О возможности вибродиагностики ротора в реальных опорах

Язык труда и переводы:
УДК:
621.9.06
Дата публикации:
18 мая 2022, 15:34
Категория:
Контроль и диагностика деталей и оборудования в машиностроении
Авторы
Ширшов Андрей Геннадьевич
ООО НПЦ «Кропус-ПО»
Аннотация:
Рассмотрено трещинообразование, как один из наиболее опасных дефектов оборудования, особенно на быстровращающихся валах. Для проверки наличия трещины разработаны различные методы неразрушающего контроля: ультразвуковой и различные способы анализа спектра вибрационного сигнала. Наиболее простыми и надежными диагностическими признаками для определения поперечной трещины для валов сложной геометрии обладает метод вибродиагностики, основанный на расщеплении собственной частоты, величина которого циклично изменяется по углу поворота вала. Данный метод применяется для свободных валов и потому требует разборки оборудования. Предложено дополнить этот экспериментальный метод гибридным методом моделирования, чтобы сделать возможным безразборную вибродиагностику ротора в реальных опорах, обладающих асимметрией жёсткости.
Ключевые слова:
вибродиагностика, асимметрия, безразборная диагностика, трещина, гибридный метод моделирования
Основной текст труда

Главное функциональное качество машины — точность и производительность выполнения операции деградирует по мере ее эксплуатации. В итоге это приводит к выходу машины из строя и сбою в ее работе, что зачастую сопровождается серьезными убытками для предприятия. Использование традиционного планово-предупредительного ремонта не оправдывает себя, потому что он не учитывает фактическое состояние ремонтируемого оборудования. Данного недостатка лишены методы неразрушающего контроля.

Существует множество физических процессов и дефектов, из-за которых оборудование выходит из строя. Наиболее опасными из них являются трещины, особенно на быстровращающихся валах роторов.

Для контроля трещин существует ультразвуковой неразрушающий контроль. При использовании данного метода анализируется сигнал, отраженный от раковины дефекта в материале изделия. Для контроля вала этим методом требуется разборка узла. Кроме того, ультразвуковой контроль применим на поверхностях без мелких элементов (например, проточек и отверстий малого размера), что сильно затрудняет контроль валов сложной геометрии.

Для контроля валов сложной геометрии более подходящим является использование метода вибродиагностики. В таком случае информация извлекается из вибрационного сигнала.

Существуют различные способы вибродиагностики трещины на валу. Для продольной трещины можно выполнить анализ спектра, аналогичный анализу спектра развития выкрашивания [1, с. 507–508]. Другой способ — через использование синхронного спектра вибросигнала и синхронных орбит с фазовым углом [2, с. 77].  Применение подобных способов сопряжено с риском спутать данный дефект с другим, поэтому их использование требует определенного опыта и квалификации.

Для выявления поперечной трещины существует более простой метод вибродиагностики. Он основан на том, что наличие трещины в теле вала приводит к возникновению у него жесткостной асимметрии. Вследствие этого в спектре незакрепленного вала появляется расщепление частоты, величина которого изменяется циклически от нуля до некоторого значения при повороте вала [3].

Последний метод имеет более простые и надежные диагностические критерии для определения наличия трещины, но требует разборки узла. Задача диагностики трещин этим методом усложняется в случае безразборной диагностики, когда вал находится в подшипниках. Это связано, во-первых, с тем, что колебания ротора уже не свободные, а в опорах. Во-вторых, перед измерением требуется устранить сторонние вибросигналы. Однако, как известно, подшипники сами обладают жесткостной асимметрией и тем самым вызывают расщепление собственных частот на спектре.

Для решения данной задачи предлагается дополнить экспериментальный метод определения поперечной трещины результатами математического моделирования. Результаты эксперимента могут показать, есть ли трещина в испытуемом валу, а результаты моделирования — помочь определить местонахождение этой трещины и подкрепить результаты эксперимента. При наличии технической возможности наличие дефекта может быть дополнительно проверено методами ультразвукового контроля.

В основу моделирования вала в опорах с трещиной положен гибридный метод моделирования. При этом методе матрицы жесткости и инерции могут быть составлены аналитически с использованием метода конечных элементов для стержневых систем, а расчет собственных частот и форм колебаний выполняется численными методами. Использование аналитических формул позволяет видеть связи между параметрами модели. Численные же методы применяются там, где аналитические преобразования становятся неоправданно сложны. Комбинация численных и аналитических подходов снижает вычислительную сложность модели и повышает ее наглядность.

Другой особенностью гибридного метода является то, что в моделирование начинается с консервативной системы, т.е. без учета демпфирования. Само демпфирование вводится в модель на заключительных этапах моделирования, когда строится амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

Значения коэффициентов демпфирования определяются с большой погрешностью, которая может составлять 50 % и более. Это снижает достоверность результатов моделирования. В то же время демпфирование слабо влияет на значения собственных частот на АЧХ.

При гибридном методе сначала добиваются близости собственных частот, полученных при моделировании и при эксперименте. Если разница велика, это означает, что в модели что-то еще не учтено. И только после получения достаточной близости собственных частот в модель вводится демпфирование, например, из результатов эксперимента. Важно, что полученная при таком подходе математическая модель имеет высокую степень достоверности.

Следует отметить, что модель, построенная гибридным методом, проще универсальных моделей, применяемых в CAE программах, таких как Ansys, Nastran и др. Использование CAE программ требует определенного опыта и умения работы с ними, потому что неверный выбор типа конечного элемента и прочих условий моделирования приведет к неверным результатам. Кроме этого, популярные CAE программы не позволяют построить АЧХ свободного (незакрепленного) вала.

На гибридной модели было проанализировано изменение АЧХ при повороте опор вала и точки приложения усилия. Оказалось, что эти факторы не приводят к смещению собственных частот, а только вызывают изменение высоты пиков на АЧХ. С учетом того, что величина расщепления частот для трещины изменяется по углу поворота, получаем простой способ отличить расщепление как результат асимметрии жесткости опоры, от расщепления частот вследствие наличия поперечной трещины.

Для учета трещины в гибридной модели предлагается использовать модель трещины, разработанную Чайковским, Бартошевичем и Кулеша [4]. В предлагаемой ими модели вал с трещиной в опорах без асимметрии жесткости приводится к системе из одной массы и одной пружины, жесткость которой связана с углом поворота вала. Данная модель чрезмерно упрощает вал с трещиной, и потому будет доработана для использования в модели жесткого вала на двух опорах с асимметрией жесткости.

Таким образом, имеется принципиальная возможность моделирования вала с трещиной на опорах с асимметрией жесткости, а также возможность выделения расщепления спектра от трещины на АЧХ. В свою очередь это даст возможность выполнения безразборной вибродиагностики ротора на реальных опорах.

 

Литература
  1. Балицкий Ф.Я., Барков А.В., Баркова Н.А. и др.; Неразрушающий контроль: справочник. В 7 т. Т. 2. В 2 кн. Кн. 2. Виброакустическая диагностика. Москва, Машиностроение, 2005, 829 с.
  2. Золотовский Д.В. Руководство по вибродиагностике. Словарь. Полезные графики и таблицы. Санкт-Петербург, Мобиус Институт, 2011. 165 с.
  3. Сидорук Ю.С., Трахимович И. А. Диагностика поперечных трещин в роторах турбомашин. Актуальные проблемы энергетики. Матер. 74-й науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Минск, БНТУ, 2018, с. 94–98.
  4. Czajkowski M., Bartoszewicz B., Kulesza Z. Modal analysis of a rotor with a cracked shaft. Journal of Vibroengineering, 2017, vol. 19, iss. 1, pp. 150–159. https://doi.org/10.21595/jve.2016.16959
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.