Виброналадка турбовоздуходувки ТВ-350.

После ремонта печного вентилятора ТВ-350 (мощность двигателя 90 кВт, скорость 3000об/мин) я был по сложившемуся порядку приглашён на запуск агрегата в эксплуатацию. Перед запуском из разговора с обслуживающим персоналом выяснил, что в процессе ремонта были заменены подшипники ротора воздуходувки и двигатель. Сама воздуходувка представляет собой валопровод из двигателя и 2-хопорного ротора с консольно сидящим рабочим колесом, соединённых между собой муфтой МУВП.

Первый же запуск едва не привёл к разрушению агрегата. Вибрация была столь высока, что вал бил по улитке, высекая снопы искр. Впопыхах сделанный замер в одной точке (возле колеса) показал размах около 1000 мкм (это при 3000 оборотов!). Все попытки хоть как-то снизить вибрацию балансировкой с колеса или с муфты ни к чему не приводили. Амплитуда оставалась практически неизменной, а фаза вела себя совершенно непредсказуемо.

Речь пойдёт о нагнетателе Н-6500. Данный агрегат (двигатель 2000кВт, 1500об/мин; ротор диаметром 2000мм, массой 5т) стоял в системе «сухой» газоочистки. Поэтому ротор, подвергавшийся равномерному абразивному износу, требовал лишь иногда балансировки после замены на новый. От замены до замены, пока циклоны были «в форме», проходило год – полтора. С такой частотой я его (нагнетатель) и посещал.

Но в один прекрасный день циклоны газоочистки приказали долго жить (вся система была чуть ли не моего возраста), и начался мор роторов. Теперь их хватало на 7 – 10 дней! Это при том, что износ лопаток не ограничивали паспортными 4-мя мм, а доводили до появления дыр! Вместо того, чтобы срочно остановиться на ремонт газоочистки, руководство (слава «эффективным менеджерам»!) приняло решение продолжать производственный процесс, меняя ротора, как перчатки. Между прочим, тогда (2005 год) новый ротор стоил примерно 1 млн.руб. Существовала на родственном предприятии технология их восстановления. Просили за неё 300 тыс.руб. Но и этих денег не нашлось. Ну, это так, к слову…

Вибрация – это периодическое возвратно-поступательное движение (колебание) объекта. Датчик преобразует вибрацию объекта в электрический сигнал, который мы можем измерить.

Частота и амплитуда – это две основные характеристики сигнала вибрации, которые мы замеряем. (Третья важная замеряемая характеристика, фаза, будет рассмотрена в следующей главе.) Чтобы найти частоту сигнала, берут величину обратную периоду. Период – это время, необходимое для совершения одного цикла колебаний.

Амплитуду обычно замеряют как: пик-пик (от минимума к максимуму, сокращенно п-п), пик (половина пик-пик), среднеквадратичное значение (сокращенно СКЗ).

Перемещение обычно замеряют как пик-пик, а скорость и ускорение – как пик. При вибрации на одной частоте перемещение, скорость и ускорение просто вычисляются одно из другого.

Автоколебания появляются при наличии механизма, который преобразует энергию, не связанную с колебаниями, в энергию колебаний. Колебания листьев на ветру являются примером такого вида колебаний. Ветер – это источник энергии. Энергия преобразуется через механизм вихреобразования в крутильные и поперечные колебания листьев.  

Так, например, разрушение моста Такома Нэрроуз в 1940 году было вызвано подобным механизмом. Ветер, дувший поперек моста, взаимодействовал с конструкцией моста и вызвал в нем аэродинамическое возбуждение нескольких крутильных мод. В конце концов, амплитуда крутильных колебаний стала настолько большой, что мост разрушился.

Когда частота вынуждающей силы приближается к собственной частоте механической системы, амплитуда вибрации резко возрастает. Это явление называют резонансом.

Толкание качелей с ребенком – это пример резонанса, который демонстрирует эффективность периодического воздействия небольшой силы. Качели с ребенком реагируют на это воздействие на собственной частоте системы аналогично маятнику. Система действует как накопитель энергии, совершая колебания на собственной частоте.

Если последовательные толчки качелей правильно синхронизировать по времени (вынуждающая частота равна собственной частоте и находится в фазе с движением качелей), то очередной толчок качелей будет увеличивать энергию системы, что в свою очередь увеличит амплитуду колебаний. Величина этого усиления выражается коэффициентом синхронного усиления (КСУ) и зависит от эффективного затухания системы.

В роторных системах, сила, вызванная вращающимся небалансом, порождает синхронную, 1Х, вынуждающую частоту, которая равна частоте вращения ротора. Когда частота вращения ротора приблизится к собственной частоте роторной системы, амплитуда вибрации увеличится.

Механическую систему можно заставить колебаться с любой нужной нам частотой. Например, маятник, который первоначально находился в состоянии покоя, можно очень медленно двигать рукой. Маятник начинает реагировать на приложенную рукой силу. Эта сила может быть приложена с любой нужной нам частотой. Если увеличить частоту движения руки, маятник будет реагировать с такой же частотой. Это – вынужденные колебания.

Вынужденные колебания вызывает периодическая сила, которая действует через динамическую жесткость роторной системы. Динамическая жесткость – это совокупность жесткостей различных упругих опор, инерционных масс и элементов, рассеивающих энергию колебаний (или элементов затухания). Замеряемая нами вибрация – это отношение силы к динамической жесткости; следовательно, изменение силы либо динамической жесткости вызовет изменение вибрации.

Этот базовый принцип поведения агрегатов является ключом к успешной диагностике оборудования.

Если любую механическую систему со слабым затуханием вывести из положения равновесия и затем отпустить, то она будет колебаться (вибрировать) с частотой, которая называется собственная частота затухающих колебаний системы. При свободных колебаниях система продолжает колебаться до полного затухания колебаний либо до получения нового возбуждения.

Колебания в большинстве механических систем включают в себя периодическое преобразование потенциальной энергии в кинетическую и наоборот. Например, если вы вывели маятник из состояния покоя, то вы увеличили его потенциальную энергию. В момент, когда вы отпускаете маятник, потенциальная энергия максимальна, а скорость равна нулю.

Вращение – это угловое движение ротора вокруг своего геометрического центра или оси вала. Теоретически, вращение может происходить без какого-либо поперечного (бокового) движения ротора. В отсутствие каких-либо внешних сил идеально отбалансированный ротор будет вращаться на одном месте вокруг геометрического центра вала без какого-либо изменения положения (без перемещения, без вибрации) этого центра (левая сторона рис.1-7).

Прецессия – это перемещение, или вибрация, геометрического центра ротора в плоскости ХY, которая перпендикулярна оси ротора. Прецессию также называют движением по орбите. Орбита наглядно показывает боковое перемещение оси ротора. На рисунке оно показано зеленым цветом. Прецессия может иметь место даже тогда, когда ротор не вращается; она совершенно не зависит от вращения (правая сторона рис.1-7). Орбита ротора может варьироваться от точно круговой до очень сложной формы, которая будет содержать много частот вибрации.

Ротор может вращаться без вибрации, а может вибрировать без вращения. Однако обычно имеет место и вращение, и прецессия.

Роторы агрегатов вращаются, но из-за сил, возникающих внутри агрегата, они еще и движутся в поперечном, или радиальном, направлении в плоскости, перпендикулярной оси агрегата. Это движение периодическое и обычно совершается на частоте вращения ротора (в основном, как реакция на небаланс), но может совершаться и на частотах ниже или выше скорости ротора. Часто одновременно присутствует несколько частот вибрации.

Чтобы наглядно представить вибрацию ротора в самом простом виде, возьмем короткий металлический прут, согнутый дугой. При вращении прута вокруг его оси любая точка на его согнутой части будет двигаться по окружности вокруг оси вращения. Траекторию движения этой точки называют орбитой. В данном примере точка будет совершать один виток по орбите за каждый оборот прута – пример вибрации 1Х.

Перемещение описывает положение (позицию) объекта. Скорость показывает, насколько быстро объект меняет свое положение во времени, а ускорение – насколько быстро меняется скорость. На рисунке 1-5 изображены колебания маятника, наблюдаемые со стороны датчика перемещения, а также диаграммы перемещения, скорости и ускорения. Перемещения маятника измеряют относительно вертикали (положение равновесия).

Рисунок 1-5. Колебания маятника. Кривые перемещения (зеленая), скорости (синяя) и ускорения (оранжевая), показаны в зависимости от времени. Желтые точки представляют собой уровни сигнала для положения маятника, изображенного на рисунке.