Вибродиагностика поршневых и винтовых компрессоров

Оглавление

1. Введение

Вибродиагностика компрессорного оборудования занимает одно из ключевых мест в системе технического обслуживания и ремонта промышленных предприятий. Поршневые и винтовые компрессоры широко применяются в химической, нефтегазовой, пищевой промышленности, системах кондиционирования и пневмообеспечения. От их надёжной работы напрямую зависит непрерывность технологических процессов и безопасность производства.

Вибрация, возникающая при работе компрессоров, является носителем ценной диагностической информации о состоянии узлов и механизмов. Своевременное выявление развивающихся дефектов позволяет перейти от планово-предупредительного ремонта к обслуживанию по фактическому состоянию, значительно сократить простои и затраты на внеплановые ремонты.

Современные методы вибродиагностики базируются на анализе характеристик колебательных сил и свойств механической колебательной системы. Для роторных машин (к которым относятся винтовые компрессоры) наибольшую информативность даёт спектральный анализ низкочастотной вибрации. Для поршневых компрессоров, где существенную роль играют ударные процессы, требуются дополнительные методы работы с временными реализациями и высокочастотными составляющими.

Портативные виброметры позволяют проводить измерения непосредственно на работающем оборудовании без остановки производства. Модели с выносным датчиком особенно удобны при контроле труднодоступных точек на корпусе компрессора, а приборы с оптимизированной фильтрацией обеспечивают стабильные результаты в условиях сильных помех, характерных для поршневых машин.

2. Нормативная база и критерии оценки вибрации компрессорного оборудования

Оценка вибрационного состояния компрессоров регламентируется рядом национальных и международных стандартов. Основным документом для поршневых компрессорных установок является ГОСТ Р ИСО 20816-8-2023 «Вибрация. Измерения вибрации и оценка вибрационного состояния машин. Часть 8. Поршневые компрессорные установки». Стандарт устанавливает требования к проведению измерений на невращающихся частях (корпус, фундамент, подшипниковые узлы) и классификацию состояния по зонам.

Для винтовых (роторных) компрессоров применяются общие требования ГОСТ ИСО 10816-3 и ГОСТ Р ИСО 20816-1, которые определяют зоны вибрационного состояния промышленных машин мощностью свыше 15 кВт.

Измерения выполняются в полосе частот 10–1000 Гц (для виброскорости), что полностью соответствует возможностям современных портативных виброметров. Результаты представляются в виде среднеквадратического значения (СКЗ) виброскорости. Согласно стандартам, оценка проводится по наибольшему значению, полученному в трёх взаимно перпендикулярных направлениях.

Конкретные граничные значения зон зависят от типа компрессора, мощности и конструктивных особенностей и приводятся в соответствующих стандартах. При измерениях необходимо учитывать неопределённость результатов в соответствии с принципами, изложенными в ГОСТ Р 70104-2023.

3. Теоретические основы вибродиагностики

3.1. Колебательные силы и их составляющие

Вибрация, регистрируемая на корпусе компрессора, является результатом действия колебательных сил в различных узлах на механическую колебательную систему. Колебательные силы в общем случае состоят из трёх основных составляющих:

• Периодические — обусловлены вращением роторов, возвратно-поступательным движением поршней, зацеплением зубчатых передач и винтовых пар;
• Случайные — возникают вследствие трения, кавитации, турбулентности потоков газа;
• Ударные — появляются при разрывах масляной плёнки в подшипниках, ударах клапанов, зазорах в кривошипно-шатунном механизме.

Максимальная диагностическая информация достигается при раздельном анализе каждой составляющей с учётом передаточных характеристик колебательной системы. Для роторных машин на низких частотах (до 1000 Гц) преобладают периодические составляющие, поэтому спектральный анализ даёт хорошие результаты. В поршневых компрессорах ударные составляющие вносят существенный вклад, что требует применения методов временного анализа и высокочастотных измерений.

3.2. Основные методы анализа вибрационных сигналов

Современная вибродиагностика использует комплекс методов, позволяющих извлекать информацию из сигнала вибрации:

• Анализ во временной области — оценка формы сигнала, выявление ударных импульсов, расчёт статистических параметров (пик-фактор, куртозис);
• Спектральный анализ — преобразование Фурье для выделения гармонических составляющих и их амплитуд;
• Анализ огибающей — демодуляция высокочастотной случайной вибрации для обнаружения дефектов подшипников качения;
• Методы на основе преобразования Гильберта — демодуляция амплитудно-модулированных сигналов.

Формула для расчёта среднеквадратического значения виброскорости (основной диагностический параметр):

где \( v(t) \) — мгновенное значение виброскорости, \( T \) — время усреднения.

Для анализа модулированных сигналов широко применяется преобразование Гильберта, позволяющее выделить огибающую:

где \( s(t) \) — исходный сигнал, \( \hat{s}(t) \) — его преобразование Гильберта.

Портативные виброметры с функцией спектрального анализа в реальном времени значительно упрощают проведение таких исследований непосредственно на объекте.

4. Особенности вибродиагностики поршневых компрессоров

4.1. Источники колебательных сил в поршневых компрессорах

Поршневые компрессоры относятся к машинам возвратно-поступательного действия. Основными источниками колебательных сил являются:

• Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) — неуравновешенные силы инерции поступательно движущихся масс и центробежные силы вращающихся масс;
• Клапанные узлы — удары пластин клапанов о сёдла при открытии и закрытии;
• Подшипники — как качения, так и скольжения;
• Газодинамические процессы — пульсации давления в рабочих камерах и трубопроводах.

Вследствие возвратно-поступательного движения в спектре вибрации поршневых компрессоров присутствует большое количество гармоник частоты вращения коленчатого вала. Ударные процессы создают широкополосные импульсные составляющие, которые особенно хорошо проявляются в высокочастотной области.

4.2. Типичные дефекты и их вибрационные признаки

Наиболее распространённые дефекты поршневых компрессоров и их диагностические признаки приведены в таблице ниже.

Для поршневых компрессоров особенно информативен анализ формы сигнала во временной области. Ударные импульсы, возникающие при дефектах клапанов или зазорах в КШМ, чётко видны на осциллограмме и позволяют локализовать неисправность по фазе рабочего цикла.

При измерениях на поршневых компрессорах в условиях сильных помех от работающего оборудования рекомендуется использовать виброметры с возможностью установки фильтра низких частот. Такие приборы обеспечивают стабильную и точную индикацию даже при наличии множественных интерференционных составляющих.

4.3. Методы измерения и анализа для поршневых компрессоров

При проведении вибродиагностики поршневых компрессоров рекомендуется следующий порядок действий:

1. Измерение общих уровней СКЗ виброскорости в полосе 10–1000 Гц в трёх направлениях на каждом подшипниковом узле и на корпусе.
2. Регистрация временных реализаций вибрации с привязкой к углу поворота коленчатого вала (при наличии датчика оборотов).
3. Спектральный анализ с высоким разрешением по частоте для выявления гармонических составляющих.
4. Анализ огибающей в высокочастотной области (выше 5–10 кГц) для диагностики подшипников.
5. Прослушивание вибрации с помощью стетоскопической насадки для субъективной оценки характера ударных процессов.

Портативный виброметр с выносным датчиком позволяет проводить измерения в труднодоступных местах без демонтажа ограждений. Модель с функцией прослушивания и измерения температуры дополнительно даёт возможность оперативно оценить состояние смазки и выявить локальные перегревы.

5. Особенности вибродиагностики винтовых компрессоров

5.1. Источники колебательных сил в винтовых компрессорах

Винтовые компрессоры относятся к роторным машинам объёмного сжатия. Основными источниками колебательных сил являются:

• Винтовая пара — зацепление ведущего и ведомого роторов, создающее характерную частоту зацепления;
• Подшипниковые узлы ведущего и ведомого валов;
• Привод (электродвигатель или турбина) — дисбаланс, расцентровка, дефекты муфты;
• Газодинамические процессы — пульсации давления на всасывании и нагнетании;
• Система смазки и охлаждения — проблемы с подачей масла, кавитация.

В отличие от поршневых компрессоров, в винтовых машинах доминируют периодические составляющие, связанные с вращением роторов. Частота зацепления определяется по формуле:

где \( z_1, z_2 \) — число зубьев (лопастей) ведущего и ведомого роторов, \( f_{r1}, f_{r2} \) — частоты их вращения.

При появлении дефектов (износ профилей, увеличенные зазоры) вокруг частоты зацепления возникают боковые полосы, отстоящие на частоту вращения роторов. Это классический признак модуляции.

5.2. Типичные дефекты и их вибрационные признаки

Основные дефекты винтовых компрессоров и их диагностические признаки сведены в таблицу.

Для винтовых компрессоров спектральный анализ остаётся основным инструментом. При этом важно контролировать не только амплитуду на частоте зацепления, но и наличие и уровень боковых полос, которые прямо указывают на развивающийся износ профилей.

5.3. Методы измерения и анализа для винтовых компрессоров

Рекомендуемая последовательность диагностических действий:

1. Измерение СКЗ виброскорости в полосе 10–1000 Гц на корпусах подшипников ведущего и ведомого валов в трёх направлениях.
2. Спектральный анализ с разрешением не хуже 1–2 Гц для чёткого разделения гармоник и боковых полос.
3. Измерение и индикация частоты вращения в реальном времени для точной привязки спектральных составляющих.
4. Анализ огибающей в высокочастотной области для раннего выявления дефектов подшипников.
5. Трендовый анализ изменения уровней характерных частот во времени.

Портативные виброметры с функцией отображения спектра в реальном времени и возможностью печати спектральных диаграмм значительно повышают эффективность работы диагноста на объекте.

6. Сравнительный анализ подходов к вибродиагностике поршневых и винтовых компрессоров

Несмотря на общие принципы вибродиагностики, поршневые и винтовые компрессоры требуют разных акцентов при выборе методов и средств измерения. Основные различия приведены в таблице.

Практика показывает, что для поршневых компрессоров наибольшую ценность даёт сочетание временного анализа с прослушиванием, а для винтовых — детальный спектральный анализ с отслеживанием модуляционных боковых полос.

7. Практическое проведение измерений портативными виброметрами

7.1. Выбор и подготовка точек контроля

Точки измерения выбирают в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 20816-8-2023 и ГОСТ ИСО 10816-3. Основные рекомендации:

• Подшипниковые узлы (горизонтальное, вертикальное и осевое направления);
• Корпус компрессора вблизи наиболее нагруженных зон;
• Фундаментные плиты и опоры (для оценки передачи вибрации на строительные конструкции);
• Трубопроводы всасывания и нагнетания (при подозрении на газодинамические проблемы).

Перед измерениями поверхность в точке контроля очищают от грязи, краски и ржавчины. Датчик устанавливают жёстко (магнитное крепление или резьбовой адаптер). Для обеспечения повторяемости результатов используют одну и ту же точку и направление при каждом обследовании.

7.2. Измерение общих уровней вибрации

Первым этапом всегда является измерение СКЗ виброскорости в полосе частот 10–1000 Гц. Это позволяет быстро оценить общее состояние машины и отнести её к одной из зон по стандарту.

Для оперативного контроля общего уровня удобно использовать портативный виброметр карандашного типа. Такие приборы обеспечивают быстрое измерение с высокой повторяемостью и полностью соответствуют требованиям нормативов по полосе частот.

При измерениях на поршневых компрессорах, где присутствует большое количество помех, рекомендуется применять модели с возможностью установки фильтра низких частот. Это позволяет получить стабильные показания даже в сложных производственных условиях.

7.3. Детальный спектральный анализ и дополнительные методы

При превышении предупредительных уровней или при плановой диагностике выполняют детальный анализ:

• Спектр вибрации с высоким частотным разрешением (для выявления гармоник и боковых полос);
• Индикацию частоты вращения в реальном времени (для точной привязки составляющих);
• Анализ огибающей высокочастотной вибрации (для диагностики подшипников);
• Регистрацию временных реализаций с возможностью прослушивания.

Для выполнения полного спектрального анализа и визуализации результатов в реальном времени с возможностью печати спектральных диаграмм применяют портативные виброметры с цветным дисплеем и расширенными функциями обработки сигнала. Такие приборы позволяют сразу на объекте провести качественную диагностику дисбаланса, расцентровки, дефектов зацепления и подшипников.

В труднодоступных местах, а также при необходимости прослушивания звука вибрации (для субъективной оценки характера ударов в поршневых компрессорах или шума подшипников в винтовых) незаменим портативный виброметр с выносным датчиком и стетоскопической насадкой. Дополнительная функция измерения температуры объекта позволяет одновременно контролировать тепловое состояние узлов.

Все результаты измерений рекомендуется фиксировать с указанием даты, режима работы компрессора, точки и направления измерения. Это создаёт основу для построения трендов и принятия решений о дальнейшем техническом обслуживании.

8. Организация системы вибромониторинга компрессорного парка

Эффективная вибродиагностика возможна только в рамках систематического мониторинга. Рекомендуемая периодичность обследований:

• Критически важные компрессоры (непрерывный цикл) — не реже 1 раза в месяц;
• Основное технологическое оборудование — 1 раз в квартал;
• Вспомогательные компрессоры — 1–2 раза в год.

При каждом обследовании выполняют измерение общих уровней. При приближении к зоне C или при появлении характерных признаков дефектов проводят углублённый анализ (спектр, огибающая, временная область).

Результаты заносят в базу данных и строят тренды изменения ключевых параметров. Рост уровня на характерных частотах или появление новых составляющих является сигналом к планированию ремонта.

Внедрение вибромониторинга позволяет:

• Своевременно выявлять развивающиеся дефекты на ранней стадии;
• Планировать ремонтные работы с учётом фактического состояния;
• Снижать количество аварийных остановок;
• Оптимизировать затраты на запасные части и ремонт;
• Повышать общую надёжность компрессорного парка.

Портативные виброметры являются оптимальным инструментом для периодического мониторинга на большинстве промышленных предприятий. Они сочетают достаточную точность, мобильность и доступную стоимость.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич