Высокочастотные вибрации. Типичные спектрограммы высокочастотных вибраций многоступенчатых машин

Рис. 1.6. Типичные спектрограммы высокочастотных вибраций многоступенчатых машин: а — в линейном масштабе по амплитуде: б—в логарифмическом масштабе по амплитуде; в — при изменении частоты вращения ротора на 1%

В более узком диапазоне частот от f1 до f12 находятся дискретные составляющие, которые генерируются вращающимися элементами турбомашины. Имеется ряд составляющих с частотами следования рабочих лопаток fz=Zn´Wр., где Zn—число рабочих лопаток, а Wр.- частота вращения ротора. Характерно, что наиболее интенсивные дискретные составляющие находятся в диапазонах с максимальной интенсивностью вибрационного шума (f1, f2, f4, f7 и f11). Аналогичное усиление дискретных составляющих характерно не только для высокочастотных вибраций турбомашин, но и других машин и механизмов, содержащих кинематически связанные вращающиеся элементы. Интенсивность дискретных составляющих и вибрационного шума в месте измерений определяется динамическими характеристиками каналов связи и мощностью возбуждения.

Принимая допущение об отсутствии корреляции между вибрационным шумом и дискретными составляющими, а также линейном преобразовании этих вибросигналов в каналах связи, можно измеренную в ограниченной полосе частот спектральную плотность мощности Sвых(f) представить в виде

где Нш(f) и Hд(f)—комплексные частотные характеристики каналов связи для вибрационного шума и дискретных составляющих, соответственно; Sвх.ш(f) и Sвх,д(f) —спектральные плотности мощности шума и дискретных составляющих возбудителей вибраций.

Hш(f) и Hд(f) в широком диапазоне частот имеют, как правило, различные зависимости. В то же время в ограниченной полосе частот, например между двумя соседними минимальными значениями спектральной плоскости мощности вибрационного шума могут быть равны (один и тот же канал связи) и Нш(f)=Hд(f). В данном случае предполагается, что спектральная плотность мощности вибрационного шума Sвх.ш(f) в ограниченной полосе частот постоянна, а вид огибающей Sвых.ш(f) определяется только зависимостью Hш(f). Для доказательства равенства Hш(f)=Hд(f) на практике изменяют скорость вращения машины в таких пределах, чтобы высокочастотная дискретная составляющая в спектрограммах между двумя соседними минимумами Sвых.ш(f) поочередно находилась на спадающем, возрастающем и равномерном участках. При сохранении на спектрограммах положения огибающей Sвых.ш(f) и пропорциональном изменении интенсивности дискретной составляющей Sвых.д(f) на всех трех участках указывает на равенство коэффициентов передачи Hш(f)=Hд(f). Непропорциональные изменения Sвых.д(f) указывают на неравенство коэффициентов передачи Hш(f)¹Hд(f) или на большую зависимость мощности возбуждения Sвх.д от частоты. Обычно частоту вращения изменяют в пределах 1... 10%. В ряде случаев даже относительно небольшие изменения частоты вращения 1...2% могут приводить к резкому увеличению или уменьшению интенсивности дискретных составляющих. Сравнивая спектрограммы на рис. 1.6, а и в, которые отличаются на 1 % по частоте вращения, можно видеть заметные изменения частотного состава вибраций и незначительные изменения вибрационного шума. Распознавание источников высокочастотных вибраций, особенно таких, которые возбуждаются в небольших пределах изменения частоты вращения, является достаточно сложной задачей. Большая же часть дискретных составляющих возбуждается вращающимися элементами машин: рабочими лопатками, зубчатыми передачами, подшипниками и другими деталями. Рабочие лопатки турбин, компрессоров и вентиляторов возбуждают высокочастотные вибрации на частотах следования fz и кратных гармониках

где R=1, 2...—номер гармоники Zn´Wр. При взаимодействии с направляющими лопатками или неоднородностями потока газа или жидкости возбуждаются вибрации комбинационных частот

где m — номер гармоники роторной частоты.

В спектре вибросигнала с частотой m´Wр. проявляются в виде боковых составляющих основной частоты R´Zn´Wр. Обычно их интенсивность существенно меньше основной частоты и соизмерима с уровнем вибрационного шума. Измерение таких слабых вибросигналов осуществляют путем фильтрации в полосе частот Df =2m´Wр., последующего детектирования отфильтрованного сигнала и спектрального анализа огибающей. Вибрации с частотами mWр. являются результатами модуляции при их передаче по одним и тем же каналам связи.

Аналогичные высокочастотные вибрации, которые определяются выражениями (1.16) и (1.17), возбуждаются зубчатыми передачами. Только Zn и Wр. означают число зубьев и частоту вращения зубчатого колеса, соответственно. Для шарикоподшипников, имеющих дефекты на беговых дорожках или телах качения, частоты вибраций определяются по формулам:

для внешнего кольца

для внутреннего кольца

для шарикоподшипников

где dш—диаметр тел качения; Dо—диаметр окружности, проходящей по центрам тел качения; Zт — число тел качения; b — угол контакта; Wр—частота вращения ротора.

Роликоподшипники работают в условиях воздействия только радиальных нагрузок. Поэтому расчет частот вибраций дефектных роликоподшипников по (1.18) ... (1.20) проводят при b=0.

Очень широкий диапазон частот вибраций возбуждают акустические шумы машин, резонансные колебания вращающихся и неподвижных деталей, которые передаются к вибропреобразователю по своим каналам связи.