Проблемы подшипников скольжения.

   Прежде, чем начать обсуждать вопросы диагностики состояния подшипников скольжения, необходимо сказать несколько слов об особенностях динамических процессов в них, существенно влияющих на особенности вибродиагностических процессов. Без знания этих особенностей невозможно составление корректных диагностических правил по таким подшипникам.  

 

  Участок от точки 1 до точки 2 есть участок устойчивой работы подшипника, когда ответная силовая реакция подшипника на возмущающий импульс нагрузки однозначно соответствует величине возмущающего импульса. Например, при увеличении нагрузки на ротор на “N” процентов рабочая точка подшипника сместится по своей траектории настолько, чтобы несущая способность подшипника выросла также на “N” процентов.

 На участке от точки 2 до точки 3 картина динамических процессов во многом иная. Вследствие отрицательной кривизны траектории движения центра ротора здесь существует специфический эффект, который можно назвать “перерегулированием” в реакции подшипника на внешние возбуждения. Смысл этой фразы в том, что в ответ на возмущающий импульс, например единичной силы, ответная реакция подшипника может равняться не единице, а, например, двум. Ротор вернется обратно, но “улетит” по траектории дальше, чем нужно. Далее на ротор, “улетевший” за точку равновесия, снова будет действовать чрезмерный импульс от маслянного слоя подшипника, направленный в сторону точки установившегося режима, но и это усилие снова будет чрезмерным. В итоге ротор снова “улетит” за точку равновесия в начальную позицию, а вероятнее всего и даже еще дальше. Результатом этого явления “сильного перерегулирования” станет бесконечное автоколебание ротора на маслянном клине относительно точки равновесия.

  Картина этого автоколебания, возникающая обычно при малой нагрузке на подшипник, очень своеобразна и чем - то напоминает попытку выспаться на “не полностью накачанном резиновом матраце” человеку с небольшой массой. Происходит “переваливание” человека с одной части матраца на другую. В форме маслянного клина появляются, если смотреть в разрезе, своеобразные “волны”, перемещающиеся со входа на выход. В конечном итоге такие колебания наводят специфическую, достаточно низкочастотную вибрацию как в вертикальном, так и в поперечном ( радиальных ) направлениях.

 Интересным для диагностики является то, что частота этого автоколебания примерно одинакова у всех роторов и обычно составляет примерно 0,42 - 0,48 от оборотной частоты ротора. Именно такое же значение имеет частота, свойственная дефектам сепаратора у подшипников качения. Такое сходство говорит о том, что скорость движения слоя масла, точнее говоря маслянных волн, в зазоре подшипника скольжения, практически равна скорости перемещения сепаратора в подшипниках качения. Эта частота есть показатель относительной скорости перемещения масла в зазоре между неподвижным вкладышем и вращающимся ротором. Средняя скорость движения масла в зазоре подшипника, в идеальном случае, должна равняться половине частоты вращения вала. На практике она всегда  немного меньше, т. к. имеет место вытекание масла в боковые зазоры подшипника.

 Численное значение частоты маслянных вибраций в одном и том же подшипнике может меняться в указанном диапазоне 0,42 - 0,48 в процессе изменения состояния элементов подшипника.

Это дает возможность по величине этой частоты косвенно судить об относительном состоянии каждой из рабочих поверхностей подшипника. Если частота маслянной вибрации, с течением времени, смещается ближе к 0,5 от оборотной частоты, то, наверное, можно говорить о хорошем состоянии внешней поверхности вкладыша и о худшем состоянии поверхности шейки вала. Масло в большей степени тяготеет к шейке вала и перемещается быстрее обычного.

 Если частота маслянной вибрации снижается и стремится ближе к величине 0,4 от частоты вращения вала, то тогда все наоборот. Лучшим по качеству является состояние поверхности шейки вала. Масло тяготеет к вкладышу, имеющему поверхностные дефекты, и сильно тормозиться.

 В некоторых случаях уменьшение частоты вибрации маслянного клина говорит об увеличении зазоров в подшипнике.

 Эти логические рассуждения о влиянии состояния подшипника на изменение частоты маслянной вибрации справедливы достаточно часто, но не всегда. Они приведены здесь для примера и, мы надеемся на это, принесут пользу читателям при более глубоком изучении вопроса и анализе опыта уже имеющейся практической работы.

 При выполнении диагностики подшипника скольжения обязательно следует хорошо знать конструкцию подшипника или, как минимум, спектральную историю развития вибраций на данном подшипнике. Очень нужен в этом вопросе практический навык вибродиагноста.

 У гибких роторов спектральная картина и частота автоколебания может быть несколько иной, если рядом будет находиться первая критическая частота ротора, что часто бывает у турбогенераторов. В этом случае пик на частоте резонанса будет больше, чем на сепараторной частоте, что не нуждается в особых объяснениях.

Для разделения этих двух пиков, маслянного и резонансного, впрочем как и вообще для диагностики подшипников скольжения, необходим спектроанализатор с хорошим спектральным разрешением. При использовании анализаторов с малым числом линий в спектре, меньше, чем 400 - 800, диагностика маслянных вибраций напоминает что - то не совсем серьезное и корректное. Наверное, при большом практическом опыте, можно и угадать, но серьезно диагностировать нельзя.

 Для уменьшения вероятности возникновения автоколебаний маслянного клина в подшипниках скольжения применяются различные 

меры, такие как использование подшипников скольжения с вкладышами специальной формы и с секционированными вкладышами, такими как:

- с некруглой формой расточки - лимонной, трехцентровой и т. д.;

- с подвижными секционированными и независимыми рабочими поверхностями - кольцами, вкладышами и т. д.

При наличии секционирования вкладышей в спектре могут появиться вибрации от маслянной гармоники, пропорциональные числу сегментов. Диагностирование таких подшипников, конечно, имеет свои отличия, но они не очень значительны. Необходимо просто хорошо изучить конструкцию такого подшипника и у Вас будет достаточно предварительного материала для постановки верного диагноза при помощи спектров вибросигналов.

 В общем случае ротор “соприкасается” ( через маслянный клин ) с вкладышем подшипника не по всей окружности, а на некоторой, не очень большой, дуге в нижней части вкладыша. В результате основные динамические нагрузки действуют на этом участке. Если построить “розу вибраций”, то этот “контактный” участок будет виден достаточно хорошо. Об этом следует помнить при диагностике и этим следует пользоваться при составлении собственных диагностических правил, повышая тем самым информативность диагнозов.

 Спектральная картина последней стадии увеличенного зазора в подшипнике скольжения имеет стандартный вид, свойственный  механическому ослаблению. На спектре появляется целая гамма 

оборотных гармоник с номерами до 10 или даже до 20. Поскольку при увеличении зазора ротор обычно имеет перемещения в вертикальном направлении, дефект проявляется в большей степени в виде повышенных вертикальных вибраций, более значительных по сравнению с горизонтальными. В диагностике этого хорошо помогает круговой замер вибрации и построение “розы вибраций”.

  При увеличенных боковых зазорах может резко возрасти только поперечная составляющая вибрации, что так же легко объяснимо - сдвинуть ротор “вбок” легче, чем приподнять его.

  Характерный спектр такого дефекта показан на рис. 1. По внешнему виду видно, что он не имеет существенных отличий от стандартного спектра при дефекте “ослабление механической посадки элемента на вращающемся роторе”.

  Последнее замечание по зазорам в подшипниках скольжения. Большое число практических вибродиагностов все еще работают с виброперемещением, по которому диагностировать увеличение зазоров в подшипнике скольжения сложнее, чем по спектру виброскорости.

 

 Рассмотрим наиболее общие и часто встречающиеся в практике особенности диагностирования вибраций маслянного клина в подшипниках скольжения.

 Как уже было сказано выше очень характерно этот дефект  проявляется в спектре вибросигнала в виде увеличения амплитуды субгармоники с частотой 0,42 - 0,48 от оборотной частоты вала. Если амплитуда этой субгармоники превышает 50 % от величины первой оборотной гармоники частоты вращения вала, то следует говорить о серьезном характере данного дефекта и об опасном влиянии его на общее состояние агрегата.   Цифра приведена при диагностике состояния подшипника по величине виброскорости.

Вибрации маслянного клина проявляются обычно там, где имеется значительное отклонение от нормальной кондиции одного из следующих основных параметров:

- нагрузка от ротора на подшипник не соответствует расчетной несущей способности маслянного клина, обычно при пониженном значении нагрузки;

- в агрегате, как минимум, присутствует еще одна возмущающая вибрации сила, возникшая не как результат проблем подшипника, но способная возбудить колебания ротора в подшипнике;

- произошло значительное изменение рабочих параметров масла по сравнению с расчетными, таких, как вязкость, температура, давление, наличие посторонних примесей.

Повторим так же диагностические особенности возникновения субгармоники с частотой маслянной вибрации, перечисленные выше в первом разделе.

- Если частота маслянной вибрации смещается ближе к значению 0,5 ( от оборотной частоты ), то, наверное, можно говорить о хорошем состоянии внешней поверхности антифрикционного вкладыша или о плохом состоянии поверхности шейки вала. Дефект сосредоточен на поверхности шейки вала.

- Если частота маслянной вибрации располагается сравнительно ближе к величине 0,4 от частоты вращения вала, то тогда все наоборот. Лучшим является состояние поверхности шейки вала.

- У гибких роторов частота автоколебания может быть несколько иной, если рядом будет находиться первая критическая частота ротора, что часто бывает у турбогенераторов. В этом случае пик на частоте резонанса будет больше, чем на сепараторной частоте, что не нуждается в особых объяснениях.

 

 Для разделения с резонансным пиком и для определения смещения маслянной гармоники вверх или вниз по частоте необходим спектроанализатор с большим числом линий в спектре.

В заключение хочется повторить еще раз, что, чем выше практический опыт вибродиагноста, тем больше у него шансов на успех при диагностике состояния

  Если вкладыши являются самоустанавливающимися, то они перемещаются в точку нового равновесного состояния и вибрации могут уменьшиться. Если такой возможности нет, вибрация останется большой. Максимальное значение она обычно имеет в осевом направлении. Это происходит не потому, что наибольшие силы действуют вдоль оси агрегата, просто конструктивная податливость подшипниковой стойки в данном направлении наибольшая. Как уже было сказано выше “колебания есть возмущающая сила умноженная на подвижность конструкции”.

 Сравнение вибраций в вертикальном и поперечном направлениях, особенно построение “розы вибраций” в этой плоскости позволяет достаточно корректно выявить ось перекоса вкладыша.

 Частотный состав вибраций при таком дефекте прост и обычно ограничивается первой гармоникой. При сегментных вкладышах возможно появление гармоники с частотой, равной произведению оборотной частоты на число сегментов.

 Необходимо отделять эту причину повышенной вибрации от дефекта типа “изгиб вала”, который в спектре дает примерно одинаковую картину. Разделить их можно по двум особенностям.

Первая. В “розе вибраций”, построенной в плоскости, перпендикулярной оси агрегата, при изгибе вала нет четко выраженного максимума. При перекосе вкладыша он всегда есть.

 Второй способ немного посложнее и требует для диагностики синхронно зарегистрированных или синхронизированных вибросигналов. При их наличии дальнейшее уже достаточно просто. Если фаза первой гармоники всех вибраций, включая осевую, является достаточно устойчивой, то можно с большой достоверностью предполагать изгиб вала. Это хорошо согласуется с физической картиной вращения изогнутого вала. Если же фаза первой гармоники, хотя бы в одной из радиальных проекций, обычно в поперечной, является неустойчивой, то наверное нужно говорить о перекосе вкладыша подшипника скольжения.

 При излишней подвижности вкладыша подшипника скольжения в опоре наряду с эффектом перекоса на спектре возникает “резонансное поднятие” в диапазоне средних и высоких частот в виде небольшого “купола” с небольшой мощностью, создающее картину небольшого “затирания” и в основном диагностируемого на резонансной частоте конструкции подшипника скольжения.

Последней стадией большой подвижности является спектральная картина ослабленной посадки элементов с большим количеством целых и дробных гармоник в спектре. Подробнее об этом можно прочитать в разделе “механические ослабления”, т. к. это уже будет интегральный дефект, общий для многих первопричин, а не только относящийся к подшипникам скольжения.

 Возможно такая причина будет на спектре похожа на причину “увеличенный зазор в подшипнике скольжения”. Разделить эти причины можно, если конечно есть история развития вибраций на данном подшипнике за необходимый период времени. Это даст возможность выявить тренд развития неисправности начиная с начальных стадий.

 

 

Эллипсность шейки вала.

 

 

 В процессе работы шейка вала, являющаяся частью подшипника скольжения, может неравномерно износиться и ее поперечное сечение круга может стать эллиптической. При определенных условиях износа сечение шейка вала может иметь в себе некоторую трехгранность, четырехгранность и т. д.

  При работе такого подшипника толщина маслянного клина будет модулироваться нелинейностью кривизны шейки вала. В итоге радиальные, в основном вертикальные, вибрации будут иметь в своем составе гармоники, пропорциональные произведению оборотной частоты вала на “порядок эллипсности” шейки вала. При эллипсе это будет вторая гармоника оборотной, при “трехгранности” - третья и т. д.

  При эллипсности происходит некоторое увеличение частоты вибрации маслянного клина, т. к. масло в большей мере увлекается в своем движении ротором. Она может доходить до 0,45 - 0,46 от оборотной частоты ротора.

  Следует сказать несколько слов о том, что особенно трудно выявлять эллипсность шейки вала в электрических машинах с частотой вращения 3000 об/мин, в которых практически всегда есть гармоника электромагнитной силы, по частоте равная второй гармонике оборотной частоты ротора. Кроме того у турбогенераторов, в силу особенностей конструкции, всегда имеет место вторая гармоника оборотной частоты, вызванная неодинаковой жесткостью ротора в поперечном сечении.

 

Автор: Русов В.А.