Измерение, контроль, диагноз и устранение колебаний машин
(Фирма "КАРЛ ШЕНК АГ")

1. Введение

У ротационных машин, как, например, турбин, турбокомпрессоров, насосов, вентиляторов, электродвигателей и генераторов, вибрация это нежелательное и мешающее явление. Колебания уменьшают эксплуатационную надежность и срок службы машин, так как они представляют собой дополнительную динамическую нагрузку. Они способствуют преждевременному износу подшипников и могут привести к деформации роторов, поломке материала и повреждению фундамента.

Если рассматривать этот факт с точки зрения экономики, то колебания машин снижают доходность в трех отношениях:

• Колебания вызывают повреждение машин, что, в свою очередь, приводит к простоям и прекращению производства
• Повреждения вследствие колебаний влекут за собой дорого-стоящие ремонты
• Колебания снижают срок службы машин.

Поэтому все мероприятия, направленные на предотвращение повреждений вследствие колебаний, являются важным вкладом в повышение эксплуатационной надежности и экономичности эксплуатации машин. В этой связи часто упоминается "профилактический уход за машинами", при котором чистый ремонт сменяется современной программой по предотвращению повреждений, основанной на предупредительном техническом уходе. Осуществление такой программы требует самое малое, следующих мер:

• Измерение колебаний машин и сравнение результатов измерений с допустимыми предельными значениями.
• Контроль колебаний с автоматической выдачей сигнала тревоги или отключением машины при достижении недопустимых величин колебаний.
• Диагноз встречающихся колебаний с целью определения причин колебаний.
• Устранение колебаний путем уравновешивания вращающихся частей машин.

2. Колебания машин

Колебания машин создаются преимущественно их вращающимися и осциллирующими частями. При этом главным возбудителем колебаний является неуравновешенность роторов.

Ротор, имеющий дисбаланс создает во время вращения свободные центробежные силы, зависимые от частоты вращения. Их величина вычисляется на основе следующего соотношения (см. Рис.1).

Рис. 1: Дисбаланс U на радиусе r создает на вращающемся с угловой скоростью w роторе свободную центробежную силу F.
F=u*r*w²

Вызванные дисбалансом центробежные силы и действующие на ротор переменные силы (например, магнитные силы, гидравлические силы и т.п.) побуждают ротор и вал ротора к колебаниям. Через масляную пленку подшипников скольжения (или через подшипники качения) колебания и усилия передаются на опоры и на фундамент машины. Величина передаваемых колебаний зависит от ряда разных параметров. Самые существенные из них это: жесткость и демпфирование масляной пленки, опор и фундаментов, а также масса роторов, опор и фундаментов.

Рис. 2: Виды колебаний у машин
a - относительные колебания валов
b - абсолютные колебания валов
c - абсолютные колебания подшипников

• Относительные колебания валов
  Это быстрые движения вала ротора по отношению к вкладышу подшипника.
• Абсолютные колебания опор
  Под этим подразумеваются быстрые движения вкладыша подшипника и корпуса подшипника по отношению к жесткой опорной точке в пространстве.
• Абсолютные колебания валов
  Это быстрые движения вала ротора по отношению к жестко установленной опорной точке в пространстве.

Рис. 3: Виды колебаний и места их измерения (на примере подшипника скольжения)
a - относительные колебания валов
b - абсолютные колебания валов
c - абсолютные колебания подшипников

2.1 Какой вид колебаний измеряется?

В то время как раньше оценка плавности хода всех машин проводилась исключительно на основе колебаний подшипников, сегодня принимается во внимание конструкция данных машин, а при измерении предпочтение отдается тому виду колебаний, который имеет самую большую выразительность.

• у машин на подшипниках скольжения, как, например, у турбин, компрессоров, редукторов и насосов, оценка плавности хода проводится на основе измерения относительных колебаний валов.
• у машин на подшипниках качения, как, например, воздуходувок, центрифуг и мельниц, самая содержательная информация получается вследствие измерения абсолютных колебаний подшипников.

Рис. 4: Если при одинаковой опорной конструкции масса ротора увеличивается, то относительные колебания валов становятся меньше, а абсолютные колебания подшипников - больше.
m ₁ - масса ротора
m ₂ - масса подшипника

Кроме того, у машин на подшипниках скольжения следует дополнительно учесть соотношения масс и жесткости испытуемой машины:

• Ротор с малой массой сможет побудить жесткую опорную конструкцию с большой массой только к незначительным колебаниям подшипников (рис. 4, верхний). Такие особенности конструкции встречаются, например, у множества ротационных компрессоров. В их случае ротор в своих подшипниках скольжения осуществляет большие движения вала. Относительные колебания вала тогда на коэффициент 10-5О больше, чем абсолютные колебания подшипников. В этом случае как измеряемую величину следует выбрать исключительно относительные колебания валов.
• Если масса роторов увеличивается, а опорная конструкция остается такой же самой, то изменяется соотношение между колебаниями валов и колебаниями подшипников (рис. 4, средний). В случае турбоагрегата мощностью в 1ОО МВ относительные колебания валов как правило только на коэффициент 4-10 больше, чем абсолютные колебания подшипников (см. рис.4).
  Также и в этом случае предпочтение отдается измерению относительных колебаний валов. В случае турбоагрегатов для электростанций принято, дополнительно к этому измерять еще абсолютные колебания подшипников, чтобы получить более точное представление о ходовых качествах машин.
• В случае очень больших машин, особенно элементов низкого давления паровых турбин мощностью от 6ОО МВ, масса ротора по сравнению с массой опорной конструкции дальше растет (см. рис. 4, внизу). Здесь абсолютные колебания валов могут достигнуть примерно таких же самых значений, как абсолютные колебания подшипников. Относительные колебания валов тогда очень малые. Поэтому в таких случаях рекомендуется измерять абсолютные колебания валов.

Абсолютным колебаниям валов до сих пор не придавали большого значения, так как их измерение, особенно ввиду необходимой измерительной техники, вызывает большие затраты. Поэтому они учитываются, прежде всего, в случае больших турбоагрегатов электростанций и в дальнейшем не будут обсуждаться.