Фазовый анализ вибрации
Во многих случаях вибродиагностика по спектрам вибрации не помогает точно идентифицировать дефект. И на помощь приходят дополнительные диагностические методы, в том числе и анализ фаз. Небольшая и очень содержательная статья научит Вас эффективно использовать этот инструмент. Уверен, что и для очень опытных вибродиагностов информация покажется интересной.
Введение
Анализ вибрации — это в основном выученный навык. Он основан на 70% опыта и на 30% обучения и самостоятельной работы. Требуются годы, чтобы стать уверенным и компетентным аналитиком вибрации. Если анализ неверен, рекомендации по ремонту также будут неверными. Ни один вибродиагност не хочет ошибиться. В этом деле доверие приобретается небольшими шагами и теряется молниеносно.
Датчик вибрации, установленный на корпусе подшипника и подключенный к анализатору вибрации, предоставляет информацию о времени, частоте и амплитуде в форме сигнала и спектре (рис. 1). Эти данные являются основой для анализа вибрации. Они содержат сведения почти о всех механических и электрических дефектах, присутствующих в оборудовании.
Рис. 1. Временной сигнал и спектр вибрации
Процесс анализа вибрации включает в себя определение уровня вибрации, частот и форм сигнала, сопоставление пиков и форм сигнала с механическими или электрическими компонентами, формирование заключений и, при необходимости, рекомендаций по ремонту.
Все, кто занимается вибродиагностикой, знают, что анализ вибрации не прост и не автоматизирован. Вы когда-нибудь задумывались, почему? Вот несколько причин:
1) Машины имеют множество неисправностей: шаблонные примеры, которые мы изучаем на обучении и о которых читаем в книгах, просто не идентичны реальным данным. Мы изучаем как выглядят механические и электрические неисправности в чистом виде — как будто на машине всегда была только одна проблема, вызывающая вибрацию. Машины обычно имеют более одной вибрационной неисправности. Как минимум, все машины имеют некоторый дисбаланс и расцентровку. Когда возникают другие неисправности, форма волны и спектр очень усложняются и их трудно анализировать. Данные больше не соответствуют шаблонам дефектов, которым мы обучены.
2) Причинно-следственная вибрация: на каждое действие есть реакция. Некоторые из измеряемых нами вибраций являются следствием других проблем. Например, сила, вызванная дисбалансом ротора, может привести к тому, что машина будет выглядеть как расцентрованная, незакрепленная или шумная от трения. Подумайте обо всех деталях, которые трясутся и гремят в вашей машине, когда одна из них выходит из равновесия.
3) Многие типы неисправностей имеют схожие черты: поскольку роторы машины вращаются с определенной скоростью, а вибрация является циклической силой, многие механические и электрические неисправности имеют похожие частотные формы, которые затрудняют различение одной неисправности от другой.
Обучение анализу вибрации требует времени. Есть учебные курсы, технические публикации и другие ресурсы, такие как онлайн-ресурсы и коммерческие самообучающиеся материалы, которые могут улучшить навыки анализа и сократить время обучения.
Существует один метод диагностики, который быстро обнаруживает большинство проблем с вибрацией. Это, пожалуй, самый мощный из всех методов диагностики вибрации. Он существует с тех пор, когда анализ вибраций как таковой еще не привлекал большого внимания, и редко можно было найти хорошую информацию по данному вопросу. Что это за способ? Он называется фазовым анализом.
Что такое фаза?
Фаза — это положение вращающейся части в любой момент времени относительно фиксированной точки. Фаза дает нам информацию о направлении вибрации. Настройка двигателя автомобиля с использованием светового индикатора и индуктивного датчика — это применение фазового анализа (рис. 2).
Рис. 2. Настройка двигателя с использованием светового индикатора — это фазовый анализ
Фазовый анализ представляет собой набор измерений фаз, выполненных на машине или конструкции и их оценку для выявления информации об относительном движении между компонентами. В вибрационном анализе фаза измеряется с использованием абсолютных или относительных методов.
Абсолютная фаза измеряется с помощью одного датчика и одного тахометра, направленного в сторону метки на вращающемся валу (Рисунок 3). В каждой точке измерения анализатор рассчитывает время между триггером тахометра и пиковой вибрацией следующего положительного сигнала. Этот временной интервал преобразуется в градусы и отображается как абсолютная фаза (рисунок 4). Фаза может быть измерена с частотой вращения вала или любым целым числом, кратным скорости вращения вала (синхронные частоты). Абсолютная фаза необходима для балансировки ротора.
Рис. 3. Измерение абсолютной фазы
Рис. 4. Абсолютная фаза рассчитывается между сигналом тахометра и формой колебательного сигнала
Относительная фаза измеряется многоканальным виброанализатором с использованием двух или более (аналогичного типа) датчиков вибрации. Анализатор должен иметь возможность измерять межканальную фазу. Один одноосный датчик служит фиксированным эталоном и размещается где-то на машине (обычно на корпусе подшипника). Другой одноосный или трехосный датчик перемещается последовательно ко всем остальным контрольным точкам (Рисунок 5). В каждой контрольной точке анализатор сравнивает формы сигналов между фиксированным датчиком и перемещаемым датчиком. Относительная фаза — это разница во времени между сигналами на определенной частоте, преобразованная в градусы (рисунок 6). Относительная фаза не требует тахометра, поэтому фазу можно измерять на любой частоте.
Рис. 5. Измерение относительной фазы
Рис. 6. Относительная фаза, рассчитанная между двумя колебательными сигналами
Оба типа измерений фазы легко выполнить. Относительная фаза является наиболее удобным способом измерения фазы на машине, потому что машину не нужно останавливать для установки светоотражающей ленты на вал. Фаза может быть измерена на любой частоте. Большинство одноканальных виброанализаторов могут измерять абсолютную фазу. Многоканальные анализаторы вибрации, такие как Pruftechnik VibXpert, показанный на рисунке 7, имеют стандартные функции для измерения как абсолютной, так и относительной фазы.
Рис. 7. Pruftechnik VibXpert 2-канальный виброанализатор
Когда использовать анализ фаз
Каждый нуждается в фазовом анализе. Фазовое обследование следует проводить на проблемных машинах, когда источник вибрации неясен или когда необходимо подтвердить предполагаемые источники вибрации. Фазовое обследование может включать точки, измеряемые только на подшипниковых опорах, или точки на всей машине от фундамента до подшипников. Ниже приведены примеры того, как фаза может помочь проанализировать вибрацию.
Мягкая лапа
Термин «мягкая лапа» используется для описания искривления рамы машины. Это может быть вызвано состоянием, когда опора двигателя, насоса или другого компонента не плоская, прямоугольная и не плотно прилегает к его креплению, или многими другими факторами, такими как ошибки механической обработки, изогнутость или скрученность опор и неплоскостность монтажных поверхностей. Мягкая лапа увеличивает вибрацию и создает чрезмерную нагрузку на подшипники, уплотнения и муфты. Мягкая лапа на двигателе деформирует корпус статора, создавая неравномерный воздушный зазор между ротором и статором, что приводит к вибрации с удвоенной частотой сети.
Для проверки мягкой лапы следует использовать хорошую систему лазерной центровки, ослабляя ножки машины по очереди.
Фаза может использоваться для определения мягкой лапы во время работы машины. Измерьте вертикальную фазу между лапой и ее монтажной поверхностью. Если соединение плотное, фазовый угол между поверхностями одинаков. Если фазовый угол отличается более чем на 20 градусов, опора ослаблена или рама машины имеет трещину или потеряла жесткость. На рисунке 8 показан пример фазового сдвига на мягкой лапе.
Рис. 8. Сдвиг фазы между лапой и креплением может указывать на мягкую лапу
Перекос подшипника и изгиб вала
Фаза используются для обнаружения перекоса подшипников и изгиба вала. Измерьте фазу в четырех осевых точках вокруг корпуса подшипника. Если подшипник установлен с перекосом или вал изогнут в районе подшипника, фаза будет отличаться в каждой точке. Если вал прямой и подшипник установлен ровно, фаза будет одинаковой в каждой точке (Рисунок 9).
Рис. 9. Фаза идентифицирует ровное или извивающееся движение подшипника
Подтверждение дисбаланса
Радиальная вибрация один раз за оборот означает дисбаланс ротора. Используйте фазу, чтобы доказать наличие дисбаланса. Для подтверждения дисбаланса измерьте горизонтальную и вертикальную фазы на валу или корпусе подшипника. Если разница между значениями фазы составляет приблизительно 90 градусов, проблема заключается в дисбалансе ротора (Рисунок 10). Если разность фаз ближе к нулю или 180 градусов, вибрация вызвана силой реакции. Эксцентриситет шкива и расцентровка вала являются примерами сил реакции.
Рис. 10. Сдвиг фазы по горизонтали к вертикали примерно на 90 градусов подтверждает дисбаланс
Люфт, изгиб или кручение
Фаза используется для обнаружения незакрепленных соединений на конструкциях и изгиба или скручивания из-за ослабления или резонанса. Для проверки люфта измерьте вертикальную фазу на каждом механическом соединении, как показано стрелками на рисунке 11. Когда соединения ослаблены, фазовый сдвиг составит приблизительно 180 градусов. Фазовый угол не изменится через плотное соединение.
Рис. 11. Сдвиг фазы между болтовыми соединениями указывает на ослабление
Несоосность валов
Несоосность вала легко проверяется по фазе. Измерьте каждый подшипник в горизонтальном, вертикальном и осевом направлениях. Запишите значения в таблицу или пузырьковую диаграмму, как показано на рисунке 12. Сравните горизонтальную фазу на смежных с муфтой подшипниковых опорах. Повторите сравнение, используя вертикальные, а затем осевые данные. Хорошая центровка не покажет существенного сдвига фаз между подшипниками или муфтой. Машина на рисунке 12 имеет фазовый сдвиг на 180 градусов с обеих сторон муфты в радиальных направлениях. Осевые направления синфазны по всей машине. Данные указывают на параллельную расцентровку (коленчатость) валов.
Рис. 12. Данные фазы указывают на параллельную несоосность валов
Рабочие формы колебаний
Вместо сравнения значений фазы и амплитуды из таблицы или пузырьковой диаграммы, программное обеспечение рабочей формы колебаний (ODS) может использоваться для анимации модели машины. ODS — это метод измерения, используемый для анализа движения роторного оборудования и конструкций во время нормальной работы. ODS является расширением фазового анализа, когда компьютерная модель машины анимируется данными фазы и амплитуды или одновременно измеренными временными сигналами. Анимация визуально анализируется для диагностики проблем. ODS-тестирование позволяет выявить широкий спектр механических неисправностей и проблем с резонансом, таких как ослабление, мягкая лапа, разрыв сварных швов, несоосность, дисбаланс, изгиб или кручение из-за резонанса, структурное ослабление и проблемы с фундаментом.
Рисунок 13 представляет собой простую ODS из трех валов с прямым соединением. Фаза и амплитуда были измерены с помощью постоянно установленных датчиков смещения X и Y на турбогенераторе. Значения, перечисленные в таблице, использовались в программном обеспечении ODS для анимации модели в виде валов турбины высокого и низкого давления и вала генератора. Изображение справа от таблицы представляет собой снимок из анимации ODS, показывающий характер вибрации каждого вала и относительное движение между валами при скорости 3600 оборотов в минуту (скорость вращения).
Рис. 13. Рабочая форма колебаний валопровода
Многие машины вибрируют из-за ухудшения состояния фундаментов, ослаблений, структурного резонанса опор и других проблем, которые возникают под подшипниками машины. Фазовое обследование может включать сотни контрольных точек, измеренных по всей машине и фундаменту. Хорошее программное обеспечение ODS может упростить анализ данных фазы и амплитуды из большого количества контрольных точек. Анализ ODS включает в себя наблюдение и интерпретацию движения машины. На рисунке 14 показана ODS модели вертикального насоса.
Рис. 14. Рабочая форма колебаний вертикального насоса
Заключение
Вибрационные испытания в условиях эксплуатации являются жизненно важным компонентом программы технического обслуживания, основанной на надежности. Датчики вибрации, приборы и программное обеспечение способны предоставить ключевую информацию о состоянии машины. Слабым звеном в этой цепочке является способность аналитика интерпретировать данные, точно диагностировать проблему и отслеживать неисправность до тех пор, пока не придет время рекомендовать корректирующие действия. Фазовый анализ — это очень мощный диагностический инструмент. Каждый вибрационный аналитик должен использовать фазу для повышения точности анализа вибрации.
Автор: Тони ДеМаттео (Tony DeMatteo) — инструктор по анализу вибрации и техническому обучению в 4X Diagnostics LLC
