ВИБРОДИАГНОСТИКА ХОЛОДИЛЬНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ

Р.В. Жуков, к.т.н. ООО Научно-производственное предприятие "Механик"

Холодильные установки являются составной частью хладокомбинатов, пищевых баз и других объектов пищевой промышленности. Для обеспечения циркуляции в системе холодильного агента, в качестве которого широко применяется аммиак, необходимо обеспечить бесперебойную работу компрессоров. Причем преимущественно используются поршневые бескрейцкопфные машины. Применяются также и винтовые агрегаты.     Автором были исследованы виброхарактеристики основных марок холодильных компрессоров, эксплуатирующиеся на различных предприятиях. Данная статья является результатом их систематизации и анализа, где представлены наиболее характерные примеры, что позволило определить некоторые диагностические признаки для соответствующих машин. Она преследует цель рассмотреть особенности вибрационного состояния малых холодильных компрессоров, по большей части поршневых. Мощность обследованных машин составляет от 10 до 240 кВт, частота вращения вала - от 187 об/мин до 3000об/мин. Отмечены также проблемы нормирования вибрации. Для специалистов интерес представят приведенные диагностические признаки с соответствующими дефектами, иллюстрированные реальными примерами различных выявленных дефектов оборудования на основе анализа временной реализации, огибающей и их спектров.

НОРМИРОВАНИЕ ВИБРАЦИИ

    С особой остротой встает сейчас вопрос нормирования вибрации поршневых компрессоров. В основу нормирования абсолютной вибрации заложены рекомендации международного стандарта ИСО 2372-74 [1], в котором в качестве критерия используется среднее квадратическое значение (СКЗ) виброскорости в диапазоне частот от 10Гц до 1кГц. Для компрессоров аммиачных холодильных установок (АХУ) рекомендуется пользоваться документом РД 09-244-98 [2], где нормы вибрации взяты из ИСО 2372. Однако их применение справедливо только для роторных (в том числе и винтовых) машин. В поршневых компрессорах действуют такие специфические факторы, как: неуравновешенность масс, неравномерность крутящего момента, пульсирующий характер давления в трубопроводах и др. [3]. Причем амплитуда колебаний станины компрессора от этих возмущений, обычно, превышают вибрацию от других дефектов в различных узлах (подшипники качения, скольжения, зубчатые колеса маслонасоса, привод и т.п.). Поэтому допускаемые значения вибрации для поршневых машин, должны быть больше, чем для роторных.
    В стандарте ИСО 10816-6-95 [4] приведено нормирование вибрации машин с возвратно-поступательным движением. В отличие от ИСО 2372, в данном случае охватывается диапазон не от 10, а от 2 до 1000Гц. Другим отличием является измерение кроме СКЗ виброскорости, еще СКЗ виброперемещения и виброускорения. Вид технического состояния определяется по максимальной "интенсивности вибрации", соответствующей каждому из параметров вибрации. Однако в связи с недостаточностью статистических данных, установлено только 3 класса из 7 - для промышленных и судовых дизельных установок, для которых и определены нормы. Для остальных типов поршневых машин, в том числе и малых холодильных мощностью менее 100кВт, отмечается недостаток соответствующих проработок.
    Поэтому, в дальнейшем, при иллюстрации примеров виброхарактеристик компрессоров, мы будем отмечать СКЗ виброскорости (V_e, мм/с) и виброперемещения (S_e, мкм) дефектных узлов в вертикальном (В), горизонтальном (Г) и осевом (О) направлениях. При проведении всех измерений использовался виброанализатор "ПР200Ех" НТЦ "ПРИЗ".
    Основные принципы вибродиагностики различных узлов поршневых и роторных машин изложены в работе [5]. Практические примеры вибродиагностики роторного оборудования показаны в работе [6-8].

1. Неуравновешенность ротора со шкивом электродвигателя компрессора.

    Краткая характеристика объекта диагностирования: поршневой марки АВ-75, вертикальный, двухцилиндровый, одноступенчатый с приводом от электродвигателя через ременную передачу. Мощность двигателя составляет 20кВт, частота вращения ротора двигателя - 975об/мин и коленвала - 480об/мин, диаметр цилиндров - 150мм, ход поршня - 140мм.

Рис.1. Компрессорный агрегат АВ-75 в плане с контрольными точками измерения вибрации

    Диагностические признаки: в спектре вибрации электродвигателя наблюдается повышенный уровень I гармоники, особенно, в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Рис.2. Спектр виброускорения электродвигателя компрессора АВ-75 с дисбалансом ротора вертикальное направление)

2. Неуравновешенность движущихся деталей механизма движения компрессора

    Краткая характеристика объекта диагностирования: поршневой марки АУУ-90, W-образный, восьмицилиндровый, одноступенчатый с приводом от электродвигателя через пальцевую муфту. Мощность двигателя составляет 40кВт, частота вращения ротора двигателя и коленвала - 1460об/мин, диаметр цилиндров - 82мм, ход поршня - 70мм.

Рис.3. Компрессорный агрегат АУУ-90 в плане с контрольными точками измерения вибрации

    Диагностические признаки: В спектре вибрации компрессора во всех направлениях преобладают уровни I и II гармоник, в некоторых контрольных точках значительная амплитуда наблюдается и на III гармонике. На контурной характеристике (рис.3) видно возрастание вибрации при приближении к свободному краю станины.
    На рис.4. повышенная вибрация объясняется действием неуравновешенных сил и моментов вращательных и поступательно-движущихся деталей механизма движения. Спектр вибрации, изображенный на рис.5, характеризует действие опрокидывающего момента.

Рис.4. Спектр виброускорения компрессора АУУ-90 (задняя крышка подшипника) со значительной неуравновешенностью деталей (горизонтальное направление)

Рис.5. Спектр виброускорения компрессора АУУ-90 (блок цилиндров) со значительной неуравновешенностью деталей (горизонтальное направление)

3. Ослабление жесткости опорных элементов компрессора

    Краткая характеристика объекта диагностирования: поршневой марки АУ-45, V-образный, четырехцилиндровый, одноступенчатый с приводом от электродвигателя через пальцевую муфту. Мощность двигателя составляет 22кВт, частота вращения ротора двигателя и коленвала - 970об/мин, диаметр цилиндров - 82мм, ход поршня - 70мм.

Рис.6. Компрессорный агрегат АУ-45 в плане с контрольными точками измерения вибрации

    Диагностические признаки: Хаотичность, нестабильность временной реализации вибросигнала, а также ее ассиметричность (рис.7б), наличие относительно высокой амплитуды колебаний СКЗ. На спектре (рис.7а) проявляются как кратные гармоники, так и субгармоники.

a)

б)

Рис.7. Спектр и временная реализация вибросигнала компрессора АУ-45 (блок цилиндров) с ослаблением жесткости крепления цилиндро-поршневой группы (горизонтальное направление)

4. Расцентровка ротора двигателя и вала компрессора

    Краткая характеристика объекта диагностирования: поршневой марки НФ-811, W-образный, восьмицилиндровый, одноступенчатый с приводом от электродвигателя через пальцевую муфту. Мощность двигателя составляет 110кВт, частота вращения ротора двигателя и коленвала - 985об/мин, диаметр цилиндров - 125мм, ход поршня - 100мм.

Рис.8. Компрессорный агрегат НФ-811 в плане с контрольными точками измерения вибрации

    Диагностические признаки: Преобладает в спектре вибрации I и II гармоники, причем похожее распределение вибрации по частотным составляющим наблюдается на опорах по обе стороны муфты. Во временной реализации вибросигнала наблюдается 2 максимума и минимума за один оборот вала. Значительная вибрация наблюдается в радиальном и, в случае, излома осей - в осевом.

а)

б)

Рис.9. Спектр и временная реализация вибросигнала электродвигателя компрессора НФ-811 с расцентровкой валов (горизонтальное направление)

5. Ассиметрия магнитного поля в асинхронном электродвигателе

    Краткая характеристика объекта диагностирования: тот, же что и в примере 4.

    Диагностические признаки: Появление гармоник частоты вращения ротора и частоты электромагнитных сил (100Гц), модулированных частотой скольжения ротора (рис.10а). Также может встречаться вибрация на зубцовой частоте ротора, модулированной двойной сетевой частотой и частотой вращения ротора (рис.10б).

а)

б)

Рис.10. Спектры вибрации электродвигателя компрессора НФ-811 с магнитной ассиметрией двигателя (вертикальное направление)

6. Электрическая ассиметрия ротора электродвигателя

    Краткая характеристика объекта диагностирования: винтовой марки S3-900, одноступенчатый с приводом от электродвигателя через пальцевую муфту. Мощность двигателя составляет 160кВт, частота вращения ротора двигателя и коленвала - 2940об/мин.

Рис.11. Компрессорный агрегат S3-900 в плане с контрольными точками измерения вибрации

    Диагностические признаки: Появление боковых полос на гармониках основной частоты вращения. Сдвиг боковых и несущей частоты соответствует частоте скольжения ротора. При развитом дефектах в стержнях ротора разница между величиной вибрации на частоте вращения ротора и боковой частоте меньше 20дБ. Вибрация может проявляться как в радиальном направлении (рис.12а), так и в осевом (рис.12б).
    Виброхарактеристики на рис.12 представлены в логарифмическом масштабе.

а)

б)

Рис.12. Спектры вибрации электродвигателя компрессора S3-900 с развитым дефектом     в стержне ротора

7.  Дефекты в подшипниках качения компрессора

    Краткая характеристика объекта диагностирования: тот же, что и в примере 2.

    Диагностические признаки: Наличие вибрации на гармониках частоты перекатывания роликов по внутреннему кольцу подшипника (fвн.к.=395Гц).

Рис.13. Спектр вибрации коренного роликоподшипника компрессора АУУ-90 с поврежденным внутренним кольцом (вертикальное направление)

8.  Дефекты в подшипниках качения электродвигателя

    Краткая характеристика объекта диагностирования: поршневой марки БАУ-200, V-образный, четырехцилиндровый, одноступенчатый с приводом от электродвигателя через ременную передачу. Мощность двигателя составляет 40кВт, частота вращения ротора двигателя - 960об/мин и коленвала - 720об/мин, диаметр цилиндров - 190мм, ход поршня - 130мм.

Рис.14. Компрессорный агрегат БАУ-200 в плане с контрольными точками измерения вибрации

    Диагностические признаки: на спектре огибающей вибросигнала преимущественно в вертикальном и горизонтальном направлениях - повышенная амплитуда колебаний на частоте вращения сепаратора f_сеп=6,75Гц относительно общего шума.

Рис.15. Спектр огибающей подшипника электродвигателя компрессора БАУ-200 с поврежденными телами качения (вертикальное направление)

9.  Износ цилиндро-поршневой группы компрессора

    Краткая характеристика объекта диагностирования: тот, же что и в примере 4.

    Диагностические признаки: значительный уровень вибрации огибающей сигнала и его высокая периодичность (рис.16а). На всем низкочастотном спектре огибающей наблюдаются ряд гармоник частоты вращения вала, обусловленные ударами поршня о втулку цилиндра. Разница амплитуды вибрации гармоник и шумов больше 20дБ (рис.16б).

а)

б)

Рис.16. Виброхарактеристики цилиндра компрессора НФ-811 с повышенным износом поршня (горизонтальное направление)

10.  Износ направляющей крейцкопфа компрессора

    Краткая характеристика объекта диагностирования: поршневой марки АГК-47, горизонтальный типа "Тандем-Компаунд", крейцкопфный, двухцилиндровый двойного действия, двухступенчатый. Мощность двигателя составляет 240кВт, частота вращения ротора двигателя и коленвала - 187об/мин, диаметр цилиндров (I/II ст.) - 470/300мм, ход поршня - 450мм.

Рис.17. Компрессорный агрегетат АГК-47 в плане с контрольными точками измерения вибрации

    Диагностические признаки: Временная реализация вибросигнала имеет высокую периодичность с периодом вращения коленвала и большую амплитуду пиков (рис.18а). На спектре огибающей наблюдается множество гармоник основной частоты вращения вала, обусловленные ударными воздействиями крейцкопфа I ступени о направляющую и с медленно затухающей амплитудой. Разность уровня вибрации на гармониках и шумов в спектре огибающей достигает 30дБ (рис.18б). Общий уровень вибрации узла I ступени также имеет большую амплитуду, что видно при сравнении вибрации II ступени (рис.17).

а)

б)

Рис.18. Временная реализация и спектр огибающей вибросигнала компрессора АГК-47 (направляющая крейцкопфа - I ступень) с повышенным износом крейцкопфа (вертикальное направление)

11.  Дефекты в подшпниках скольжения компрессора

    Краткая характеристика объекта диагностирования: тот же, что и в примере 10.

Рис.19. Компрессорный агрегат АГК-47 в плане с контрольными точками измерения вибрации

    Диагностические признаки: Временная реализация вибросигнала имеет высокую периодичность с периодом вращения коленвала и большую амплитуду пиков (рис.20а). На спектре огибающей наблюдается множество гармоник основной частоты вращения вала, обусловленные ударными воздействиями крейцкопфа о направляющую и с медленно затухающей амплитудой. Разность уровня вибрации на гармониках и шумов в спектре огибающей достигает 30дБ (рис.20б). На огибающей вибросигнала наблюдается импульсы от ударов деталей с периодом их следования (рис.20в). Общий уровень вибрации (рис.19) также имеет достаточно высокую амплитуду, особенно в направлении действия газовых и инерционных сил.

а)

б)

в)

Рис.20. Временная реализация, спектр и огибающая вибросигнала компрессора АГК-47 (коренной подшипник - II ступень) с большими дефектами вкладыша (осевое направление)

    Следует отметить, что допускаемые значения вибрации и даже распределение спектральных составляющих зависят от множества факторов: режима работы компрессора, его типа и марки, количества рядов, вида привода, мощности и т.п.. Поэтому приведенные примеры виброхарактеристик с соответствующими дефектами являются только ориентировочными и их не следует применять на практике как "базовые" или "пороговые". Существенную помощь в этом случае дает компьютерное моделирование динамических процессов, происходящих в машине при появлении различных неисправностей [3].

ЛИТЕРАТУРА:

1.  ИСО 2372-74. Станки. Правила оценки механической вибрации при рабочих скоростях от 10 до 200 об/с.

2.  РД 09-244-98. Инструкция по проведению диагностирования технического состояния сосудов, трубопроводов и компрессоров промышленных аммиачных холодильных установок. Утв. Постановлением Госгортехнадзора от 20.11.98 №66.

3.  Давыдов В.М., Жуков Р.В. Особенности технической диагностики поршневых компрессорных машин // Статья помещена на сайте www.vibration.ru 03.10.2002г.

4.  ИСО 10816-6-95. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 6. Машины с возвратно-поступательным движением номинальной мощностью более 100КВт.

5.  Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов.- М.: Машиностроение, 1987.-283с.

6.  Ширман А., Соловьев А. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования.-М., 1996.-276с.

7.  Русов В.А. Спектральная вибродиагностика.- Пермь, 1996.

8.  Примеры из вибродиагностики оборудования // Статья помещена на сайте www.vibration.ru 13.06.2002г.