ГОСТ Р ИСО 13373-1-2009 Контроль состояния и диагностика машин. Вибрационный контроль состояния машин. Часть 1. Общие методы
Приложение С
(справочное)
Возможные причины вибрации
С.1 Введение
Вибрация может быть вызвана разными причинами. Обычно она является следствием повреждения и износа частей машины, неправильного функционирования, неправильной сборки, некачественного технического обслуживания или недостатков конструкции.
Одной из наиболее частых причин вибрации является дисбаланс ротора. Он приводит к вибрации как самого ротора, так и стационарных элементов конструкции машины. Особенно интенсивной эта вибрация становится при совпадении частоты вращения ротора и одной из собственных частот колебаний машины. Вибрация проявляется на оборотной частоте ротора, которую обозначают 1х, и может быть уменьшена посредством балансировки, заключающейся в добавлении или удалении масс в соответствующих точках ротора. Фаза вибрации резко изменяется при прохождении ротором одной из собственных частот колебаний машины. Если частота вращения ротора постоянна, то вибрация в произвольной точке машины обычно остается неизменной.
Другой частой причиной вибрации машин вращательного действия является несоосность валов и подшипников. Различают два вида несоосности: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя несоосность имеет место при несовпадении осей двух элементов машины, когда один из этих элементов находится внутри другого. Примером может служить неравномерный воздушный зазор между ротором и статором электродвигателя. Внешняя несоосность имеет место, когда оси двух сопрягаемых элементов машины параллельны или находятся под некоторым углом друг к другу. Несоосность обусловливает появление сил, которые вызывают вибрацию обычно на первой (1х), второй (2х) или третьей (3х) гармонике оборотной частоты в радиальном направлении и даже, в зависимости от степени развития данного дефекта, на гармониках более высокого порядка.
С.2 Вибрация в радиальном направлении
В таблице С.1 указаны наиболее типичные причины вибрации машин в радиальном направлении, связанной с частотой вращения ротора, указаны характерные частоты, на которых проявляется эта вибрация; дана другая информация, используемая при решении проблем, обусловленных вибрацией. Однако следует иметь в виду, что эта информация неполна, и могут существовать другие составляющие вибрации, требующие рассмотрения.
Таблица С.1 - Наиболее типичные причины вибрации в радиальном направлении и характерные признаки, связанные с нею
Причины | Характерные частоты | Примечания |
Дисбаланс | 1х | Дисбаланс изменяет вектор оборотной составляющей. Вибрация максимальна при совпадении частоты вращения с критической скоростью ротора. Фаза резко изменяется при прохождении через критическую скорость. На фиксированной частоте вращения вибрация постоянна |
Несоосность подшипника | 1х или высшие гармоники | Параллельное смещение или перекос подшипников обычно вызваны движением фундамента. Несоосность подшипника не является непосредственной причиной вибрации, но изменяет динамические характеристики опорной системы |
Несоосность вала | 1х, 2х или высшие гармоники | Несоосность валов из-за неточности сборки приводит к появлению вибрации вследствие действия изгибных сил на ротор. В некоторых случаях осевая вибрация сравнима с радиальной |
Условия работы (геометрия) подшипника скольжения | Субгармоники или 1х, 2х, 3х | Изменения условий работы подшипников или их геометрии могут вызвать изменения на оборотной и высшей гармониках при стационарной вибрации или быть причиной появления субгармоник вследствие прецессионного движения ротора. В последнем случае вибрация обычно нестационарна и может повышаться со временем, зачастую весьма быстро |
Износ элементов подшипника качения | Боковые полосы высокочастотной составляющей | Для обнаружения требуется датчик с высокочастотной характеристикой. Вибрация локализована в области дефектного подшипника. Обычно она нестабильна и повышается со временем. Для описания данного вида повреждения часто необходимы специальные методы анализа |
Асимметрия жесткости (например, пазы ротора электродвигателя) | 2х | Вибрация возрастает, когда вторая гармоника оборотной частоты совпадает с критической частотой вращения ротора. На фиксированной частоте вращения вибрация постоянна. Для компенсации данного источника вибрации в крупных машинах применяют компенсирующие пазы |
Изгиб ротора (см. также тепловые эффекты) | 1х, 2х или высшие гармоники | Обычно изменяется вибрация на оборотной частоте. Если ротор изогнут вблизи места сопряжения, то часто наблюдается высокая осевая вибрация на второй гармонике оборотной частоты. На фиксированной частоте вращения вибрация постоянна |
Трещина в роторе | Рост вибрации второй гармоники оборотной частоты указывает, что размеры поперечной трещины ротора достигают критических размеров. Также могут иметь место изменения вибрации на первой и высшей гармониках | |
Ослабление в соединениях частей ротора | 1х и другие гармоники | Характер вибрации непостоянный и изменяющийся от пуска к пуску. Иногда могут наблюдаться субгармоники частоты вращения |
Эксцентриситет или некруглость цапф | 1х и (в случае некруглости) другие гармоники | Вибрация может отличаться от обычной или быть чрезмерно большой на низких частотах вращения ротора и на его критических частотах. На фиксированной частоте вращения вибрация постоянна |
Тепловые эффекты (асимметрия) | 1х | Могут быть обусловлены неравномерным охлаждением ротора, замыканием обмоток электродвигателя или разными усилиями затяжки разных частей ротора. Вызывают прогиб ротора и по своим проявлениям схожи с дисбалансом |
Дефекты зубчатой передачи | Высокочастотная вибрация на гармониках зубцовой (оборотной) частоты и боковых полосах | Для обнаружения требуется датчик с высокочастотной характеристикой. Если дефектен один зуб, то вибрация возникает на оборотной частоте и ее гармониках. При общем износе зубьев возникает вибрация на гармониках зубцовой частоты и их боковых полосах |
Резонанс | На частоте возбуждения (например, когда частота вращения ротора совпадает с собственной частотой системы "ротор-опора") | Вибрация усиливается при совпадении частоты вращения ротора с какой-либо частотой резонанса. При прохождении ротора через критическую частоту вращения наблюдается скачок фазы. Наиболее частой причиной возбуждения резонансов невращающихся частей машины является резонанс ротора. У электрических машин резонанс часто возбуждается составляющей на второй гармонике оборотной частоты вследствие электромагнитных сил, которыми ротор действует на статор |
Трение частей машины | Обычно 1х, но также ее гармоники, субгармоники и частоты резонансов | На небольших скоростях трение можно обнаружить без вспомогательных средств. На высоких скоростях оно может вызвать резкое повышение вибрации до значений, требующих незамедлительного останова машины. Трение может быть следствием быстрых изменений нагрузки или температурных полей в машине. Также его причиной может быть слишком маленький зазор между движущимися и неподвижными частями или смещение этих частей друг относительно друга во время работы |
На начальном этапе программы контроля состояния машин рекомендуется выявить все возможные причины появления вибрации и связать их с особенностями конструкции и режима работы машины, чтобы составить перечень характерных частотных составляющих. В этот перечень входят составляющие на оборотной частоте и ее гармониках, на частоте прецессии ротора, лопастных частотах, частотах зацепления зубчатых передач, характерных частотах подшипников качения и др. Данный перечень можно использовать для установления базового уровня для отдельных частотных составляющих спектра (см. 7.4), процедур контроля, определения уровня ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ, выбора времени сбора данных, диагностических процедур и т.д.
Анализ частотных составляющих позволяет получить ценную информацию для выявления возможных неисправностей машины. При проведении анализа следует также уделять внимание информации об изменении фазы частотной составляющей (вследствие изменения частоты вращения или по каким-либо другим причинам), стабильности и повторяемости амплитуды частотной составляющей, направлении действия вибрации относительно оси ротора и точках машины, где вибрация максимальна.
С.3 Угловая вибрация
Для крупных паротурбинных генераторов существует большое число как штатных, так и нештатных ситуаций, приводящих к передаче колебаний электрического происхождения на присоединенное к генератору оборудование. Эти ситуации, а также связанные с ними характерные составляющие вибрации указаны в таблице С.2. Данные ситуации всегда сопровождаются переменными моментами сил, действующими на ротор генератора, что в свою очередь вызывает угловую вибрацию вала и вибрацию других вращающихся и невращающихся частей машин. Демпфирование угловой вибрации в турбогенераторах очень мало по сравнению с демпфированием изгибных колебаний ротора. Это объясняется тем, что при изгибных колебаниях демпфирование обусловлено сжатием масляного слоя под цапфами ротора, а при угловой вибрации такая демпфирующая среда отсутствует.
Как показано в таблице С.2, возбуждения вследствие переходных процессов в электросети приводят к многомодовым долго незатухающим колебаниям ротора турбогенератора. Частотный спектр обычно сосредоточен в области низших гармоник мод угловых колебаний и, кроме того, содержит составляющие на частотах возбуждения (обычно это первая и вторая гармоники сетевой частоты).
Таблица С.2 - Наиболее типичные причины угловой вибрации турбоагрегатов и характерные признаки, связанные с нею
Причины | Характерные частоты | Примечания |
Повреждение в электросети, включая срабатывание прерывателя | Собственные частоты угловых колебаний и гармоники сетевой частоты | Сигнал в виде переходного процесса. Многомодовые слабодемпфированные угловые колебания вала |
Внутренние повреждения генератора, замыкание выходных контактов | Собственные частоты угловых колебаний и гармоники сетевой частоты | Сигнал в виде переходного процесса. Многомодовые слабодемпфированные угловые колебания вала |
Рассинхронизация генератора с сетью | Собственные частоты угловых колебаний и сетевая частота | Сигнал в виде переходного процесса. Многомодовые слабодемпфированные угловые колебания вала |
Плановая коммутация линий связи | Собственные частоты угловых колебаний и гармоники сетевой частоты | Сигнал в виде переходного процесса. Многомодовые слабодемпфированные угловые колебания вала |
Изменение нагрузки (например, влияние близко расположенной электродуговой печи) | Собственные частоты угловых колебаний | Сигнал в виде переходного процесса. Многомодовые слабодемпфированные угловые колебания вала |
Несимметрия фазовых напряжений в сети (нетранспонированная линия электропередачи) | Удвоенная сетевая частота | Стационарные механические колебания в окрестности удвоенной сетевой частоты; могут сопровождаться угловыми колебаниями сопряженных валов и изгибными колебаниями лопаток |
Подсинхронный резонанс | Подсинхронная собственная частота | Нестабильные колебания из-за резонанса в электросети (линии с продольной емкостной компенсацией) или неправильное функционирование систем автоматического управления постоянного тока |
Заедание опорных шеек на низкой частоте вращения | Собственные частоты угловых колебаний | Слабодемпфированные многомодовые колебания |
Пульсирующие моменты при пуске синхронного электродвигателя | Собственные частоты угловых колебаний | Вибрация максимальна при прохождении ротором собственных частот угловых колебаний |
Влияние выпрямителей для питания электродвигателей | Гармоники сетевой частоты | Стационарные вынуждающие силы |
В ряде случаев состояние электросети способно привести к относительно небольшим, но устойчивым угловым колебаниям ротора генератора (например, в случае нетранспонированной линии электропередачи, несимметричной нагрузки). Обычно при этом основной частотой возбуждения вала является удвоенная сетевая частота. Эта частота может возбудить моды угловых колебаний турбогенератора относительно высокого порядка. Такие режимы требуют применения сложных моделей для расчета связанных изгибных колебаний лопаток турбины низкого давления и угловых колебаний ротора. Современные конструкции крупных паротурбинных генераторов устойчивы к возмущениям электрической природы, поэтому угловую вибрацию ротора контролируют редко.