Низкочастотные вибрации. Характерные спектрограммы низкочастотных вибраций. Влияние локальной вибрации на организм человека. Как следует оценивать вибрацию по ускорению и скорости

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.

Дефекты подшипников скольжения и причины их выхода из строя можно условно разделить на две группы, в соответствии с которыми будет изложен материал текущей главы:

низкочастотная вибрация подшипников 1 , возникающая вследствие потери динамической устойчивости вращения ротора и нарушения условий смазки;

вибрация, связанная с дефектами изготовления, сборки и эксплуатации опорных и упорных подшипников скольжения, включающих различные дефекты сборки и подгонки подшипников и отклонение их геометрических размеров от номинальных, эксплуатационный износ подшипников, дефекты состояния шеек, нарушение качества поверхности материала вкладыша и др.

Различные дефекты подшипников скольжения часто бывают взаимосвязанны между собой. Например, повышенная вибрация и износ подшипника могут приводить к потере динамической устойчивости.

Характерные черты вибрации при зарождении и развитии различных дефектов подшипников скольжения могут быть весьма разнообразны и зависят от множества факторов. Основные из них: величина и место приложения сил возбуждения, перераспределение реакций, нагруженность опор, крутящий момент, свойства, качество смазочного слоя и условия работы смазочного слоя в подшипниках, частота вращения ротора, степень развития дефектов подшипников, в том числе приводящих к неустойчивости ротора (например, перераспределение реакций опор при эксплуатационных расцентровках) и др. В вибрационном сигнале могут присутствовать колебания с частотой вращения ротора, возможно ее гармониками, субгармониками и дробными гармониками, некратная частоте вращения ротора низкочастотная и среднечастотная вибрация, случайная вибрация.

Низкочастотная вибрация подшипников.

Низкочастотная вибрация подшипников в большинстве случаев связана с потерей динамической устойчивости вращения ротора. Потеря динамической устойчивости вращения ротора возникает, когда циркуляционные силы масляной пленки и/или аэродинамические циркуляционные силы превосходят силы демпфирования. Это явление характерно для подшипников, имеющих цилиндрическую или эллиптическую расточку вкладыша, и часто встречается у быстроходных агрегатов с легкими роторами, агрегатов с вертикально расположенной осью вращения роторов, машин с малой нагрузкой на подшипники или относительно большой длиной (площадью) опорной части подшипника. Потере динамической устойчивости способствует снижение нагрузки (т.е. разгрузка) подшипника, повышение вязкости смазывающей жидкости, проблемы и применение маслоперепускной канавки, повышение зазоров в подшипнике, перекосы оси вкладыша по отношению к оси вращения (шейки) ротора, разгружающее неуравновешенное паровое усилие и др.

Опыт эксплуатации агрегатов, имеющих гибкие ротора, показывает, что такое снижение устойчивости, а в отдельных случаях возникновение высокоинтенсивных автоколебаний на масляной пленке, более характерно для роторов с рабочей частотой вращения, превышающей первую критическую частоту вращения ротора, но меньше его удвоенной первой критической частоты вращения. В большинстве случаев "вихревая смазка" связана с существенной разгрузкой подшипника или поворотом вектора нагрузки на подшипнике против вращения вала (другие причины приведены ранее).

Влияние "вихревой смазки" на форму траектории движения шейки вала в подшипнике скольжения заключается в том, что она по сравнению, например, с формой траектории при дисбалансе значительно усложняется: если при дисбалансе обычно это эллипс, то при "вихревой смазке" внутри эллипса появляется петля, вращающаяся в направлении движения ротора. На рис. 8 - 01 приведена достаточно типичная траектория движения шейки вала в подшипнике скольжения при "вихревой смазке", хотя на практике встречаются и более сложные кривые. Цифрой 1 на кривой помечена точка, соответствующая началу одного из оборотов ротора, цифрой 3 - точка, соответствующая завершению этого оборота и началу следующего оборота ротора, цифрой 2 - точка, соответствующая завершению второго оборота ротора (а также цикла вращения состоящего из двух оборотов ротора). Таким образом за временной интервал, соответствующий одному обороту ротора можно увидеть примерно половину одного цикла вращения. Петля вращается в направлении движения ротора (направление движения ротора помечено горизонтальной стрелкой) и, обычно, поворачивается на 360 градусов и возвращается в примерно исходное положение за 12...50 оборотов ротора или 6...25 циклов вращения (что зависит от отношения частот колебаний составляющей "вихревой смазки" и вращения ротора). В приведенном примере цифрой 5 помечено начало, а цифрой 4 - окончание одного из последовавших далее циклов вращения.

В приведенном ниже примере показано влияние "вихревой смазки на характер вибрации.

При пуске в эксплуатацию турбоагрегата К -200-130 была обнаружена низкочастотная вибрация в районе опор 4...7 ротора низкого давления и генератора. Частотный состав вибрации, включающий полосу низких частот 10...48 Гц (80.41) , частоту вращения ротора (8 1), ее вторую (82) и третью (83) гармоники, а также в полосу 152... 500 Гц (84-10) приведен на рис. 8 - 02.

Причиной низкочастотной вибрации оказалось нарушение центровки роторов низкого давления и генератора (что очевидно, если проанализировать соотношение частотных составляющих вибрации), приведшее к разгрузке четвертой и шестой опор (индексы контрольных точек на рис. 8 - 02 - ТО и 01) более, чем на 50%. Разгрузка указанных опор сопровождалась и более низкими температурой подшипников 4 и 6 и давлением в масляном клине этих же подшипников. Был поставлен вопрос о возможности дальнейшей, пусть даже кратковременной, эксплуатации турбоагрегата.

невелика и имеет

малую флуктуацию по амплитуде. Необходимо постоянно сравнивать величину низкочастотной составляющей с величиной вибрации на частоте вращения ротора: опыт показывает, если низкочастотная вибрация значительно меньше вибрации на частоте вращения ротора, агрегат может успешно работать в течение достаточно длительного времени.

На рис. 8 - 03 приведены два спектра виброперемещения опоры №4 в горизонтально - поперечном направлении. Верхний спектр получен при обработке вибросигнала "среднеарифметическим спектральным усреднением" по восьми спектрам, т.е. каждая частотная составляющая итогового спектра является средней арифметической величиной из восьми составляющих той же частоты, полученных в процессе последовательного измерения и обработки восьми спектров. Нижний спектр получен в режиме т. н. "максимального пика", т.е. каждая частотная составляющая итогового спектра выбирается максимальной из восьми составляющих той -ж е частоты, собранных в процессе последовательного измерения и обработки восьми спектров.

Переход от режима работы виброанализатора с "среднеарифметическим усреднением" к режиму с "максимальным пиком" привел к возрастанию низкочастотной составляющей вибрации почти на 50%. Т.о. неустойчивость вибрации на частоте 21,02 Гц, помеченной на рисунке наклонными стрелками очевидна. Следует также обратить внимание на то, что "масляная" вибрация и вибрация на частоте вращения ротора соизмеримы по величине. Вибрация других контрольных точек (ТОУ, ТОА, СТН, СТА) имеет подобный характер. Эти факты говорят о наличии значительной проблемы.

которые могут сопровождать нарушения жесткости, в частности от износа подшипников скольжения. Значительный износ подшипников скольжения также может приводить к потере устойчивости.

Значительное снижение общего уровня вибрации и полное устранение низкочастотной вибрации было достигнуто путем правильной центровки турбоагрегата с учетом тепловых деформаций фундамента.

Вибрация.
Неблагоприятные воздействия вибрации на организм человека

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.

Низкочастотная вибрация (НЧВ)

Низкочастотной называют вибрацию турбоагрегата с частотой, близкой к половине рабочей частоты. Она возникает при потере устойчивости вращения вала. Случайно появившееся отклонение вала от состояния устойчивого вращения вызывает появление сил, которые поддерживают эти отклонения и даже усиливают их. Такой вид колебаний называют автоколебаниями . Жесткие роторы практически не подвержены НЧВ. Практически все гибкие роторы имеют первую критическую частоту, примерно равную половине рабочей частоты вращения ротора. Одной из особенностей автоколебаний является их гистерезисный характер, когда формируется пороговое значение мощности турбоагрегата, выше которого из-за повышенной вибрации не удается поднять его нагрузку. По источникам низкочастотную вибрацию делят на масляную и паровую.

Масляная вибрация . Она возникает при потере устойчивости вращения вала на масляной пленке подшипников. Процесс возникновения автоколебаний в масляном слое подшипника комментируется схемой, показанной на рис. 22.11.

Рис. 22.11. Схема возникновения масляной вибрации

Пусть невесомая шейка вала, на которую не действуют никакие силы, вращается в расточке подшипника. В этом случае центр шейки О 1 будет совпадать с центром расточки О и вибрации не будет. Пусть в какой-то момент времени шейка сместится вертикально вниз на расстояние е под действием случайной силы, после чего последняя исчезает. Рассмотрим расходы масла через сечения А-В и С-D в момент смещения шейки вала вниз. Масло, увлекаемое шейкой, в точках В и С имеет скорость wr ш , где r ш – радиус шейки вала. Треугольные эпюры изображают объемные расходы масла через зазор. Количество масла на единицу ширины зазора при входе через сечение А-В равно 0,5(D+е)wr ш , а через сечение C-D выходит количество масла 0,5(D-е)wr ш . Тогда разность объемных сходов еwr ш должна остаться в зазоре слева от линий АВ и CD . Но, так как масло несжимаемая жидкость, то в этой области формируется повышенное давление, которое стремится сдвинуть шейку вала вправо.

Таким образом, из-за появления случайной силы шейка вала не только смещается вниз, но и формируется другая сила С , действующая перпендикулярно смещению. Под действием этой силы шейка вала сдвинется вправо, а точнее, повернется вокруг точки О с некоторой угловой скоростью W, отличной от частоты вращения w . Но при сдвиге шейки вправо уменьшится правый боковой зазор и появится сила, действующая вертикально вверх, которая будет уменьшать верхний зазор и т.д. В итоге процесс формирования силы С создает ее прецессию вокруг центра расточки. Эту силу называют циркуляционной . Очевидно, что перемещение данной силы совпадает с направлением скорости ее прецессионного движения. Поэтому, как и в случае резонанса, создаются условия для роста самоподдерживающейся прецессии, т.е. вибрации. Скорость прецессии W=0,5w , т.е. масляные циркуляционные силы вызывают прецессию с частотой, равной половине рабочей частоты вращения. Данную вибрацию невозможно ликвидировать более тщательной балансировкой. Возникновение интенсивной НЧВ зависит от сочетания упругих и демпфирующих свойств в конкретном подшипнике и при конкретных условиях работы. Чем ниже температура масла, тем больше его вязкость, больше всплытие шейки и тем вероятнее НЧВ. Неравномерный характер распределения радиальной нагрузки по подшипникам также является источником НЧВ для наиболее разгруженного подшипника. При парциальном подводе водяного пара (рис. 22.12) проекции окружной силы R u , формирующейся в регулирующей ступени ЦВД турбины, изменяются по мере открытия клапанов (РК №№1, 2, 3 и 4).

Рис. 22.12. Появление разгружающей силы на шейке вала при парциальном подводе пара:

а - при неправильном порядке открытия РК; б - при правильном открытии РК

При определенном порядке открытия клапанов могут возникать составляющие R 1 и R 2 силы R u , разгружающие передний подшипник турбины (рис. 22.12,а). Это свойство проверяется при развороте турбины с полностью открытыми регулирующими клапанами посредством главной паровой задвижки (ГПЗ) и ее байпаса. При выборе порядка открытия клапанов следует обеспечивать первоначальное открытие тех, которые способствуют дополнительному вертикальному нагружению подшипника (рис. 22.12,б), а также появлению поперечной силы, направленной в сторону вращения ротора (положительного угла нагрузки).

Радикальным способом борьбы с НЧВ является применение подшипников с овальной расточкой вкладышей (см. рис.21.10,г) и самоустанавливающихся сегментных подшипников (см. рис.21.12), в которых циркуляционных сил, вызывающих прецессию вала, не возникает. Они снимают проблему масляной вибрации, но не вибрации вообще.

Паровая НЧВ . Этот вид низкочастотной вибрации роторавозникает из-за появления в проточной части турбины и в ее уплотнениях циркуляционных сил газодинамической природы. Из них венцовые циркуляционные силы формируются на венце рабочих лопаток из-за неравномерной по окружности надбандажной утечки водяного пара из-за разного радиального зазора (рис.22.13).

Рис. 22.13. Схема формирования венцовой циркуляционной силы в турбинной ступени

Природа формирования паровой НЧВ следующая.Допустим, что при случайном отклонении оси ротора, например, вниз, радиальный зазор в надбандажном уплотнении в его нижней части уменьшится, а в верхней - увеличится (d rв >d rн). В результате такого смещения ротора утечка над верхней частью рабочего колеса станет больше на DG у. Поэтому в верхней части турбинной ступени (в ее рабочей решетке – венце) будет формироваться окружное усилие R u меньше по значению, чем в нижней половине венца. Действие этих двух противоположно направленных сил вызывает появление неуравновешенной силы С в , приложенной к центру вала и действующей перпендикулярно вектору смещения r . Эту силу называют венцовой и она создает условия для возбуждения интенсивных колебаний. Такая же сила возникает при появлении в диафрагменном уплотнении неравномерной по окружности утечки. Частота циркуляционной силы равна примерно половине рабочей частоте вращения ротора.

Венцовые силы возбуждают колебания роторов ЦВД преимущественно турбин со сверхкритическим давлением водяного пара на входе (турбин СКД). Эффективным способом борьбы с такими силами является использование виброустойчивых уплотнений в турбинной ступени (с увеличенными радиальными и уменьшенными осевыми зазорами в них). Часто в процессе наладки или эксплуатации турбины происходит постепенное самопроизвольное уменьшение уровня НЧВ вследствие износа радиальных уплотнений из-за задеваний при повышенной вибрации. Для турбин СКД в формировании НЧВ существенную роль играют «бандажные» силы, формирующиеся при нарушении симметрии эпюры скоростей в зазорах. Такая же природа возникновения сил третьей группы – «лабиринтовых » сил, возникающих в каналах промежуточных и концевых уплотнений.