К.т.н. М.А. Биялт, начальник участка вибрационной диагностики и наладки, ООО «КВАРЦ Групп», г. Омск;
к.т.н. А.В. Кистойчев, доцент,
А.В. Балеевских, студент,
Е.Ф. Ковальчук, студент, ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург
Гибкие муфты обычно используют для передачи небольших по величине крутящих моментов. Ранее они устанавливались в турбинах единичной мощностью до 100 МВт. В современных же мощных турбоагрегатах гибкие муфты уже не применяются из-за возникающих больших сопротивлений при передаче значительных крутящих моментов. Однако в небольших приводных агрегатах и различных вспомогательных механизмах (насосы, нагнетатели, компрессоры) они находят широкое применение благодаря своим свойствам:
1. Способность смягчать толчки и удары.
2. Упругие муфты могут служить средством защиты от резонансных крутильных колебаний, возникающих в механизме вследствие неравномерности вращения.
3. Упругие муфты допускают сравнительно большие смещения осей соединяемых валов. При этом, за счет деформации упругих элементов, валы и опоры нагружаются сравнительно малыми силами и моментами.
Вместе с тем, гибким муфтам присущи следующие недостатки: сложность (невозможность) точной подгонки ее рабочих элементов для равномерной передачи ими крутящего момента; повышенный вследствие этого износ элементов муфты в эксплуатации. Нарушения в работе гибкой муфты могут стать причиной появления зависимости вибрации агрегата от нагрузки (величины крутящего момента), разрушения элементов муфты или даже ее заклинивания.
В статье нами на основании собственного опыта, а также опыта наших коллег, был рассмотрен еще один аспект вибрационного поведения агрегата, имеющего в составе валопровода гибкую муфту - это склонность таких агрегатов к низкочастотной вибрации при наличии дефектов гибкой муфты. В данной работе хотелось бы подойти к обозначенной проблеме несколько с другой стороны и рассмотреть низкочастотную вибрацию как диагностический признак развитого дефекта гибкой муфты. О необходимости этого красноречивее всего говорит следующий пример.
В статье , пожалуй, впервые было отмечено, что неправильная работа гибкой муфты может приводить к возникновению низкочастотных колебаний. К такому выводу автор приходит после длительных комплексных испытаний агрегата ПТ-50-90/16, вышедшего из капитального ремонта, которые включали в себя исследования зависимости вибрации:
1. от величины расхода пара в производственный отбор при постоянной электрической нагрузке;
2. от электрической нагрузки в конденсационном режиме;
3. от электрической нагрузки при постоянном расходе пара в отбор;
4. от расхода свежего пара;
5. от температуры масла, поступающего на подшипники.
В ходе испытаний была выявлена зависимость величины низкочастотной вибрации от мощности, вырабатываемой ЦВД . После нормализации работы муфты низкочастотная вибрация исчезла.
Рассмотренный случай хорошо иллюстрирует, что отсутствие четких диагностических признаков того или иного дефекта ведет к увеличению времени и затрат на вибрационную наладку агрегата. По этой причине одним из направлений научной деятельности специалистов УрФУ является разработка и уточнение диагностических признаков наиболее характерных дефектов валопроводов . Диагностические признаки нарушения работы гибких муфт, которые проявляются в вибрационном сигнале, достаточно хорошо известны:
■ рост оборотной вибрации;
■ появление «нагрузочного вектора» (табл.);
■ возникновение в спектрах вибрации опорных подшипников ряда высокочастотных гармоник (рис. 1 и 2).
Как показывает опыт наладки т/а ПТ-60-130 , данные диагностические признаки могут довольно ярко проявляться в вибрационном поведении агрегата, однако низкочастотная вибрация при этом может отсутствовать или ее уровень может оставаться незначительным. Срыв агрегата в низкочастотную вибрацию происходит после некоторой наработки, если не были своевременно предприняты меры по нормализации работы гибкой муфты. Это правило лучше всего прослеживается на примере нашего опыта диагностики и наладки компрессорной установки К-1700 мощностью 10 МВт .
Таблица. Результаты измерений вибрации на передних подшипниках турбоагрегата ПТ-60-130 при наличии дефекта гибкой муфты.
Длительное время агрегат работал без особых замечаний, но в дальнейшем на рабочем режиме работы периодически стали возникать самовозбуждающиеся низкочастотные колебания ротора электродвигателя, что однозначно указывало на потерю устойчивости.
При пуске агрегата и нагружении уровни вибрации скачкообразно возрастали (за счет амплитуды НЧВ), но общий уровень вибрации не превышал уровня срабатывания защит. Обычно в таких случаях агрегат останавливали и запускали вновь, до тех пор, пока НЧВ не возникала (иногда для этого требовалось несколько пусков). На определенном этапе такой эксплуатации возникла технологическая необходимость не отключать компрессор даже при возникшей НЧВ. В таком режиме (с уровнями вибрации до 10,0 мм/c) агрегат проработал почти 10 суток и после этого был выведен в ремонт. При ревизии подшипников электродвигателя было обнаружено разрушение баббита в виде сколов на нижних и верхних половинах вкладышей обоих подшипников, в связи с чем подшипники были заменены.
Таким образом, изложенные выше случаи, на наш взгляд, позволяют утверждать, что наличие в спектре вибрации опор агрегатов, имеющих в составе валопровода гибкую муфту, следов НЧВ, а тем более их срыв в НЧВ, может указывать на появление значительных отклонений в работе гибкой муфты. Данные отклонения могут быть не только результатом развития дефектов самой муфты, но и следствием воздействия внешних факторов (нарушения в тепловых расширениях, режимные расцентровки). Данное утверждение может быть легко подтверждено и приведенным в объяснением роли гибкой муфты в механизме возникновения НЧВ.
Как известно, надежная работа гибких муфт даже при отсутствии расцентровки в значительной степени зависит от равномерности передачи крутящего момента по окружности. Неравномерность тангенциальных зазоров между передаточными элементами и зубцами полумуфт, износ и деформации передаточных элементов, разношаговость зубцов на полумуфтах или «коронке», пригары, некачественная смазка и многие другие причины приводят к неравномерной передаче крутящего момента по окружности муфты, что визуально подтверждалось и в рассмотренных выше случаях.
В результате неравномерности передачи крутящего момента в плоскости муфты возникает поперечная сила, равная равнодействующей сил, передаваемых передаточными элементами, схематично изображенная на рис. 3.
Сила, которая может быть условно названа «поводковой», подобна силе от дисбаланса и вызывает повышенную оборотную вибрацию. Такая сила по мере ее возникновения и увеличения «разматывает» ротор в расточках подшипников и увеличивает прецессию. Изменение крутящего момента, а значит и передаваемой мощности, приводит к изменению указанной силы, что и отражается ростом оборотной вибрации при увеличении нагрузки, т.е. появлением «нагрузочного» вектора. И самое главное - при резком нагружении или разгрузке агрегата эта сила является той самой дестабилизирующей силой, которая, смещая шейки ротора в расточках вкладышей подшипников, может привести к возникновению прецессионного движения с угловой скоростью, равной половине угловой скорости ротора, т.е. к срыву в НЧВ. Причем, чем более развит дефект гибкой муфты, тем выше значение «поводковой» силы, а значит и выше склонность агрегата к срыву в НЧВ. Это точно соответствует классическому механизму появления циркуляционной силы в расточке подшипника, который обычно используется для объяснения данного процесса.
Выводы
Анализ многочисленных случаев возникновения НЧВ на турбоагрегатах, имеющих гибкую муфту в составе валопровода, а также других роторных машин (компрессоров, нагнетателей, насосов и пр.), показывает, что причина срыва, в большинстве случаев, заключается в неудовлетворительной работе именно гибкой муфты. Т.о. при прочих усугубляющих факторах, а именно близости собственной частоты ротора к половине от оборотной частоты (25 Гц), увеличенных зазорах в подшипниках и т.д., агрегаты с гибкими муфтами следует рассматривать склонными к срыву в НЧВ (естественно при ухудшении условий работы гибкой муфты) и уделять особое внимание к ревизии данного узла в процессе ремонта.
На основе обобщения опыта диагностики и вибрационной наладки роторных машин рассмотрены особенности срыва в НЧВ агрегатов, имеющих в своей конструкции гибкую муфту, а также предложен механизм потери устойчивости и показана определяющая роль в этом механизме появления отклонений в работе муфты.
Предложено рассматривать появление НЧВ на опорах роторных машин как диагностический признак появления значительных отклонений в работе гибкой соединительной муфты.
Литература
1. Биялт М.А. Роль гибких муфт в возникновении низкочастотной вибрации / М.А. Биялт, А.В. Кистойчев, Е.А.Зонов, Е.В. Урьев // Тяжелое машиностроение. 2012. № 2. С. 40-48.
2. Трунини Е.С. Автоколебания ротора высокого давления // Электрические станции. 1964. № 3. С. 80-81.
3. Кистойчев А. В. О диагностических признаках наличия жидкости в центральной расточке роторов // А. В. Кистойчев, Е.В. Урьев, М.А. Биялт/Электрические станции. 2012. № 6. С. 57-62.
4. Kistoychev A., Uriev E. Diagnostic of Transversal NonCircular Crack in Turbomachine Rotors // 12th International Scientific and Engineering Conference «HERVIC0N-2008». Poland, Kielce-Przemysl, 2008. P. 56-62.
5. Биялт М.А. Роль гибких муфт в возникновении низкочастотной вибрации / М.А. Биялт, А.В. Кистойчев, Е.А.Зо- нов, Е.В. Урьев// Тяжелое машиностроение. 2012. № 2. С. 40-48.
Ускорение - все эти понятия наверняка вам знакомы. В этой статье мы рассмотрим более подробно такую важную тему, как вибрация. Каждый из нас сталкивается с этим явлением в повседневной жизни.
Что же такое вибрация? Определение можно дать следующее: это колебательные механические движения, которые передаются непосредственно телу человека. Главными ее физическими характеристиками являются частота и амплитуда колебаний. Измерение вибрации по амплитуде осуществляется в сантиметрах или метрах, а по частоте - в герцах.
Как следует оценивать вибрацию по ускорению и скорости?
При всяком скорость и ускорение непрерывно изменяются. Ускорение наибольшим является на осевой линии колебания, а в крайних позициях оно наименьшее. Учитывая это, измерение вибрации осуществляется по ускорению и скорости. Отчет децибел при этом ведется от опорной виброскорости (условной), которая равна 5∙10 8 м/с, а также виброускорения - 3∙10 4 м/с 2 . Виброускорение и виброскорость выражаются относительно нулевых порогов в децибелах. Порог восприятия при этом составляет примерно 70 дБ. Частота вибрации низкочастотной не превышает 32 Гц, а высокочастотной составляет более 32 Гц.
Источники вибрации
Это широко используемые в строительстве, промышленности, быту, сельском хозяйстве, транспорте электрические и пневматические механизированные ручные инструменты, различное оборудование и машины, транспортные средства, станки. Вибрация широко используется не только в технике, но также и в медицине для лечения мышечных и нервных заболеваний (вибромассаж, вибротерапия).
Воздействие вибрации
Вибрация - это фактор, который обладает большой биологической активностью. Направленность, глубина и характер физиологических сдвигов разных систем человеческого организма определяются ее спектральным составом, уровнями и физическими свойствами человеческого тела. Важную роль в генезисе данных реакций играют анализаторы - кожный, зрительный, двигательный, вестибулярный и др.
Нужно отметить большую роль, которую играют в субъективном восприятии вибрации биохимические свойства тела человека. Действие ее на организм опосредуется такими явлениями, как физическое воздействие контакта на поверхность, распространение по тканям колебаний, непосредственная реакция в тканях и органах на воздействие, раздражение механорецепторов, которые вызывают субъективные и нейрорецепторные реакции.
Сегодня накоплен значительный клинический и экспериментальный материал по данной проблеме. Исследование вибрации показало, что возникающие под ее действием расстройства двигательной функции обусловлены как непосредственным поражением мышц, так и нарушениями регуляторных воздействий ЦНС. Преобладание диффузных сдвигов при этом можно объяснить изменениями в функционировании суперспинальных структур, а большую выраженность, которую имеют в мышцах локальные изменения, - их непосредственной травматизацией. Наиболее чувствительными к воздействию вибрации локальной являются отделы симпатической нервной системы, которые регулируют тонус периферических сосудов, и отделы периферической нервной системы, которые связаны с тактильной и вибрационной чувствительностью.
Исследование вибрации дало право утверждать, что параметрами ее воздействия в первую очередь определяется направленность сосудистых нарушений. При механических колебаниях частотой более 35 Гц в капиллярах происходят спастические явления, а ниже наблюдается картина атонии капилляров. Самой опасной с точки зрения возможного развития спазма сосудов является область частот от 35 до 250 Гц.
Негативное влияние при выполнении рабочих операций
Вибрация может мешать прямым путем выполнению рабочих операций, а также влиять косвенно на работоспособность человека, снижая ее. Некоторые авторы, проводящие исследование вибрации, рассматривают ее как сильный стресс-фактор, который оказывает негативное воздействие на психомоторную работоспособность. Кроме того, страдает умственная деятельность и эмоциональная сфера, а также увеличивается вероятность несчастных случаев.
Колебательная скорость
Установлено, что шум и вибрация энергетически действуют на человеческий организм. Поэтому последнюю начали характеризовать спектром выраженной в сантиметрах в секунду колебательной скорости или же измерять в децибелах, как и шум. Условно была принята в качестве пороговой величины механических колебаний скорость, составляющая 5∙10 6 см/сек. Только при непосредственном соприкосновении организма с содрогающимся телом либо через соприкасающиеся с ним другие твердые тела ощущаются (воспринимаются) механические колебания. При соприкосновении с их источником, издающим (генерирующим) басовый звук, вибрации (самых низких частот), вместе со звуком также воспринимается сотрясение.
Общая и местная
Различают общую и местную вибрацию в зависимости от распространения механических колебаний по частям тела человека. При местной подвергается сотрясению только часть тела, непосредственно соприкасающаяся с поверхностью, которая содрогается. Чаще всего это руки. Такое происходит при работе с некоторыми ручными инструментами или при удержании детали машины и других дрожащих предметов.
Местная вибрация иногда передается на части тела, которые соединены суставами с непосредственно подвергающимися ей органами. Но амплитуда колебаний данных частей тела бывает обычно ниже, поскольку по мере передачи по тканям (особенно мягким) колебаний они постепенно затухают. Напротив, общая вибрация оказывает воздействие на все тело. Это происходит в основном от механических колебаний поверхности, где находится рабочий.
Вибрационная болезнь
При воздействии на организм человека вестибулярных раздражителей оценка и восприятие времени нарушаются, а также снижается скорость обработки информации. вызывает низкочастотная вибрация. Самые выраженные изменения при этом отмечаются при частотах в диапазоне от 4 до 11 Гц.
К стойким патологическим нарушениям в человеческом организме приводит длительное воздействие вибрации. Всесторонний анализ данного патологического процесса привел к выделению его в отдельную нозологическую форму - вибрационную болезнь. Она продолжает удерживать одно из ведущих мест в числе других профессиональных заболеваний. Ее порождает использование не отвечающих нормативным требованиям ручных машин, а также увеличивающаяся специализация труда, которая ведет к повышению общего времени воздействия механических колебаний на организм. С увеличением длительности и интенсивности воздействия вибрации возрастает вероятность развития данной болезни. Существенное значение при этом имеет индивидуальная чувствительность. Переутомление, охлаждение, шум, алкогольное опьянение, мышечное напряжение и др. усиливают вредное воздействие.
Стадии вибрационной болезни
Выделяют 4 стадии данного заболевания по степени выраженности:
Начальная (I);
Умеренно выраженная (II);
Выраженная (III);
Генерализованная (IV, крайне редко встречается).
Негативное воздействие общей вибрации
Общая низкочастотная вибрация, в особенности резонансного диапазона, может вызвать долговременную травматизацию костной ткани и межпозвоночных дисков, смещение органов, расположенных в брюшной полости, а также боли в пояснице, дегенеративные изменения позвоночника, хронический гастрит и др.
У подвергающихся в течение долгого времени подобному воздействию женщин отмечается увеличение частоты гинекологических заболеваний, преждевременных родов, самопроизвольных абортов. Вибрация низкочастотная у женщин вызывает нарушение кровообращения в органах малого таза.
Механические колебания в жилых зданиях
Исследование вибрации очень важно осуществлять не только в производственных зданиях, но и в жилых домах. Дело в том, что она представляет опасность не только для здоровья рабочих, но и для некоторых других групп населения. В жилых зданиях влияние вибрации на человека оказывается благодаря использованию промышленных установок, транспорта, инженерно-технологического оборудования. Наиболее воздействует на организм по интенсивности колебаний городской рельсовый транспорт: железнодорожные магистрали, открытые участки метрополитена.
Возникающая от движения поездов в зданиях вибрация имеет прерывистый регулярный характер. Амплитуда колебаний по мере удаления от ее источника снижается. Говоря о распространении колебаний по этажам многоэтажного помещения, следует сказать, что на верхних может наблюдаться, в зависимости от резонанса, как усиление, так и ослабление вибрации. При этом типы конструкций помещений не оказывают в условиях одинаковых грунтов значительного влияния на ее уровни в жилых помещениях. Иногда отмечаются высокие вибрационные уровни от расположенного в самих зданиях инженерно-технологического оборудования (лифтов), а также встроенных объектов.
Методы защиты
Защита от вибрации очень важна на предприятиях. Нормирование ее уровней, гигиенически обоснованное, - основа профилактики вибрационной болезни. Учитываются при этом направленность, характер, продолжительность действия. В РФ санитарным законодательством регламентируются уровни механических колебаний, которые должны быть соблюдены на рабочих местах.
Защита от общей вибрации
Влияние вибрации на человека следует по возможности уменьшать. Безопасность труда представляет собой систему количественных и качественных характеристик и показателей, которые формируют специфику элементов, обеспечивающих отсутствие вредного воздействия механических колебаний на человеческий организм. Защита от вибрации обеспечивается:
Использованием вибробезопасных машин;
Виброзащиты;
Проектированием производственных помещений и технологических процессов, которые обеспечивают соблюдение на рабочих местах санитарных норм;
Организационно-техническими мероприятиями, цель которых - улучшение эксплуатации используемых машин, организация их своевременного ремонта, а также контролем вибрационных параметров;
Созданием оптимальных режимов труда и отдыха.
Средства индивидуальной защиты, используемые при воздействии общей вибрации, - это виброизолирующая обувь, подметки, стельки. Самым действенным среди всех средств защиты можно считать устранение непосредственного контакта человека с дрожащим оборудованием. Это осуществляется с помощью использования дистанционного управления, замены и автоматизации технологических операций.
Средства защиты от вибрации локальной
Уменьшение ее негативного воздействия достигается:
С помощью уменьшения ее интенсивности непосредственно в самом источнике (использование рукояток с амортизирующими или виброгасящими устройствами);
Путем использования средств внешней защиты, то есть упругодемпфирующих устройств и материалов, размещенных между руками оператора и источником механических колебаний (виброизолирующие перчатки, рукавицы, прокладки и вкладыши).
Важная роль в комплексе мероприятий, направленных на снижение отрицательного воздействия вибрации на человеческий организм, отводится режимам труда и отдыха. Общее время контакта с ней, согласно режимом труда, должно быть ограничено в течение смены. Рекомендуется делать два перерыва для проведения физиотерапевтических процедур, активного отдыха и т. д. Продолжительность первого должна составлять 20 минут (этот перерыв следует сделать через 2 часа после времени начала смены). Продолжительность второго - 30 минут, он должен быть через 2 часа после перерыва на обед. при этом длится должен не менее 40 минут. Продолжительность непрерывного одноразового воздействия на организм механических колебаний должна быть не более 10-15 минут.
К общеоздоровительным и медико-биологическим мероприятиям, служащим для профилактики вибрационной болезни, можно отнести следующие:
Гидропроцедуры для рук (ванночки с теплой водой (+37-38 градусов) либо использование сухого воздушного обогрева;
Производственную гимнастику;
Самомассаж и взаимомассаж плечевого пояса и рук;
Ультрафиолетовое облучение;
Употребление витаминов, а также иные мероприятия общеукрепляющего характера (кислородный коктейль, комната психологической разгрузки и др.).
Важность и актуальность этой темы подтверждается тем, что ее изучают еще в школе. Вибрация рассматривается, в частности, в учебнике "Физика" (11 класс). Конечно, в школе она изучается в более общем виде. Рассматриваются, в частности, вибрации Земли. Частота нашей планеты равняется 7,83 Гц. Эту величину называют волной Шумана, или частотой резонанса Шумана. Некоторые, правда, полагают, что в последнее время меняются вибрации Земли. Например, Анку Динкэ, румынский физик, считает, что к декабрю 2012 года они должны были достигнуть 12,6-12,8 Гц. Вибрации человека должны соответствовать вибрациям планеты. Те, кто сможет настроиться на новые частоты, выиграют в духовном плане, как полагает Анку Динкэ. Вибрации человека - это тема отдельной статьи.
Надежность работы турбины и генератора в значительной мере определяется их вибрационным состоянием.
Повышенная вибрация, возникающая вследствие некачественного изготовления, монтажа, ремонта или некачественной эксплуатации агрегата, является источником всевоз
можных аварийных ситуаций и даже крупных аварий. Необходимо отметить, «что вредные последствия даже умеренных вибраций имеют свойство накапливаться и проявляться в самой различной форме. Это может найти выражение в появлении усталостных трещин в роторе турбины, штоках регулирующих клапанов, чугунных опорах, зубчатых передачах и т. д. Под действием вибрации расстраивается взаимное крепление частей, нарушается жесткая связь статоров и подшипников с фундаментными плитами, увеличивается расцентровка валов.
При повышенной вибрации возникает опасность повреждения лабиринтных уплотнений турбины, водородных уплотнений и системы водяного охлаждения генератора. Значительные колебания вала на масляной пленке могут вызвать возникновение очагов полусухого трения, что увеличивает опасность выплавления подшипников.
Неблагоприятное действие вибрации оказывается также на работе системы регулирования турбины и приборов контроля. Необходимо отметить также отрицательное воздействие вибрации на обслуживающий персонал. Это воздействие определяется как повышенным уровнем шума, так и непосредственным, физиологическим действием вибрации на организм человека.
Все эти обстоятельства предъявляют весьма жесткие требования к нормированию вибраций. Согласно ПТЭ вибрационное состояние турбоагрегата оценивается по следующей шкале:
На турбогенераторах блочных установок мощностью 150 МВт и более вибрация не должна превышать 30 мкм.
Вибрация должна замеряться в трех направлениях: вертикальном, горизонтально-продольном и горизонтально-поперечном. Если вибрация хотя бы одного из подшипников в одном из трех направлений превышает значение «удовлетворительно» для данного типа машин, то вибрационное состояние всего агрегата признается неудовлетворительным, и турбина должна быть выведена в ремонт для устранения вибрации.
Вибрационное состояние агрегата должно определяться при вводе его в эксплуатацию после монтажа, перед выводом агрегата в капитальный ремонт и после капитального ремонта. При отличном и хорошем вибрационном состоянии агрегата периодичность замеров вибрации должна составлять 1 раз в 3 мес. При заметном повышении вибрации подшипников замеры должны производиться по особому графику. Турбоагрегаты с удовлетворительной оценкой вибрации могут быть введены в эксплуатацию только с разрешения главного инженера районного управления (энергокомбината), причем в самое ближайшее время должны быть приняты меры по улучшению вибрационного состояния агрегата.
Для оценки вибрационного состояния турбоагрегата уровень вибрации должен определяться не только на рабочих числах оборотов, но и при прохождении турбиной критического числа оборотов. Исследования показали , что переход системы «ротор - опоры» через критические скорости в процессе пуска и останова агрегата может сопровождаться весьма значительным увеличением амплитуды колебаний. Хотя в данном случае повышенная вибрация действует относительно кратковременно, однако нескольких пусков и остановов машины с недопустимо большими амплитудами колебаний ротора на критических скоростях может оказаться достаточным для приведения в негодность паровых и масляных уплотнений. В худших случаях возникают задевания в проточной части турбины, появляется остаточный прогиб ротора, разрушается баббит вкладышей подшипников, появляются трещины в фундаменте и т. п.
Значительный рост вибрации на критических скоростях вызывается существенной неуравновешенностью ротора по собственным формам динамического прогиба валов. Как показывает практика, и этот небаланс может быть устранен специальными методами балансировки с доведением уровня вибрации подшипников на критических оборотах до величины порядка 30- 50 мкм. Поэтому вибрационное состояние турбоагрегата, проходящего критические скорости с повышенной вибрацией, не может считаться удовлетворительным, если даже на рабочей скорости вращения вибрация подшипников «е превышает нормы.
Существующие допуски нормируют амплитуду колебаний подшипников только в зависимости от скорости вращения роторов, не учитывая частотного состава этих колебаний. Однако многочисленные измерения показывают, что вибрация подшипников, валов и других элементов машины часто косит. несвнусоидальный характер. На колебания основной частоты, равной частоте вращения роторов, накладываются составляющие высших, а иногда и низших частот. В отдельных случаях наблюдаются колебания, близкие к синусоидальным, ио с частотами, отличными от основной .
У агрегатов с частотой вращения 3000 об/мин с основной частотой колебаний 50 Гц чаще всего обнаруживается высокочастотная составляющая 100 Гц, а также имеют место низкочастотные составляющие с частотами, близкими, к низшей критической скорости системы «ротор - опоры» (обычно 17-21 Гц) или к половине рабочей частоты (~25 Гц).
Присутствие существенных по амплитуде высших гармоник свидетельствует о действии на колеблющуюся систему значительных нагрузок, которые могут в несколько раз превышать нагрузки, вызывающие колебания основной частоты. Однако, поскольку вопрос о связи между спектральным составом вибрации и опасностью ее для турбины недостаточно изучен, можно ограничиться лишь указанием на необходимость принятия более жестких допусков на вибрацию в случае значительных высокочастотных составляющих. Что касается низкочастотных колебаний, то вследствие их неустойчивости, способности к внезапному и резкому возрастанию они представляют несомненную опасность для машины. Поэтому, если в колебаниях подшипников и роторов обнаруживаются заметные низкочастотные составляющие, вибрационное состояние турбоагрегата не может быть признано удовлетворительным.
Некоторый учет частотного состава вибрации предусматривают нормы VDI, получившие распространение в европейской практике. Согласно этим нормам в качестве основной характеристики вибрации принимается эквивалентная амплитуда виброскорости, измеренная при рабочей скорости вращения роторов
Если измеряемые колебания разлагаются на гармонические составляющие с угловыми частотами сої, (02, ..., (о„ и соответствующими им амплитудами At, Аг,., .,Ап, то эквивалентная амплитуда внброскоро - сти может быть подсчитана по формуле
Vskb = К"Л^шг, + ЛЧсоЧ + . . . + AinP*„ = = VVh + V», + . . . + Wn, (3-14)
Где Vi, . . ., Vn - амплитудные значения виброскорости каждой из гармонических составляющих.
Для случая измерения биений с максимальными l/макс и минимальными Vrnui значениями виброскоростей
VSKB = К^макс + VW (3-15)"
В табл. 3-7 приводятся нормы допустимой вибрации подшипников турбоагре-
Гатов по данным VDI на основной частоте 50 Гц
В проекте международного стандарта на вибрацию машин предлагается использование в качестве критерия эффективной амплитуды виброскорости
Уэфф = l-"экв (3-16>
Как величины, непосредственно измеряемой электроизмерительными приборами. Уровни
■оценки вибросостояния машин ПО Уэфф соответствуют подобным же уровням, приведенным по Уэкв в нормах VDI. Эти нормы учитывают гармонический состав измеряемой вибрации за счет составляющих, имеющих частоту выше оборотной.
Оценка вибрационного состояния турбоагрегата будет не полной, если не учитывать уровень вибрации его фундамента. Обычно у правильно спроектированного и хорошо выполненного фундамента двойная амплитуда колебаний при хорошо отбалансированном роторе не превышает 10-20 мкм. Заметное отклонение от приведенных значений в сторону увеличения свидетельствует о дефектах фундамента.
При рассмотрении вопросов вибрации современных крупных турбоагрегатов необходимо учитывать то обстоятельство, что колебания подшипников в современных агрегатах все в меньшей степени отражают истинные колебания вала турбины. Это объясняется в первую очередь повышенной массой и жесткостью опор крупных турбоагрегатов. Не последнюю роль в этом явлении играют также демпфирующие свойства масляного клина, существующего между шейкой вала и подшипником.
Согласно экспериментальным данным на крупных агрегатах амплитуда вибрации концов валов может превосходить в 10-15 раз амплитуду колебаний подшипника, причем эти колебания могут быть смещены между собой по фазе. Наблюдались также случаи, когда вылет одной или нескольких рабочих лопаток не приводил к заметному увеличению вибрации подшипников, тогда как колебания вала существенно возрастали. Это показывает, что для ряда турбоагрегатов вибрация подшипников не являтся надежным критерием безопасности, и необходимо для этих агрегатов в каждом отдельном случае экспериментально устанавливать связь между колебаниями валов и подшипников турбины. Переход к большим единичным мощностям турбоагрегатов повышает требования к их вибрационной надежности, вследствие чего устранение значительных вибраций и определение причины их появления являются задачами первостепенной важности.
К основным причинам, вызывающим возникновение вибраций агрегата, можно отнести следующие:
А) динамическая неуравновешенность роторов;
Б) нарушение центровки роторов;
В) ослабление жесткости системы;
Г) работа в области резонансных чисел оборотов;
Д) потеря устойчивости вала на масляной пленке;
Е) появление возмущающих сил электромагнитного происхождения.
Возникновение динамической неуравновешенности роторов может быть вызвано двумя причинами:
1) перераспределением масс по окружности ротора или приложением к ротору новых неуравновешенных масс;
2) смещением главной центральной оси инерции ротора относительно оси его вращения.
В обоих случаях возникает неуравновешенная центробежная сила, пропорциональная квадрату числа оборотов, вызывающая вибрацию агрегата оборотной частоты.
Причинами возникновения неуравновешенности роторов турбин и генераторов могут быть обрыв лопаток и бандажей, разрушение дисков, некачественная балансировка при перелопачивании роторов, перемот - іка роторов генераторов, неравномерный износ лопаток, .неравномерный занос солями лопаточного аппарата и т. д.
Смещение оси инерции ротора относительно оси вращения может возникнуть из-за ослабления "посадки деталей на валу или прогиба вала. Прогиб ротора при сборке может возникнуть в результате перекоса шпонок относительно ШПОНОЧНЫХ пазов, некачественно выполненной насадки дисков и т. д. В процессе эксплуатации прогиб ротора - может "вызываться тепловой разбалан - сировкой, термической нестабильностью металла, ротора, задеваниями в проточной части, а также неправильными режимами пуска - и останова турбин, вызывающими прогиб ротора.
Рассмотренные выше явления приводят к появлению первичного прогиба, являющегося следствием первичной неуравновешенности ротора. Появление первичного прогиба вызывает вторичную неуравновешенность, возникающую вследствие отклонения оси инерции от оси вращения при динамическом прогибе ротора. Эта вторичная неуравновешенность трудно поддается определению из-за сложности измерения динамического прогиба по длине роторов в эксплуатационных условиях, однако приближенные расчеты показывают, что она может в несколько раз превышать первичную неуравновешенность ротора.
Динамический прогиб на критических скоростях достигает, как правило; максимальных значений, что приводит к значительному росту суммарной неуравновешенности и как следствие к усилению вибрации подшипников. Преобладающее влияние динамического прогиба на вибрацию наблнрдается главным образом у роторов современных генераторов средней и большой мощности, работающих вблизи второй критической скорости. Вследствие этого критерием оценки уравновешенности роторов генераторов является амплитуда вибрации подшипников и вала на рабочей и критической скоростях вращения.
Одной из причин повышения вибрации агрегата может явиться рас - центровка "роторов. Влияние расцен - тровки на вибрацию турбин существенно зависит от степени уравновешенности роторов и носит различный характер в зависимости от типа соединительных муфт. При жестких или полужестких муфтах сболчива - ние муфты восстанавливает нормальную центровку роторов. При этом возникает перераспределение нагрузки на подшипники от веса соединенных роторов. Не являясь непосредственным источником динамических сил, возбуждающих колебания, такое перераспределение статической нагрузки изменяет параметры системы «ротор - опоры». Так, например, полная разгрузка одной промежуточной опоры увеличивает пролет вала между опорами и изменяет его критическое число оборотов, что в свою очередь может привести к приближению одной из критических скоростей к рабочей скорости вращения агрегата. Если в результате перераспределения статической нагрузки одна из опор окажется частично разгруженной, то это может способствовать возбуждению низкочастотных колебаний, вызванных неустойчивостью вала на масляной лленке при малых радиальных нагрузках на подшипник. Гибкие соединительные муфты могут компенсировать значительную расцентровку валов (до 0,3 мм) без возникновения заметной вибрации. Однако в случае загрязнения масла, отложений шлама и наличия наклепа на рабочих поверхностях подвижных элементов муфты происходит резкое увеличение коэффициента трения между этими элементами, что может привести к частичному или полному заклиниванию муфты. В этом случае соединенные роторы начинают работать со смещением центра тяжести относительно оси вращения, что является причиной возникновения вибрации.
В процессе эксплуатации расцен - тровки роторов или перераспределение нагрузки на подшипники возможны вследствие нарушения правильного теплового расширения цилиндров турбины. Это явление связано с заклиниванием корпусов подшипников или цилиндров на шпонках, упором в дистанционные болты, односторонним нагревом или охлаждением цилиндра и т. д.
Наряду с неравномерным обогревом цилиндров вибрация может возникнуть также вследствие неравномерного прогрева фундамента машины. Такие явления наблюдались при эксплуатации турбин 300 МВт, у которых разность вертикальных тепловых расширений колонн фундамента достигала 2 мм.
Причиной, вызывающей неравномерный прогрев фундамента, может быть близкое расположение паропроводов, клапанов, и подогревателей, имеющих недостаточную или поврежденную изоляцию. Характерным признаком возникновения рас - центровки агрегата по этой причине является постепенное нарастание вибраций в течение нескольких дней с момента пуска, поскольку, как показали наблюдения, нагрев фундамента длится несколько суток (у турбин К-300-240 до 7 суток). Для устранения вибраций, вызываемых этим явлением, необходимо тщательно изолировать находящиеся в непосредственной близости от фундамента высокотемпературные узлы и детали с установкой в наиболее обогреваемых местах водяных экранов, а также проверить и, если потребуется, провести дополнительную балансировку роторов.
Еще одной причиной возникновения вибрации при эксплуатации крупных агрегатов является просадка выхлопных патрубков турбины со "встроенными в них подшипниками при наборе вакуума и от веса находящейся в водяных камерах конденсатора циркуляционной воды. Для турбин мощностью 100- 300 МВт просадка опор под действием вакуума оценивается величиной порядка 0,1-0,15 мм. Эту причину можно обнаружить, замеряя уровень вибрации при изменении вакуума на турбине. При этом наибольшее изменение вибраций наблюдается на подшипниках ЧНД.
На рис. 3-17 приводится зависимость поперечных колебаний заднего подшипника ЦНД от вакуума для турбины ВК-100-2. Хотя виброграмма, представленная на графике, отражает целый ряд причин, вызывающих вибрацию, в том числе и тепловую расцентровку за счет ухудшения вакуума, однако влияние
Изменения вакуума прослеживается довольно четко. Подобное влияние вакуума можно в значительной мере устранить путем установки ротора низкого давления с некоторым завышением относительно остальных валов при центровке агрегата.
При постоянной величине небаланса или расцентровки ротора увеличение амплитуды колебаний может явиться следствием уменьшения статической жесткости системы.
При эксплуатации турбоагрегата ослабление жесткости может "быть вызвано следующими причинами:
А) ослаблением взаимного крепления составных частей опоры ротора: вкладышей, корпусов подшипников, фундаментных рам, ригелей фундамента;
Б) отрывом стула подшипника от фундаментной плиты («опрокидывание» стула подшипника);
В) нарушением связи между стулом подшипника и опирающимся на него цилиндром турбины;
Г) нарушением связи между цилиндром турбины и его опорами на фундаменте;
Д) появлением трещин у несущих элементов фундамента.
Указанные явления могут возникнуть в (результате недоброкачественного монтажа или сборки после ремонта, а также в процессе эксплуатации из-за нарушения нормальных тепловых расширений турбины. Отрыв стула подшипника от фундаментной плиты также вызывается конструктивными дефектами соединения его с цилиндром турбины. Уменьшение жесткости опор может вызвать, кроме того, изменение собственной частоты колебаний системы «ротор-опоры» с приближением ее к резонансу. Вибрация, возникающая в результате ослабления жесткости опор, имеет, как правило, синусоидальную форму и оборотную частоту. Иногда наблюдаются высокочастотные наложения, искажающие синусоидальность колебаний, что связано с появлением микроударов в трещинах или местах соединений конструктивных элементов. Отличительной особенностью этой вибрации является ее зависимость от теплового состояния турбины.
Надежность работы турбоагрегата во многом зависит от близости критических частот вращения системы «ротор-опоры» к номинальной частоте вращения. В случае работы ротора в области критических частот даже незначительная неуравновешенность может привести к существенному повышению уровня вибрации. Для предотвращения подобных явлений всеми заводами-изготовителями производится тщательный расчет роторов турбин и генераторов по всем собственным формам колебаний вала.
Однако выполнение расчетов весьма затрудняется из-за недостатка исходных данных о влиянии упругости масляной пленки, податливости опор и т. л. Вследствие этого действительная критическая частота вращения турбоагрегата, определяемая экспериментальным путем, иногда оказывается в значительном несоответствии с расчетной. Это приводит к тому, что на ряде турбоагрегатов рабочая частота вращения находится в области второй критической частоты, что существенно увеличивает уровень вибрации на рабочих частотах. В первую очередь это относится к генераторам, имеющим весьма большой вес ротора, приходящийся на единицу длины вала. У этих агрегатов уже расчетная вторая критическая частота находится вблизи рабочей частоты, и, если учесть, что неточность исходных данных влияет в первую очередь на высшие критические частоты вала, можно прийти к выводу, что попадание в резонанс на рабочих частотах у этих машин весьма вероятно.
Как показывает эксперимент, для ряда генераторов отстройка действительной второй критической частоты от рабочей не превышает 4-8% (ТВ2-150-2, ТВФ-200-2, ТГВ-200), что нельзя считать удовлетворительным.
У некоторых генераторов, а также у большинства турбии вторая критическая частота лежит выше рабочих частот вращения. В этом случае существует опасность постепенного снижения резонаисиой частоты системы за счет уменьшения жесткости опор в процессе длительной эксплуатации турбоагрегата. Этому процессу в значительной мере способствует повышенный уровень вибрации турбоагрегата.
Рассматривая вопрос о влиянии критических частот на работу агрегата, необходимо отметить, что с переходом в крупных агрегатах на применение жестких муфт и ограниченного числа опор возрастает влияние жесткой связи между валами на критическую частоту вращения всего валопровода. Хотя критические частоты валопровода и в этом случае определяются в основном резонансными колебаниями отдельных валов, жесткая связь между роторами и отсутствие промежуточных опор вызывают дополнительные резоиаисы. При этом наблюдается заметное повышение критических частот валопровода относительно резонансов несвязанных роторов. Все эти обстоятельства должны быть учтены при отстройке вала от резонансной частоты вращения. По данным ряда наладочных организаций, минимально допустимая отстройка вала от резонансной частоты вращения при второй резонансной частоте должна быть не менее 10%.
Из всех причин, возбуждающих колебания турбоагрегата, наименее изученной и наиболее опасной считается низкочастотная вибрация, обусловленная потерей устойчивости вала на масляной пленке. Эти колебания относятся к разряду автоколебаний и вызываются гидродинамическими силами, возникающими
В масляном клине. подшипников, вследствие чего этот тип вибрации получил название «масляной» вибрации.
Этот вид вибрации еще недостаточно изучен, и четких представлений о причине ее возникновения нет. Эксперименты показывают, что она ие связана с механической неуравновешенностью ротора, а зависит в основном от динамических характеристик масляного слоя, описывающих его упругие и демпфирующие свойства, а также от расположения оси вала относительно расточки вкладыша. Как известно, у неподвижного ротора центр цапфы располагается под центром расточки вкладыша О і со статическим эксцентриситетом бо (рис. 3-18,а). При вращении вала между цапфой и вкладышем образуется масляный слой, на котором вал всплывает в направлении вращения. С увеличением скорости вращения центр цапфы перемещается по дуге О-Оь являющейся линией подвижного равновесия цапфы, и эксцентриситет б уменьшается. Теория и эксперименты показывают, что в случае значительного всплываиия вала, когда 6^0,7бо, вал теряет устойчивость и начинает перемещаться относительно своего равновесного положения на линии подвижного равновесия О0-0\. Эта перемещения происходят по замкнутой траектории и носят название прецессии вала.
Угловая скорость этой прецессии, т. е. частота колебаний цапфы, близка к половинной частоте вращения или к первой критической скорости вала. Обычно эта частота лежит между критическими скоростями системы «ротор - опоры» в направлении ее осей максимальной и минимальной жесткости.
Прецессия может быть трех видов: затухающая, установившаяся и нарастающая (рис. 3-18,6). Первый вид прецессии (колебания в точке О") ие может считаться опасным, поскольку затухающий процесс колебаний приводит центр цапфы при любом начальном отклонении снова на кривую устойчивого равновесия О-Оі. Второй вид пре - цесии (колебания в точке О") соответствует установившимся малым колебаниям цапфы вокруг положения устойчивого равновесия. Возникновение таких колебаний свидетельствует о достижении границы устойчивости, переход через которук» приводит к возбуждению нарастающей прецессии (колебания в точке О""). Нарастающая прецессия вызывает интенсивные колебания цапфы, амплитуда которых может достигнуть разрушительной величины. Колебания вала, передаваясь через масляный слой, в свою очередь возбуждают значительную низкочастотную вибрацию подшипника.
Длительный опыт эксплуатации, а также результаты эксперимента показывают, что возбуждение низкочастотных колебаний зависит в основном от температуры масла, окружной скорости шейки вала и удельного давления на подшипник. Уменьшение удельного давления на подшипник, а также увеличение вязкости масла и окружной скорости действуют благоприятно на возникновение и развитие низкочастотной вибрации.
Уменьшение удельного давления на подшипник в процессе эксплуатации может "быть вызвано:
А) износом баббита нижней половины вкладыша и увеличением вследствие этого площади опоры вала;
Б) уменьшением нагрузки от ротора на подшипник из-за неправильной центровки роторов, дефектов соединительных муфт или неправильного теплового расширения цилиндров;
В) неправильной очередностью1 открытия регулирующих клапанов* вследствие чего возникает паровое усилие, отжимающее ротор вверх и разгружающее тем самым подшипник от веса ротора.
Одной из распространенных причин, вызывающих «масляную» вибрацию в крупных агрегатах, является заниженная температура масла на входе в подшипник. Испытания, проведенные на ряде машин, выявили вполне определенную зависимость амплитуды низкочастотной
составляющей колебаний подшипников от температуры масла.
На рис. 3-19 представлен график зависимости амплитуды колебаний подшипников генератора ТГВ-200 от температуры масла. Как видно из графика, увеличение температуры масла с 43 д<э 53°С, что соответствует изменению его вязкости примерно в 1,5 раза, снижает уровень низкочастотной вибрации в 5-6 раз. Проблема борьбы с низкочастотной вибрацией особенно остро возникла в связи с освоением турбоагрегатов большой мощности, где высокая окружная скорость цапфы создает благоприятные условия для возникновения этого типа автоколебаний. Для решения этой проблемы в последнее время в конструкцию опорных подшипников крупных машин вносится ряд конструктивных изменений. Одним из мероприятий является уменьшение относительной длины подшипника для увеличения удельного давления на масляный клин. Вторым, весьма эффективным, мероприятием является замена цилиндрической расточки вкладышей подшипника овальной («лимонной») расточкой (рис. 3-20). При такой расточке верхний зазор в подшипнике делается примерно в 2 раза меньше бокового.
Это приводит к возникновению еще одного масляного клина, образующегося на верхней половине вкладыша. Верхний масляный клин хорошо демпфирует возникшие колебания и, кроме того, увеличивает давление на цапфу, устраняя первопричину возникновения «масляной» вибрации. Дальнейшим развитием этой следует считать создание подшипников с разрезным верхним вкладышем, где удается создать не один, а несколько масляных клиньев.
Особую группу причин, вызывающих вибрацию турбоагрегата, составляют возмущающие электромагнитные силы. Эти силы являются следствием нарушения электромагнитной симметрии генератора и существенно зависят от электрической нагрузки. На холостом ходу турбогенератора при снятом возбуждении эти силы отсутствуют, что позволяет легко отличить их от возбуждающих сил, вызванных механическими причинами.
Нарушение электромагнитной симметрии генератора может быть выз"вано:
А) витковыми замыканиями в роторе;
Б) неравномерностью воздушного зазора между статором и бочкой ротора;
В) периодическим изменением силы магнитного притяжения между вращающимся ротором и статором, обусловленным конечным числом ПОЛЮСОВ."
Витковые замыкания в роторе генератора являются наиболее распространенным источником колеба-
Ний, идущих от генератора. Практика показывает, что многие генераторы работают с витковыми замыканиями в обмотке ротора. Наличие короткозамкнутых витков искажает распределение общего магнитного потока ротора, что приводит к появлению несимметричных сил притяжения ротора к статору. Эти силы всегда направлены вдоль оси полюсов и по своему характеру идентичны силам от механической "неуравновешенности ротора. Односторонняя электромагнитная сила притяжения вызывает синусоидальные колебания ротора и подшипников с оборотной частотой. Вторым следствием витковых замыканий в обмотке ротора является несимметричный нагрев ротора по сечению, что Может вызвать его тепловой прогиб и возбудить вибрацию чисто механического характера.
Неконцентричное расположение бочки ротора в расточке статора также приводит к появлению периодической силы, вызывающей колебания ротора и статора. Эта сила в отличие от предыдущей имеет двойную оборотную частоту. Основными причинами появления неравномерного воздушного зазора являются естественный прогиб ротора под действием собственного веса и смещение его в процессе центровки с ротором турбины. При работе генератора ротор всплывает на масляной пленке, и, кроме того, зазор может меняться вследствие вибрации ротора из-за механической неуравновешенности.
Все эти причины устранить нельзя, однако практика показывает, что в нормальных условиях эти вибрации имеют малую амплитуду и опасности не представляют. Если же активная сталь сердечника запрессована неудовлетворительно или конструкция корпуса статора не обладает достаточной жесткостью, может возникнуть значительная вибрация статора. По данным испытаний турбогенератора ТВ2-100-2 в отдельных случаях на корпусе статора и торцевых щитах наблюдались синусоидальные колебания с частотой 100 Гц и двойной амплитудой 100- 150 мкм.
Ускорения, а следовательно, инерционные силы, действующие на элементы статора при наличии подобных высокочастотных колебаний, весьма велики, и это может привести к усталостному разрушению крепящих деталей, сварных швов, трубок газоохладителей и т. п. Вибрация статора еще более усиливается, если в обмотке ротора имеются ко- роткозамкнутые витки.
Рассматривая вопросы, связанные с колебаниями статоров генераторов, нельзя не отметить еще один источник возбуждения колебаний - неравномерность сил взаимного притяжения ротора и статора по окруж - . ности.
Для двухполюсных генераторов сила взаимодействия между ротором и статором изменяется по окружности на ±33%. ореднего значения, причем максимальная сила взаимодействия превышает минимальную в 2 раза. С увеличением числа полюсов неравномерность силы притяжения ротора и статора уменьшается. Так, для четырехполюсной машины эта неравномерность по отношению к средней величине составляет ±6,7%, а для восьмиполюсной - менее ±2%.
Для большинства современных турбогенераторов с рабочей частотой вращения 3000 об/мин рассматриваемая возбуждающая сила имеет двойную оборотную частоту. Повышенная вибрация статора (с частотой 100 Гц) передается через фундамент подшипникам генератора, накладываясь на колебания основной оборотной частоты.
Определение причин, вызывающих вибрацию современного турбоагрегата, - задача весьма сложная. Эта работа обычно выполняется научно-исследовательскими, наладочными и ремонтными организациями, имеющими квалифицированный персонал и всю необходимую аппаратуру.
Для анализа источников повышенной вибрации снимаются характеристики: скоростные, режимные, контурные.
Скоростная характеристика (рис. 3-21) представляет собой зависимость амплитуды и фазы вибрации или отдельных ее составляющих от частоты вращения ротора. Из полигармонических колебаний обязательно выделяются основная гармоника оборотной частоты и низкочастотные составляющие. По скоростной характеристике определяют вид неуравновешенности ротора и формы вынужденных колебаний при различных частотах вращения. При помощи скоростных характеристик выявляются также нелинейные источники возбуждения повышенной вибрации.
Режимные характеристики представляют собой зависимость вибрации от режима работы машины: тепловой и электрической нагрузки, теплового состояния турбины, вакуума, температуры масла и т д. Некоторые из этих характеристик приведены на рис. 3-ІІ7 и 3-19. Подобные характеристики позволяют определить раздельное влияние каждого из режимных факторов иа вибрацию машины.
Контурные характеристики (рис. 3-22) показывают изменение вибрации по контуру исследуемого элемента, что позволяет оценить ослабление жесткости вибрирующей системы. При помощи контурных характеристик обнаруживается ослабление крепления подшипников к фундаментной плите или плиты к фундаменту. По виду характеристики могут быть выявлены такие дефекты, как глубокие трещины в элементах опоры и фундамента. В программу исследований входит также контроль ряда узлов и элементов машины, являющихся обычным источником возбуждения колебаний. Проверке подвергаются центровка роторов, состояние соединительных муфт, шеек роторов и подшипников. Если вибрационные характеристики указывают на значительную неуравновешенность ротора, вал проверяется индикатором иа прогиб, после чего производится балансировка роторов. В тех случаях, когда исследованиями выявлена заметная зависимость вибрации от тока возбуждения или температуры ротора генератора, производится контроль обмотки ротора на отсутствие витковых замыканий.
120 80 40 О 40 ВО 120 2Д, мкм 2А, мкм
I I.1___ 1-1_______ 1111 I L-l I "
240 W0 80 О 80 /80 240 f, грав <р, град
Рнс. 3-22. Контурная вибрационная характеристика (стрелками указаны места замеров).
2А - двойная амплитуда колебаний; ф - угол сдвига фаз.
Отметим, что для определения причин вибрации первостепенную роль играет постоянный эксплуатационный контроль за вибрацией подшипников и других узлов агрегата. Постоянный контроль позволяет учесть целый ряд режимных факторов, непосредственно влияющих на величину вибрации, а также проследить динамику нарастания вибраций в процессе эксплуатации в течение межремонтного периода.
В заключение следует сказать, что поскольку уровень вибрации является важнейшим объективным показателем эксплуатационной надежности , нормы допустимой вибрации постоянно пересматриваются в сторону уменьшения амплитуды колебаний.
Вибрация благотворная и вибрация вредная
Вибрация представляет собой механические колебательные движения, непосредственно передаваемые телу человека.
Длительное воздействие вибрации на человека является опасным. Опасна вибрация при определенных условиях и для машин и механизмов, так как может вызвать их разрушение.
Причиной появления вибраций являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия. Источником такого дисбаланса может быть неоднородность материала вращающегося тела, несовпадение центра массы тела и оси вращения, деформация деталей, а также неправильная установка и эксплуатация оборудования.
Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются:
· амплитуда смещения , то есть величина наибольшего отклонения от положения равновесия;
· амплитуда ускорения ;
· период колебаний – время между двумя последовательными одинаковыми состояниями системы;
· частота .
В производственных условиях почти не встречается вибрации в виде простых колебаний. При работе машин и оборудования обычно возникает сложное движение, имеющее импульсный или толчкообразный характер.
Вибрацию по способу передачи на человека (в зависимости от характера контакта с источниками вибрации) условно подразделяют на:
- общую вибрацию , передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека;
- локальную вибрацию , передающуюся через руки человека.
Вибрация, передающаяся на ноги сидящего человека и на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, относится к локальной вибрации.
В производственных условиях нередко имеет место сочетание действий местной и общей вибрации (комбинированная вибрация).
По направлению действия вибрацию подразделяют на:
· вертикальную, распространяющуюся перпендикулярной к опорной
поверхности;
· горизонтальную, распространяющуюся от спины к груди;
· горизонтальную, распространяющуюся от правого плеча к левому плечу.
По частотному составу вибрации выделяют:
- низкочастотные вибрации (1-4 Гц для общих вибраций, 8-16 Гц - для локальных вибраций);
- среднечастотные вибрации (8-16 Гц - для общих вибраций, 31,5-63 Гц - для локальных вибраций);
- высокочастотные вибрации (31,5-63 Гц - для общих вибраций, 125-1000 Гц - для локальных вибраций).
По временной характеристике различают: постоянную вибрацию, которая за время наблюдения изменяется не более чем в два раза; непостоянную вибрацию, изменяющуюся более чем в два раза.
Вибрация может прямым путем мешать выполнению рабочих операций или косвенно отрицательно влиять на работоспособность человека. Вибрацию рассматривается как сильный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на психомоторную работоспособность, эмоциональную сферу и умственную деятельность человека и повышающий вероятность возникновения несчастных случаев.
При увеличении интенсивности колебаний и длительности их воздействия возникают изменения, приводящие в ряде случаев к развитию профессиональной патологии – вибрационной болезни.
Вибрационная патология стоит на втором месте (после пылевых) среди профессиональных заболеваний. Развитие вибрационных патологий зависит от частоты и амплитуды колебаний, продолжительности воздействия, места приложения и направления оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств тканей, явлений резонанса и других условий, при этом существенное значение имеет индивидуальная чувствительность. Вредное действие вибрации усиливают шум, охлаждение, переутомление, значительное мышечное напряжение, алкогольное опьянение и др. Выделяют три вида вибрационной патологии от воздействия общей, локальной и толчкообразной вибраций.
При действии на организм общей вибрации страдает в первую очередь нервная система и анализаторы: вестибулярный, зрительный, тактильный. Эти нарушения вызывают головные боли, головокружения, нарушения сна, снижение работоспособности, ухудшение самочувствия, нарушения сердечной деятельности, расстройство зрения, онемение и отечность пальцев рук, заболевание суставов, снижение чувствительности. Общая низкочастотная вибрация оказывает влияние на обменные процессы, проявляющиеся изменением углеводного, белкового, ферментного, витаминного и холестеринового обменов, биохимических показателей крови.
У женщин, подвергающихся длительному воздействию общей вибрации, отмечается повышенная частота гинекологических заболеваний, самопроизвольных абортов, преждевременных родов. Низкочастотная вибрация вызывает у женщин нарушение кровообращения органов малого таза. Общая вибрация с частотой менее 0,7 Гц, определяемая как качка, хотя и неприятна, но не приводит к вибрационной болезни. Следствием такой вибрации является морская болезнь, вызванная нарушением нормальной деятельности вестибулярного аппарата.
При частоте колебаний рабочих мест, близкой к собственным частотам внутренних органов, возможны механические повреждения или даже разрывы. Низкочастотная общая вибрация, вызывая длительную травматизацию межпозвоночных дисков и костной ткани, смещение органов брюшной полости, изменения моторики гладкой мускулатуры желудка и кишечника, может приводить к болевым ощущениям в области поясницы, возникновению и прогрессированию дегенеративных изменений позвоночника, заболеваний хроническим пояснично-крестцовым радикулитом, хроническим гастритом.
Особенно опасна толчкообразная вибрация, вызывающая микротравмы различных тканей с последующими изменениями.
Локальной вибрации подвергаются главным образом люди, работающие с ручным механизированным инструментом. Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов кисти, предплечий, нарушая снабжение конечностей кровью. Особенно чувствительными к действию локальной вибрации являются отделы симпатической нервной системы, регулирующие тонус периферических сосудов. Доказано, что направленность сосудистых нарушений определяется, в первую очередь, параметрами воздействующей вибрации. Спастические явления в капиллярах происходят при вибрации выше 35 Гц, а ниже наблюдается преимущественно картина атонии капилляров. Область частот 35-250 Гц наиболее опасна в отношении развития спазма сосудов.
При воздействии вестибулярных раздражителей, к которым относится вибрация, нарушаются восприятие и оценка времени, снижается скорость переработки информации. В ряде работ показано, что низкочастотная вибрация вызывает нарушение координации движения, причем наиболее выраженные изменения отмечаются при частотах 4-11 Гц.
Установлено, что вибрационная болезнь может длительное время протекать компенсированно, в течение этого периода больные сохраняют трудоспособность и не обращаются за врачебной помощью.
В основе профилактики вибрационной болезни лежит гигиенически обоснованное нормирование уровней вибрации. Предельно допустимый уровень (ПДУ) вибрации - это уровень фактора, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. При этом учитываются направленность, продолжительность действия, характер вибрации. В РФ уровни вибрации на рабочих местах в производственных помещениях, на горных, сельскохозяйственных, мелиоративных, строительно-дорожных машинах, железнодорожном и автомобильном транспорте, на судах регламентируются санитарным законодательством: "Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих" № 3041-84 и "Санитарные нормы вибрации рабочих мест" № 3044-84.
Соблюдение ПДУ вибрации не исключает нарушение здоровья у сверхчувствительных лиц.
В настоящее время около 40 государственных стандартов регламентируют технические требования к вибрационным машинам и оборудованию, системам виброзащиты, методам измерения и оценки параметров вибрации и другие условия.
К работе с вибрирующими машинами и оборудованием допускаются лица не моложе 18 лет, получившие соответствующую квалификацию, сдавшие технический минимум по правилам безопасности и прошедшие медицинский осмотр.
Работа с вибрирующим оборудованием, как правило, должна проводиться в отапливаемых помещениях с температурой воздуха не менее 16 0 С при влажности 40-60%. Если создание подобных условий невозможно (работа на открытом воздухе, подземные работы и т.д.), то для периодического обогрева должны быть предусмотрены специальные отапливаемые помещения с температурой воздуха не менее 22 0 С.
Наиболее действенным средством защиты человека от вибрации является устранение непосредственно его контакта с вибрирующим оборудованием. Осуществляется это путем применения дистанционного управления, промышленных роботов, автоматизации и замены технологических операций.
В комплексе мероприятий важная роль отводится разработке и внедрению научно обоснованных режимов труда и отдыха. Например, суммарное время контакта с вибрацией не должно превышать 2/3 продолжительности рабочей смены; рекомендуется устанавливать 2 регламентируемых перерыва для активного отдыха, проведения физиопрофилактических процедур, производственной гимнастики по специальному комплексу.
В целях профилактики неблагоприятного воздействия локальной и общей вибрации, работающие должны использовать средства индивидуальной защиты: рукавицы или перчатки (ГОСТ 12.4.002-74. "Средства индивидуальной защиты рук от вибрации. Общие требования"); спецобувь (ГОСТ 12.4.024-76. "Обувь специальная виброзащитная").
На предприятиях с участием санэпиднадзора медицинских учреждений, служб охраны труда должен быть разработан конкретный комплекс медико-биологических профилактических мероприятий с учетом характера воздействующей вибрации и сопутствующих факторов производственной среды.
Борьба с вибрацией в источнике её возникновения предполагает конструирование и проектирование таких машин и технологических процессов, в которых исключены или снижены неуравновешенные силы, отсутствует ударное взаимодействие деталей, вместо подшипников качения используются подшипники скольжения. Применение специальных видов зацепления и чистоты поверхности шестерен позволяют снизить уровень вибрации на 3 – 4 дБ. Устранение дисбаланса вращающихся масс достигается балансировкой.
Вибродемпфирование – это снижение вибрации объекта путем превращения ее энергии в другие виды (в конечном счете, в тепловую). Увеличения потерь энергии можно достичь разными приемами: использованием материалов с большим внутренним трением; использованием пластмасс, дерева, резины; нанесением слоя упруго вязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение (рубероид, фольга, мастики, пластические материалы и р.). Толщина покрытий берется равной 2 – 3 толщинам демпфируемого элемента конструкции. Хорошо демпфируют колебания смазочные масла.
Виброгашение – это способ снижения вибрации путем введения в систему дополнительных реактивных сопротивлений. Чаще всего для этого вибрирующие агрегаты устанавливают на массивные фундаменты. Одним из способов увеличения сопротивления является установка виброгасителей. Наибольшее распространение получили динамические гасители. Другим видом гасителей являются буферные емкости, служащие для превращения пульсирующего потока газа в равномерный. Возможно применение комбинированных защитных устройств. В этом случае говорят о динамических виброгасителях с трением.
Вибропоглощение – метод снижения вибрации путем усиления в конструкции процессов внутреннего трения, рассеивающих виброэнергию в результате необратимого преобразования ее в теплоту при деформациях, возникающих в материалах, из которых изготовлена конструкция, и в местах соединения ее элементов (заклепочных, резьбовых, прессовых и др.). В настоящее время вибропоглощение осуществляется преимущественно путем применения конструкционных материалов с повышенным значением коэффициента потерь и вибропоглощающих покрытий. Перспективным в вибропоглощении является нанесение на колеблющиеся поверхности элементов конструкции высокоэффективных вибропоглощающих материалов. Они могут изготовляться на основе меди, свинца, олова, битума и других материалов. Большое распространение получила многокомпонентная система на основе полимера, способного рассеивать механическую энергию в большом количестве при основных деформациях: растяжении, изгибе, сдвиге. Из других компонентов полимерной системы главными являются пластификаторы и наполнители. Пластификаторы придают полимеру требуемое сочетание свойств эластичности и пластичности. Наполнители (сажа, графит, слюда и др.) сообщают материалу необходимые эксплуатационные свойства; они могут, например, повысить его прочность, облегчить обработку. Вибропоглощающий материал выпускается промышленностью в отвержденном виде листов и мастичных состояниях. Листовой приклеивается к вибрирующей поверхности; мастику наносят методом штапелирования или напыления.
При жестком наружном покрытии поверхность пластины накрывается слоем жесткого вибропоглащающего материала. Жесткое наружное покрытие с прокладкой имеет повышенный по сравнению с предыдущим коэффициент потерь, так как между слоем вибропоглащающего материала и пластиной расположен слой легкого жесткого полимера (например, пенопласта).Он удаляет вибропоглощающий материал от нейтральной плоскости (не испытывающей деформации при изгибе), при этом увеличивается его виброскорость, возрастает деформация растяжения и, следовательно, увеличиваются потери энергии в покрытии. С увеличением частоты покрытие эффективно работает до тех пор, пока в прокладке не возникнут деформации сдвига.
Кроме жестких покрытий применяют также: армированные покрытия, когда на слой вибропоглащающего материала наносится тонкий слой другого материала, который упрочняет, усиливает или защищает вибропоглощающий слой; слоистые покрытия, когда толщина упрочняющего металлического слоя близка к толщине пластины; и мягкие наружные покрытия, которые представляют собой слой вибропоглащающего материала, легко сжимаемого по толщине и рассеивающего энергию изгибных колебаний в результате деформаций в поперечном направлении.
Виброизоляция – это способ уменьшения вибрации защищенного объекта посредством введения в систему упругой связи, препятствующей передаче вибрации от источника. Между источником вибрации и человеком, являющимся одновременно объектом защиты, устанавливают устройство – виброизолятор.В качестве виброизоляторов используют металлические пружины, резину, пробку, войлок. Выбор того или иного материала обычно определяется величиной требуемого прогиба и условиями, в которых виброизолятор будет работать.Резина имеет малую плотность, хорошо крепится к деталям, ей легко придать любую форму и она обычно используется для виброизоляции машин малой и средней массы. Металлические пружины применяют обычно тогда, когда рабочие условия делают невозможным применение резины. Конструктивно пружинные виброизоляторы можно выполнить для работы практически на любой частоте. Однако металлические пружины имеют тот недостаток, что, будучи спроектированы на низкую частоту, они пропускают более высокие частоты.
Пробку используют при нагрузке 50-150 кПа, отвечающей рекомендованному диапазону упругости. Обычно установку сначала устанавливают на бетонные блоки и уже последние отделяют от фундамента с помощью нескольких слоев пробковой плитки толщиной 2-15см. Увеличение толщины будет понижать частоту, выше которой виброизоляция эффективна, но при большой толщине возникает проблема устойчивости. Поэтому пробку не применяют в области низких частот. С течением времени от нагрузки пробка сжимается.
Войлок толщиной 1-2,5см, занимающий площадь 5% площади основания машины, - весьма распространенный изолирующий материал. Он имеет относительно большой коэффициент потерь и поэтому эффективен на резонансных частотах. Обычно войлок применяют в частотном диапазоне свыше 40 Гц.
Примером виброзащиты могут служить гибкие вставки в воздуховодах, «плавающие полы», виброизолирующие опоры (для изоляции машин с вертикальной возмущающей силой).
Несмотря на вредное воздействие вибрации, местная вибрация малой интенсивности может благоприятно воздействовать на организм человека, улучшать функциональное состояние ЦНС, ускорять заживление ран и т.п.
Экспериментально установлено, что механическая вибрация возбуждает нервы, утратившие функции, и, наоборот, успокаивает слишком возбужденные. Кратковременное ежедневное применение вибрации способствует увеличению силы мышц, повышению их работоспособности, улучшению кровоснабжения работающих мышц. Степень воздействия аппаратной вибрации на организм зависит от частоты и амплитуды колебаний, а также от продолжительности воздействия.
Вибромассаж оказывает воздействие на сосудистую систему, он улучшает кровообращение, нормализует сердечнососудистую деятельность. Доказано, что низкие колебательные частоты (до 50 Гц) способны вызвать понижение артериального давления, а высокочастотные колебания (до 100 Гц), наоборот, поднимают артериальное давление, а также увеличивают число сердечных сокращений. Аппаратная вибрация улучшает работу органов дыхания, активизирует обменные процессы в организме. Вибромассаж улучшает окислительно-восстановительные процессы в мышечной ткани. Вибромассаж оказывает тонизирующее воздействие на массируемые ткани, а также противоспалительное и обезболивающее. Аппаратная вибрация применяется при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата, последствий переломов и травм, бронхитов и бронхиальной астмы, радикулитов, остеохондрозов, заболеваний центральной нервной системы. Широко применяется аппаратная вибрация в спортивном массаже перед тренировками и после них. Воздействие аппаратной вибрации исправляет осанку, активизирует процесс кровообращения, улучшает цвет лица, обогащает ткани кислородом, стимулирует лимфо-дренаж и повышает эластичность тканей.