, равное нулю. При увеличении несоосности на 20% долговечность подшипников снижается на 40–50%. Чем производить центровку? Известны следующие методы центровки: ? штангенциркулем или щупами — измерение радиальных и торцевых зазоров на полумуфтах; ? приспособлениями с индикаторами часового типа; ? приборами с бесконтактными датчиками биения вала; ? оптическими приборами; ? лазерными приборами. Если мы внимательно посмотрим на данные табл. 1, то увидим, что погрешность многих из перечисленных методов измерений близка к предельно-допустимым значениям несоосности, т.е. этими методами мы вынуждены были пользоваться из-за отсутствия более точных средств. Данные независимых экспертов о том, что около 70% дефектов механизмов вызвано производством работ по их обслуживанию, заставляют особое внимание уделить вопросам оснащения ремонтных бригад приборами и инструментом, способными обеспечить высокое качество выполненных работ. Из известных методов центровки, несомненно, самым точным является лазерный метод. Однако приборы, основанные на нем, долгое время отпугивали потребителей в основном из-за своей сложности. Наша фирма совместно с НПП «Контест» окончательно устранили этот недостаток, выпустив на рынок приборы серии «АВВ». Эти приборы исключительно просты и надежны в эксплуатации. Они не требуют специального обучения персонала: техник-механик, привыкший к традиционным методам центровки, может самостоятельно овладеть навыками работы с приборами в течение часа. В приборах на базе лазерной и микропроцессорной техники реализован метод «обратных индикаторов», обеспечивающий быстрое и качественное выполнение работ, почти полностью исключается влияние «человеческого фактора».Используемые при этом лазерные лучи не отклоняются от прямолинейности, что позволяет при разрешении детектора 0,001 мм обеспечить высокую точность. Данные в процессе центровки выводятся на экран в режиме реального времени. Таким образом, результаты перемещений агрегата, установки подкладок или затяжки болтов крепления можно видеть в тот самый момент, когда они производятся. Программное обеспечение приборов дает возможность учитывать и компенсировать влияние тепловых деформаций и смещений от натяжения трубопроводов при выходе механизма на эксплуатационный режим. Какова экономическая эффективность? Статистика показывает, что для эффективного решения проблемы ежегодные затраты (стоимость приборов, подготовка и обучение персонала) должны составлять не менее 1% от стоимости основного оборудования. При этом непосредственно экономится 7–12% годовых затрат на приобретение запчастей (подшипников, манжет, муфт), до 60% затрат на восстановление валов и корпусных деталей, 5–12% электроэнергии или топлива. Значительно сокращаются убытки связанные с простоем и ремонтом машин. Диагностика подшипников качения Подшипник качения является самым распространенным и наиболее уязвимым элементом любого роторного механизма. Подшипники осуществляют пространственную фиксацию вращающихся роторов и воспринимают основную часть статических и динамических усилий, возникающих в механизме. Поэтому техническое состояние подшипников является важнейшей составляющей, определяющей работоспособность механизма в целом. Для оценки технического состояния и диагностики подшипников качения в настоящее время широко используются следующие методы: ПИК-фактор, по спектру вибросигнала,по спектру огибающей, по методу ударных импульсов. Рассмотрим подробнее каждый из них. 1. Метод ПИК-фактора. Для контроля за техническим состоянием подшипников по этому методу необходимо иметь простой виброметр, позволяющий измерять два параметра вибросигнала: ? среднеквадратичное значение уровня (СКЗ) вибрации, т.е. энергии вибрации; ? пиковую амплитуду (ПИК) вибрации (положительную, отрицательную или полный размах — значения не имеет). Отношение двух этих параметров ПИК/СКЗ называется ПИК-фактором. В осциллограмме нового, хорошо смазанного подшипника присутствует стационарный сигнал шумового характера (рис. 1, а).С течением времени, по мере появления дефектов на деталях подшипника, в сигнале начнут появляться отдельные, короткие амплитудные пики, соответствующие моментам соударения дефектов (рис. 1, б).В дальнейшем, с развитием дефекта, сначала увеличиваются амплитуды пиков, потом постепенно увеличивается и их количество (рис. 1, в).Например, дефект, появившись на одном из шариков, создает впоследствии забоину на кольце, с него она переносится на другой шарик, дефекты шариков начинают вырабатывать сепаратор и т.д. до полного разрушения. Если изобразить результаты измерений на графике, мы увидим зависимости, показанные на рис. 2.Сначала по мере появления и развития дефекта нарастает функция ПИК, а СКЗ меняется очень мало, поскольку отдельные, очень короткие амплитудные пики практически не меняют энергетические характеристики сигнала. В дальнейшем, по мере увеличения амплитуд и количества пиков, начинает увеличиваться энергия сигнала, возрастает СКЗ вибрации. Отношение ПИК?СКЗ из-за временного сдвига междуними имеет явно выраженный максимум на временной оси.На этом и основывается метод ПИК-фактора. Экспериментально было установлено, что момент прохода функции ПИК-фактор через максимум соответствует остаточному ресурсу подшипника порядка двух-трех недель. Достоинство метода ПИК-фактора — простота. Для реализации нужен обычный виброметр общего уровня. Недостатки— слабая помехозащищенность метода и необходимость проводить многократные измерения в процессе эксплуатации. Установить датчик непосредственно на наружной обойме подшипника практически невозможно, поэтому сигнал вибрации характеризует не только подшипник, но и другие узлы механизма, что в данном случае рассматривается как помехи. Чем дальше установлен датчик от подшипника и сложнее кинематика самого механизма, тем меньше достоверность метода. Получить оценку состояния по одному замеру невозможно. 2. Поспектру вибросигнала Для контроля за техническим состоянием подшипников по данному методу необходим анализатор спектра вибрации (виброанализатор). Метод базируется на анализе спектра вибрации — выявлении периодичности (частоты) появления амплитудным виброанализатором и по частотному составу спектра (рис. 3),можно идентифицировать возникновение и развитие дефектов подшипника. Каждому дефекту на элементах подшипника (тела качения, внутреннее и наружное кольцо, сепаратор) соответствуют свои частоты, которые зависят от кинематики подшипника и скорости его вращения.Наличие той или иной частотной составляющей в спектре сигнала говорит о возникновении соответствующего дефекта, а амплитуда этой составляющей— о глубине дефекта. Достоинства метода: ? высокая помехозащищенность (маловероятно наличие в механизме источников, создающих вибрации на тех же частотах, что и дефекты подшипника); ? высокая информативность. Возможна оценка состояния элементов подшипника (тел качения, внутреннего и наружного кольца, сепаратора), поскольку они генерируют разные частотные ряды в спектре. Недостатки: ? метод дорогостоящий, если виброанализатор использовать только для контроля подшипников; ? метод малочувствителен к зарождающимся и слабым дефектам в связи с тем, что подшипники в большинстве случаев являются маломощными источниками вибрации. Небольшой скол на шарике или дорожке не в состоянии заметно качнуть механизм, чтобы мы увидели эту частотную составляющую в спектре. И только при достаточно сильных дефектах амплитуды этих частотных составляющих начинают заметно выделяться в спектре. Метод используется достаточно широко, особенно в среде профессиональных специалистов и дает хорошие результаты. 3. Метод спектра огибающей. Для контроля за техническим состоянием подшипников по этому методу необходим анализатор спектра вибрации с функцией анализа спектра огибающей высокочастотной вибрации. Метод базируется на анализе высокочастотной составляющей вибрации и выявлении модулирующих ее низкочастотных сигналов. На рис. 1 видно, что высокочастотная часть сигнала изменяет свою амплитуду во времени, т.е. она модулируется каким-то более низкочастотным сигналом. Выделение и обработка этой информации и составляют основу метода. Рассмотрим подшипник с зарождающимся дефектом (сколом, трещиной и т.д.) на наружной обойме. При ударе тел качения о дефект возникают высокочастотные затухающие колебания, которые будут повторяться (модулироваться) с частотой равной частоте перекатывания тел качения по наружному кольцу. Именно в этом модулирующем сигнале содержится информация о состоянии подшипника. Установлено, что наилучшие результаты метод дает в том случае, если анализировать модуляцию не широкополосного сигнала, получаемого от акселерометра, а предварительно осуществить узкополосную фильтрацию сигнала, выбрать основную (несущую) частоту в диапазоне от 4 до 32 кГц и анализировать модуляцию этого сигнала. Для этого отфильтрованный сигнал детектируется, т.е.выделяется модулирующий сигнал (или еще его называют «огибающая сигнала»), который подается на узкополосный виброанализатор, и мы получаем спектр интересующего нас модулирующего сигнала или спектр огибающей.Что и дало название методу. Обработка сигнала очень сложна, но результат стоит того. Дело в том, что небольшие дефекты подшипника не в состоянии вызвать заметной вибрации в областинизких и средних частот. В то же время для модуляции высокочастотных вибрационных шумов энергии возникающих ударов оказывается вполне достаточно т.е.метод обладает очень высокой чувствительностью. Спектр огибающей при отсутствии дефектов представляет собой почти горизонтальную, волнистую линию (рис. 4, а). При появлении дефектов над уровнем линии сплошного фона начинают возвышаться дискретные составляющие, частоты которых однозначно просчитываются по кинематике и оборотам подшипника (рис. 4, б). Частотный состав спектра огибающей позволяет идентифицировать наличие дефектов, а превышение соответствующих составляющих над фоном однозначно характеризует глубину каждого дефекта. Достоинства метода— высокая чувствительность, информативность и помехозащищенность. Недостаток— высокая стоимость, необходим анализатор спектра вибрации с функцией анализа спектра огибающей высокочастотной вибрации. Метод очень широко используется в среде профессионалов и стационарных системах контроля технического состояния оборудования. 4. Метод ударных импульсов основан на измерении и регистрации механических ударных волн, вызванных столкновением двух тел.Ускорение частиц материала в точке удара вызывает волну сжатия, которая распределяется в виде ультразвуковых колебаний. Ускорение частиц материала в начальной фазе удара зависит только от скорости столкновения и не зависит от соотношения размеров тел. Период времени мал, и заметной деформации не происходит. Величина фронта волны является мерой скорости столкновения (удара) двух тел. Во второй фазе удара поверхности двух тел деформируются, энергия движения отклонит тело и вызовет в нем колебания. Для измерения ударных импульсов используется пьезоэлектрический датчик, на который не оказывает влияние фон вибрации и шум. Вызванная механическим ударом фронтальная волна сжатия возбуждает затухающие колебания в датчике (преобразователе). Пиковое значение амплитуды этого затухающего колебания прямо пропорционально скорости удара v. Поскольку затухающий переходный процесс очень хорошо определяется и имеет постоянную величину затухания, его можно отфильтровать от других сигналов, т.е. от сигналов вибрации. Изменение и анализ затухающего переходного процесса — основа метода ударных импульсов. Наблюдаемый процесс аналогичен тому, как отзывается на удары камертон. Как бы вы по нему ни ударили — он звенит на своей собственной частоте. Так и подшипниковые узлы от соударения дефектов «звенят» на своей частоте. Частота эта практически всегда лежит в диапазоне 28–32 кГц, и, в отличие от камертона, эти колебания очень быстро затухают, поэтому на осциллограммах они выглядят практически как импульсы, что и дало название методу. Результаты измерений очень легко нормировать по скорости соударения, зная геометрию подшипника и его обороты. Амплитуды ударных импульсов однозначно связаны со скоростью соударения дефектов и глубиной дефектов. Поэтому по амплитудам ударных импульсов можно достоверно диагностировать наличие и глубину дефектов. Достоинства — высокая чувствительность, информативность и помехозащищенность. Метод прост и дешев в реализации, существуют простые, портативные приборы. Недостаток — существует одно ограничение, связанное с конструктивным исполнением механизма. Поскольку речь идет об измерении ультразвуковых волн колебаний, которые очень сильно затухают на границах разъемных соединений, для точности измерений необходимо, чтобы между наружным кольцом подшипника и местом установки датчика существовал сплошной массив металла. В большинстве случаев это не вызывает проблем. Метод широко используется в среде профессионалов, прост и доступен персоналу, обслуживающему оборудование. Диагностика электродвигателей Электродвигатели— самые распространенные приводы современных технологических машин, объективный контроль и анализ текущего технического состояния машины в целом невозможен без точных данных о состоянии электродвигателей. Современные средства контроля и диагностики, базирующиеся на измерении параметров вибрации, дают возможность контролировать состояние как механической, так и электромагнитной систем электродвигателя. Анализ частотных составляющих вибрации позволяет распознавать основные неисправности электрических цепей и электромагнитной системы электродвигателя на ранней стадии развития дефектов. Несимметрия электрических цепей ротора Обрыв стержня ротора или повышение электрического сопротивления в месте его соединения с короткозамыкающим кольцом занимают второе место после подшипников среди причин, приводящих к отказу асинхронных электродвигателей. Обрыв стержня и вызванный им локальный нагрев ротора в месте дефекта может привести к его деформации и появлению теплового дисбаланса (нередко ошибочно проводят постоянную подбалансировку ротора, не разбираясь в действительной природе дефекта), при этом изменение его линейных размеров вызывает избыточную осевую нагрузку на подшипники и преждевременный их выход из строя. Поскольку через стержни соседние с поврежденным течет ток превышающий номинальный, подвергая их дополнительным механическим и тепловым нагрузкам, то ускоренный их выход из строя неизбежен. Если вовремя не принять меры, то в результате этого процесса возможна остаточная тепловая деформация ротора и его выбраковка. Дефект проявляется в увеличении вибрации на частоте вращения и частоте действия электромагнитных сил (вторая сетевая— 100 Гц) с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту скольжения ротора, умноженную на число полюсов. При этом пик боковой полосы на меньшей частоте всегда меньше «зеркального» пика на большей частоте. Витковые замыкания в обмотках роторов синхронных электродвигателей и генераторов вызывают вибрацию на тех же частотах, но без боковых полос, т.к. отсутствует скольжение ротора в электромагнитном зазоре. Часто на опорах с момента пуска и до стабилизации теплового режима наблюдается постоянный рост вибрации на частоте вращения ротора, т.к. витковые замыкания из-за локального нагрева и прогиба ротора вызывают тепловой дисбаланс. Несимметрия электрических цепей статора Короткие замыкания или обрывы в обмотках статора приводят к появлению пульсирующего крутящего момента. В спектре вибрации проявляется в возрастании уровня вибрации на частоте электромагнитных сил, как в радиальном, так и осевом направлении. Кроме того, появляются составляющие на зубцовой частоте (количество стержней ротора, умноженное на частоту вращения). Это может приводить к локальному нагреву корпуса статора и вызвать его деформацию, что в свою очередь ведет к перекосу ротора относительно статора и неравномерности воздушного зазора. Магнитная несимметрия Эксцентриситет статора (неравномерный воздушный зазор) чаще всего является следствием не качественного монтажа подшипниковых опор, неплоскостности опорных поверхностей фундамента или тепловых деформаций в агрегате и фундаменте. Проявляется в возрастании уровня вибрации на частоте электромагнитных сил и на частоте вращения электромагнитного поля в зазоре (частота сети, деленная на количество пар полюсов). Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительнооси его вращения проявляется в увеличении вибрации на частоте вращения и частоте действия электромагнитных сил с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту равную частоте скольжения ротора, умноженную на число полюсов. При этом пик боковой полосы на меньшей частоте равен «зеркальному» пику на большей частоте. Осевое смещение ротора относительно статора приводит к тому, что осевые силы, стремясь вернуть ротор в нейтральное положение, вызывают значительную осевую вибрацию на частоте питающей сети или частоте вращения ротора в зависимости от типа трения в препятствии к осевому смещению. Большинство подшипников не предназначены для компенсации осевых усилий и поэтому быстро выходят из строя. Ослабление прессовки пакета стали ротора, ведет к увеличению вибрации на частоте действия электромагнитных сил и появлению зубцовой частоты с боковыми полосами, сдвинутыми друг относительно друга на частоту действия электромагнитных сил. Контроль технического состояния электродвигателей должен проводиться при нагрузке не менее 70% от номинальной, т.к. при контроле на холостом ходу, возможно, выявить только некоторую часть проблем. Основным признаком того, что диагностируемый дефект имеет электромагнитную причину, является мгновенное исчезновение его признаков в спектре вибрации после отключения электродвигателя от сети. Своевременное определение и устранение дефектов электромагнитной системы электродвигателей возможно только с применением анализаторов спектра вибрации с высокой разрешающей способностью. Это необходимо для четкого разделения в спектре— частоты вращения поля в зазоре и частоты питающей сети от частоты вращения ротора, частоты электромагнитных сил от гармоник частоты вращения ротора, частоты скольжения ротора и боковых полос. Фирма «Сервис технологических машин» производит вибродиагностические приборы, располагает необходимыми средствами контроля и методами диагностики, инструментом и опытом производства работ по обслуживанию.