Приложение С (справочное). Источники вибрации

Приложение С
(справочное)

Источники вибрации

С.1 Общие положения

Внутри вентилятора действует много источников вибрации, и вибрация на некоторых частотах может быть прямо сопоставлена с конкретными особенностями конструкции машины. В настоящем приложении рассмотрены только самые общие источники вибрации, наблюдаемые для большинства типов вентиляторов. Общим правилом является то, что любые ослабления в креплении системы опоры вызывают ухудшение вибрационного состояния вентилятора. Некоторая справочная информация о причинах повышенной вибрации приведена в таблице С.1.

С.2 Дисбаланс

Это основной источник вибрации вентиляторов; он характеризуется наличием составляющей вибрации на частоте вращения (первой гармонике). Причина дисбаланса заключена в том, что ось вращающейся массы расположена с эксцентриситетом или под углом к оси вращения. Это может быть вызвано неравномерным распределением вращающихся масс, суммой допусков на размеры отверстая втулки вентилятора и вала, изгибом вала или сочетанием этих факторов. Вибрация, обусловленная дисбалансом, действует преимущественно в радиальном направлении.

Временный изгиб вала может быть следствием неравномерного нагрева механической - вследствие трения вращающихся и неподвижных элементов конструкции - или электрической (см. С.6) природы. Постоянный изгиб может образоваться в результате изменений свойств материала или вследствие несоосности вала и колеса вентилятора при раздельном креплении вентилятора и электродвигателя (см. С.3).

В процессе эксплуатации дисбаланс колеса может возрастать из-за осаждения на него частиц воздуха. При работе в агрессивной среде появление дисбаланса может быть связано с неравномерной эрозией или коррозией колеса.

Дисбаланс может быть устранен дополнительной балансировкой в соответствующих плоскостях, но перед проведением процедуры балансировки необходимо установить источники появления дисбаланса, устранить их и проверить стабильность вибрационного состояния машины.

С.3 Несоосность

Данный дефект может иметь место в случае, когда валы электродвигателя и вентилятора соединены через ременную передачу или с помощью гибкой муфты. Несоосность иногда можно обнаружить по характерным частотным составляющим вибрации - как правило, это первая и вторая гармоники оборотной частоты . В случае параллельного смещения осей валов вибрация проявляется преимущественно в радиальном направлении, а при пересечении осей под углом доминирующей может стать вибрация в продольном направлении.

Если валы соединены под углом друг к другу и при этом использованы жесткие соединительные муфты, то в машине начинают действовать знакопеременные силы, вызывающие повышенный износ валов и муфт. Этот эффект может быть существенно ослаблен использованием гибких соединений.

С.4 Аэродинамическое возбуждение

Возбуждение вибрации может быть обусловлено взаимодействием колеса вентилятора со стационарными элементами конструкции, такими как направляющие лопасти, электродвигатель или подшипниковые опоры, неверно выбранными значениями зазоров или неправильно спроектированными конструкциями воздухозабора и воздухоотвода. Характерной особенностью данных источников является возникновение периодической вибрации, связанной с частотой вращения колеса, на фоне случайных флуктуации взаимодействия лопастей колеса с воздухом. Вибрацию можно наблюдать на гармониках лопастной частоты, которая представляет собой произведение частоты вращения колеса на число лопастей колеса.

Аэродинамическая нестабильность потока, обусловленная его срывом с поверхности лопасти и последующим вихреобразованием, вызывает появление широкополосной вибрации, форма спектра которой изменяется в зависимости от нагрузки вентилятора.

Аэродинамический шум характерен тем, что он не связан с частотой вращения колеса и может проявляться на субгармониках частоты вращения (т.е. на частотах ниже оборотной). При этом наблюдается значительная вибрация корпуса вентилятора и воздуховодов.

Если аэродинамическая система вентилятора плохо согласована с характеристиками последнего, в нем могут наблюдаться резкие толчки. Такие толчки хорошо различимы на слух и передаются в виде импульсов на систему опоры вентилятора.

Если упомянутые выше причины приводят к вибрации лопастей, ее природу можно исследовать, устанавливая датчики в разные места конструкции.

Таблица С.1 - Условные (от 1 до 10) вероятности частот, направлений и мест проявления дефекта

Причина повышенной вибрации		Характерные частоты												Места и направления повышенной вибрации										Фаза	Сопутствующий шум(1)								Примечания
														Направление					Часть машины
		0 - 40%		40%- 50%	50%- 100%		2	Высшие гармоники	1/2	1/4	Низшие субгармоники	Нечетные гармоники	Высокие частоты	Поперечное	Вертикальное	Продольное	Валротора	Подшипники	Корпус	Основание	Трубопроводная обвязка		Соединительный элемент		"Громыхание"	Громкий "гул"	"Гудение"	Биение	"Вой"	Высокий тон	"Визг"	Ультразвук
Дисбаланс	Начальный баланс					10								5	4	1	9	1						Стабильная		8	2						Наиболее частая причина вибрации, амплитуда которой пропорциональна значению дисбаланса. Может проявляться на фоне или быть причиной других дефектов, таких как износ уплотнений, дефекты подшипников, резонансы. Для роторов с развитой консольной частью может быть относительно высока вибрация в продольном (осевом)направлении
	Приобретенный дисбаланс (изгиб вала)					10								5	4	1	9	1						Стабильная		8	2
Несоосносности	Дефект сопряжения					4	5	1						3	2	5	8	1	1					Стабильная		4	4	2					Следствием несоосности является значительная осевая вибрация. Для подтверждения диагноза можно использовать микрометр. Может вызывать значительные силы трения и изгибные напряжения. Ослабления в соединениях - даже небольшие - могут привести к существенному усилению вибрации. Обычно сопровождаются дисбалансами и дефектами сопряжения. Деформации не служат непосредственной причиной вибрации, но вызывают дефекты сопряжений, что приводит к внутреннему износу поверхностей или неравномерному контакту в подшипниках. Силы, действующие на трубопровод, так же как и деформация основания, часто являются причинами резонансных явлений. Трение частей машины часто характеризуется присутствием большого числа составляющих во всем диапазоне частот вплоть до области ультразвука. Является причиной появления "пятен износа", что, в свою очередь, вызывает такие дефекты, как изгиб вала, кавитация в подшипниках и резонансы
	Ослабление в соединении						8	1				1		5	4	1		3	2	2	2		1	Стабильная	8	1	1
	Изменение геометрии зазора	1		8	1									5	4	1	7	1	1				1	Скачущая	6	2		2
	Деформация основания			2		5	2					1		5	4	4	3	1	1	1				Скачущая	1	5	3	1
	Деформация корпуса	1					1/2	1/2				5	4	1	9	1								Скачущая	1	7	1	1
	Износ уплотнений	1		1		2	1	1			1	1	1	4	3	3	8	1	1					Скачущая	2	5		1		1	1
	Осевой износ ротора	2				3	1	1			1	1	1	4	3	3	7	1	2					Скачущая	3	5		2
	Нагрузка на трубопровод					4	5	1						3	2	5	8	1	1					Стабильная	3	3	3				1
Подшипники и цапфы	Эксцентриситет					8	2							5	4	1	9	1						Стабильная		1	9						Повреждения подшипников качения сопровождаются высокочастотной вибрацией на характерных частотах. Эксцентриситет цапф вызовет максимальный эффект, если они находятся на одной оси с зубчатыми колесами. Вибрация от электродвигателей и генераторов исчезает при отключении напряжения. Для насосов и воздуходувок вибрационное состояние может быть улучшено балансировкой. Анализ повреждений подшипников качения рекомендуется осуществлять по результатам измерений виброскорости
	Повреждения радиальных подшипников	1	4				2						3	4	3	3	7	2	1					Скачущая	2	4	1		1	1
	Повреждения упорных подшипников	9											1	3	2	5	6	2	2					Скачущая	8	1	1
	Геометрия подшипников	10												5	4	1	5	2	2	2				Скачущая	6	1		3
	Неизотропность подшипников						9	1						5	4	1	4	3	3					Изменяющаяся		1	6	2	1
Зубчатые передачи, соединения	Дефекты зубчатых передач							2				2	6	5	3	2	8	1	1					Скачущая	2	1	1	2	2	1		1	Основная причина повреждений зубчатых передач - несоосность. Неравномерное нагружение приводит к появлению таких дефектов, как точечная коррозия, заедание и излом зубьев. Соединительные элементы восприимчивы к несоосностям и угловым силам. Вибрация повышается также вследствие малого демпфирования или трения
	Дефекты соединений						1	8	1					4	3	3	7	2					1	Скачущая			5		5
Критические скорости-	Ротор (жесткие подшипники)					10								5	4	1	6	4						Сдвиг на 180°		5	3	2					Даже незначительный дисбаланс может привести к большому прогибу вала из-за действия центробежной силы на критической скорости вращения. Отличие от резонанса в том, что вал не вибрирует "вперед-назад", а вращается с постоянно возрастающим (при одинаковом демпфировании в радиальном направлении) прогибом. Вал будет изгибаться, а не накапливать усталостные повреждения, как при резонансе. Вибрация может быть уменьшена балансировкой. Резонансы могут быть ограничены внутренним демпфированием
	Система "ротор- подшипники"					10								5	4	1	7	3						Изменяющаяся		5	3	2
	Соединения					10								4	2	4	1	1					8	Изменяющаяся		2	4	2	2
	Консольная часть					10								5	4	1	7	1					2	Изменяющаяся		5	4	1
Резонансы.	Резонанс на основной частоте					10								4	4	2	2	1	2	3	2			Скачущая	4		3	3					На резонансах не возникает собственная вибрация, но усиливается вибрация от других источников. Усиление обычных колебаний машин вращательного действия или пульсаций в трубопроводах может привести к созданию опасных ситуаций. Угловая вибрация внешне обычно малозаметна, поскольку накладывается на вращательное движение, наподобие имеющего место при работе активатора стиральной машины. Поэтому повреждения могут не давать о себе знать до тех пор, пока не появится характерный шум зубчатой передачи, возрастет вибрация корпуса и подшипников. Для обнаружения угловых колебаний необходимы специальные датчики. Если частота резонанса угловых колебаний совпадает с частотой электропитания, последствия могут стать весьма серьезными
	Резонанс на субгармонике								10					3	3	4	2	2	2	2	2			Неустойчивая	8			2
	Резонанс на гармонике						10							4	4	2	2	1	1	2		3					4	2	4
	Резонанс корпуса					8	1		1					5	4	1		4	4	1	1				2		2	6
	Резонанс опоры					8	1		1					5	4	1		2	5	2	1				2		2	6
	Резонанс основания					8	1		1					4	3	3		1	4	4	1					1	8	1
	Резонанс угловых колебаний					4	2	2				2		Угловое			1	4	4				1		1	2	2	3	1	1
Причины разной природы	Дефекты ремней					10								4	3	3	5	3		2				Скачущая	1	1	3	5					Стробоскоп позволит "заморозить" дефект ремня. Правильная подгонка ремней, их равномерное натяжение и центровка снижают вибрацию. Циклические силы в машине возвратно-поступательного действия можно уменьшить только изменением ее конструкции или изоляцией. Аэро-, гидродинамические силы проявляются обычно на лопастных частотах. Случайные пульсации могут возбуждать резонансы. Гистерезисные вихри редки, но опасны. Появляются после прохождение ротора через критическую скорость. Завихрения в слое масла связаны с толчками вала в зазоре подшипника, обусловленными изменениями давления масла. Частота на 2% - 8% ниже половины частоты вращения вследствие эффектов трения. Обратный вихрь появляется в результате трения шеек ротора о внутреннюю поверхность подшипника
	Возвратно-поступательное движение					3	5	2						3	6	1	5	3	1	1				Скачущая		8	2
	Аэро-, гидродинамические силы					2		6					2	5	4	1	4	3	2	1				Стабильная		3	2	1	2	2
	Гистерезисный вихрь	8		1	1									5	4	1	8	2						Скачущая	6		2	2
	Вихри в слое масла			10										5	4	1	8	2						Скачущая	6		1	2			1
	Срыв потока воздуха			10										5	4	1	2	2	2	2	2			Скачущая	6		2	2
	Обратный (сухой) вихрь												10	4	3	3	4	2	2	1			1	Скачущая								10
Вибрация электрического происхождения	Некруглость ротора					10								5	4	1	9	1						Стабильная		8	2						Вибрация электрического происхождения проявляется на частотах 60 и 120 Гц (1-я и 2-я гармоники сетевой частоты) и исчезает сразу же после отключения напряжения питания. Модуляция колебаний на основной частоте может быть связана с частотой скольжения ротора, умноженной на число полюсов. Биения могут иметь место, если две или несколько машин работают на близких скоростях. Для обнаружения механических повреждений следует использовать соответствующие методы. Отрыв пластины коллектора обнаруживают, подавая низкое напряжение питания на одну фазу и проворачивая ротор рукой. Скачок тока указывает на оторванную пластину
	Несоосность ротора и статора					10								4	3	3	8	2						Неустойчивая		5	2	3
	Эллиптичность зазора статора					10								5	4	1	8	2						Стабильная		6	2	2
	Дефект пластин коллектора					10								5	4	1	9	1						Стабильная		2	6	2
	Изгиб вала ротора					10								3	2	5	9	1						Стабильная		8	2
	Расцентровка ротора относительно магнитного поля					10								3	2	5	6	4						Стабильная		3	3	4
(1) Дефекты механического и электрического происхождения являются источниками вибрации, которая впоследствии преобразуется в воздушный шум. Шум механического происхождения может быть связан с дисбалансом вентилятора или двигателя, шумом подшипников, центровкой осей, колебаниями стенок воздуховода и панелей корпуса, вибрацией амортизаторов, лопастей, заслонок, труб и опор, а также передачей механических колебаний по конструкции. Шум электрического происхождения связан с различными формами преобразования электрической энергии: 1) магнитные силы определяются плотностью потока магнитной индукции, числом и формой полюсов и геометрией воздушного зазора; 2) случайный электрический шум определяется щетками, дуговыми разрядами, электрическими искрами и т.д. Шум аэродинамического происхождения может быть связан с образованием вихрей, пульсациями давления, сопротивлением воздуха и т.д. и иметь как широкополосную, так и узкополосную природу. Широкополосный шум могут вызывать: а) лопасти, заслонки и др. преграды на пути воздушного потока; b) вращения вентилятора в целом, ремней, прорезей и т.д.; с) внезапные изменения направления воздушного потока или поперечного сечения воздуховода, разность скоростей в потоке, разделение потока вследствие граничных эффектов, эффектов сжатия потока и т.д.). Узкополосный шум могут вызывать: а) резонансы (эффект органных труб, вибрации струн, панелей, элементов конструкции т.д.); b) эффекты образования вихрей на острых краях (возбуждение столба воздуха; с) вращения (эффект сирены, прорези, отверстия, пазы на вращающихся частях). Удары, создаваемые при контакте различных механических элементов конструкции, которые производят восприниматься соударения зубьев шестерен, а также хлопки дефектных ремней. Ударные импульсы могут быть обходимо использовать специальную высокоскоростную записывающую аппаратуру. Та область, где производится много ударных импульсов, наложение их пиков создает эффект постоянного гудения.

С.5 Завихрения в слое масла

Завихрения, которые могут возникать в слое смазки подшипников скольжения, наблюдают на характерной частоте немного ниже оборотной частоты ротора, если только вентилятор не работает на скорости, превышающей первую критическую. В последнем случае нестабильность масляного клина будет наблюдаться на первой критической скорости, и иногда этот эффект называют резонансным вихрем.

C.6 Источники электрической природы

Неравномерный нагрев ротора электродвигателя может привести к его прогибу, который обусловит появление дисбаланса (проявляющегося на первой гармонике).

В случае асинхронного двигателя появление составляющей на частоте, равной частоте вращения, умноженной на число пластин ротора, означает наличие дефектов, связанных с пластинами статора, и наоборот, составляющие на частоте вращения, умноженной на число пластин ротора, свидетельствуют о дефектах, связанных с пластинами ротора.

Для многих составляющих вибрации электрической природы характерно их немедленное исчезновение с отключением электропитания.

С.7 Возмущения от ременного привода

В общем случае существует два вида проблем, связанных с ременным приводом: когда на работу этого привода оказывают влияние сторонние дефекты и когда дефекты имеют место на самом ремне.

В первом случае, хотя ремень и вибрирует, это является следствием вынуждающих сил со стороны других источников, поэтому замена ремня не принесет желаемых результатов. Обычными источниками таких сил являются дисбаланс в системе привода, эксцентриситет шкивов, несоосность и ослабление механических соединений. Таким образом, прежде чем менять ремни, необходимо провести анализ вибрации для выявления источника возбуждения.

Если ремни реагируют на внешние вынуждающие силы, частота их вибрации будет, скорее всего, той же самой, что и частота возмущения. При этом частоту возмущения можно определить с помощью стробоскопической лампы, настраивая ее таким образом, чтобы в свете лампы ремень казался неподвижным.

В случае многоременного привода неодинаковое натяжение ремней может привести к тому, что передаваемая на них вибрация будет усилена многократно.

Случаи, когда источниками вибрации являются сами ремни, связаны с их физическими дефектами: трещинами, местами уплотнения и размягчения, грязью на поверхности ремня, вырванным материалом с его поверхности и т.д. Для клиновидных ремней изменения их ширины будут приводить к тому, что ремень будет ездить вверх-вниз по дорожке шкива, создавая тем самым вибрацию вследствие изменения своего натяжения.

Если источником вибрации является сам ремень, частотами, на которых эта вибрация обнаруживается, обычно будут гармоники частоты вращения ремня. В конкретном случае частота возбуждения будет зависеть от природы дефекта, а также от числа шкивов, включая натяжные.

В некоторых случаях амплитуда вибрации может быть нестабильна. Особенно это справедливо для многоременной передачи.