Колебания на роторной частоте и ее гармониках

Колебательные процессы, сопровождающие работу машин и оборудования, являются непосредственным результатом взаимодействия их деталей. Свойства или изменения свойств деталей проявляются в их взаимодействии, поэтому виброакустический сигнал является носителем информации о техническом состоянии узлов машин и оборудования: зубчатых зацеплений, подшипников качения, поршневых групп и т.д.

Одновременно с процессами, возникающими непосредственно в машинах и оборудовании, происходит взаимодействие движущихся элементов машин и оборудования с внешней средой: движение в потоке газа или жидкости приводит к вихреобразованию на границе сред, явлениям кавитации и гидравлического удара и т.п.

Амплитуды вынужденных колебаний содержат информацию о качестве изготовления или ремонта и о грубых изменениях параметров технического состояния, граничащих с аварийной ситуацией в процессе эксплуатации машин и оборудования. Модуляция (окраска) вынужденных колебаний и колебаний в зоне собственных частот узлов машин и оборудования является источником информации о наличии и развитии дефектов.

Существует огромное число механизмов циклического действия, в которых характер взаимодействия элементов подчинен периодическому закону, связанному с вращательным движением (редукторы, электродвигатели, вентиляторы, турбины и т.п.). Данные механизмы называют роторными механизмами. В роторных механизмах в низкочастотном диапазоне (до 200-300 Гц) одной из основных частот возбуждения колебаний является частота вращения ротора (вала)

,

где – угловая частота вращения ротора.

Колебания механизмов в этом диапазоне частот являются колебаниями гармонического вида и обусловлены, в основном, неуравновешенностью вращающихся масс. Именно эти колебания определяют динамическую прочность конструкции машин и оборудования. Амплитуда колебаний на роторной частоте определяется в основном значением дисбаланса и отношением критической частоты вращения ротора к рабочей. Информативным параметром в данном случае может служить значение амплитуды (или приращение амплитуды) колебаний на роторной частоте.

Причинами увеличения амплитуды колебаний на частоте вращения ротора могут быть также:

– отклонение от соосности валов;

– нарушение геометрии узлов вращения (подшипника, диска турбины, зубчатого колеса, винта насоса и т.д.);

– перекос наружных колец подшипников качения;

– периодические силы, создаваемые рабочим процессом.

Перечисленные источники возбуждения колебаний на одной и той же частоте являются когерентными и не поддаются разделению с помощью каких-либо операций. Для того чтобы разобраться в причинах изменения амплитуды колебаний на частоте вращения и определить вид неисправности узла механизма, необходимо привлечь дополнительную информацию. В табл. 3.1 приведена информация о дефектах узлов роторных механизмов, имеющая отношение к частоте вращения и ее гармоникам.

К неисправностям, приведенным в табл. 3.1 и вызывающим увеличение амплитуды колебаний на роторной составляющей вибрации, можно также отнести:

– дефекты зубчатого зацепления типа накопленной погрешности шага (дефект изготовления) и поломки зубьев (дефект эксплуатации);

– неравномерный обгар лопаток газовой турбины;

– неравномерный износ или загрязнение лопаток осевых воздушных нагнетателей и т.п.

В реальной машине может возникнуть вибрация с удвоенной частотой вращения ротора , вызванная следующими причинами:

– овальностью шейки вала подшипника скольжения;

– неравножесткостью ротора по окружности вследствие переменного прогиба;

– овальностью внутреннего кольца подшипника качения.

Таблица 3.1 – Диагностическая карта неисправностей

В подшипниках скольжения могут возникнуть автоколебания, обусловленные определенными условиями трения, например, фрикционные автоколебания, частоты которых бывают различны. Турбулентные явления в жидком или газовом смазочном слое подшипников скольжения могут вызвать вибрацию с частотой, примерно равной . Совместное действие этой вибрации с вибрацией частоты вращения ротора создает так называемые " резонансные биения".

Для формирования характерных диагностических признаков рассмотренных неисправностей недостаточно иметь сведения об амплитуде колебаний на частоте . В одних случаях достаточно рассмотреть поведение гармонического ряда . В других случаях необходимо обратиться к информации, содержащейся в среднечастотном диапазоне колебаний (от 200-300 Гц до 1-2 кГц).

Помимо частот вращения и их гармоник в спектре виброакустического сигнала роторных механизмов присутствуют частоты типа

, при ,

где – число зубьев зубчатого колеса, число лопаток на диске турбины, число лопастей винта насоса или вентилятора и т.п.; – зубцовая, лопастная и т.д. частота.

Подшипники качения являются источниками целой гаммы частот вибраций. На их виброактивность оказывают существенное влияние следующие факторы: – отклонения геометрических форм и размеров сепаратора, колец и тел качения; – нарушение геометрии посадочных мест; – перекос внешнего кольца из-за нецилиндричности или несоосности посадочных мест.

Периодически повторяющаяся асимметрия расположения тел качения вызывает радиальные силы с периодом, равным половине времени прохождения цапфой расстояния между телами качения. Это приводит к возбуждению вибрации с частотой

,

где – диаметр беговой дорожки наружного кольца подшипника качения, – диаметр беговой дорожки внутреннего кольца подшипника качения; – число тел качения в подшипнике.

Волнистость дорожек качения или их износ (гранность) вызывает вибрацию с частотой

,

где знак " +" для внутреннего кольца; знак " –" для внешнего кольца; – диаметр расположения центров тел качения; – диаметр тела качения (шарика, ролика или иглы); – число гребней волн или число дефектов, расположенных вдоль дорожки качения.

Гранность тел качения или их деформация вызывает вибрацию с частотой

,

где – число граней или деформированных участков на теле качения.

Зазоры между телами качения и кольцами подшипника приводят к ударам, в результате чего возникают свободные затухающие колебания различной частоты повторения групп этих колебаний. Наибольшая частота близка к частоте .

Сложные высокочастотные колебания цапфы в подшипнике качения могут быть разложены на ряд основных синусоидальных составляющих. Две из них могут при малейшей нелинейности системы дать биения с частотой близкой к частоте .

Зазоры в гнездах сепаратора, его неуравновешенность вызывают вибрацию с частотой

.

Радиальный зазор подшипника вызывает вибрацию с частотой

,

где – угол контакта.

Аэродинамические, гидравлические и газодинамические силы в турбинах того или иного вида и в высокооборотных электрических машинах, могут возбудить вибрацию при трении ротора об окружающую среду, от ударов потока в лопатки турбин или вентиляторов из-за кавитации, колебания давления в маслопроводящих и охлаждающих трубопроводах, малых ресиверов и турбулизации потока и т.д.

Привязка к конкретному узлу осуществляется расчетом частот гармонических или полигармонических колебаний, генерируемым узлом, в соответствии с кинематикой механизмов машин и оборудования.