Разбиране на радиалните вибрации във въртящи се машини
Радиални вибрации е движението на въртящ се вал, перпендикулярно на оста му на въртене, което се излъчва от центъра като спиците на колело. Думата “радиално” обхваща всяка посока, която е встрани от оста на вала, така че обхваща както хоризонтално (странично), така и вертикално (нагоре-надолу) движение. Това е същата величина, която инженерите наричат странична вибрация или напречни вибрации, и това е най-често измерваната и наблюдавана форма на вибрация във въртящи се машини - първото число, което се разглежда от специалистите по надеждност, и това, на което се основават повечето международни стандарти. На практика той се измерва в две перпендикулярни посоки във всеки лагер, за да може да се възстанови пълният път на вала в пространството.
1. Определение и насоки за измерване
Тъй като един вал може да се движи във всяка посока в равнината, перпендикулярна на оста му, един сензор никога не дава цялата информация. Два датчика, монтирани на 90° един от друг на всеки лагер, улавят пълната радиална картина и техните показания обикновено се отчитат поотделно, както и комбинирано.
Хоризонтални радиални вибрации
Хоризонталната вибрация е движението на вала от една страна към друга:
- Перпендикулярно на оста на вала и успоредно на пода.
- Често това е най-достъпната точка за измерване на хоризонтална машина.
- Отразява гравитацията, асиметрията на устойчивостта на основите и хоризонталните функции на форсиране.
- Стандартната ориентация на измерването за повечето рутинни програми за мониторинг.
Вертикални радиални вибрации
Вертикалната вибрация е движението на вала нагоре-надолу:
- Перпендикулярно на оста на вала и перпендикулярно на пода.
- Пряко влияние оказват гравитацията и статичното тегло на ротора.
- Често амплитудата е по-висока от хоризонталната, тъй като теглото на ротора създава асиметрична коравина на опората.
- От решаващо значение за диагностициране на вертикално ориентирани машини, като например вертикални помпи и двигатели, при които понятията “хоризонтален” и “вертикален” губят обичайното си значение и двете радиални оси са просто ортогонални.
Обща радиална вибрация
Общото радиално движение е векторната сума на двата измерени компонента:
Радиален общ резултат = √(Хоризонтален² + Вертикален²)
- Представлява истинската величина на движението, независимо от посоката.
- Полезни за оценка на тежестта с едно число и задаване на аларма.
- Тъй като двете оси рядко достигат връх в един и същи момент, орбитата, която валът проследява, обикновено е по-скоро елипса, отколкото окръжност - факт, който става важен при анализа на орбитите.
2. Основни причини за радиалните вибрации
Радиалните вибрации се предизвикват от всяка сила, действаща перпендикулярно на оста на вала. Определянето на доминиращата честота е в основата на диагностиката, тъй като всяка повреда оставя характерен подпис.
1. Нарушено равновесие (доминираща причина)
Дисбаланс е единственият най-често срещан източник на радиални вибрации във въртящото се оборудване:
- Той създава центробежна сила който се върти заедно с вала и се появява при скорост на бягане (1X).
- Силата нараства с масата на дисбаланса, нейния радиус и - което е критично - с квадрата на скоростта, така че малко тежко място се превръща в сериозен проблем при увеличаване на оборотите.
- Той създава широко кръгла или елипсовидна орбита на вала.
- Тя може да се коригира чрез балансиране, единствената от тези неизправности, която обикновено може да бъде отстранена без замяна на части.
2. Неправилно подравняване
Несъосност на вала между свързани машини генерира радиални и аксиални вибрации:
- Тя се проявява предимно като 2Х (два пъти на оборот) радиална вибрация.
- Той също така генерира 1Х, 3Х и повече хармоници.
- Силната аксиална вибрация, придружаваща радиалния сигнал, е сериозна индикация.
- Сайтът фаза отношението между двата лагера показва дали разминаването е ъглово, успоредно (изместено) или и двете.
3. Механични дефекти
Няколко механични проблема водят до характерни радиални модели:
- Дефекти на лагерите: високочестотни въздействия в честоти на дефектите в лагерите.
- Изкривен или извит вал: 1Х вибрация, която наподобява дисбаланс, но е налице дори при бавно преобръщане - вж. лък на вала.
- Разхлабеност: множество хармоници (1Х, 2Х, 3Х и повече) с нелинейно, често насочено поведение.
- Пукнатини: 1Х и 2Х вибрации, които се променят по време на стартиране и изключване - отличителен белег на пукнат ротор.
- Разтривания: смесица от субсинхронни и синхронни компоненти, характерна за триене на ротора.
4. Аеродинамични и хидравлични сили
Процесните сили в помпите, вентилаторите и компресорите прилагат собствени радиални сили:
- Честота на преминаване на острието (брой лопатки × обороти в минута).
- Хидравличен дисбаланс, дължащ се на асиметричен поток.
- Разпръскване на вихри и турбулентност на потока.
- Рециркулация и работа извън проекта, включително кавитация в помпи.
5. Резонансни условия
Когато машината работи в близост до критична скорост, радиалната вибрация се усилва драстично:
- Собствената честота съвпада с честотата на форсиране, което е класическото условие за резонанс.
- Тогава амплитудата е ограничена само от възможностите на системата затихване.
- Нивата могат да се повишат до катастрофални стойности в рамките на тесен скоростен диапазон.
- Поради това при проектирането се изискват адекватни граници на разделяне между работната скорост и критичните скорости.
3. Стандарти и параметри за измерване
Мерни единици
Радиалните вибрации могат да бъдат изразени с три свързани параметъра, всеки от които е подходящ за различен честотен диапазон:
- Изместване: действителното преместено разстояние (в микрометри µm или мили). Използва се за нискоскоростни машини и безконтактна сонда измервания на вала.
- Скорост: скоростта на изменение на преместването (mm/s, in/s). Най-разпространеният параметър за общи промишлени машини и основа на стандартите за тежест ISO.
- Ускорение: скоростта на изменение на скоростта (m/s², g). Използва се за високочестотна работа, например за откриване на дефекти в лагерите.
Изборът е от значение, тъй като едно и също физическо движение може да изглежда доброкачествено в една единица и тревожно в друга - скоростта има тенденция да изравнява спектъра в средния честотен диапазон, където се намират повечето неизправности на въртящите се машини, което е точно причината, поради която тя е в основата на ограниченията на ISO.
Международни стандарти
Сайтът ISO 20816 предоставя гранични стойности на тежестта на радиалните вибрации. (Тя заменя по-старата фамилия ISO 10816 и по-ранната ISO 2372; цитирайте ISO 20816 като авторитетна.)
- ISO 20816-1: общи насоки за оценка на вибрациите на машините.
- ISO 20816-3: специфични критерии за промишлени машини с мощност над 15 kW.
- Зони на тежест: A (добро), B (приемливо), C (незадоволително), D (неприемливо)
- Място на измерване: обикновено върху корпусите на лагерите в радиално направление.
Специфични за индустрията стандарти
- API 610: гранични стойности на радиалните вибрации за центробежни помпи.
- API 617: критерии за вибрации за центробежни компресори.
- АПИ 684: процедури за анализ на роторната динамика за прогнозиране на радиалните вибрации.
- NEMA MG-1: гранични стойности на вибрациите за електрически двигатели.
4. Техники за наблюдение и диагностика
Рутинно наблюдение
Стандартните програми следят радиалните вибрации по график:
- Събиране по маршрут: периодични отчитания на фиксирани интервали (месечни, тримесечни).
- Тенденции на общо ниво: наблюдавате как общата амплитуда се увеличава с течение на времето.
- Граници на алармата: определени от ISO или специфични за оборудването стандарти.
- Сравнение: ток в сравнение с базова линия, и хоризонтални спрямо вертикални.
Разширен анализ
Когато се подозира проблем, по-дълбоките инструменти разкриват неговото естество:
- FFT анализ: честота спектър разделяне на вибрациите на компоненти.
- Времева форма на сигнала: суровия сигнал с течение на времето, като разкрива преходните процеси и модулацията.
- Фазов анализ: взаимоотношенията във времето между точките на измерване.
- Анализ на орбитата: траекторията на централната линия на вала, която е пряко свързана с радиалните измервания.
- Анализ на обвивката: високочестотна демодулация за ранно откриване на дефекти в лагерите.
Непрекъснат мониторинг
Критичното оборудване обикновено се наблюдава постоянно:
- Безконтактни сонди за директно измерване на движението на вала.
- Постоянно монтиран акселерометри върху корпусите на лагерите.
- Тенденции и сигнализация в реално време.
- Интеграция с автоматични защита на машините системи.
5. Хоризонтални и вертикални разлики
Типични амплитудни зависимости
При много машини вертикалното показание надвишава хоризонталното:
- Ефект на гравитацията: Теглото на ротора създава статично отклонение, което втвърдява вертикалната посока.
- Асиметрична твърдост: основите и опорните конструкции често са по-твърди в хоризонтално направление.
- Типично съотношение: често се срещат вертикални вибрации от 1,5-2× хоризонталната стойност.
- Ефект на баланса и теглото: корекционните тежести, поставени в долната част на ротора (най-лесната точка за достъп), намаляват с предимство вертикалните вибрации.
Диагностични разлики
- Дисбаланс: може да се чете по-силно в една посока, в зависимост от това къде се намира тежкото място.
- Разхлабеност: често показва своята нелинейност по-ясно във вертикална посока.
- Основни въпроси: вертикалните вибрации са по-чувствителни към влошаване на състоянието на основата.
- Несъответствие: може да се появи по различен начин при хоризонтални и вертикални показания в зависимост от типа на разминаването.
6. Връзка с динамиката на ротора
Радиалните вибрации са в центъра на динамика на ротора анализ, тъй като поведението на вала при радиално огъване определя как - и къде - той ще се държи неправилно.
Критични скорости
- Радиалните собствени честоти определят критичните скорости.
- Първата критична скорост обикновено съответства на първия режим на радиално огъване.
- Диаграми на Кембъл прогнозиране на радиалното поведение като функция на скоростта.
- Разделителните граници от критичните скорости контролират радиалните вибрации.
Форми на режима
- Всеки радиален режим има характерна форма на деформация.
- Първи режим: проста дъга.
- Втори режим: S-образна крива с точка на възел.
- По-високи режими: все по-сложни модели.
Балансиращи съображения
- Балансирането е насочено към намаляване на радиалните вибрации при честота 1Х.
- Коефициенти на влияние съотнесете всяко корекционно тегло към получената промяна в радиалните вибрации.
- Най-доброто равнина на корекция следва от радиалните форми на режимите.
7. Корекция, контрол и полева практика
За дисбаланс
- Балансиране на полето с помощта на преносим анализатор. Двуканален уред като Балансет-1а измерва 1Х радиалната амплитуда и фаза във всеки лагер, изчислява коефициентите на влияние и позволява на инженера да балансира ротора в собствените му лагери при работна скорост - без разглобяване и без балансираща машина. За да превърнете измереното ниво в коригираща маса, можете също така да използвате калкулатор за пробно тегло.
- Едноплоскостен или балансиране в две равнини процедури, избрани в зависимост от геометрията на ротора.
- Прецизно балансиране в цех на балансираща машина за най-критичните компоненти.
За механични проблеми
- Прецизно подравняване за коригиране на несъответствието.
- Смяна на лагери при дефекти в лагерите.
- Затягане на разхлабените компоненти.
- Ремонт на фондацията при структурни проблеми.
- Изправяне на валове или подмяна на огънати валове.
За проблеми с резонанса
- Промяна на скоростта, за да се избегнат критичните диапазони на скоростта.
- Модификации на твърдостта (диаметър на вала, промени в местоположението на лагерите)
- Подобрения на амортизацията, като например демпфери с притискащо фолио или преразглеждане на избора на лагери.
- Промяна на масата за изместване на собствените честоти от работната скорост.
8. Значение на предсказващата поддръжка
Мониторингът на радиалните вибрации е крайъгълен камък на прогнозна поддръжка:
- Ранно откриване на неизправности: Промените в радиалните вибрации предшестват повреди със седмици или месеци
- Тенденции: постепенното нарастване е сигнал за развиващ се проблем.
- Диагностика на неизправности: съдържанието на честотата идентифицира конкретния тип неизправност.
- Оценка на тежестта: амплитудата показва колко сериозен и спешен е проблемът.
- График за техническо обслужване: работата се определя от условията, а не от календара.
- Спестяване на разходи: се избягват катастрофални повреди и се оптимизират интервалите за поддръжка.
Като основно средство за измерване на вибрациите на въртящи се машини, радиалните вибрации осигуряват основните доказателства за състоянието на оборудването, което ги прави незаменими за надеждната, безопасна и ефективна работа на индустриалното въртящо се оборудване.
