Особенности безразборной диагностики судовых роторных насосов

Роторные насосы получили широкое распространение в судовых энергетических установках. Как правило, они используются для перекачки вязких жидкостей – топлива, масел, жидкостей для гидросистем. Насосы применяются в системах смазки судовых дизелей как транспортные насосы в системах перекачки топлива и масел и как насосы гидравлических приводов. Роторные насосы применяются в ответственных судовых системах и нуждаются в своевременном ремонте и обслуживании. Наиболее рациональным методом эксплуатации роторных насосов является обслуживание и ремонт по "состоянию", когда техническое обслуживание и ремонт проводятся по результатам определения технического состояния методами безразборной диагностики. При проведении безразборной диагностики часто используются и методы прогнозирования остаточного ресурса агрегата [1; 2]. Поэтому большое значение имеет методика проведения диагностики, а также достоверность и точность полученных результатов. Наиболее распространенным методом диагностики роторных насосов является вибродиагностика [3; 4]. Применительно к роторным насосам в судовых условиях она имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при определении их технического состояния.

Цель работы состоит в определении влияния температур и давлений перекачиваемой среды на вибродиагностические параметры объемных насосов для последующей корректировки существующих норм.

Материалы и методы

Основные требования к измерению вибрации насосов, соответствию норме и, следовательно, определению технического состояния насосов приведены в правилах РМРС ¹ "Часть VII. Механические установки". Нормы вибрации указаны на рис. 1.

Другие существенные требования к проведению диагностики изложены в "Инструкции по использованию достоверных показаний встроенных и переносных средств диагностирования и неразрушающего контроля при освидетельствовании объектов на судах" ² .

Норма построена для третьоктавного спектра виброскорости (среднеквадратичное значение) в диапазоне до 500 Гц и имеет три категории технического состояния.

Рис. 1. Нормы вибрации насосов ³

Fig. 1. The standards of pumps' vibration

Указанная норма распространяется на все типы насосов, независимо от их конструктивных особенностей, корректируется только по мощности (две градации) и способа монтажа насоса (горизонтальное расположение или вертикальное). Это является недостатком указанного нормирования. У роторных насосов (шестеренных и винтовых) уровень вибрации значительно зависит от вязкости масла и развиваемого насосом давления. Давление насоса в конечном итоге зависит от сопротивления системы и вязкости. Вязкость в условиях эксплуатации определяется температурой перекачиваемой среды.

Целью проведения диагностики роторных насосов является определение неисправностей подшипников насоса, состояния центровки с приводным двигателем, дефектов зацепления в шестернях и винтовых парах. Все указанные дефекты проявляются на характерных частотах, которые возбуждаются силами, действующими при работе насоса. Как правило, контролируются частоты равные и кратные частоте вращения (состояние центровки), зубцовые частоты (модуляция зубцовых частот может возникать как следствие дефектов зубьев) и их высшие гармоники, частоты вращения винтов [3]. Диагностика подшипников насоса или его электропривода может проводиться по анализу огибающей вибросигнала [3; 5].

Для выявления влияния развиваемого давления на диагностические параметры шестеренного и винтового насосов были проведены измерения на лабораторном стенде, позволяющем имитировать различные условия работы насосов путем регулировки давления в системе и изменения температуры перекачиваемой среды. Схема стенда приведена на рис. 2, внешний вид – на рис. 3.

Рис. 2. Схема лабораторного стенда: 1 – насос шестеренный; 2 – насос винтовой; 3 – бак расходный;

4, 5, 10, 11 – запорные клапаны; 6 – клапан трехходовой; 7, 12 – манометр;

8, 13 – мановакуумметр; 9 – расходомер

Fig. 2. The scheme of the laboratory stand: 1 – the pump gear; 2 – the pumps' screw; 3 – the waste tank;

4, 5, 10, 11 – the check valves; 6 – the three-way valve; 7, 12 – the manometer;

8, 13 – the pressure and vacuum gauge; 9 – the flowmeter

³ Правила классификации и постройки морских судов. Часть VII. Механические установки. НД № 2-020101-095 / Рос. мор. регистр судоходства. СПб. : Рос. мор. регистр судоходства, 2017. С. 49.

Стенд позволяет проводить испытания шестеренного и винтового насосов. При испытаниях давление в магистрали регулируется клапанами 5 или 11. Для предотвращения повреждения трубопроводов системы клапана имеют перепускные каналы. Краткие характеристики насосов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры насосов Table 1. The parameters of pumps

Наименование параметра	ШФ5-25-36/4	А1 3В16/25-20/6,3Б
Число зубьев шестерен (заходов винта)	20	2
Подшипники двигателя: – левый – правый	306 306	310 310
Подшипники насоса	скольжения	скольжения
Частота вращения, об/мин	1 430	2 740

Рис. 3. Лабораторный стенд для испытания роторных насосов

Fig. 3. The laboratory test bench for testing rotary pumps

Измерения проводились с использованием анализатора спектра ZET 017-U4 с последующей обработкой сигнала пакетом программ ZETLab.

Проведение измерений

Перед проведением измерений определялись частоты основных возбуждающих сил, характеризующих техническое состояние насоса и подшипников приводного электродвигателя. Частоты определялись по известным формулам (здесь не приводятся) [3; 5; 6]. Частоты вращения насосов равны частотам вращения электродвигателей. Полученные частоты сведены в табл. 2.

Таблица 2. Частоты основных возбуждающих сил Table 2. The frequencies of the main excitatory forces

Частота вращения	Обозначение	Шестеренный насос ШФ5-25-36/4	Винтовой насос А1 3В16/25-20/6,3Б
	f P	23,83	45,66
Двойная частота вращения (расцентровка)	2 f P	47,66	91,32
Зубцовая	f Z	476,66	91,33
Перекатывания шариков подшипника по наружному кольцу: – левый подшипник электродвигателя – правый подшипник электродвигателя	f HK f HK	76,8 76,8	76,8 76,8
Собственных колебаний втулок (заеданий)	–	>5 000	>5 000
Сетевая	2 f CT	100	100

Измерения вибрации проводились на подшипниковых щитах насосов в трех направлениях (вертикальном, траверсном и продольном). Результаты оформлялись в виде третьоктавных спектров виброускорения, виброскорости, узкополосного спектра и огибающей высокочастотной компоненты сигнала вибрации (рис. 4–11).

Рис. 4. Насос винтовой, спектр виброускорения до 5 кГц.

Сравнение режимов при давлении 1 и 7,5 бар

Fig. 4. The pump screw, the spectrum of vibration acceleration up to 5 kHz.

The comparison of modes at the pressure of 1 and 7.5 bar

Рис. 5. Насос шестеренный, спектр виброускорения до 5 кГц.

Сравнение режимов при давлении 1 и 4 бар

Fig. 5. The pump gear, the spectrum of vibration acceleration up to 5 kHz.

The comparison of modes at the pressure of 1 and 4 bar

Рис. 6. Насос шестеренный, спектр виброскорости до 500 Гц.

Сравнение режимов при температуре 20 и 50 ° С

Fig. 6. The pump gear, the vibration speed range up to 500 Hz.

The comparison of regimes at the temperature of 20 and 50 ° C

Рис. 7. Насос винтовой, спектр виброускорения до 5 кГц. Вертикальное и продольное направления контроля Fig. 7. The pump screw, the spectrum of vibration acceleration up to 5 kHz. The vertical and longitudinal directions of control

Рис. 8. Спектр виброускорения сигнала при температурах:

20 ° С - верхний спектр; 50 ° С - нижний спектр

Fig. 8. The spectrum of the vibration acceleration of the signal at temperatures:

20 ° С - the upper spectrum; 50 ° С - the lower spectrum

Рис. 9. Спектр виброскорости сигнала при температурах:

50 ° C — верхний спектр; 20 ° С — нижний спектр

Fig. 9. The spectrum of the vibration velocity of the signal at temperatures:

50 ° C - the upper spectrum; 20 ° C - the lower spectrum

Рис. 10. Спектр виброскорости сигнала при температуре 50 ° C

Fig. 10. The spectrum of the vibration velocity of the signal at the temperature 50 ° C

Рис. 11. Спектр огибающей сигнала при температурах:

50 ° С - верхний спектр; 20 ° С - нижний спектр

Fig. 11. The spectrum of the signal envelope at temperatures:

50 ° С - the upper spectrum; 20 ° С - the lower spectrum

Результаты и обсуждение

• 1.    Анализ полученных спектров (рис. 4, 5) показывает, что общий уровень вибрации насосов как винтовых, так и шестеренных существенно зависит от давления, развиваемого насосом, еще большее влияние оказывает температура перекачиваемой среды. Так, при повышении температуры от 20 до 50 °C уровень виброскорости шестеренного насоса вырос практически во всем диапазоне частот на 10 и более децибел (рис. 6).

• 2.    Уровень вибрации винтового насоса значительно зависит от направления измерения (рис. 7), для шестеренного насоса влияние направления контроля на уровень вибрации значительно слабее.

• 3.    Узкополосный спектр виброускорения имеет различия в амплитуде дискретных составляющих при измерении вибрации при разных температурах (рис. 9). Но эти различия находятся выше частот,

• 4.    Узкополосный спектр виброскорости насоса при различных температурах значительных отличий не имеет (рис. 10). Также незначительно отличаются друг от друга спектры огибающей высокочастотной компоненты сигналов (центральная частота третьоктавного фильтра – 8 кГц) (рис. 11).

• 5.    Сравнение узкополосного спектра виброскорости и спектра огибающей (рис. 10, 11) показывает их одинаковую информативность: оба спектра содержат и роторные, и зубцовые гармоники, т. е. все диагностические признаки для определения вида дефекта. Аналогичный результат получается и для спектра винтового насоса.

используемых в качестве диагностических признаков для определения износа шестерен, и ниже частот, возбуждаемых кавитацией.

Заключение

Норма вибрации насосов, приводимая в правилах РМРС ⁴ при диагностике технического состояния шестеренных и винтовых насосов, может использоваться только с учетом влияния температуры и давления перекачиваемой среды. Применяемое нормирование не позволяет с необходимой точностью определить причину превышения вибрации насоса, так как оно построено для третьоктавного спектра и не обладает необходимой избирательностью. Применяемое нормирование не позволяет определить наличие кавитации, которая может приводить к разрушению рабочих органов насоса. Частоты, генерируемые при кавитации, находятся значительно выше нормируемого диапазона.

При диагностике технического состояния насоса может использоваться узкополосный спектр виброскорости, так как на частотный состав вибросигнала давление и температура перекачиваемой среды не оказывают существенного влияния. При этом за диагностические параметры принимаются характерные частоты (роторные, зубцовые), их модуляция, высшие и субгармоники. Бóльшее значение для определения дефекта имеет присутствие высших гармоник, наличие и вид модуляции, чем амплитуда отдельных дискретных составляющих, которая зависит от температуры перекачиваемой среды.

При диагностике технического состояния насоса может использоваться сигнал виброускорения в диапазоне частот до 10 кГц. Виброускорение в указанном диапазоне позволяет использовать для диагностики огибающую высокочастотной компоненты сигнала, кроме того, по сигналу виброускорения возможно определить наличие кавитации в насосе. На первичном этапе диагностики возможно использование третьоктавного спектра виброускорения в диапазоне до 5 кГц с последующим уточнением по спектру огибающей или узкополосному спектру виброскорости. Огибающая также применяется и для диагностики подшипников качения насоса и электродвигателя.