Таблицы диагностики дефектов по спектрам вибрации

Таблицы диагностики дефектов по спектрам вибрации

Оглавление статьи

1. Основы спектрального анализа вибрации для диагностики дефектов

Спектральный анализ вибрации представляет собой фундаментальный метод неразрушающего контроля, позволяющий выявлять дефекты механического оборудования на ранних стадиях их развития. Этот метод основан на разложении сложного вибрационного сигнала на составляющие его частотные компоненты с помощью преобразования Фурье.

Основными параметрами вибрации, используемыми в диагностике, являются виброперемещение (мкм), виброскорость (мм/с) и виброускорение (м/с²). Выбор параметра зависит от частотного диапазона исследуемых дефектов: для низкочастотных процессов (до 10 Гц) применяют виброперемещение, для среднечастотных (10-1000 Гц) - виброскорость, а для высокочастотных (свыше 1000 Гц) - виброускорение.

Физические основы возникновения вибрации при дефектах

Механические дефекты вызывают изменение динамических характеристик системы, что приводит к появлению дополнительных возмущающих сил. Эти силы могут иметь различную природу: центробежные силы при дисбалансе, импульсные воздействия при дефектах подшипников качения, периодические силы при зубчатых зацеплениях.

Современное оборудование для спектрального анализа

Современные виброанализаторы позволяют проводить измерения в частотном диапазоне от 0.1 Гц до 40 кГц с динамическим диапазоном более 120 дБ. Для регистрации вибрации применяются пьезоэлектрические акселерометры с чувствительностью 10-1000 мВ/g, обеспечивающие линейность амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне частот.

2. Методология проведения вибродиагностики оборудования

Эффективная вибродиагностика требует системного подхода, включающего правильный выбор точек измерения, режимов работы оборудования и методов анализа полученных данных. Критически важным является соблюдение методологии измерений для обеспечения повторяемости и достоверности результатов.

Выбор точек контроля вибрации

Измерения вибрации проводятся на корпусах подшипниковых узлов в трех взаимно перпендикулярных направлениях: вертикальном (В), горизонтально-поперечном (Г) и осевом (О). Точки измерения должны располагаться как можно ближе к оси вращения ротора, обеспечивая максимальную жесткость механического контакта между датчиком и объектом.

Подготовка оборудования к измерениям

Перед проведением измерений необходимо собрать полную информацию об объекте диагностики: тип и марка оборудования, мощность, частота вращения, типы подшипников, количество зубьев в передачах, история ремонтов. Поверхность в месте установки датчика должна быть очищена от краски и загрязнений, обеспечивая плоскую контактную площадку диаметром не менее 15 мм.

Режимы работы при диагностике

Измерения проводятся в установившемся режиме работы оборудования при номинальной нагрузке и температуре. Для выявления резонансных явлений дополнительно выполняются измерения при выбеге агрегата. Время усреднения сигнала выбирается исходя из минимальной анализируемой частоты и должно составлять не менее 10 периодов низшей частотной составляющей.

3. Диагностика дефектов подшипников качения по спектрам вибрации

Подшипники качения являются одним из наиболее ответственных элементов роторных машин, при этом на их долю приходится до 40% всех отказов оборудования. Спектральный анализ позволяет выявлять дефекты подшипников на ранней стадии, когда визуальный осмотр еще не показывает признаков разрушения.

Характерные частоты дефектов подшипников

Каждый элемент подшипника при наличии дефекта генерирует вибрацию на своей характерной частоте, определяемой геометрическими параметрами подшипника и частотой вращения вала. Эти частоты рассчитываются по формулам, приведенным в Таблице 1, и не являются кратными частоте вращения ротора, что позволяет отличить их от других источников вибрации.

Стадии развития дефектов подшипников

Развитие дефектов подшипников качения проходит через несколько характерных стадий. На первой стадии появляются ультразвуковые колебания в диапазоне 20-60 кГц, регистрируемые методом ударных импульсов. Вторая стадия характеризуется появлением вибрации на характерных частотах дефектов в диапазоне 500-2000 Гц. На третьей стадии появляются гармоники характерных частот, а на четвертой - происходит рост широкополосной вибрации.

Методы повышения достоверности диагностики

Для повышения достоверности диагностики подшипников применяется метод огибающей высокочастотной вибрации. Этот метод основан на демодуляции высокочастотного сигнала, модулированного низкочастотными процессами соударений в подшипнике. Спектр огибающей позволяет выявлять дефекты на 20-30% раньше, чем классический спектральный анализ.

4. Выявление неисправностей подшипников скольжения

Подшипники скольжения широко применяются в крупных агрегатах: турбинах, компрессорах, генераторах. Их диагностика имеет особенности, связанные с наличием масляного клина и возможностью возникновения различных видов неустойчивости ротора.

Основные дефекты и их проявления

Увеличенный зазор в подшипнике скольжения проявляется в виде роста амплитуд гармоник частоты вращения ротора. При этом соотношение амплитуд второй и первой гармоник служит индикатором степени износа: при А2/А1 > 0.5 износ считается значительным. Дефекты геометрии вкладышей вызывают появление высших гармоник вплоть до 10-й.

Автоколебания и неустойчивость

Автоколебания ротора в подшипниках скольжения возникают при определенных условиях работы и проявляются в виде субгармонических составляющих на частотах 0.5×fr или 0.33×fr. Это явление особенно опасно, так как может привести к быстрому разрушению подшипника. Для предотвращения автоколебаний применяются специальные конструкции подшипников с лимонной расточкой или многоклиновые подшипники.

Температурный контроль

Дополнительным методом диагностики подшипников скольжения является контроль температуры баббитовой заливки. Повышение температуры свыше 75°C при номинальной нагрузке свидетельствует о нарушении условий смазки или повышенных динамических нагрузках. Градиент температуры по длине вкладыша более 10°C указывает на перекос или неравномерный износ.

5. Определение дисбаланса и расцентровки роторного оборудования

Дисбаланс и расцентровка являются наиболее распространенными причинами повышенной вибрации роторного оборудования, на их долю приходится до 60% всех вибрационных проблем. Своевременное выявление и устранение этих дефектов позволяет значительно продлить срок службы оборудования.

Виды дисбаланса и их диагностические признаки

Статический дисбаланс характеризуется смещением центра масс ротора относительно оси вращения и проявляется в виде доминирующей первой гармоники частоты вращения в радиальном направлении. При этом фаза вибрации одинакова на обоих концах ротора. Динамический дисбаланс вызван угловым смещением главной центральной оси инерции и проявляется противофазной вибрацией на опорах.

Типы расцентровки и методы их выявления

Угловая расцентровка проявляется высокой осевой вибрацией на частоте 1×fr с противофазными колебаниями на концах муфты. В радиальном направлении наблюдается рост второй гармоники. Параллельная расцентровка характеризуется доминированием второй гармоники в радиальном направлении при противофазной вибрации в вертикальном и горизонтальном направлениях через муфту.

Влияние типа муфты на вибрационную картину

Тип соединительной муфты существенно влияет на проявление расцентровки в спектре вибрации. Жесткие муфты передают все составляющие несоосности, вызывая рост высших гармоник. Упругие муфты частично компенсируют расцентровку, но при больших значениях могут возбуждать резонансные колебания. Зубчатые муфты при расцентровке генерируют вибрацию на зубцовой частоте муфты.

6. Спектральная диагностика зубчатых передач и редукторов

Зубчатые передачи представляют собой сложные механические системы, генерирующие вибрацию на множестве характерных частот. Спектральный анализ позволяет выявлять различные виды дефектов зубчатых колес: износ, питтинг, трещины, сколы зубьев, а также дефекты сборки передачи.

Формирование вибрационного сигнала в зубчатых передачах

Основным источником вибрации в зубчатой передаче является периодическое изменение жесткости зацепления при переходе от однопарного к двухпарному зацеплению. Это вызывает появление в спектре зубцовой частоты fз = Z × fr, где Z - число зубьев, fr - частота вращения. Амплитуда зубцовой частоты зависит от точности изготовления, нагрузки и состояния зубьев.

Диагностика локальных дефектов зубьев

Локальные дефекты зубьев (трещины, сколы) проявляются в виде модуляции зубцовой частоты частотой вращения дефектного колеса. В спектре появляются боковые полосы вокруг зубцовой частоты и ее гармоник с шагом, равным частоте вращения. Глубина модуляции, определяемая как отношение амплитуды боковой полосы к амплитуде зубцовой частоты, характеризует степень развития дефекта.

Распределенные дефекты и износ

Равномерный износ зубьев приводит к росту амплитуды зубцовой частоты и ее гармоник без существенной модуляции. Питтинг (выкрашивание) вызывает появление широкополосного шума вокруг зубцовой частоты. Неравномерный износ или погрешности изготовления проявляются в виде модуляции с периодом, равным времени полного оборота колеса.

7. Комплексная диагностика насосов, компрессоров и электрических машин

Насосное и компрессорное оборудование, а также электрические машины имеют специфические особенности вибрационных проявлений дефектов, связанные с их конструкцией и принципом работы. Комплексный подход к диагностике этого оборудования позволяет выявлять как механические, так и гидродинамические или электромагнитные дефекты.

Диагностика центробежных насосов

Основными источниками вибрации в центробежных насосах являются гидродинамические силы, возникающие при взаимодействии потока с лопатками рабочего колеса и направляющего аппарата. Лопаточная частота fл = Z × fr, где Z - число лопаток, является основной диагностической частотой. Ее амплитуда зависит от зазора между рабочим колесом и корпусом, износа лопаток и режима работы насоса.

Особенности диагностики компрессоров

Поршневые компрессоры генерируют импульсную вибрацию, связанную с процессами всасывания и нагнетания. Основные диагностические частоты кратны частоте вращения коленчатого вала и числу цилиндров. Дефекты клапанов проявляются изменением формы импульсов и появлением дополнительных частотных составляющих. Винтовые компрессоры имеют характерную зубцовую частоту зацепления винтов, модуляция которой указывает на износ винтовой пары.

Электромагнитные дефекты электрических машин

Электромагнитные силы в электрических машинах вызывают вибрацию на частоте 2×fc (100 Гц для сети 50 Гц), не зависящую от частоты вращения ротора. Эксцентриситет воздушного зазора приводит к модуляции этой частоты частотой вращения ротора, что проявляется боковыми полосами 2×fc ± fr. Обрыв стержней ротора асинхронного двигателя вызывает модуляцию частоты вращения частотой скольжения 2×s×fc.