Авторы: Felix Balitsky, Asja Sokolova
Автор перевода: А.В. Лытаев
Источник: 10th European Conference on Nondestructive testing (ECNDT) – Moscow 2010
Хорошо известно, что чем более объективными признаками пользовались при анализе состояния машины, тем лучше диагноз в конечном счете. В статье показано, что применение комбинированного полного спектра [1, 2] и техники орбитального анализа позволяет обнаружить дефекты, которые проблематично идентифцировать с использованием только спектрального анализа. Этот инструмент мониторинга состояния был впервые предложен специалистами Bently Nevada Со. [1, 3, 4, 5], и может получить широкое применение в анализе вибрации благодаря его полезности. Полный спектр – хороший инструмент для исследования отдельных частотных составляющих не только от их значений амплитуды, но и в зависимости от направления прецессии, предоставляя важную диагностическую информацию. Эллиптической формы орбиты фильтруются вокруг определенной компоненты ω; скорости вибрации могут быть представлены [5] в виде пересекающихся окружностей: первый проходит вдоль направления вращения вала (вперед) с радиусом Rω+, а второй – в обратном направлении с радиусом Rω. Математические уравнения для расчета полного спектра:
амплитуда прямой прецессии на частоте вращения ω:
(1)
амплитуда обратной прецессии на частоте вращения -ω:
(2)
где Xω, αω и Yω, βω являются составляющими частоты ω (амплитуда и фаза) быстрого преобразования Фурье (БПФ) для горизонтального Х и вертикального Y направлений измерений соответственно. Затем направление прецессии (вперед
– по направлению вращению, или противоположное – обратный
) легко определяется по преобладающим спектральным линиям от пары Rω+ и Rω-. Другой крайний случай, когда оба компоненты равны, означает, что орбита преобразуется в прямую форму линии. При этом это не требует просмотра нескольких отфильтрованных орбит участков с ручными отметками, наносящихся отдельно.
Полный спектр, в отличие от стандартных спектров вибрации, вдоль каждой из двух перпендикулярных направлений, является характеристикой, определяющей взаимосвязь между вертикальными X и горизонтальными Y составляющих вибрации, считается погрешностью (αω-βω) между ними. Кроме того, можно зафиксировать направление прецессии каждой из двукратных спектральных компонент из сюжета, что очень важно, например, в случае, когда на любой доступной частоте вращения вала сигнал отсутствует.
В статье представлены некоторые результаты исследования вибрационного уровня при диагностировании нагнетательного насоса для транспортировки газа, при ухудшении его состояния и проявления дефектов подшипника. При проведении работ были зафиксированы некоторые усложняющие факторы: стандартная система мониторинга установлена настроена исключительно на текущие спектры, в связи с чем волновых колебаний не было, как и сигнала на его выходе.
Поле фиксации относительных данных, которые были получены за 8 дней до отказа блока, представлены на рисунке 1. Здесь общие спектры Sx и Sy в горизонтальном и вертикальном направлениях приведены в верхней части диаграммы; также видны основные компоненты частоты вращения вала fr = 87,5 Гц и низкую амплитуду гармоник и субгармонических составляющих (0,5 fr). Полный спектр (R-, R +) участка в полосе частот -400...+400 Гц показан внизу.
Признаком остаточного дисбаланса вала является на обоих спектрах гармоники (выделена на нижнем рисунке, сo значительно большей амплитудой fr), однако в полном спектре прослеживаются явные признаки частичной ослаблении посадки: субгармонические (0,5 fr) вибрации имеет компоненты в прямом и обратном направлении, а последняя является доминирующей. Наличие значительных по амплитуде гармоник является дополнительным подтверждением диагноза.
Рисунок 1 – Спектры горизонтального Sx и вертикального Sy направлений вибрации центробежной силы насоса поле ремонта (вверху) и соответствующий полный спектр (внизу) за семь дней до аварийной остановки машины
За день до аварийной остановкой двигателя из-за отказа генератора газовой турбины спектры, измеренные на подшипниках, резко изменились (рис. 2). Гармоника 2/3 fr, которая возникла и стала доминирующей в половине
полного спектра, является признаком ослабления посадки, при этом только полный спектр дает нам прямое доказательство дефекта из-за равных прямых и обратных компонент на этой частоте. Это может быть следствием сухого трения, которое сопровождается нагревом и усилением колебаний вблизи собственной частоты машины. Наличие прямых и обратных гармоник fr дает дополнительное подтверждение диагноза. Что касается субгармонического сдвига частоты от 0.5 fr к 2/3 fr, то это является следствием изменения динамической жесткости из-за развития дефектов.
Рисунок 2 – Спектры горизонтального Sx и вертикального Sy направлений вибрации центробежных нагнетателей (вверху) и соответствующий полный спектр (внизу) за один день до аварийной остановки машины
Отфильтрованные орбиты, соответствующих "половинам" полного спектра, представлены выше, и дают дополнительные доказательства выдвинутого диагноза.
Орбиты, полученные на частотах от 0...4,0 кГц, растягиваются в одном направлении, вызывая резонансные колебания. Горизонтальные и вертикальные составляющие находятся не в фазе (см. рис. 3).
Орбиты группируются вокруг f0=55 Гц (δf=50...60 Гц) (см. рис. 4), что свидетельствует о том, что вал раскачивается как маятник, под действием стационарным противоположным по значению ударов, следующих друг за другом с собственной частоты.
Орбита группируется на частоте вращения вала (см. рис. 5), что является признаком присутствия дисбаланса.
Рисунок 3 – Совпадающие диаграммы и орбиты (см. рис. 2) горизонтальных и вертикальных направлений измерения
Рисунок 4 – Отфильтрованные сигналы и орбиты (см. рис. 4) для частоты f0=55 Гц
Рисунок 5 – Отфильтрованные сигналы и орбиты (см. рис. 4) для частоты f0=87,5 Гц
Выводы. Полный спектр является эффективным инструментом для измерения остаточной вибрации и может служить хорошим, и эффективным дополнением для других методов виброметрии, использоваться для мониторинга состояния оборудования и может быть рекомендован к более широкому применению. Более того, его расчетный алгоритм прост и достаточно быстр, благодаря использованию БПФ.