 |
Технические средства вибрационной диагностики машин.
|
|
|
|
ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА
Кафедра: Нефтегазового дела и нефтехимии
Насосные и компрессорные агрегаты
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Машины и оборудование нефтегазопроводов»
Для студентов направления «Нефтегазовое дело»
Всех форм обучения
Владивосток 2018
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
Вибрационные методы контроля центробежных насосов
Теоретические основы
Вибрационный метод контроля технического состояния машины (вибродиагностика) является одним из информативных и доступных методов диагностики. Применительно к оборудованию НПС вибродиагностика позволяет контролировать техническое состояние магистральных и подпорных насосных агрегатов в режиме постоянного слежения за уровнем вибрации, а также оценивать работоспособность вентиляторов, насосов системы охлаждения, маслоснабжения, отопления, откачки утечек и прочего оборудования путем периодического измерения и анализа параметров вибрации. На рисунке 1 приведены основные дефекты, вызывающие вибрацию насосного агрегата, локализованные по месту их проявления.
Из приведенных данных следует, что большинство дефектов механической, гидродинамической и электромагнитной систем приводит к изменению вибрации насосных агрегатов. Таким образом, все дефекты насосного агрегата приводят к изменению параметров вибрации, измерив которые можно получить информацию о техническом состоянии, причинах его изменения и оценить остаточный ресурс.
При эксплуатации насосных агрегатов имеет место два принципиально различных метода измерения вибраций (колебаний) при помощи датчиков измерения абсолютных колебаний и относительных колебаний. Колебания насосных агрегатов создаются преимущественно их вращающимися частями и пульсациями давления в насосе и подводящих трубопроводах. При этом главным возбудителем колебаний является неуравновешенность роторов насоса и электродвигателя. Различают колебания трех видов.
|
|
|
— Относительные колебания валов - это быстрые движения вала ротора по отношению к вкладышу подшипника.
— Абсолютные колебания опор подшипников - под этим подразумеваются быстрые движения вкладыша подшипника и корпуса подшипника по отношению к жесткой опорной точке в пространстве.
— Абсолютные колебания валов - это быстрые движения вала ротора по отношению к жестко установленной опорной точке в пространстве.
В области механических колебаний приняты три измеряемые величины:
— вибросмещение (амплитуда колебаний) - отклонение точки измерения от положения покоя;
— виброскорость - скорость движения точки измерения вокруг своего положения покоя;
— виброускорение - ускорение движения точки измерения вокруг своего положения покоя.
Рисунок 1 – Основные дефекты вызывающие вибрации насосного агрегата
Применительно к оборудованию НПС используют только характеристики вибросмещения (амплитуду колебания) и виброскорость. При измерении вибрации предпочтение отдается тому виду колебаний, который имеет самую большую информативность.
Для насосов и электродвигателей НПС оценка вибрации проводится на основе измерения абсолютных колебаний корпусов подшипников и реже относительных колебаний валов.
Чтобы выяснить причины, вызывающие вибрации насосного агрегата, необходимо провести диагностические работы с частотным анализом вибраций насосного агрегата. При частотном анализе с помощью виброизмерительной аппаратуры определяются все частотные составляющие вибраций, которые вызывают колебание машины.
|
|
|
Частотный анализ вибраций с помощью виброизмерительной аппаратуры можно осуществлять в основном тремя способами: гармоническим анализом вибраций, полосовым выделением частотных составляющих и при применении перестраиваемых фильтров.
При гармоническом анализе вибрации виброизмерительная аппаратура сама определяет частоту вращения ротора машины, настраивает встроенный фильтр на эту частоту и фильтр «пропускает» только ту часть сигнала возмущения, которая соответствует частоте вращения ротора. Данный способ выделения гармонических составляющих вибрации является наиболее точным, но требует применения (кроме датчика вибрации) датчика, определяющего частоту вращения вала машины (например, фотоэлектрического или лазерного).
Более простым способом выделения частотных составляющих вибрации является применение полосовых фильтров. Встроенные полосовые фильтры настраиваются на определенную частоту, которая зависит от положения переключателя прибора. При этом фильтр пропускает полосу частот, соответствующую его характеристикам. Поэтому, изменяя положение переключателя, мы можем определить, какие частотные составляющие присутствуют в общем уровне вибрации.
В ряде виброизмерительных приборов имеется перестраиваемый фильтр. Если это автоматически перестраиваемый фильтр, то прибор сам последовательно изменяет частоту пропускания фильтра, и по изменениям показаний индикатора можно определить, какие частотные составляющие и с какой величиной присутствуют в общем уровне вибрации. Однако визуально это сделать сложно. Поэтому для такого частотного анализа обычно используют самописцы, подключаемые к выходу прибора, и записывают амплитудно-частотную диаграмму, по которой впоследствии определяют отдельные частотные составляющие вибрации.
Для диагностических работ можно использовать любой из этих способов частотного анализа вибрации.
Рисунок 2 - Виды колебаний и места их измерения (на примере подшипника скольжения)
Конструктивно насос и электродвигатель имеют выносные подшипники, корпуса которых используются для установки датчиков вибрации и датчика измерения частоты вращения ротора.
|
|
|
При эксплуатации насосных агрегатов необходимо проводить периодический контроль и оценку интенсивности вибрации агрегата в соответствии с нормами вибрации на них.
В качестве нормируемого параметра вибрации устанавливается среднее квадратическое значение виброскорости.
Технические средства вибрационной диагностики машин.
Диагностическая аппаратура предназначается для специальной обработки вибрационного сигнала и измерения параметров вибрации: дискретизации и аналого-цифрового преобразования (АЦП) сигнала, снятия амплитудно-фазочастотных характеристик (АФЧХ) вибрации, определения гармонического спектра вибрации в линейном и логарифмическом масштабах, амплитуд и фаз гармоник, а также для запоминания исходных данных и результатов их обработки.
Вибрация преобразовывается в электрический сигнал посредством датчика, связанного с объектом измерения. Для измерения абсолютной вибрации подшипников и других невращающихся элементов машины в качестве датчиков в настоящее время используются пьезоэлектрические датчики. Источником электрического сигнала таких датчиков является пьезочувствительный элемент. На рисунке 3 "конструкция датчика-пьезокселерометра" схематично изображен датчик абсолютной вибрации.
Рисунок 3 – Конструкция датчика-пьезокселерометра
Пьезочувствительный элемент обычно изготавливают из специального керамического материала, он же обычно играет роль упругого элемента, на котором закреплена сейсмическая масса. Величины массы и жесткости упругого элемента, как известно, определяют собственную частоту датчика. Эта частота должна быть значительно (обычно вдвое) выше максимальной частоты измеряемой вибрации. Конфигурация элементов датчика различна. Она выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую собственную частоту датчика, его чувствительность к вибрации и нечувствительность к поперечным составляющим вибрации. На выходе предусилителя формируется переменный электрический сигнал, пропорциональный действующему виброускорению в направлении измерения.
|
|
|
Пьезочувствительнй элемент формирует слабый электрический сигнал, что требует установки в непосредственной близости от датчика предварительного усилителя. Для соединения датчика с предусилителем используется специальный антивибрационный кабель, поскольку в обычных кабелях может генерироваться помеха вследствие их вибрации. Длина соединительного кабеля обычно не превышает 10 м. В ряде случаев предусилитель располагается непосредственно в корпусе датчика. В этом случае говорят о вибродатчике со встроенной электроникой.
Диапазон измеряемой вибрации определяется чувствительностью датчика и динамическим диапазоном предусилителя или предельным значением усиливаемого сигнала. Таким образом, основными характеристиками рассматриваемого датчика являются его чувствительность, собственная частота, диапазон виброускорений объекта, рабочий диапазон температур, помехозащищенность и нечувствительность к поперечным составляющим вибрации. Для измерения перемещений, в частности относительной вибрации валов, используется совсем иной по используемым физическим эффектам вибродатчик — вихретоковый. На рисунке 4 "конструкция вихретокового измерительного канала" изображена схема измерения относительной вибрации вала.
Результаты измерений зависят от толщины и электромагнитных свойств объекта в месте установки датчика, в связи с чем для каждой группы объектов с идентичными параметрами производится соответствующая настройка (тарировка) измерительной схемы.
Постоянная составляющая выходного электрического сигнала соответствует средней величине зазора между датчиком и объектом, а переменная - виброперемещению объекта.
Измерение вихретоковым методом основано на регистрации изменений электромагнитного поля в зависимости от зазора между торцом датчика, содержащего обмотку, через которую проходят вихревые токи, и электропроводящей поверхностью объекта измерения.
Результат измерений зависят от толщины и электромагнитных свойств объекта в месте установки датчика, в связи, с чем для каждой группы объектов с идентичными параметрами производится соответствующая настройка (тарировка) измерительной схемы.
Частотный диапазон измерения вибрации вихретоковым методом ограничен сверху частотой УВЧ-генератора и собственной частотой крепления датчика.
Выходной электрический сигнал направляется в измерительный блок, который осуществляет обработку сигнала в соответствии с реализуемыми функциями прибора и формирует, индицирует значения измеряемых параметров.
|
|
|
Системы вибродиагностики и вибромониторинга подразделяются на стационарные, осуществляющие необходимый контроль измеряемых параметров непрерывно (on line), и системы, использующие переносную аппаратуру с ограниченным числом каналов для периодического измерения контролируемых параметров (off line).
Стационарные вибродиагностические системы предназначены для:
— непрерывного автоматического контроля вибрации;
— сбора, обработки и хранения параметров вибрационных сигналов;
— вибродиагностики дефектов оборудования в процессе его работы.
Программный комплекс включает модули предварительной обработки информации, основной программный модуль и вспомогательные модули.
Структурно аппаратура выполнена из функционально завершенных измерительных блоков — виброизмерительный канал с унифицированными выходами, вторичные блоки преобразователя, коммутатор с интерфейсом, IBM совместимый АЦП и программное обеспечение, использование которых возможно в различных сочетаниях в зависимости от практических задач.
Программные средства обеспечивают автоматический сбор данных по параметрам вибрации во временной и частотных областях, их хранение, визуализацию и составление отчетов. Они поддерживают также функции определения тревожных состояний по всем нормируемым отклонениям вибрационных параметров (по уровню интенсивности, внезапному изменению, возникновению низкочастотной вибрации, плавному росту вибрации) и обеспечивают соответствующую сигнализацию при возникновении тревоги.
Наряду с каналами виброизмерений абсолютной вибрации статорных элементов (подшипников), в систему могут быть включены каналы виброизмерений и обработки сигналов относительной вибрации вала.
Развитое программное обеспечение включает разнообразные интеллектуальные модули для диагностики и оценки состояния оборудования в интерактивном режиме.
Используемый прибор, как правило, представляет собой коллектор для измерения вибрации с достаточной внутренней памятью. Он содержит от одного до нескольких (обычно до 16) виброизмерительных каналов. В приборе реализуется маршрутная технология сбора данных, позволяющая в процессе измерений идентифицировать точки контроля вибрации (агрегат, номер подшипника, направление измерения).
Рисунок 4 – Конструкция вихретокового измерительного канала
В системах с периодическим контролем вибрации оборудования переносной аппаратурой технология контроля вибрации и вибродиагностики имеет существенные отличия.
|
|
|
