Диагностика подшипников: диагностика подшипников

Шрифт:

Содержание

Дефекты подшипников качения, обнаруживаемые в эксплуатируемых агрегатах по вибрации, это:

• дефекты смазочного слоя – разрыв с прямым контактом двух поверхностей качения,
• дефекты монтажа – перекосы колец, перегрузка, проскальзывание колец в местах посадки
• дефекты поверхностей качения – неравномерный износ, сколы, раковины, трещины
• дефекты поверхностей скольжения – износ сепаратора и защитных колец, задевания сепаратора за неподвижные части, разрывы сепаратора.

Следствием большинства из перечисленных дефектов являются удары поверхностей качения друг о друга, возбуждающие импульсную вибрацию подшипникового узла. Несмотря на периодичность вращения элементов качения – вращающихся колец и тел качения, удары могут следовать как периодически, так и со случайными интервалами. Но процесс развития дефектов подшипника качения не всегда сопровождается появлением ударных импульсов. Так, они практически отсутствуют вплоть до предаварийного состояния при таком опасном дефекте, как износ сепаратора, а при равномерном износе поверхностей качения ударные импульсы возникают лишь после ухудшения смазки из-за большого количества продуктов износа в случае, если подшипник не смазывается принудительно.

Контроль импульсной вибрации, возбуждаемой ударными импульсами, относится к часто используемым способам обнаружения дефектов подшипников качения. В «ударном» методе есть три физически разные модификации (группы методов), обнаруживающие удары в сигнале вибрации разных частотных диапазонов.

Первая и наиболее простая группа основана на анализе ультразвуковой вибрации, в том числе и акустоэмиссионного происхождения. В ультразвуковой вибрации подшипника качения, как правило, присутствуют составляющие только импульсного происхождения, что упрощает их анализ. Характерным представителем этой группы является SPM – метод, с поиском и анализом ударов на частотах около 30кГц. Общая проблема этой группы методов, даже с использованием спектрального анализа огибающей ультразвуковой вибрации – не все дефекты поверхностей качения обнаруживаются на ранней и безопасной для эксплуатации подшипника стадии развития, определяя невысокую достоверность прогноза его состояния.

Вторая группа методов использует статистическую оценку сигнала вибрации в разных частотных диапазонах. Чаще всего определяются второй (дисперсия, т.е. мощность переменной составляющей сигнала) и четвертый (эксцесс) центральные моменты распределения виброускорения, как правило, измеряемого в звуковом диапазоне частот, а оценка вклада ударных компонент производится по коэффициенту эксцесса.

Третья группа методов обнаружения импульсных сигналов рассчитана на измерение и анализ подшипниковых составляющих вибрации при появлении ударов в подшипнике. Количество высших гармоник таких составляющих многократно растет на низких и средних частотах, и контроль их появления в спектре вибрации узлов вращения, а иногда и в удаленных точках контроля вибрации машины является основным методом вибродиагностики подшипников качения. Проблемы остаются с обнаружением дефектов поверхностей трения скольжения, прежде всего сепаратора, и для их решения необходимы дополнительные виды анализа подшипниковой вибрации. Для обнаружения подшипниковой вибрации ударного происхождения простыми средствами спектрального анализа в середине прошлого столетия был предложен способ двойного построения спектра с промежуточным нелинейным преобразованием, т.е. кепстральный анализ вибрации. Этот способ позволяет обнаружить ряд дефектов поверхностей качения подшипников, находящихся в наиболее развитом состоянии. Но существенным недостатком использования кепстрального анализа для вибродиагностики подшипников качения является невозможность, как обнаружить все опасные виды дефектов подшипника, так и определить величину дефекта с точностью, позволяющей прогнозировать его состояние.

В настоящее время ведутся работы по модернизации методов диагностики, не требующих точного знания параметров подшипника. Основное направление – развитие метода ударных импульсов, которое идет по пути параллельной регистрации импульсной вибрации (виброускорения) в нескольких точках контроля и в нескольких частотных диапазонах. Сравнение формы импульсной вибрации в разных частотных полосах в одной точке контроля позволяет уточнять степень опасности дефекта, так как большой по мощности ударный импульс проявляется в сигнале вибрации и на средних, а иногда и на низких частотах.

Рис.15.4. Зависимость огибающей вибрации с импульсными компонентами от времени на высоких частотах (а) и на средних частотах с затянутым задним фронтом импульса из-за возбуждения собственных колебаний элементов подшипника (б).

Сравнение формы импульсной вибрации в разных точках контроля с учетом изменения формы импульсной вибрации при ее распространении позволяет определять ее источник, в том числе и подшипник, удаленный от точки контроля.

Наиболее полная вибрационная диагностика строится на основе анализа подшипниковых составляющих в спектре вибрации на низких и средних частотах Подшипниковые составляющие вибрации с вращающимся внутренним кольцом подшипника – это четыре ряда кратных по частоте гармонических составляющих со следующими характерными (основными) частотами:

где   – частота вращения ротора,  – частота вращения сепаратора ,   – частота вращения наружного кольца,  – частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу,  – частота перекатывания тел качения по наружному кольцу,  – частота вращения тел качения.

К этим рядам гармонических составляющих следует добавить еще и ряд гармоник частоты вращения, однако рост вибрации на гармониках оборотной частоты – это признак очень многих дефектов разных вращающихся узлов, поэтому диагностика подшипника выполняется, как правило, по росту вибрации на частотах, кратных указанным в первых четырех выражениях.

Для подшипников с вращающимися наружными кольцами, например, для подшипников сателлитов планетарных редукторов, выражения для расчета рядов подшипниковых составляющих вибрации приобретают вид:

Сравнение двух приведенных групп выражений для расчета подшипниковых составляющих вибрации при вращении, соответственно, внутреннего и наружного кольца показывает, что фактически изменяется тишь одна частота – частота вращения сепаратора.

В упорных подшипниках качения =0, т.е. частоты перекатывания  и  совпадают.

Сложность анализа подшипниковых составляющих вибрации определяется тем, что их уровень зависит как от величины дефекта, так и от нагрузки на дефектный участок поверхности качения. Нагрузка, в свою очередь меняется либо с частотой вращения ротора из-за действия со стороны ротора, например, центробежных сил, которые сравнимы с силой его тяжести, а иногда и превышают ее, либо с частотой вращения сепаратора. В результате подшипниковые составляющие вибрации часто бывают модулированы по амплитуде, а иногда и по фазе (частоте). Анализ спектров модулированных периодических сигналов весьма сложен, и тяжело поддается автоматизации. Для примера на рис. 15.5. приведен спектр вибрации агрегата, в котором количество гармонических составляющих, требующих автоматической идентификации, составляет несколько сотен

Рис.15.5. Спектр вибрации редуктора

Сложность анализа спектров подшипниковой вибрации на низких и средних частотах многократно увеличивается из-за того, что подшипников в агрегате – несколько, у каждого могут проявляться свои подшипниковые  составляющие вибрации в любой точке контроля и при этом их частоты могут быть близки, но не совпадать полностью. Но эта сложность компенсируется возможностью обнаружения практически всех дефектов поверхностей качения, в том числе и износа без появления раковин и сколов, причем с определением вида и степени опасности дефекта. Более того, низкочастотная и среднечастотная подшипниковая вибрация недоступных для прямого контакта подшипников может измеряться в удаленных от подшипника качения точках контроля. Что касается контроля состояния поверхностей трения скольжения (сепаратора и защитных колец), при их дефектах растет сила трения скольжения и случайная вибрация, мощность которой также можно контролировать по спектру вибрации, но уже собственно подшипникового узла.

Проблемы в экспертной диагностике подшипников качения по спектру подшипниковой вибрации начинаются при низких (ниже 100об/мин) частотах их вращения, так как в информативном диапазоне спектра (ниже 10Гц) появляется большое количество «чужих» составляющих от других работающих в соседних помещениях агрегатов. Тогда приходится использовать дополнительно несколько независимых методов диагностирования, анализируя и импульсную вибрацию ударного происхождения, и суммарную случайную вибрацию от сил трения качения и скольжения.

Современные технологии цифрового анализа сигналов вибрации и дальнейшей обработки результатов анализа позволяют создавать эффективные средства вибродиагностики подшипников качения с параллельным использованием всех методов обнаружения дефектов – по появлению импульсной вибрации от ударов, по случайным составляющим вибрации от сил трения и по подшипниковым составляющим спектра вибрации. Анализ вибрации от сил трения, в первую очередь спектральный анализ огибающей случайной вибрации, наиболее эффективен в задачах обнаружения дефектов элементов трения скольжения (сепаратора и защитных колец). В качестве примера такой спектр приведен на рис. 15.6.

Рис.15.6. Спектр огибающей вибрации подшипникового узла с износом сепаратора.

Следует отметить, что на протяжении многих лет в России используются системы автоматизированной вибродиагностики подшипников качения, доступных для контактного измерения вибрации. Диагностика проводится по совокупности измеряемых спектров вибрации подшипникового узла, спектров огибающей ее высокочастотных компонент и формы ультразвуковой вибрации от ударов в подшипнике. Но эти системы требуют предварительной регистрации геометрических размеров элементов диагностируемых подшипников и частот их вращения для расчета составляющих подшипниковой вибрации, хотя такая информация далеко не всегда доступна оператору, эксплуатирующему диагностическую систему.

Активно развиваются и методы диагностики подшипников качения без знания их геометрии, причем не только на основе модернизируемого метода ударных импульсов. К таким методам, в частности, относится выделение из сигналов вибрации случайных составляющих с построением их широкополосных спектров для каждого подшипникового узла с последующим сравнением уровня спектральных составляющих разных узлов в разных полосах частот. Максимальный рост случайной вибрации оказывается в узле с дефектным подшипником, по мере развития дефекта такой рост переходит на полосу частот с более низкой частотой. Этот метод позволяет обнаружить и дефекты сепаратора, однако проблемы идентификации вида дефекта сохраняются.

Еще одно и самое сложное направление диагностики подшипников качения, не требующих знания их геометрии – развитие поисковых систем обнаружения подшипниковых составляющих в спектрах вибрации и в спектрах огибающей ее высокочастотных компонент. Задача весьма сложная, в настоящее время решается экспертными методами, но, по имеющимся сведениям, попытки решить ее полностью в автоматическом режиме близки к получению практически значимых результатов.

Оптимальными точками контроля вибрации является корпус подшипникового узла, направление измерения вибрации – радиальное к оси вращения. При высоких осевых нагрузках на подшипниковый узел желательно измерять на нем и осевую вибрацию.

С учетом невибрационных методов в практической диагностике подшипников качения можно выделить два основных направления – по сигналам вибрации и по продуктам износа. Есть еще несколько видов косвенной диагностики – по опосредованному влиянию дефектов подшипников качения на различные свойства агрегата в целом. Все они могут применяться в тех или иных конкретных случаях диагностики без доступа к подшипниковому узлу. Один из примеров – способ косвенный оценки состояния подшипников качения асинхронных электродвигателей, в которых параметры воздушного зазора зависят от износа и дефектов подшипников, по спектру потребляемого двигателем тока.

Содержание