Вибромониторинг промышленных машин


А. Б.Колобов













        ВИБРОМОНИТОРИНГ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.37/39 (075)
ББК 34.4
    К61

Рецензент:
доктор технических наук В. А. Огурцов (ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет»)







      Колобов, А. Б.
К61     Вибромониторинг промышленных машин: учебное пособие /
     А. Б. Колобов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 256 с.: ил.табл.
          ISBN 978-5-9729-0528-7

    Рассмотрены причины возникновения и виды вибрации промышленных машин, основные характеристики вибрации. Приведен анализ нормативных документов, положенных в основу методической и технической реализации вибромониторинга для оценки состояния машин, рассмотрены практические вопросы реализации мониторинга, а также основные технические средства.
    Для студентов и аспирантов технических направлений обучения. Может быть полезно специалистам-практикам, занимающимся вопросами вибрационного мониторинга и вибродиагностики энерго- и электромеханических промышленных машин.

УДК 621.37/39 (075)
ББК 34.4








ISBN 978-5-9729-0528-7

     © Колобов А. Б., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ .................................................5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИБРАЦИИ МАШИН........................6
1.1. Понятие, природа происхождения и виды вибрации машин...........................................6
1.2. Основные характеристики абсолютной вибрации.........12
1.3. Измеряемые численные параметры вибрации.............26
1.4. Понятие о спектрах вибрации.........................37
1.5. Основные принципы анализа временных сигналов и спектра вибрации......................................47
1.6. Основные параметры вибрации валов...................61
2. НОРМАТИВНАЯ БАЗА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН ПО ВИБРАЦИИ, ИЗМЕРЕННОЙ НА НЕПОДВИЖНЫХ ЧАСТЯХ.........................71
2.1. Основные положения и базовые критерии оценки состояния машин по общему уровню вибрации...............71
2.2. Нормы вибрации промышленных роторных машин..........80
    2.2.1. Основные положения ГОСТ ИСО 10816-3-2002......81
    2.2.2. Оценка состояния динамических насосов.........91
    2.2.3. Нормы вибрации промышленных вентиляторов......98
    2.2.4. Нормы вибрации роторных машин опасных производств.........................................103
    2.2.5. Нормы вибрации стационарных паротурбинных агрегатов...........................................107
    2.2.6. Нормы вибрации газотурбинных установок.......116
    2.2.7. Нормы вибрации электродвигателей.............120
    2.2.8. Нормы вибрации поршневых компрессорных установок.124
    2.2.9. Нормы вибрации генераторов переменного тока с приводом от двигателя внутреннего сгорания........137
3. НОРМАТИВНАЯ БАЗА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН ПО ВИБРАЦИИ, ИЗМЕРЕННОЙ НА ВРАЩАЮЩИХСЯ ЧАСТЯХ ......................142
3.1. Основные положения и базовые критерии оценки состояния машин по вибрации валов .....................143
3.2. Нормы вибрации валов промышленных роторных машин.........................................150
    3.2.1. Оценка состояния динамических насосов и электрических машин по вибрации валов ............153
    3.2.2. Оценка состояния стационарных паротурбинных агрегатов по вибрации валов.........................156

3

    3.2.3. Оценка состояния газотурбинных агрегатов по вибрации валов...................................165
4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВИБРОМОНИТОРИНГА........................................169
4.1. Выбор нормативной базы для организации вибромониторинга .......................................169
4.2. Оценка запаса и прогнозирование работоспособности по трендам виброскорости................................176
4.3. Отдельные вопросы представления параметров
    вибрации и статистическое определение базовых уровней ...................................192
4.4. Нормирование спектральных компонент вибрации......198
5. ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ, СТРУКТУРА ПОСТРОЕНИЯ
  И ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВИБРОМОНИТОРИНГА.....................................204
5.1. Концепция вибромониторинга состояния машин........204
5.2. Технические средства реализации вибромониторинга..213
    5.2.1. Вибрационные датчики........................213
    5.2.2. Основные технические элементы и структуры вибромониторинга...................................224
5.3. Основные принципы частотного анализа..............233
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..............................246
Приложение
Расположение точек контроля вибрации на основных типах промышленных приводов..................................250

4

        ВВЕДЕНИЕ

     Основными целями учебного пособия являются изложение в доходчивой форме методического и практического материала по вопросам оценки технического состояния промышленных машин по параметрам вибрации.
     Даже такие, на первый взгляд, простые вопросы - что вкладывается в понятие «вибрация машины» и какой уровень вибрации опасен, и чем опасен, для машины, требуют обоснованных ответов. Понятие вибрации является широким как по виду (абсолютная или относительная), так и по численным характеристикам (виброперемещение, виброскорость или виброускорение). В зависимости от конструкции машины и условий ее работы вид измеряемой вибрации и набор ее параметров могут быть разными. Поэтому устанавливаются критерии оценки изменения этих параметров, а также регламентируются точки контроля и режимы измерений.
     Категория опасности по вибрации должна иметь свои уровни: опасность немедленного отказа по достижении какого-то уровня или работы, но с высокой вероятностью отказа (тогда в течение какого времени) или работа, но с пониженными техническими характеристиками и ограничением по нагрузке. Естественно, что для всех этих случаев уровни опасности должны быть разными.
     Пособие предназначено как для подготовки студентов, магистрантов и аспирантов, изучающих технологию и надежность эксплуатации, техническую диагностику, а также для слушателей институтов повышения квалификации и аттестационных учебных центров - специалистов-практиков, решающих задачи вибрационного мониторинга и вибродиагностики машин в условиях эксплуатации.
     В работе отражены вопросы природы происхождения вибрации, принципы измерения абсолютной и относительной вибрации и выполнения спектрального анализа измеряемой вибрации. Рассмотрена концепция выполнения вибромониторинга машин в условиях эксплуатации и основные технические средства для его реализации. Приведен анализ нормативной документации, устанавливающей требования к оценке технического состояния и прогнозированию работоспособности на основе контроля параметров вибрации. Обобщены критерии и нормативы оценки состояния промышленных роторных машин по общим параметрам вибрации.
     Автор признателен своим уважаемым коллегам, труды которых приведены в библиографическом списке, за возможность использования иллюстративного и практического материала при подготовке пособия.

5

Глава 1.


        ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИБРАЦИИ МАШИН


        1.1. Понятие, природа происхождения и виды вибрации машин

     Вибрация - это относительно малые перемещения контролируемой точки корпуса или вращающегося вала машины при механических колебаниях относительно некоторого положения равновесия.
     Вибрация свойственна всем без исключения работающим машинам, хотя, чисто теоретически, идеальная машина не должна испытывать механических колебаний вообще, поскольку вся энергия должна превращаться в полезную работу. Однако в машинах с вращательным или возвратно-поступательным движением деталей механические колебания возникают как побочный результат при преобразовании энергии через механизмы машины, который является следствием имеющейся некорректности процессов преобразования. Таким образом, элементы машины динамически взаимодействуют друг с другом, и через конструкцию происходит рассеивание энергии в виде механических колебаний, которые на бытовом уровне воспринимаются человеком как дрожание корпуса, стук, тряска, дребезжание и пр. (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Вибрация машины как результат рассеивания энергии

6

     По мере износа и деформации деталей машины, увеличения зазоров и люфтов в сопряжениях, появления разбалансировки и расцен-тровки валов, осадки и разрушения фундамента и т. п., т. е. в результате возникновения дефектов, увеличивается некорректность преобразования и как следствие растет рассеивание полезной энергии и возрастают механические колебания. Причины (дефекты) и следствия (вибрация) постоянно усиливают и дополняют друг друга, энергия колебаний растет и состояние машины ухудшается, что в конечном счете может привести к ее отказу.
     Таким образом, вибрация является как причиной развития дефектов, так и их индикатором. Например, практика показывает, что эффективность мониторинга технического состояния машин роторного типа по параметрам вибрации доходит до 75-77 % [49, 52].
     Следует понимать, что, во-первых, по мере появления и развития в машине дефектов происходят качественные и количественные изменения сил, воздействующих на детали, в результате изменяется как сама величина механических колебаний, так и их форма. Во -вторых, измеряемая вибрация машины чаще всего не пропорциональна силе, возбуждающей эту вибрацию, а является лишь реакцией элементов конструкции машины на воздействие возбуждающей силы.
     Вибрация, измеряемая, например, на подшипниковом узле машины (рис. 1.2), есть результат взаимодействия двух обобщенных факторов: возбуждающей силы и податливости.


Рис. 1.2. Зависимость вибрации от сил возбуждения и параметров конструкции машины

     Возбуждающая сила, возникающая при появлении дефектов, является величиной векторной и имеет частотную зависимость, изменяясь по времени, величине и направлению по различным законам. Вектор силы в координатном пространстве имеет сложную траекторию, вид которой определяется типом и местом возникновения дефекта, возбудившего эту силу.
     Под податливостью машины, собственно, понимается реакция конструкции машины на возмущающую силу, определяемая общими пара

7

метрами колебательной системы: массой, жесткостью и демпфированием.
     Податливость конструкции исходно является различной по разным пространственным направлениям, что отражается на величине измеряемой вибрации, а также зависит от режима работы машины и величины нагрузки. Но, что особенно важно, по мере появления дефектов податливость становится нелинейной и изменяется с течением времени. Нелинейность вектора податливости искажает прямое соответствие между частотными параметрами возбуждающей силы и вибрацией, и, кроме того, характер пространственной вибрации машины (прецессия вектора вибрации) практически всегда отличается от прецессии вектора возбуждающей силы.
     Таким образом, вибрация машины является откликом на силы, вызванные ее движущимися частями (деталями, узлами), генерирующими вибрацию этих деталей (номера 1, 2,..., n - на рис. 1.3). Причем вибрация различных деталей по виду, амплитуде и частоте может отличаться, что определяется характером возбуждающей силы (на рис. 1.3 показана мгновенная вибрация во времени t).


Рис. 1.3. Вибрация машины в месте измерения и ее составляющие

     Поскольку вибрация измеряется на поверхности корпуса машины в определенном месте (контрольной точке), то в этом месте датчик вибрации зафиксирует вибрационный процесс, который по внешнему виду

8

не будет соответствовать ни одной из вибраций деталей. Это происходит потому, что упругие волны колебаний, распространяясь по конструкции машины, «перемешиваются».
     По мере возникновения дефектов деталей и узлов их податливость, а также податливость конструкции нелинейно изменяется, при этом появляется еще один тип нелинейности, связанной с эффектом взаимной модуляции вибрационных сигналов (на рис. 1.3 изображен кружком М). В результате характер измеряемой вибрации в контрольной точке будет еще более существенно изменяться. Кроме того, вибрация ряда деталей является источником возбуждения смежных и кинематически связанных с ними других деталей.
     В общем случае разные точки машины имеют разную вибрацию: они могут колебаться одновременно в разных направлениях, с разными амплитудами и частотами. В процессе колебаний некоторые элементы машины могут претерпевать упругие деформации, и в этом случае можно говорить о формах колебаний машины.
     Таким образом, реальный вибрационный процесс слишком сложен для того, чтобы все его характеристики могли быть предметом контроля и анализа при эксплуатации машины. Поэтому вводятся ограничения информации по вибрации, сводящиеся к тому, что регламентируют, во-первых, точки измерения, которыми, прежде всего, являются корпуса подшипников, а также валы машин и, во-вторых, направления измерений. Так, в большинстве случаев вибрацию на подшипниковых опорах машины контролируют в трех ортогональных направлениях (рис. 1.4, а):
     • двух поперечных (относительно оси вала) - вертикальном (В) и горизонтальном (Г);
     • осевом (О) - параллельно оси вала (ротора).


Рис. 1.4. Точка контроля вибрации: а - направления измерения; б - расположение вибродатчика при измерении вертикальной поперечной составляющей вибрации

9

     Горизонтальная и осевая составляющие измеряются на уровне разъёма крышки подшипника или горизонтальной плоскости оси вращения вала (рис. 1.4, а). Измерение в вертикальном направлении проводится в наивысшей точке корпуса (рис. 1.4, б).
     Следует понимать, что измерения, проведенные на защитных кожухах, экранах, фланцах присоединенных трубопроводов, накопительных бункерах и иных металлоконструкциях, не позволяют определить техническое состояние машины из-за нелинейности свойств данных элементов.
     Таким образом, измеренная вибрация содержит важную информацию, по которой можно оценить техническое состояние машины и диагностировать многие дефекты.
     Измерения вибрации при вибромониторинге машин проводятся, прежде всего, на корпусах подшипников, поскольку именно на опорах вала (ротора) проявляется реакция неуравновешенных сил вращающегося вала, которая зависит от жесткости и демпфирования самого подшипника, подшипниковых опор и фундамента, а также от величины их масс. Ротор, имеющий остаточный дисбаланс, создает во время вращения центробежные силы, зависящие от частоты вращения, которые побуждают ротор к колебаниям. Через масляную пленку и вкладыш подшипников скольжения колебания и усилия передаются на опоры и на фундамент машины.
     На рис. 1.5 представлены схематичный поперечный разрез подшипника скольжения и сечение подшипниковой опоры машины.


Рис. 1.5. Движение вала в корпусе гидродинамического подшипника скольжения

     Вал совершает колебания внутри обоймы подшипника, которые рассматриваются как периодическое движение центра вала по замкнутой траектории (показана пунктиром), т. е. поверхность вала (шейка) то приближается, то удаляется от поверхности обоймы.

10

     В этом случае приходится говорить о двух разных по своей природе вибрациях - абсолютной и относительной (рис. 1.6).


Абсолютная вибрация подшипниковой опоры

Относительная вибрация вала (ОВВ)

Абсолютная вибрация вала (АВВ)

Рис. 1.6. Различные виды вибрации

     Абсолютная вибрация подшипниковой опоры (ВПО) - вибрация как самого вкладыша подшипника, так и его корпуса и корпуса всей машины по отношению к жесткой опорной точке в пространстве, например относительно Земли, т. е. вибрация тела в абсолютной системе координат. Абсолютный ноль в этой измерительной системе создается самим датчиком вибрации инерционного типа.
     Относительная вибрация вала (ОВВ) - вибрация вала по отношению к вкладышу (или корпусу) подшипника. На рис. 1.6 шейка вала в подшипнике колеблется относительно оси корпуса подшипника.
     Абсолютная вибрация вала (АВВ) - вибрация вала по отношению к жестко установленной опорной точке в пространстве в абсолютной системе координат (отсчет относительно Земли).
     Пояснение понятий абсолютных вибраций опор и валов, а также относительной вибрации валов приведено на рис. 1.7 применительно к динамической модели «вал - подшипник - опора».
     Абсолютная ВПО измеряется инерционным датчиком, а ОВВ - бесконтактным датчиком, которые устанавливаются на корпусе подшипника машины (см. гл. 2 и гл. 3). При этом АВВ может быть представлена как сумма измеренных ВПО и ОВВ (рис. 1.7), которая может быть больше или меньше величины ОВВ (зависит от соотношения фаз вибрации), и быть непосредственно измеренной с помощью контактного датчика-зонда (см. гл. 3).


11

Рис. 1.7. Динамическая модель системы «вал - подшипник - опора» и связь между разными видами вибрации

     Взаимная зависимость амплитуд ОВВ и абсолютной ВПО определяется конструкцией машины и частотой вращения вала и находится в диапазоне от 1:1 до 30:1. У машин с тяжелым, имеющим прочную конструкцию корпусом, как, например, у компрессоров высокого давления и крупных паровых турбин, ВПО значительно меньше АВВ, поэтому измеренная ОВВ является хорошим приближением к АВВ. Машины с легким корпусом или «мягкими» опорами имеют большую ВПО, поэтому ОВВ значительно отличается от АВВ.
     Решение вопроса о том, какой вид вибрации измеряется при вибромониторинге роторных машин с подшипниками скольжения, приведено в ГОСТ Р 56646-2015 [23] и подробно описано в гл. 4.
     У машин, выполненных на подшипниках качения, из-за их большой жесткости и малого демпфирования измеряется только абсолютная ВПО.


        1.2. Основные характеристики абсолютной вибрации

    Абсолютное смещение точек S(t) колеблющегося тела в определенный момент времени t является мгновенным значением вибрации и называется виброперемещением. В практике мониторинга состояния машин нас интересует виброперемещение как расстояние между край

12