(812) 335-00-85 | info@baltech.ru
уровень вибрации машины, вибрация подшипников качения, компоненты вибрации, частоты вибрации, мощность случайной вибрации

Источники возникновения вибрации

Механическими источниками возникновения вибрации в работающих в номинальном режиме роторных машинах являются колебательные силы периодического, случайного и ударного происхождения. Причинами же возникновения самих колебательных сил являются: неточность изготовления и сборки деталей, неточность сборки узлов и машины в целом, недостаток или несоответствие смазки, эксплуатационные дефекты деталей и узлов и др. Результатом действия отдельно взятых колебательных сил и их комбинаций (как правило, сумм или произведений) являются компоненты вибрации с характерными частотными спектрами. Здесь необходимо отметить, что при описании произведения сил в вибродиагностике ограничиваются случаем, когда частота основной (модулируемой) силы во много раз превосходит частоту модулирующей силы, а сама модулирующая сила является периодической с частотами, как правило, определяемыми частотой вращения деталей и узлов машины.
  1. Классификация колебательных сил.
По природе возникновения механические колебательные силы подразделяются на:
  • центробежные силы, обусловленные дисбалансом вращающихся деталей;
  • кинематические силы, вызванные движением тел по неровным поверхностям;
  • ударные силы, вызванные упругими соударениями движущихся тел;
  • параметрические силы, вызванные скачками во времени жесткости тел в направлении действия постоянной силы;
  • силы сухого трения (чаще всего вызванные недостатком смазочных материалов).
(В целом же, помимо колебательных сил механического происхождения, источниками вибрации роторных машин могут быть и силы аэродинамического, гидродинамического и электромагнитного происхождения, которые мы здесь не рассматриваем).
  1. Вибрация ротора с дисбалансом.
Источники возникновения вибрации, ударные составляющие вибрации, основные источники вибрации, вибрации ротораСтатический дисбаланс ротора приводит к появлению центробежной силы f=emω2  (здесь eэксцентриситет; mмасса ротора; ω— частота вращения ротора), под действием которой вал ротора начинает вибрировать с этой же частотой и прогибаться. Прогиб ротора увеличивается с увеличением частоты его вращения вплоть до частоты резонанса ωрез1, после прохождения которого ротор переходит в режим автобалансировки. Скорость вращения ротора на частоте резонанса ωрез  называется первой критической скоростью вращения, и роторы, вращающиеся с частотой ω≤0,75ωрез1 принято считать жесткими, а роторы, вращающиеся на более высоких частотах – гибкими. Помимо статического дисбаланса в роторе может наблюдаться и моментная неуравновешенность, которая приводит к изгибу вала в  форме волны. При такой форме изгиба жесткость вала существенно больше, чем в случае статической неуравновешенности, поэтому и частота резонанса ωрез2 в 3-4 раза больше частоты ωрез1. Скорость вращения ротора на частоте резонанса ωрез2 называется второй критической скоростью вращения. Если уровень вибрации машины, обусловленный дисбалансом ротора, выше нормируемых значений, то необходимо провести 2-х или 4-х плоскостную балансировку ротора в собственных опорах, например, с помощью виброанализатора BALTECH VP-3470.
  1. Источники и частоты вибрации в подшипниках качения
Вращающийся нагруженный подшипник качения может быть источником значительных колебательных сил, среди которых:
  • силы трения;
  • кинематические и ударные (импульсные) силы, обусловленные неровностями поверхностей качения;
  • параметрические силы, обусловленные переменной жесткостью подшипника за счет периодического изменения нагруженных тел качения.
Частоты гармонических составляющих вибрации подшипника качения определяются частотами вращения его деталей (элементов) и комбинацией этих частот. уровень вибрации машины, вибрация подшипников скольжения, компоненты вибрации, частоты вибрацииРассмотрим наиболее часто встречающийся вариант подшипника качения с неподвижным внешним и вращающимся внутренним кольцом. Для определения частот вибраций подшипника необходимо знать частоту вращения машины n (об/мин) и основные параметры подшипника: dн–наружный диаметр; dв– внутренний диаметр; dтк–диаметр тел качения; z – число тел качения; α – угол контакта тел качения с дорожкой качения. Прежде всего, определим частоты вращения отдельных элементов подшипника:
  • частота вращения внутреннего кольца fоб=n/60(Гц);
  • частота вращения сепаратора fc= 0,5fоб(1-(dтк/dcтк)*cosα) ,здесь dc=(dв+dн)/2 – диаметр сепаратора;
  • частота вращения тел качения fтк=fс((dc/dтк)+cosα) = 0,5fоб(dc/dтк)(1-(dтк2/dcтк2)*cos2α) ;
  • частота перекатывания тел качения по наружному кольцу fнар=fcz=0,5zfоб(1-(dтк/dc)*cosα);
  • частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу fвн=(fоб-fс)z=0,5zfоб(1+(dтк/dc)*cosα) .
На всех указанных частотах и их комбинациях между деталями подшипника могут возникнуть гармонические колебательные силы, вызывающие вибрацию ротора и машины в целом. Кроме рассмотренных гармонических составляющих вибрации в подшипниках качения наблюдаются и случайные компоненты вибрации, обусловленные силами трения. В бездефектном подшипнике силы трения постоянны и соответственно остается постоянной и мощность случайной вибрации. При появлении дефектов, вызывающих изменение сил трения, мощность случайной вибрации модулируется рассмотренными выше подшипниковыми частотами или их комбинациями. Что касается ударных составляющих вибрации, то в бездефектном подшипнике ударные силы отсутствуют и, соответственно, отсутствуют и ударные вибрации. Появляются они при зарождении дефектов подшипника, что и используется для диагностических целей.
  1. Источники и частоты вибрации в подшипниках скольжения
Основные источники вибрации в подшипниках скольжения – силы трения, кинематические и ударные силы. При этом гармонические составляющие вибрации, обусловленные неровностями шейки вала, наблюдаются на гармониках оборотной частоты fоб .Помимо этого, автоколебания ротора в подшипнике могут вызвать гармоническую вибрацию с частотами, кратными частоте автоколебаний ротора ≅0,5fоб . Силы трения в подшипниках скольжения существенно больше, чем силы трения в подшипниках качения, однако, мощность возбуждаемой случайной вибрации при этом, как правило, существенно меньше, чем в подшипниках качения. Ударные составляющие вибрации возникают при появлении дефектов смазки подшипника скольжения, при этом наибольший скачок мощности вибрации наблюдается при сухих ударах, сопровождающихся разрывом смазочного слоя и задеваниями шейки вала о поверхность вкладышей подшипника. В данной статье мы лишь рассмотрели основные источники вибрации и характерные частоты вибраций в роторах с дисбалансом, подшипниках качения и скольжения. Источники вибрации в вентиляторах, насосах, колесных парах, редукторах и др. подробно рассмотрены в соответствующих тематических статьях, но более глубокие систематические знания вы можете получить, пройдя обучение на курсе повышения квалификации ТОР-103 «Основы вибродиагностики. Источники возникновения вибрации» в Учебном центре компании «БАЛТЕХ».