Диагностические признаки дефектов зубчатых муфт и расцентровки роторов.

Лопатин А.С. РГУНГ, Марков А.М. ООО «Самараинжиниринг», Смирнов В.А. ООО «Инкотес», Христензен В.Л.

 

Приведены результаты экспериментальных исследований вибрационных процесов, возбуждающихся в шлицевых муфтах газоперекачивающих агрегатов при наличии погрешностей изготовления и монтажа. Также описана методика выявления этих дефектов с использованием методов вибродиагностики.

 

Экспериментальные исследования вибрационных процесов, возбуждающихся в шлицевых муфтах при наличии погрешностей изготовления и монтажа, проводились на ГПА ГТК-10-4 в эксплуатационных условиях. Принудительно вводились дефекты: дисбаланс шлицевой муфты, расцентровка валов ТНД и нагнетателя (сдвиг и перекос осей), торцевой бой промвала.

Перед исследованиями ротор ТНД балансировался и центровался. Центровка роторов агрегата проводится смещением ротора ТНД. Ротор нагнетателя остается неподвижным.  Для введения дисбаланса муфты удалялся один  болт, соединяющий две полумуфты. Вес болта составлял Р = 128 г. Исследования проводились на трех режимах частоты вращения (60, 68, 72 Гц) и трех различных режимах загрузки нагнетателя (работа на кольцо обвязки с дросселированием краном перепуска газа) на одних оборотах.

При дисбалансе муфты в спектрах вибрации, полученных на ОУП ТНД и ОУП нагнетателя, присутствуют кратные роторные гармоники (рис. 1), и в спектре функции когерентности эти частотные составляющие имеют уровень  γ² ≥ 0,95.

Узкополосные процессы имеют низкий уровень функции когерентности, т.к. возбуждаются в проточной части нагнетателя и не имеют связи с процессами, возбуждаемыми в муфте и промвале. Общий уровень вибрации имеет почти линейную зависимость от частоты вращения, заметно возростая при дисбалансе и незначительно при расцентровке (рис.2). При увеличении загрузки нагнетателя общий уровень вибрации незначительно возрастает при дисбалансе муфты снижается при расцентровках (рис.3).

В экспериментальных исследованиях задавалась расцентровка двух видов: параллельное смещение осей (сдвиг) и перелом осей (торцевое раскрытие). Параллельное смещение осей задавалось тремя последовательными значениями – δ = 0,5; 0,7; 1,0 мм. Торцевое раскрытие – одним значением δ =0,6 мм. 

Рис. 1. Спектры вибрации и функции когерентности ГТК-10-4.
Дисбаланс муфты промвала ТНД – нагнетатель.

Рис. 2. ГТК-10-4, ОУП ТНД, вертикальное направление.
Зависимость общего уровня вибрации от частоты вращения

Рис. 3. ГТК-10-4, ОУП нагнетателя, вертикальное направление.
Зависимость общего уровня вибрации от загрузки нагнетателя.

 

Рис. 4. Спектры вибрации и функции когерентности ГТК-10-4.
ОУП ТНД – ОУП нагнетатель. Исходное состояние.

В исходном состоянии расцентровка валов ТНД и нагнетателя составляла δ = 0,07 мм (сдвиг осей), δ = 0,05 мм (раскрытие торца), дисбаланс муфты не проявлялся. В спектре вибрации (рис.4) присутствовала частота вращения ротора и кратные ей гармоники, а также случайные узкополосные

процессы. Общий уровень вибрации составлял V_е = 2,1 мм/с. В спектре функции когерентности максимальное значение γ² = 1 имеет только составляющая оборотной частоты.

Остаточный (допустимый) дисбаланс, находящийся на роторе ТНД, имеет в спектрах вибрации, полученных на двух подшипниках, находящихся рядом с промвалом, кратные роторные гармоники. Однако при отсутствии дисбаланса на элементах муфты (промвала) уровни кратных частотных составляющих функции когерентности не превышают значения γ² ≤ 0,8. Это является достаточным диагностическим признаком отсутствия дисбаланса на муфте. Увеличение расцентровки сопровождается увеличением уровня только 1-й роторной гармоники, при этом нарушается экспоненциальный закон распределения уровней роторных гармоник (рис.5). Изменение 1-й роторной гармоники пропорционально величине расцентровки. Расцентровка вида «сдвиг осей» приводит к увеличению уровня 1-й роторной гармоники только в ради-

Рис. 5. Спектры вибрации и функции когерентности ГТК-10-4.
Расцентровка роторов ТНД и нагнетателя.

альных направлениях, а вида «торцевое раскрытие» – дополнительно в осевом направлении. При значительном раскрытии торцов уровни 1-й роторной гармоники в осевом направлении превышают уровни в радиальных направлениях. Смешанная расцентровка проявляется во всех трех направлениях.

Одной из причин смешанной расцентровки является радиальный бой торца втулки, т.к. на величину дополнительных нагрузок на опоры оказывает влияние синфазность сборки муфты, характеризующаяся углом сдвига фаз φ  между направлениями погрешностей втулки и обоймы обеих полумуфт. Это относится в первую очередь к муфтам с принудительным центрированием. Минимальное значение дополнительного усилия в i-й паре зубьев будет в случае, когда  φ = 0^о, а максимальное значение – когда φ = 180^о. В муфтах без принудительного центрирования величина опорных реакций практически не зависит от фазы сборки полумуфт (или от поворота полумуфт). Это объясняется тем, что наличие увеличенных зазоров в муфтах без центрирования позволяет ей частично самоустанавливаться за счет всплытия обоймы, что делает ее менее чувствительной к неточностям изготовления. Экспериментальные исследования, проведенные ИМАШем, показали, что возможность зубчатой обоймы самоустанавливаться приводит к снижению опорных реакций более чем в три раза. Практика показала, что для муфт с принудительным центрированием положительный эффект в устранении повышенной вибрации дает выбор оптимального углового смещения одной из полумуфт стыкуемых валов относительно другой (табл.1).

Таблица 1.

Изменение общего уровня вибрации в зависимости от угла поворота полумуфты.

 

Расцентровки роторов нарушают экспоненциальный закон распределения уровней роторных гармоник. При этом возникает непропорциональный рост 1-й роторной гармоники, т.к. возбуждаются только частоты вращения ротора. Вторая роторная гармоника возникает только в роторах или подшипниках с анизотропией не меньше  k > 0,07.