В каждой машине действуют динамические силы. Эти силы - источник не только шума и вибрации, но и дефектов, которые изменяют свойства сил и, соответственно, характеристики шума и вибрации. Можно сказать, что функциональная диагностика машин без смены режима их работы - это изучение динамических сил, а не собственно вибрации или шума. Последние просто содержат в себе информацию о динамических силах, но в процессе преобразования сил в вибрацию или шум часть информации теряется. Еще больше информации теряется при преобразовании сил и совершаемой ими работы в тепловую энергию. Именно поэтому из двух видов сигналов (температура и вибрация) в диагностике предпочтение следует отдать вибрации.
Основные динамические силы, действующие в машинах роторного типа, возбуждая их вибрацию или шум, приведены в таблице П2.1.
Из сил механической природы следует выделить:
· центробежные силы, определяемые неуравновешенностью вращающихся узлов;
· кинематические силы, определяемые неровностью взаимодействующих поверхностей и, прежде всего, поверхностей трения в подшипниках;
· параметрические силы, определяемые прежде всего переменной составляющей жесткости вращающихся узлов или опор вращения;
· силы трения, которые далеко не всегда можно считать механическими, но почти всегда они являются результатом суммарного действия множества микроударов с деформацией (упругой) контактирующих микронеровностей на поверхностях трения;
· силы ударного вида, возникающие при взаимодействии отдельных элементов трения, сопровождающемся их упругой деформацией.
· Из сил электромагнитного происхождения в электрических машинах следует выделить:
· магнитные силы, определяемые изменениями магнитной энергии в определенном ограниченном пространстве, как правило, в ограниченном по протяженности участке воздушного зазора;
Таблица П2.1
· электродинамические силы, определяемые взаимодействием магнитного поля с электрическим током;
· магнитострикционные силы. определяемые эффектом магнитострикции, т.е. изменением линейных размеров магнитного материала под действием магнитного поля.
· Из сил аэродинамического происхождения следует выделить:
· подъемные силы, т.е. силы давления на тело, например, лопасть рабочего колеса, движущееся в потоке, либо обтекаемое потоком;
· силы трения на границе потока и неподвижных частей машины (внутренней стенки трубопровода и т.п.);
· пульсации давления в потоке, определяемые его турбулентностью, срывом вихрей и т.п.
Силы гидродинамического происхождения, в основном, имеют ту же природу, что и в газовой среде, но к ним добавляются еще и пульсации давления из-за кавитации, которая при определенных условиях может возникать в потоке жидкости.
Динамические силы в машинах возбуждают вибрацию либо непосредственно, либо силы возбуждают шум, а шум - вибрацию корпуса. Вибрация, в зависимости от природы возбуждающих ее сил, может быть либо детерминированной (чаще периодической), либо случайной.
Рис. П2.1
Один из простейших примеров детерминированного сигнала вибрации - гармоническое колебание (см. рис. П2.1). Оно характеризуется амплитудой (пиковое значение Хпик, среднеквадратичное значение Хскз или среднее значение Хср продетектированного сигнала), частотой f=1/T и начальной фазой.
Рис. П2.2
Случайный сигнал (см.рис. П2.2) может принимать любое значение в определенном диапазоне, поэтому его характеризуют не амплитудой, частотой и фазой, а пиковым значением, среднеквадратическим значением, средним значением (продетектированного сигнала) и значением от пика до пика.
Периодическая вибрация может быть представлена в виде спектра. В нем может быть одна составляющая (гармонический сигнал) (см. рис. П2.3а или рис. П2.3б), или много кратных (см. рис. П2.4).
Рис. П2.3 Временные сигналы вибрации и их спектры
Если сигнал представляет собой комбинацию (рис. П2.3в) двух простейших гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами, то его спектр имеет вид (рис. П2.3в, справа), где явно видно наличие именно этих двух гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами.
Рис. П2.4
Поскольку периодическую составляющую отображают спектром, случайную тоже следует так же отображать, но спектр - сплошной (см. рис. П2.5).
Рис. П2.5
Спектр удобен тем, что он делит вибрацию на компоненты с разными свойствами, а достаточно часто и разной природы.
Типовой спектр (см. рис. П2.6) характеризуется, как правило, большим количеством гармонических составляющих в области низких частот. По мере увеличения частоты гармонических составляющих становится меньше, и они практически отсутствуют в области высоких частот.
Рис. П2.6
Для диагностики машин и оборудования при выборе частотной области вибрации следует учитывать свойства вибрации разной частоты.
Так, в области инфранизких частот вибрация может возбуждаться даже не самой контролируемой машиной, а, например, работающими рядом другими машинами и, в том числе, проходящим на сравнительно большом расстоянии транспортом.
Особенность вибрации на низких частотах состоит в том, что она слабо затухает в пространстве, а следовательно, в точку установки датчика доходит вибрация от всех узлов контролируемой машины, от сопряженных с ней других машин и от соседнего оборудования. Поэтому при анализе вибрации на низких частотах возникает проблема локализации дефектного узла и проблема помехоустойчивости. На этих частотах (в диапазоне частот до 3-5 гармоники частоты вращения) машина колеблется как единое целое, поэтому нужны большие силы и большие дефекты, чтобы раскачать всю машину.
На средних частотах в любой точке контроля вибрация возбуждается, в основном, колебательными силами, действующими в ближайших к ней узлах машины. В спектре вибрации наблюдается большое количество гармонических составляющих разной частоты, но из-за многочисленных резонансов соотношения амплитуд этих составляющих сильно отличаются от соотношений величин возбуждающих их колебательных сил. Как следствие - искажения информации о дефектах - источниках этих колебательных сил и отсутствие повторяемости результатов при малейшем изменении частоты вращения машины.
На высоких частотах вибрация приобретает волновой характер, в спектре мало линий, мало (на первый взгляд) информации, но достаточно малых сил для возбуждения вибрации.
Вибрация ультразвуковых частот возбуждается, в основном, микроударами, но распространяется только по однородной среде (металл без болтов, сварных швов). До точки измерения, если это не сосуд или трубопровод, часто трудно или невозможно добраться.
8.7 Силы, возбуждающие вибрацию,
в узлах роторных машин
8.7.1 Роторы и муфты
Главная сила, действующая на ротор, - центробежная. Она имеет частоту, равную частоте вращения, и форму - круговую. Если есть дефекты, особенно несоосность валов, форма отличается от круга - в спектре вибрации появляются супергармоники (кратные гармоники) Kfвр.
Вторая сила - параметрическая. Она появляется при наличии шпоночных канавок или таких дефектах, как трещина, т.е. тогда, когда жесткость вала зависит от угла поворота и меняется два раза за оборот. В этом случае в спектре вибрации появляются четные гармоники частоты вращения 2Kfвр.
Третья сила - ударная, если есть дефекты в муфте. Муфта соскакивает со стабильного места несколько раз за оборот и вал ударяет по подшипникам. В результате появляются скачки мощности высокочастотной вибрации подшипников несколько раз за оборот (Kfвр в спектре огибающей).
Каждая из компонент этих сил может совпасть с резонансом отдельных узлов машин, что может привести к резкому росту величины вибрации на этой частоте.
8.7.2 Подшипники качения
В подшипниках качения, и скольжения действуют две главные силы - кинематические и силы трения. В дефектных подшипниках качения иногда появляется и третий вид сил - ударного типа.
Вибрация, создаваемая подшипником качения, кроме частоты вращения Fвр; характеризуется следующими основными частотами:
· частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу Fn (наличие этой составляющей вибрации определяется тем, что тела качения - это не лучшая дорога, по которой катится вал ротора, т.е. вал “подпрыгивает” на каждом теле качения):
где fвр - частота вращения ротора,
dс » (dн+dв)/2 - диаметр сепаратора, т.е. диаметр окружности, проходящей через центры тел качения;
Здесь dн - наружный диаметр подшипника;
dв - внутренний диаметр подшипника;
dTK - диаметр тела качения;
a - угол контакта тел качения с дорожками качения;
Z - число тел качения.
· частотой перекатывания тел качения по внутреннему кольцу fв (эта составляющая вибрации появляется, если вал (внутреннее кольцо подшипника) не идеально круглый, а, например, имеет локальный износ. Тогда вал “проваливается” на каждом теле качения, когда последнее попадает в зону износа:
всегда fн + fв = Zfвр
· частотой вращения сепаратора fc (эта составляющая вибрации появляется, если одно из тел качения имеет меньший (больший) диаметр. Тогда вал “проваливается” или “подпрыгивает”, когда это тело оказывается под ним)
· И последнее. Если тело качения не круглое, а имеет гранность, то с частотой его вращения ftk вал либо “подпрыгивает”, либо “проваливается”.
В вибрации проявляются обычно четные гармоники этой частоты.
Это были рассмотрены силы кинематического происхождения. Если подшипник новый, и все поверхности качения “круглые”, то можно ожидать только вибрацию на частотах кfн (неровная “дорога”). Если есть дефекты, и достаточно большие, то вал будет “подпрыгивать” с частотами, связанными со всеми имеющимися дефектами. Если это “подпрыгивание” сильное, то он может продавить смазку, и возникнут “сухие” удары, которые возбуждают высокочастотную вибрацию. Так же удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко “рвется”.
В подшипнике действуют еще и силы трения. Они возбуждают высокочастотную вибрацию, и при дефектах, сопровождающих даже частичное “продавливание” смазки, величина сил трения и мощность вибрации будет меняться. Для обнаружения дефектов по этому признаку необходимо измерять спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника.
8.7.3 Подшипники скольжения
Кроме сил кинематического происхождения и сил трения в подшипниках скольжения действуют силы, являющиеся результатом нелинейного взаимодействия статической нагрузки с силами трения, т.е. силы, сопровождающие автоколебания ротора в подшипниках.
Автоколебания ротора в подшипниках скольжения очень похожи на маятниковые колебания вала относительно положения равновесия в нижней точке подшипника. Вал выводят из положения равновесия силы трения, а возвращает сила тяжести. Причина неустойчивого равновесия - в нелинейной зависимости сил трения от толщины масляного слоя, которая растет по мере смещения вала от положения равновесия. Частота автоколебаний тем меньше, чем больше зазор в подшипнике, т.е., чем больше его износ.
Как правило, частота автоколебаний изменяется скачками с частоты fвр на 1/2 fвр, а в некоторых случаях, по мере износа, на 1/3 fвр. Но причиной автоколебаний может быть не только износ подшипника скольжения, но и снижение качества его смазки или нарушение ее подачи в подшипник. Автоколебания могут возникать и в подшипниках качения, но крайне редко и при большом его износе. Частота автоколебаний ротора в подшипниках качения, как правило, совпадает с двойной частотой вращения сепаратора.
Ударные силы, действующие в подшипниках скольжения, бывают двух типов. “Сухой” удар с разрывом масляной пленки очень опасен, но появляется крайне редко и сопровождается значительным ростом высокочастотной вибрации. “Гидравлический” удар не разрывает масляный слой, а из-за неоднородного износа подшипника в зоне нагрузки, где толщина и скорость движения смазки имеют скачки, происходит турбулентный “срыв” потока. Момент “срыва” потока смазки воспринимается системами измерения вибрации как удар, сопровождающийся импульсным ростом высокочастотной вибрации. Такой “удар” не приводит к быстрому разрушению подшипника, но вызывает его ускоренный неоднородный износ.
Силы трения в подшипниках скольжения несколько выше, чем в подшипниках качения, но, поскольку высокочастотную вибрацию подшипника при отсутствии турбулентности потока смазки вызывает только приграничное трение, случайная вибрация подшипника скольжения значительно ниже, чем подшипника качения.
8.7.4 Зубчатая пара
Колебательные силы в зубчатой паре формируются в зоне зацепления и могут иметь кинематическое, параметрическое, а также ударное происхождение. В отличие от подшипников ротора, статическая нагрузка на зацепление определяется не силой тяжести шестерни, а передаваемым моментом, который часто имеет динамическую составляющую из-за дефектов шестерен, не входящих в контролируемое зацепление.
В бездефектном зацеплении имеют место небольшие колебательные силы (кинематические, параметрические и, достаточно часто, ударные) при входе каждого зуба в зацепление. Частота колебательных сил определяется числом зубцов и частотой вращения шестерни.
fz = fвр1Z1 — fвр2 Z2,
где fвр 1, fвр2, Z1, Z2, - соответственно, частота вращения входного и выходного вала и число зубцов ведущей и ведомой шестерни.
Вибрация шестерен на других частотах не связана с конструктивными особенностями, а определяется технологическими отклонениями при их изготовлении или дефектами.
В первую очередь, это дефекты отдельного зуба. Тогда один раз за оборот дефектной шестерни возникают силы, которые могут иметь разную природу, в том числе кинематическую (плавная неровность нагружаемой части поверхности зуба), параметрическую (изменение жесткости зацепления в зоне дефекта) и ударную (резкое изменение формы нагружаемой поверхности). При таких дефектах растет и низкочастотная, и высокочастотная вибрация шестерен, но последняя не доходит до точек контроля вибрации на корпусе редуктора.
Еще одна особенность формирования колебательных сил в зацеплении - появление низкочастотных сил при наличии дефектов на обеих шестернях. Это колебательные силы с частотой fСГ, являющейся субгармоникой частот вращения обеих шестерен. И на этой частоте возникают колебательные силы кинематического, параметрического или ударного происхождения, но до корпуса редуктора также доходят только низкочастотные компоненты вибрации, возбуждаемые этими силами.
fСГ = fвр1/k1 = fвр2/k2,
где k 1 и k 2 - целые числа.
Приложение 3 Пример технологической карты
Технологическая карта
Оперативной вибродиагностики текущего состояния подшипников качения колесно-моторных блоков и зубчатого зацепления тяговых редукторов электровозов в локомотивном депо ст. Барабинск при производстве ТР-1
| № | НАИМЕНОВАНИЕ РАБОТ | ОПИСАНИЕ ОПЕРАЦИЙ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, НОРМЫ | ТРУДОЕМКОСТЬ ЧЕЛ*Ч | ИНСТРУМЕНТ, ПРИСПОСОБЛЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ | СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ | ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1 | Просмотреть журнал технического состояния формы ТУ-152 и поремонтную книгу формы ТУ -2 8 на наличие сведений о предыдущих ремонтах замечаниях к работе подшипников качения; КМБ и зубчатого тягового редуктора | 0,167 | Журнал формы ТУ-152, Журнал формы ТУ-28 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 2 | Собрать электрическую схему для вращения выбранного колёсно-моторного блока. | Собрать схему на пару ТД подсоединить кабель сечением 83 мм' к розетке для ввода электровоза под низким напряжением Измерения производить только на одном вращающемся КМБ. | 0,2 | Необходимо прекратить рабогы на электровозе; на крыше и под электровозом. На входных дверях электровоза, розетки для ввода электровоза под низким напряжением и на лестничные марши должны быть вывешены предупреждающие знаки "Осторожно электрическое напряжение "ГОСТ 12.4.026-76. |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 3 | Подготовить комплекс оперативной виброднагностики к проведению диагностики. | Внешним осмотром убедиться в целостности корпуса, датчиков и проводящих силовых и измерительных проводов комплекса виброаккустической диагностики "Прогноз -1". Включить комплекс в сеть напряжением 220В Инициализировать диагностическуюую программу. Проверить настройки точек диагностирования. Внести необходимую предварительную информацию (оформить паспорт измеряемого электровоза или КМБ ). Установить на листовую рессору датчик оборотов на специальном кронштейне так, чтобы торцевая часть датчика оборотов находилась против магнитной метки на расстоянии 7-10 мм, установить виброаккустический датчик (акселерометр ) на измеряемой контрольной точке, предварительно зачистив место установки датчика специальной щёткой и смазав рабочую поверхность датчика смазкой типа ЖРО. Измерение параметров проводится на 7 контрольных точках. | 0,92 | Заземляющий провод. Силовые и сигнальные кабели. Смазка типа ЖРО (либо другая консистентная смазка) | Комплекс оперативной вибродиагност ики "Прогноз-1 в сборе: 1. чем одан типа дипломат с ноутбуком 2. магнитная метка 3. датчик Оборотов. 4. акселерометр. | Надежно заземлить корпус комплекса заземляющим проводом сечением 14 мм2. |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1 точка. Измерение параметров буксовых подшипников с; левой стороны локомотива- датчик устанавливается на. корпусе буксы. 2 точка. Измерение параметров буксовых подшипников с правой стороны локомотива- датчик устанавливается1 на корпусе буксы. 3 точка. Измерение параметров моторно-якорного подшипника с противоколлекторной стороны тягового двигателя - датчик устанавливается па поверхности подшипникового щита с противоколлекторной стороны. 4 точка. Измерение параметров моторно-якорного подшипника с коллекторной стороны тягового двигателя - датчик устанавливается на поверхности подшипникового щита с коллекторной стороны. 5 точка. Измерение параметров подшипника малой шестерни со стороны тягового двигателя - датчик устанавливается на кожух редуктора со стороны тягового двигателя. 6 точка. Измерение параметров подшипника малой шестерни со стороны колёсного центра - датчик устанавливается на кожух редуктора со стороны колёсного центра. 7 точка. Измерение параметров опорно-осевого подшипника -. датчик устанавливается на кожух редуктора | . |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 4 | Проведение диагностики | Привести во вращение диагностируемый колёсно-моторный блок. Измерение проводить при частоте вращения не менее 200 об/мин. В случае недопустимых колебаний оборотов повторить .измерения. Параллельно с измерением "Прогноз-1" обязательно прослушивание оператором всех узлов с подшипниками качения наушниками. Если по результатам измерений программой будет рекомендовано заменить подшипник или на подшипнике будет обнаружен сильным дефект, произвести, повторное измерение. В случае идентичности первого и второго измерений и обнаружения сильного дефекта прослушать комиссионно данный узел традиционным способом. Последовательно прослушать все контрольные точки электровоза. | 0,8 | Комплекс оперативной вибродиагностики «Прогноз-1». | Включение и выключение контактора осуществлять только в диэлектрических перчатках. Переход на следующий КМБ производить после полной остановки предыдущего. Заземляющий провод отключать только после отсоединения всех датчиков. При отключенном заземлении недопустимо касаться датчиков руками и другими частями тела. |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 5 | Завершение работы | Корректно завершить работу диагностической программы. Выключить диагностический комплекс, отключить шнур питания от сети 220 В. После полной остановки КМБ снять магнитную метку, убрать датчик оборотов и_акселерометр;. | 0,33 | Комплекс оперативной вибродиагностики «Прогноз-1». | ||
| 6 | Анализ результатов диагностики | Распечатать протокол диагностик. В случае наличия предыдущих диагностик, проследить динамику развития дефектов. Проанализировать полученные данные с помощью сервисных функций программы. Если в результате измерений программой будет дана рекомендация "заменить подшипник", необходимо сменить соответствующий КМБ. В случае рекомендации "' сильный дефект ", прослушать комиссионно данный узел традиционным способом. Если при работе подшипника посторонние шумы не будут обнаружены, запрессовать соответствующий подшипник штатной смазкой (БП по необходимости). В случае состояния «неидентифицированый дефект» необходимо, во первых проверить правильность настроек программы и крепления вибродатчика и провести повторное диагностирование узла. Если ситуация не изменится, проведите «ручной» анализ снятых с узла спектров. Если не поможет и это – обратитесь за помощью к разработчикам комплекса. Вклеить протокол испытаний в ремонтный журнал формы ТУ-28 | 0,5 | Принтер типа "Ерsоn C42UX” (или его аналог). Пресс для запрессовки подшипников консистентной смазкой. Смазка ЖРО. Ремонтный журнал формы ТУ-28. | Комплекс оперативной вибродиагностики «Прогноз-1». | |
| Итого оперативного времени | 2,92 | |||||
| Коэффициент на ПЗ, ОБ, Потл | 1,08 | |||||
| Итого по норме | 3,00 |
Дата: 2018-09-13, просмотров: 1012.
