CC BY
202
ЗИГЕЛЬМАН Евгений Борисович
(ОАО «Коломенский завод»)
ZIGELMAN Evgeny Borisovich
(Kolomna, Russian Federation, JSC «Kolomensky Zavod»)
ЛОЩИНИН Иван Андреевич (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
LOSHCHININ Ivan Andreevich
(Moscow, Russian Federation, Bauman Moscow State Technical University)
УДК 621.436
Исследование возможности вибродиагностики среднеоборотных дизель-генераторов
Е.Б. Зигельман, Д.Ф. Скворцов, И.А. Лощинин
Экологические характеристики получили особое значение при создании поршневых двигателей новых поколений. Уровень вибраций и шумовых характеристик вновь создаваемых и модернизируемых тепловых дизель-генераторов во многом определяют качество последнихх.
В статье исследована возможность вибродиагностирования среднеоборотных дизелей на примере дизель-генераторов 16ЧН26/26, выпускаемых ОАО «Коломенский завод». В состав дизеля входят разные по механическому воздействию агрегаты: роторного типа (турбокомпрессор, зубчатые привода, масляные и водяные насосы, коленчатый вал), возвратно-поступательно движущиеся механизмы (кривошипно-шатунные и цилиндропоршневой узел) и различные узлы (топливные насосы, форсунки, генераторы в составе дизель-генераторов и т. д.). Такое многообразие одновременно протекающих процессов во время работы дизеля существенно усложняет сбор и анализ данных вибрации из-за присутствия большого числа гармонических и случайных составляющих в сигнале. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили принципиальную осуществимость создания надежной системы вибродиагностирования среднеоборотных дизелей.
Ключевые слова: вибрация, среднеоборотные дизель-генераторы, виброакустическая диагностика, вибрационное состояние.
Study of Possibility for Vibrodiagnostics of Medium Diesel Generators
E.B. Zigelman, D.F. Skvortzov, I.A. Loshchinin
Ecological characteristics got the particular importance while creating a new generation of piston engines. Vibration and noise characteristics of the newly created or modernized thermal diesel generators determine in many respects the quality of the latter. The article describes the possibility for vibrodiagnostics of medium diesel generators in the case study of diesel generators 16^H26/26, produced by JSC «Kolomensky Zavod». Diesel engine aggregates: rotatory mechanisms (turbo, gear drive, oil and water pumps, crankshaft); reciprocating mechanisms (crank and piston-cylinder units); and the other components (fuelpumps, fuel injectors, generators, etc.) vary in mechanical stress. A wide variety of simultaneous processes during a diesel engine operation significantly complicates the collection and analysis data of vibration due to the presence of a large number of harmonic and random components in
МАШИНОСТРОЕНИ
the signal. The developed experimental studies have confirmed the basic feasibility of medium diesel engines monitoring.
Keywords: vibration, medium diesel generators, vibroacoustic diagnostics, vibrational state.
В настоящее время виброакустическая диагностика является одним из мощных инструментов для решения широкого класса задач по обнаружению дефектов машин, предотвращению выхода из строя деталей и узлов агрегатов, продления срока службы и увеличения межремонтных периодов в эксплуатации. Существует множество апробированных методик и аппаратных средств для вибродиагностики конструкций роторного типа, таких как редукторы, зубчатые передачи, газотурбинные аппараты, гидромашины, электродвигатели и генераторы электрического тока, подшипники качения и скольжения [1, 2].
Однако методы и средства вибродиагностики машин возвратно-поступательного действия, в частности среднеоборотных дизелей, недостаточно изучены и отработаны, хотя данный вид двигателей применяется во многих отраслях промышленности: в грузовых, маневровых и пассажирских тепловозах, в качестве вспомогательных и главных энергетических установок гражданских судов и военных кораблей, в качестве дизельных электростанций, на карьерных самосвалах и т. д. Это обусловлено тем, что в состав дизеля обычно входят разные по своей природе и своему механическому воздействию агрегаты: роторного типа — турбокомпрессор, зубчатые (ременные, цепные) приводы, масляные и водяные насосы, коленчатый вал; возвратно-поступательно движущиеся механизмы — кривошипно-шатунные; цилиндро-поршневой узел, в котором происходят рабочие процессы дизеля (сжатие, воспламенение и сгорание рабочего тела), другие различные узлы (топливные насосы, форсунки, генераторы в составе дизель-генераторов и т. д.). Такое многообразие одновременно протекающих процессов во время работы дизеля существенно усложняет сбор и анализ данных вибрации из-за присутствия большого числа гармонических и случайных составляющих в сигнале. Например, известно, что для диагно-
стики высокочастотных составляющих сигнала датчик вибрации следует размещать как можно ближе к предмету исследования, но непосредственное размещение датчиков вблизи подшипника зачастую невозможно из-за конструктивных особенностей дизеля.
Для разработки эффективной системы вибродиагностики дизель-генераторов (ДГ) с дизелями 16ЧН26/26 ОАО «Коломенский завод» специалистами отдела динамики Управления главного конструктора по машиностроению и фирмой ООО «Диамех» в 2008 г. проведены исследования вибрации ДГ 2А-9ДГ-02, 1А-9ДГ и 18-9ДГ на стендах машиносборочного цеха для получения эталонных значений. Также были проведены специальные испытания дизеля 16ЧН26/26 на стенде дизель-экспериментального цеха. На испытательных стендах ма-шиносборочного цеха была измерена вибрация на дизель-генераторах следующих типов моделей 2А-9ДГ-02 (12 шт.), 18-9ДГ (11 шт.), 1А-9ДГ (7 шт.). Измерения на ДГ проводились в 42 измерительных точках (общее число измерений параметров 63). Общее число измерений по дизелям, полученное для построения области допустимых значений вибрационных параметров (эталонов), составило 2 016. Из них по трем типам дизелей соответственно: 630, 630 и 378, 378 замеров использовались для выбора вибрационных характеристик и их частотных диапазонов (процедура настройки). В общей сложности было проведено 32 испытания с числом измерительных точек от 6 до 16 и числом замеров от 4 до 9. В течение этих испытаний были выполнены 3 584 замера.
Для анализа исследовали следующие характеристики: форма сигнала, спектры мощности, спектры огибающей, гармонические спектры, замеры общего уровня, уровня в полосе, изменения амплитуды и фазы 1-й и 2-й гармоник от частоты вращения коленчатого вала.
Дизели, используемые в качестве приводной установки для генератора, выполнены по У-образной схеме с углом развала цилиндров 42°. Номинальная частота вращения коленчатого вала 1 000 мин-1 (16,67 Гц). Технические характеристики исследуемых ДГ представлены в табл. 1. Коленчатый вал дизельного двигателя опирается на девять коренных подшипников скольжения,
Таблица 1
Дизель-генераторы V-образные 16-цилиндровые
Характеристика Марка дизеля
1А-9ДГ 18-9ДГ 2А-9ДГ-02
Мощность, кВт 2 250 2 650 2 944/3 000
Масса, кг 28 300 28 500 29 050
Турбокомпрессор 6ТК12.00.000. спч-03 1—15ТК.00.000. спч-02 6ТК12.00.000. спч-01/05
Генератор ГСТ2800 или ГС501А ГСТ2800У2 или ГС501 ГСТ2800У2
Напряжение, В 535/305 750/475 580/405
частота дефекта коренного подшипника на номинальном режиме составляет «8 Гц.
Для проведения и анализа измерений использовалась аппаратура ООО «Диамех 2000»: виброанализаторы КВАРЦ и АГАТ-М с программным комплексом ДИАМАНТ-2. Частотный диапазон измерений 5 Гц...40 кГц.
Исследовали следующие объекты и неисправности дизелей [1]:
1) дефекты центровки дизеля с генератором. Возникают при несоосности ротора генератора и коленчатого вала дизеля. Основными диагностическими признаками дефектов центровки является наличие в спектре вибросигнала первых трех гармоник оборотной частоты коленчатого вала;
2) дефекты крепления дизеля. Наблюдаются при изменении жесткости опорной системы и снижении ее демпфирующих свойств. Основными диагностическими признаками является наличие в спектре вибросигнала непропорционального роста первых двух гармоник оборотной частоты;
3) вибрацию подшипников коленчатого вала. Зависит от состояния рабочих поверхностей подшипника, величины зазора между шейкой вала и антифрикционным вкладышем, а также несущей способности слоя смазочного масла. При определенных условиях коленчатый вал может потерять устойчивость и перейти в режим автоколебаний в радиальном направлении. Частота этих автоколебаний обычно составляет примерно 0,42 — 0,48 от оборотной частоты коленчатого вала. Появление в спектре вибросигнала амплитуды субгармоники с частотой 0,42—0,48 от оборотной частоты вала может свидетельствовать об изменении состояния внешней поверхности анти-
фрикционного вкладыша и поверхности шейки вала;
4) дефекты крепления генератора. Основным диагностическим признаком является непропорциональный рост вибрации в спектре вибросигнала на первых двух гармониках оборотной частоты. Дефект максимален в своем проявлении обычно в одном из направлений;
5) вибрацию соединительных муфт. При неправильной посадке полумуфт на вал в узле сочленения валов возникают или параллельные сдвиги (колено), или угловые изломы в муфте. В агрегате наблюдается картина небаланса масс вращающегося ротора за счет смещения осей центров масс, при этом появляется осевая вибрация с оборотной частотой;
6) вибрацию подшипника качения генератора. Дефекты возникают вследствие геометрических погрешностей изготовления, монтажа и повреждения контактных поверхностей качения. Подшипник качения, имеющий повреждения на дорожках, телах качения или сепараторе, генерирует вибрацию, которая передается на внешний корпус подшипника и окружающую его конструкцию. Дефекты подшипника проявляются в виде периодических ударных импульсов на характерных частотах, связанных с его геометрическими параметрами. Подшипник с дефектами может генерировать вибрацию на частотах, кратных частоте вращения (частоты кинематического возбуждения), на собственных частотах, на суммарных и разностных частотах;
7) дисбаланс ротора турбокомпрессора. Этот дефект обусловлен конструктивными отклонениями от осевой симметрии и неоднородности материала при изготовлении. Возникающие при вращении неуравновешенные центробежные силы создают вынужденные колебания с частотой вращения турбокомпрессора;
МАШИНОСТРОЕНИ
8) вибрацию рабочих лопаток турбины и компрессора. Возникающая при вращении ротора высокочастотная вибрация с частотой следования кромочных следов присутствует в спектре вибрации всегда и сама по себе признаком неисправности не является. Она называется «лопастной вибрацией». Дефект лопаток диагностируется по росту уровня лопастной вибрации;
9) дефект креплений турбокомпрессора. Образуется, как правило, в процессе монтажа. Диагностируется по изменению общего уровня вибрации и вибрации на частоте вращения коленчатого вала дизеля в вертикальном и поперечном направлениях;
10) вибрацию зубчатого привода масляного и водяного насосов, а также привода распределительного вала. Преобладающей частотой является частота зацепления зубчатой пары равная произведению частоты оборотов ротора шестерни на количество зубцов на ней. Диагностическими признаками при появлении подобных дефектов является не только рост амплитуды гармоники зацепления зубьев, но и появление модуляции с оборотными частотами валов шестерен;
11) вибрацию масляных и водяных насосов;
12) разрегулировку цилиндров по рабочему процессу — увеличение и уменьшение подачи топлива относительно номинальных значений. Разрегулировка цилиндров по рабочему процессу приводит к изменению фазового и амплитудного состава вибрации крышки цилиндра. Эти отклонения эффективно диагностировать с помощью спектрального анализа огибающей высокочастотной составляющей вибрации.
Состояние ДГ оценивалось по результатам анализа отклонений фактического (текущего) вибрационного состояния испытуемого ДГ от эталона, который строится на сравнительном анализе вибрации однотипных ДГ. Данные испытания проводились на номинальном режиме работы ДГ. В качестве эталона использовалась система усредненных индивидуально для каждой из 42 точек контроля эталонных замеров (число измерений параметров 63). Для получения эталонов использовались измерения двух основных типов — скаляры и векторы. В работе принималось, что случайные отклонения вибрации подчинены нормальному закону распределения. Данные, которые выходили за
пределы закона нормального распределения, не использовались в построении эталона и считались «дефектными».
Для всех ДГ, используемых в построении эталона, для каждого измерения строились функции распределения числа машин от общего уровня вибрации в 10 равных интервалах, отбрасывались замеры, не попадающие под нормальный закон распределения, и для оставшихся машин строились предельные значения допустимой вибрации в каждом диапазоне, используя максимальные значения вибрации в каждом интервале. Среднее арифметическое значение в интервале плюс два среднеквадра-тических отклонения получали предельные допустимые значения параметра.
Для примера рассмотрим функцию распределения общего уровня виброперемещений на первом коренном подшипнике для ДГ 2А-9ДГ (рис. 1).
На рисунке 1 видно, что 9 из 10 используемых для создания эталона машин подходят для построения эталона. Маски для замеров спектра виброперемещений в области первого коренного подшипника представлены на рис. 2—4. Далее получаем значения для порогов предупреждения и аварии на этом замере: 124 и 173 мкм.
Аналогично строятся эталонные маски для всех точек измерений вибрации ДГ 2А-9ДГ-02, 1А-9ДГ и 18-9ДГ.
Создание эталонов по группе однотипных ДГ не всегда позволяет воспользоваться стан-
Рис. 1. Функция распределения общего уровня виброперемещений
75 100 125
Частота вибрации, Гц
Рис. 2. Маска спектра перемещений блока цилиндров в области первого коренного подшипника, поперечное направление (спектр 2А-9ДГ82 ДГ низ КП-1 (П) СП-к2 19.11.08 14:10:20; общий уровень 100,22 мкм; разброс 1,2759 мкм)
У_ п ~ Л
2,5
5 7,5
Гармоника
12,5
Рис. 3. Маска спектра перемещений блока цилиндров в области первого коренного подшипника, вертикальное направление (спектр 2А-9ДГ82 ДГ низ КП-1 (В) СГ-15 19.11.08 14:09:32; общий уровень 46,152 мкм; разброс 0,36843 мкм)
дартными диагностическими признаками для проведения диагностики текущего состояния ДГ. Так, например, дефекты центровки, которые обычно сопровождаются появлением в спектре вибрации высокочастотных гармоник, не могут быть непосредственно оценены по спектрам вибрации, так как в спектре изначально присутствуют высшие гармоники, являющиеся следствием нормальной работы дизельного двигателя. А для оценки изменений вибрации, сопровождающих нарушение нормальной работы цилиндра, необходимо провести испытания, связанные с нарушением подачи топлива в цилиндр.
Для проведения экспериментов по внесению в ДГ дефектов и анализа измерений виб-
я к а й О.
ю 8
/1
л Л
2,5
5 7,5
Гармоника
10
12,5
15
Рис. 4. Маска спектра перемещений блока цилиндров в области первого коренного подшипника, продольное (осевое) направление (спектр 2А-9ДГ82 ДГ низ КП-1 (О) СГ-15 19.11.08 14:11:22; общий уровень 29,338 мкм; разброс 3,3604 мкм)
рации был выбран ДГ 16ЧН26/26 (2А-9ДГ). Программа испытаний включала:
1) снятие АФЧХ дизеля без генератора в нескольких точках на скоростной характеристике, выявление резонансов в соответствии с табл. 2;
2) замер исходного вибрационного состояния ДГ при 100%-ной нагрузке с исходной рас-центровкой (рис. 5, лево +0,15, право +0,01, низ +0,12 мм) и регламентированной подачей топлива во все цилиндры;
3) отключение подачи топлива в цилиндр (8А);
4) (5А);
5) (1Б);
6) отключение подачи топлива в цилиндры (6А и 8Б);
7) увеличение подачи топлива в цилиндр (8А); '
8) уменьшение подачи топлива в цилиндр (8А); '
9) увеличение подачи топлива в цилиндр (5А); '
10) уменьшение подачи топлива в цилиндр (5А);
11) увеличение подачи топлива в цилиндр (1Б);
12) уменьшение подачи топлива в цилиндр (1Б);
отключение подачи топлива в цилиндр
отключение подачи топлива в цилиндр
Мощность генератора
Номер позиции контроллера Частота вращения, мин-1 Мощность, кВт
1 350 98
2 550 340
3 585 490
4 619 660
5 654 810
6 688 980
7 723 1150
8 757 1330
9 792 1550
10 826 1740
11 861 2010
12 895 2230
13 930 2480
14 965 2650
15 1000 2944
13) ослабление креплений турбокомпрессора;
14) ослабление креплений дизеля;
15) увеличение расцентровок дизеля и генератора и оценка влияния дисбаланса на муфте.
В процессе испытаний проводилось измерение вибрации на шпильке головки цилиндра при отсутствии подачи топлива, при регла-м е н ти р о в ан н о м ко л и ч е с тв е то п л и в а, п р и уменьшении и увеличении подачи топлива. Сравнительный анализ спектров огибающей высокочастотной вибрации для цилиндра 8А представлен на рис. 6.
В результате нарушения подачи топлива в цилиндр выявлен устойчивый рост глубины модуляции (на 15%) вибрации на частоте рабочего цикла (8,3 Гц), а также увеличение глубины модуляции (на 7%) на оборотной частоте машины (16,7 Гц).
На стендовой установке с ДГ в поперечном и вертикальном направлениях был выявлен резонанс на оборотной составляющей вибрации на частоте 756 мин—1. Балансировочный груз, который устанавливался в процессе испытаний на муфту, снижал вибрацию более, чем в 2 раза в поперечном направлении, т. е. установка корректирующего груза на муфту позволяет эффективно снижать вибрацию на всех узлах ДГ
Рис. 6. Зависимость вибрации от количества топлива в цилиндре 8А (каскад спектра Стенд 7 ДГ верх Кц-1 А8 (В) 22.10.08 9:49:22; частота 8,5 Гц; амплитуда 7,5%)
что, в свою очередь, положительно сказывается на увеличении остаточного ресурса всей машины.
Анализ вибрации при ослабление креплений ДГ позволяет сделать следующие выводы:
1) сохраняется одинаковая картина изменения вибрации на лапах и подшипниках генератора;
2) при ослаблении жесткости крепления машины наблюдается рост осевой составляющей по второй гармонике оборотной частоты коленчатого вала на дизеле и генераторе.
Анализ амплитуды/фазы первой и второй гармоник оборотной вибрации виброперемещения при расцентровках представлен в табл. 3.
Из данных, приведенных в табл. 3, следует, что на величину вибрации центровка в рамках эксперимента существенного влияния не оказала. В тоже время состояние опорной системы ДГ существенно влияет на вибрацию.
Вывод
Проведенные экспериментальные исследования по вибродиагностике ДГ подтвердили принципиальную осуществимость создания надежной системы вибродиагностирования. Представленная работа является первым этапом создания системы вибродиагностики ДГ среднеоборотного класса.
0,12 мм
Рис. 5. Исходная расцентровка
Таблица 3
Оценка влияния величины центровки на вибрацию агрегата
Амплитуда/фаза первой гармоники Дата Расцентровка
ПШп ПШо ЛГ в ЛГ п 9в 9п 1в 1п 1о
22.10.08. А1гм мкм.пик 140 24 52 122 25 27 35 125 35
Исходная1 Ф1гм 143 336 148 145 130 173 137 332 167
23.10.08. А1гм мкм.пик 107 39 69 108 32 29 20 116 32
Исходная2 Ф1гм 147 301 112 143 119 164 150 321 148
27.10.08. А1гм мкм.пик 147 33 56 138 29 27 41 137 34
Нулевая Ф1гм 147 329 141 146 128 180 139 329 164
28.10.08. А1гм мкм.пик 160 39 81 122 34 30 38 133 35
Большая Ф1гм 168 319 128 166 132 193 164 340 166
Амплитуда/фаза второй гармоники
22.10.08. А2гм мкм.пик 30 8 25 29 21 17 19 15 5
Исходная1 Ф2гм 215 287 103 223 170 1 161 117 211
23.10.08. А2гм мкм.пик 25 13 23 24 20 19 25 16 9
Исходная2 Ф2гм 213 325 115 205 155 355 155 105 202
27.10.08. А2гм мкм.пик 31 8 28 29 24 17 24 17 9
Нулевая Ф2гм 224 297 107 221 151 356 146 97 209
28.10.08. А2гм мкм.пик 25 9 23 26 24 17 22 19 7
Большая Ф2гм 219 350 131 218 165 357 162 116 232
Примечание. А1гм, А2гм — амплитуды первой и второй гармоник; Ф1гм, Ф2гм — фазы первой и второй гармоник; ПШ — подшипник генератора; 9, 1 — номера коренных подшипников; о, в, п — направление измерений: осевое, вертикальное, поперечное; ЛГ — лапа генератора.
Величина расцентровки: большая — лево 0,25, право — 0,15, низ — 0,15 мм; исходная1 и исходная 2 — лево 0,15, право 0,01, низ 0,12 мм; до и после опыта с ослаблением жесткости, нулевая — лево 0,01, право 0,05, низ 0,05 мм.
Литература
1. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987. 288 с.
2. Ширман А.Р., Соловьев А.Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. М.: Наука, 1996. 276 с.
3. Баркова Н.А., Дорошев Ю.С. Неразрушающий контроль технического состояния горных машин и оборудования. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. 157 с.
4. Вибродиагностика / Розенберг ГШ., Мадорский Е.З., 1олуб Е.С. и др.; Под ред. ГШ. Розенберга. СПб.: ПЭИПК, 2003. 284 с.
References
1. GenkinM.D., SokolovaA.G. Vibroakusticheskaia diagnosti-ka mashin i mekhanizmov [Vibroacoustic diagnostics of machines and mechanisms]. Moscow, Mashinostroenie publ., 1987. 288 p.
Информация об авторах
ЗИГЕЛЬМАН Евгений Борисович (Коломна) — кандидат технических наук, начальник отдела динамики. ОАО «Коломенский завод» (140408, Коломна, Российская Федерация, ул. Партизан, д. 42, e-mail: [email protected]).
СКВОРЦОВ Дмитрий Федорович (Москва) — руководитель учебного центра. ООО «Диамех 2000» (115432, Москва, Российская Федерация, 2-й Кожуховский пр-д, д. 29, к. 2, стр. 16, e-mail: [email protected]).
ЛОЩИНИН Иван Андреевич (Москва) — аспирант кафедры «Поршневые двигатели». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: [email protected]).
Information about the authors
ZIGELMAN Evgeny Borisovich (Kolomna) — Cand. Sc. (Eng.), Head of Dynamics Department. JSC «Kolomensky Zavod» (Partiz-an str., 42, 140408, Kolomna, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
SKVORTZOV Dmitry Fedorovich (Moscow) — Head of Training Center. DIAMECH 2000 Ltd. (2-nd Kozhukhovsky proezd 29, korp. 2, str. 16, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
LOSHCHININ Ivan Andreevich (Moscow) — Post-Graduate of «Reciprocating Engines» Department. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
2. ShirmanA.R., Solov'evA.B. Prakticheskaia vibrodiagnosti-ka i monitoring sostoianiia mekhanicheskogo oborudovaniia [Practical vibration diagnostics and monitoring of mechanical equipment]. Moscow, Nauka publ., 1996. 276 p.
3. Barkova N.A., Doroshev Iu.S. Nerazrushaiushchii kontrol' tekhnicheskogo sostoianiia gornykh mashin i oborudovaniia [Nondestructive testing of the technical condition of mining machinery and equipment]. Vladivostok, DVGTUpubl., 2009. 157 p.
4. Rozenberg G.Sh., Madorskii E.Z., Golub E.S., Vinitskii M.L., Neelov A.N., Porasenkov Iu.V., Tadzhibaev A.I. Vibrodiagnostika [Vibrodiagnostics]. St. Petersburg, PEIPKpubl., 2003. 284 p.
Статья поступила в редакцию 18.03.2013
