Апробация вибродиагностического метода для обнаружения дефектов крепления при ослаблении натяжения крепежного элемента

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Одной из причин повышенной вибрации роторного оборудования, к числу которых также относятся различные судовые агрегаты, часто является потеря части стягивающей нагрузки между основаниями опор установки и фундаментом. Снижение жесткости соединения чаще всего связано с различными дефектами крепежных элементов, среди которых можно выделить: износ или повреждение резьбы, ослабление натяжения крепежного элемента, коррозию крепежных элементов, усталостные трещины на крепежных элементах, деформации крепежных элементов. Появление хотя бы одного из перечисленных дефектов приводит к повышению общего уровня вибрации, что в итоге может негативно сказаться на работоспособности оборудования, привести к преждевременному износу его компонентов и даже вызвать аварийные ситуации.

Анализ ряда открытых интернет-ресурсов, специализирующихся на рассмотрении различных методик, применяемых в вибродиагностике, показал, что характерными параметрами, позволяющими дать оценку текущему состоянию качества крепления машины к фундаменту как удовлетворительному или неудовлетворительному, являются коэффициенты, рассчитанные как отношения общих уровней вибрации, зафиксированных на элементах подшипникового узла и фундаменте диагностируемого оборудования. Если значения этих коэффициентов превысят установленный критический порог, который соответствует значению 3,0, это может указывать на наличие потенциальных проблем с креплением агрегата к фундаменту.

Тем не менее среди изученных интернет-источников отсутствует какая-либо конкретная и экспериментально подтвержденная информация о зависимостях, устанавливающихся между различными видами дефектов элементов крепления и коэффициентами, рассчитываемыми по данной методике. В частности, остаются открытыми следующие вопросы:

1. Какие типы дефектов крепежных элементов приводят к выходу рассчитанных коэффициентов за пределы допустимых значений, а какие — нет?
2. Как влияет интенсивность развития определенного дефекта на значения коэффициентов?
3. Какой из коэффициентов наиболее чувствителен к различным типам дефектов?
4. Насколько выраженным должен быть дефект крепежного элемента, чтобы можно было установить факт его наличия по данным коэффициентам?
5. В каких плоскостях и точках на элементах подшипникового узла и фундаменте необходимо и достаточно измерять общие уровни вибрации для последующего расчета коэффициентов?

Ответы на поставленные вопросы позволят выяснить, какие именно дефекты крепления можно выявить (установить факт наличия) с использованием методики, основанной на анализе коэффициентов.

Принцип методики, основанной на анализе коэффициентов, вычисленных как отношение общих уровней вибрации на конструктивных элементах диагностируемого агрегата

Метод диагностики ослабления крепления машины к фундаменту по общему уровню вибрации подразделяется на несколько этапов:

1. Измеряется среднеквадратическое значение (СКЗ) виброскорости в трех взаимно перпендикулярных плоскостях на корпусе подшипникового узла (датчик вибрации устанавливается на верхней части крышки подшипникового узла со стороны крепежного винта), лапе стойки подшипника (датчик вибрации крепится как можно ближе к крепежному винту на лапе стойки подшипника) и непосредственно самом фундаменте (датчик вибрации размещается вблизи стойки подшипника с диагностируемым крепежным винтом). В случае, если отсутствует прямой доступ к подшипниковому узлу, измерения СКЗ виброскорости проводится как можно ближе к предполагаемым местам расположения верхней части крышки подшипникового узла и лапы стойки подшипника на жестком участке корпуса диагностируемого агрегата.
2. По результатам измерений рассчитываются три коэффициента К1, К2, К3 (далее — К1,2,3, если речь идет сразу о трех коэффициентах), как отношение общих уровней вибрации в одноименных плоскостях:

К1 = СКЗ_КОП/СКЗ_ЛСП; (1)

К2 = СКЗ_ЛСП/СКЗ_Ф; (2)

К3 = СКЗ_КОП/СКЗ_Ф; (3)

где СКЗ_КОП — среднеквадратическое значение виброскорости, измеренное на верхней части крышки корпуса опорного подшипника, мм/с; СКЗ_ЛСП — среднеквадратическое значение виброскорости, измеренное на лапе стойки подшипника, мм/с; СКЗ_Ф — среднеквадратическое значение виброскорости, измеренное на фундаменте.

3. Сравнение полученных коэффициентов с установленными допустимыми значениями и определение текущего состояния диагностируемого крепежного элемента: 1. «Нормальное» состояние ― крепление сохраняет достаточный уровень стягивающей нагрузки (данное состояние присваивается крепежным элементам, если для всех коэффициентов, определенных в трех плоскостях, выполняется условие ― К1,2,3 < 2,5); 2. «Ослабленное» состояние — частичная потеря стягивающей нагрузки, но крепежные элементы все еще выполняют свои функции (данное состояние присваивается крепежным элементам, если хотя бы для одного из коэффициентов, определенных в трех плоскостях, выполняется условие ― 2,5 ≤ К1,2,3 ≤ 3,0). «Критическое» состояние ― существенная потеря стягивающей нагрузки, крепежные элементы свои функции более не выполняют (данное состояние присваивается крепежным элементам, если хотя бы для одного из коэффициентов, определенных в трех плоскостях, выполняется условие ― К1,2,3 > 3,0)¹ [1].

Цель и задачи исследования

Проводимое исследование было направлено на экспериментальное подтверждение возможности применения рассматриваемого вибродиагностического метода для выявления дефектов крепления, возникающих из-за ослабления натяжения крепежного элемента, соединяющего лапу стойки подшипника с фундаментом.

Основные задачи исследования были направлены на определение:

1. возможности установить факт наличия дефекта крепления по расчетным коэффициентам К1,2,3 при ослаблении затяжки крепежного винта, соединяющего лапу стойки подшипника с фундаментом (отбор коэффициентов, значения которых хотя бы один раз превышали допустимые пределы ― К1,2,3 > 3,0, но только в условиях раскрученного крепежного винта);
2. минимальной степени раскручивания крепежного винта, достаточной для выхода значений коэффициентов К1,2,3 из области допустимых значений (К1,2,3 > 3,0);
3. коэффициентов, наиболее чувствительных к раскручиванию крепежного винта (отбор коэффициентов, значения которых наиболее существенно превышают установленный критический порог, равный 3,0, при различных степенях затяжки винта);
4. воздействия ослабления степени затяжки крепежного элемента на значения коэффициентов, по которым можно установить факт наличия дефекта крепления (рассматривается динамика изменения значений коэффициентов от степени ослабления крепежного винта, с целью зафиксировать возможное снижение значений коэффициентов ниже критического порога при ослаблении степени затяжки винта);
5. необходимых и достаточных реперных точек для установки первичных преобразователей вибрации на фундаменте и элементах подшипникового узла.

СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Элементная база, которая использовалась в эксперименте для имитации дефекта и его выявления:

1. стенд имитационный АР7000 ― экспериментальный агрегат для регистрации сигналов вибрации при работе в бездефектном состоянии и при постепенном ослаблении крепежных элементов, соединяющих стойки подшипниковых узлов с фундаментом²;
2. виброанализатор СД-21 ― устройство для сбора, анализа и отображения данных о вибрации, поступающих от датчика AP40, в форме среднеквадратичного значения³;
3. первичный преобразователь AP40 ― датчик для регистрации параметров вибрации на контрольных точках подшипникового узла и фундамента⁴;
4. спектр-07 и фототахометр ТСТ 1100.01 ― диагностический комплекс и совместимый с ним тахометрический датчик для отслеживания текущей частоты вращения роторного оборудования⁵.

ХОД ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Измерения и регистрация общих уровней вибрации проводились с использованием виброанализатора СД-21 и первичного преобразователя AP40. Они заключались в фиксации СКЗ виброскорости при пошаговом раскручивании крепежного винта на 1/8 от полного оборота (45°) из исходного положения (0° ― винт полностью закручен) до момента, когда крепежный винт перестает оказывать давление на лапу стойки опорного подшипника (винт раскручен на 3/4 от полного оборота или 270°).

Датчик вибрации AP40 в процессе проведения измерений поочередно устанавливался на конструктивные части подшипникового узла (верхнюю часть крышки корпуса подшипникового узла, лапу стойки подшипника) и фундамента (рядом со стойкой подшипникового узла с диагностируемым крепежным винтом) стенда АР7000 в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (в вертикальном, осевом и горизонтальном направлениях по отношению к валу электродвигателя имитационного стенда)⁶.

Измерения общих уровней вибрации на имитационном стенде осуществлялись в условии, когда диагностируемый агрегат не находился под действием внешнего возбуждающего дефекта, такого как дисбаланс, расцентровка, сильный износ опорных подшипников, изгиб вала, перекос опор и т.д.

Для определения фактических значений частоты вращения вала электродвигателя стенда АР7000, с целью контроля и обеспечения одинаковых условий при проведении эксперимента, использовались сборщик данных Спектр-07 и фототахометр ТСТ 1100.01.

Таким образом, проведенные измерения позволили получить данные, которые отображены в табл. 1. В данной таблице представлены усредненные результаты десяти измерений СКЗ виброскорости для каждой точки, зафиксированные на конструктивных частях стенда АР7000 в различных плоскостях при семи различных степенях затяжки крепежного винта, когда диагностируемый агрегат не подвергался воздействию внешнего возбуждающего дефекта.

 

Таблица 1. Среднеквадратическое значение виброскорости в трех плоскостях измерения на конструктивных элементах имитационного стенда АР7000

Table 1. Root mean square vibration velocity in three measurement planes of structures of AP7000 simulation test bench

Направление измерений	Параметр	Положение винта, градус							Частота, Гц
		0	45	90	135	180	225	270
Корпус подшипникового узла
Вертикаль	СКЗ, мм/с	0,74	0,84	0,82	1,48	3,67	3,24	3,99	30
Горизонт	СКЗ, мм/с	1,38	1,25	1,38	2,41	4,77	5,19	5,67	30
Ось	СКЗ, мм/с	1,03	1,15	1,14	1,4	2,66	2,34	2,57	30
Лапа стойки подшипника
Вертикаль	СКЗ, мм/с	1,17	1,44	1,35	3,02	9,34	8,04	8,02	30
Горизонт	СКЗ, мм/с	1,39	1,44	1,46	3,56	3,43	3,64	4,53	30
Ось	СКЗ, мм/с	1,09	1,18	1,19	1,29	1,68	1,81	2,44	30
Фундамент
Вертикаль	СКЗ, мм/с	0,7	0,99	0,91	0,97	1,06	1,04	1,22	30
Горизонт	СКЗ, мм/с	1,22	1,34	1,36	1,48	1,68	1,75	1,83	30
Ось	СКЗ, мм/с	0,34	0,5	0,35	0,36	0,31	0,31	0,36	30

Примечание: СКЗ ― среднеквадратическое значение.

Note: СКЗ, root mean square value.

 

По данным, приведенным в табл. 1, с использованием формул (1–3) был выполнен расчет коэффициентов К1, К2, К3 для каждой плоскости и при семи различных положениях крепежного винта. Результаты расчета коэффициентов отображены в табл. 2.

 

Таблица 2. Значения коэффициентов в трех плоскостях

Table 2. Factor values in three planes

Направление измерений	Коэффициенты	Положение винта, градус
		0	45	90	135	180	225	270
Вертикаль	К1	0,63	0,58	0,61	0,49	0,39	0,40	0,50
Горизонт	К1	0,99	0,87	0,95	0,68	1,39	1,43	1,25
Ось	К1	0,95	0,97	0,96	1,09	1,58	1,29	1,05
Вертикаль	К2	1,68	1,45	1,48	3,11	8,81	7,73	6,57
Горизонт	К2	1,14	1,07	1,07	2,41	2,04	2,08	2,48
Ось	К2	3,21	3,37	3,40	3,58	5,33	5,80	6,78
Вертикаль	К3	1,06	0,85	0,90	1,53	3,46	3,12	3,27
Горизонт	К3	1,13	0,93	1,01	1,63	2,84	2,97	3,10
Ось	К3	3,04	3,29	3,26	3,89	8,44	7,50	7,14

 

АНАЛИЗ ДАННЫХ

Анализ, проведенный с опорой на представленные в табл. 2 данные, позволил выявить, что:

• факт наличия ослабления крепежного элемента, вызванного его раскручиванием, можно безошибочно установить только по коэффициентам К2 (вертикаль) и К3 (вертикаль, горизонт). Однако это возможно не при всех исследуемых степенях затяжки винта. У прочих коэффициентов были выявлены некоторые недостатки: К1 (вертикаль, горизонт, ось) и К2 (горизонт) не превысили установленный критический порог для данной методики при всех рассмотренных степенях затяжки винта. В то же время коэффициенты К2 (ось) и К3 (ось) превысили этот порог при исходном положении крепежного винта, т.е. в случае, когда он был полностью закручен. По этим причинам коэффициенты К1 (вертикаль, горизонт, ось), К2 (горизонт, ось) и К3 (ось) не были включены в дальнейший анализ. На рис. 1 представлены данные из табл. 2, иллюстрирующие распределение значений коэффициентов по различным степеням затяжки винта относительно критического порога (численное значение равное 3,0);

 

Рис. 1. Распределение значений коэффициентов по различным степеням затяжки винта относительно критического порога.

Fig. 1. Distribution of factor values for different screw tightening degrees relative to the critical threshold.

 

• минимальная степень ослабления затяжки крепежного винта, при которой можно достоверно установить факт наличия соответствующего дефекта, варьируется в зависимости от рассматриваемого коэффициента. Для К2 (вертикаль) ― винт раскручен на 3/8 от полного оборота или 135°, для К3 (вертикаль) ― винт раскручен на 1/2 от полного оборота или 180°, К3 (горизонт) ― винт раскручен на 3/4 от полного оборота или 270°;
• коэффициенты К2 (вертикаль) и К3 (вертикаль, горизонт) демонстрируют различную реакцию на изменения степени затяжки крепежного винта. Наиболее чувствительным к ослаблению стягивающей нагрузки между опорами агрегата и фундаментом оказался коэффициент К2 (вертикаль). Это подтверждается данными, представленными в табл. 3, где указано процентное отклонение коэффициентов от критического порога при тех степенях затяжки, которые позволяют установить факт наличия дефекта;

 

Таблица 3. Процентное отклонение рассчитанных коэффициентов от критического порога

Table 3. Percentage deviation of calculated factors from the critical threshold

Коэффициенты	Процентное отклонение	Положение винта, градус
		0	45	90	135	180	225	270
К2 (вертикаль)	%	–	–	–	3,78	193,7	157,6	119,1
К3 (вертикаль)	%	–	–	–	–	15,4	3,85	9,02
К3 (горизонт)	%	–	–	–	–	–	–	3,28

 

• показатели коэффициентов К2 (вертикаль) и К3 (вертикаль) после выхода из области допустимых значений не снижались ниже установленного критического порога даже при дальнейшем наращивании ослабления стягивающей нагрузки. В то же время коэффициент К3 (горизонт) превысил критический порог лишь один раз, и это произошло только при максимальном ослаблении затяжки крепежного винта. Поэтому рассмотреть динамику изменения значений данного коэффициента от степени затяжки винта не представляется возможным;
• при выборе плоскостей измерения и мест установки первичных преобразователей на объекте диагностики необходимо ориентироваться на параметры вибрации, которые требуются для расчета хотя бы одного из трех коэффициентов: К2 (вертикаль) и К3 (вертикаль, горизонт). Для определения К2 (вертикаль) следует измерять СКЗ виброскорости на лапе стойки подшипника и на фундаменте в вертикальных плоскостях. В случае К3 (вертикаль, горизонт) измерения СКЗ виброскорости необходимо проводить на верхней части крышки корпуса опорного подшипника и на фундаменте в вертикальных и горизонтальных плоскостях соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты эксперимента и анализ полученных данных подтверждают, что методика, основанная на расчете коэффициентов по общим уровням вибрации, позволяет выявлять факт наличия дефектов креплений, возникающих из-за ослабления натяжения крепежного винта. Однако не все рассмотренные коэффициенты пригодны для решения этой задачи. Как показал эксперимент, только по коэффициентам К2 (вертикаль) и К3 (вертикаль, горизонт) можно обнаружить дефект, связанный с раскручиванием крепежного винта. Причем коэффициент К2 (вертикаль) продемонстрировал наибольшую эффективность, поскольку с его помощью можно достоверно определить наличие данного дефекта при самой минимальной степени ослабления затяжки крепежного винта.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Личный вклад каждого автора: И.В. Буковский ― провел основное исследование, собрал и проанализировал данные, ответственен за обработку и визуализацию данных, написал текст статьи; О.В. Хруцкий ― участвовал в подготовке статьи к публикации, провел литературный обзор по существующим методам диагностики и выявления дефектов.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study. Personal contribution of each author: I.V. Bukovsky, conducted the main research, collected and analyzed the data, is responsible for processing and visualizing the data, wrote the text of the article; O.V. Khrutsky, participated in preparing the article for publication, conducted a literature review of existing methods of diagnostics and detection of defects.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

 

¹ Вибрационная диагностика состояния фундаментов // Компания Вибро-Центр. Приборы и программы для контроля и диагностики оборудования. URL: https://vibrocenter.ru/book13.html (дата обращения: 21.04.2024); Диагностика фундаментов, вибродиагностика фундаментов. BALTECH // Статьи по теме основы вибродиагностики и динамической балансировки. BALTECH. URL: http://vibropoint.ru/diagnostika-funtamentov/ (дата обращения: 21.04.2024).

² Стенд имитационный АР7000. УЧЕБНАЯ ТЕХНИКА // Компания «Учебная техника» поставщик учебного оборудования. URL: https://учебнаятехника.рф/wps/stend-imitacionnyj-ar7000/?ysclid=m74qbmpsp53548026 (дата обращения: 23.04.2024).

³ Виброанализатор СД-21 // Компания СЕТРИКС ― оборудование для контроля и анализа вибрации. Измерительные приборы для диагностики. URL: https://www.setrix.ru/p/vibroanalizator-sd-21 (дата обращения: 23.04.2024).

⁴ Вибропреобразователи пьезоэлектрические АР40, 16602-12. Справочник средств измерений Поверь.ру // Центр поверки средств измерений в Москве ― Поверь.ру. URL: https://www.pover.ru/spravochnik-sredstv-izmerenij/16602-12-vibropreobrazovateli-pezoelektricheskie-ar40-isp/ (дата обращения: 23.04.2024).

⁵ Переносной вибродиагностический комплекс «Спектр-07» // АО «ТСТ» — Вибродиагностика, балансировка, центровка, вибромониторинг оборудования, виброанализаторы, виброконтроль, приборы измерения вибрации. URL: https://tst-spb.ru/products/spectr-07 (дата обращения: 23.04.2024); Датчики // АО «ТСТ» — Вибродиагностика, балансировка, центровка, вибромониторинг оборудования, виброанализаторы, виброконтроль, приборы измерения вибрации. URL: https://www.tst-spb.ru/products/sensors (дата обращения: 23.04.2024).

⁶ Измерение вибрации, методы измерения вибрации, измерение вибрации акселерометром, средства измерения вибрации, точки измерения вибрации, правила измерения вибрации. BALTECH // Статьи по теме основы вибродиагностики и динамической балансировки. BALTECH. URL: http://vibropoint.ru/izmerenie-vibracii/ (дата обращения: 21.04.2024).

Об авторах

Илья Валерьевич Буковский

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ilya.bukovskiy@mail.ru
SPIN-код: 4561-7543

аспирант, старший преподаватель кафедры судовой автоматики и измерений

Россия, 190121, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3

Олег Валентинович Хруцкий

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: obx47@mail.ru

д-р техн. наук, профессор кафедры судовой автоматики и измерений

Россия, 190121, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3

Список литературы

Дополнительные файлы