Вибрации при работе (или колебания), измеряемые на корпусе подшипника качения, порождаются четырьмя главными источниками:
а)вращением элементов подшипника;
б)резонансами элементов подшипника и его крепления;
в)акустическим излучением (слышимый шум);
г)внешними вибрациями;
д)силами трения в элементах подшипника.
Вращения элементов подшипника. Каждый из главных элементов подшипника (внутреннее кольцо, сепаратор, тела качения и наружное кольцо) имеет свою характерную частоту, на которой возбуждается вибрационная энергия в результате циклических напряжении или периодических ударов на дефекте. Такая совокупность основных частот может быть определена для любого типа подшипника с идеальной геометрией. На практике идеальная геометрия встречается редко, и обычно находят дополнительные частотные составляющие, генерируемые такими погрешностями, как огранка, овальность колец и разноразмерность тел качения.
Резонансы элементов подшипников. Каждый элемент подшипника имеет собственные резонансы. Они могут изменяться н добавляться при сборке и нагружении элементов в присутствии смазки. Такие резонансы будут возбуждаться изменениями нагрузки, которые возникают на основных частотах и под воздействием нерегулярного контакта в поврежденных областях.
Акустическое излучение. Акустическое излучение связано с вибрациями, возбуждаемыми перемещениями материала подшипника в атомарном масштабе. При деформировании материала образование дислокаций и их последующее перемещение приводят к нестационарным волнам напряжений. В подшипниках качения значительные местные напряжения возникают в областях упруго-гидродинамического нагружения, и эти напряжения могут быть источником активного излучения упругих волн в слышимом частотном диапазоне.
Внешние вибрации. Подшипник обычно является единственной естественной связью между вращающимися и неподвижными узлами машин и как таковой может рассматриваться как главное место передачи вибрации. Эти вибрации могут возникать на вращающемся элементе под воздействием дисбаланса, зубчатого зацепления, лопаток рабочего колеса и других подшипников. В комбинации с излучением колебаний в
неподвижной конструкции1 и вибрацией приходящей извне2 они создают полную вибрационную картину, измеряемую на корпусе подшипника.
Силы трения. Силы трения создают высокочастотную вибрацию, уровень которой определялся качеством смазочного материала подшипника. Детальные исследования природы образования случайной вибрации в подшипниках качения показали3 что силы трения н создаваемая ими вибрация имеют амплитудную модуляцию. Так. дефекты сборки подшипникового узла, сопровождающиеся периодическим изменением силы нормального давления на тела качения, а также дефекты износа, создающие периодическое изменение коэффициента трения, приводят к модуляции уровня вибрации различными частотами. Большинство из дефектов сборки и износа подшипников качения приводит к модуляции случайной высокочастотной вибрации подшипникового узла частотами, связанными определенными соотношениями с частотой вращения одного из колец подшипника (чаше внутреннего).
ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВИБРАЦИИ В АГРЕГАТЕ
Для правильного понимания, физических процессов, происходящих в подшипнике качения, необходимо сделать ряд предварительных замечаний. Давайте отвлечемся от обсуждения конкретных причин, являющихся источником вибрации в подшипнике качения. Представим себе, что все источники вибраций подшипника нам известны. Для точного измерения вибрации то есть, колебаний агрегата (реакции механической системы на внутреннее кинематическое и силовое возбуждение), вызванных подшипником качения мы должны подобраться непосредственно к источнику вибрации, что в большинстве случаев невозможно сделать, так как. для этого нам понадобилось бы нарушить целостность корпуса опоры подшипника. На практике мы можем измерить реакцию системы (агрегата) на это возбуждение только на поверхности агрегата. Как известно, любая механическая система является фильтром. Она обладает амплитудно-частотной характеристикой4 которая в свою очередь определяет уровни сигнала (его амплитудный состав)5.
При распространении вибрации в агрегате, с колебаниями происходят такие же превращения, как и со звуковыми волнами, идущими от излучающего динамика к слушателю. Известным является тот факт, что Ваши соседи жалуются на то. что у них
1 Например, резонансы корпуса агрегата или скажем, фундамента, опор и т. п.
2 Источником вибрации может служить соседний агрегат, или установка, находящаяся за десятки или даже сотни метров от обследуемого агрегата.
3 Первые исследования в этой области были выполнены корпорацией Боинг в середине 60-х годов.
4 АЧХ - пространственная функция, характеризующаяся направлением распространения вибрации.
слышны только «бухающие» низкочастотные звуки, хотя Вы наслаждаетесь «богатым» и «сочным» звучанием Вашей звуковоспроизводящей аппаратуры. Это пример того, что с удалением от источника колебаний, звук претерпевает изменение амплитудного состава (высокочастотные звуковые составляющие затухают гораздо быстрее, чем низкочастотные). Подобно этому, высокочастотная вибрация имеет тенденцию к быстрому затуханию. Это свойство имеет для диагностики, как ряд преимуществ, так и существенный недостаток. Преимущество — возможность локализации дефекта. Высокочастотная вибрация быстро затухает и как следствие не обнаруживается уже на небольшом расстоянии от дефекта. Недостаток — особые требования к способу и месту- установки датчика.
ВЫБОР ДАТЧИКА И МЕСТА ИЗМЕРЕНИЯ
Требования, накладываемые на выбор датчика, вытекают из частотного диапазона диагностического сигнала, частоты и добротности резонанса пьезокерамического измерительного пакета датчика. Также, при выборе датчика следует принимать во внимание температуру измеряемой поверхности6 В обычных условиях для измерения вибрации вполне подходит штатно поставляемый с прибором датчик.
Учитывая особенности распространения вибрации, одной из основных ошибок является неправильный выбор места измерения вибрации. Максимальные контактные усилия в подшипнике качения происходят в нагруженной зоне. Логично предположить, что при нормальных условиях эксплуатации, нагруженная зона для тихоходных горизонтальных машин7 находится в нижней части подшипника8. Для остальных машин рекомендуемые места установки показаны на рис. 1. Наша задача как можно ближе подобраться к источнику вибрации в подшипнике, то есть к его нагруженной зоне. Таким образом, оптимальным для установки, можно считать нижнюю часть подшипникого щита. Между датчиком и наружным кольцом должно быть минимальное число контактных поверхностей. На каждом переходе вибрация частично отражается и поглощается, поэтому при прохождении нескольких контактных поверхностей большая часть энергии высокочастотной вибрации рассеивается. Это приводит к тому, что при плохом выборе измерительной точки мы не сможем заниматься ранней вибродиагностикой подшипников качения. Также необходимо сделать ряд ограничений на крепление датчика в различных местах опоры. При существенных изменениях толщины подшипникого щита происходит значительное
5 В линейной механической системе изменение спектрального состава сигнала не происходит
6 Обычный (штатный) датчик имеет максимальную рабочую температуру порядка 80 °С.
7 Тихоходных — частота вращения которых меньше 15 Гц.
8 Это является следствием того, что в подшипнике действует статическая нагрузка от веса ротора.
ослабление вибрации на границах скачков толщины. Следовательно, описываемые выше явления нужно учитывать при выборе места установки датчика.
рис 1. Зелеными точками показаны «правильные» места установки датчиков, красными — «неправильные»
для машин работающих со скоростями вращения более 15-20 Гц
Спектральный состав вибрации в контролируемых точках должен содержать шумовую составляющую, обусловленную силами трения подшипника качения.
СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ ДАТЧИКОВ
При диагностике подшипников качения направление измерений не регламентируется. Но. несмотря на это обстоятельство, следует оговорить ряд требований и ограничений, накладываемый на место и способ установки датчика9.
Так как при периодическом мониторинге мы должны выполнять сравнительный анализ замеров, то необходимо обеспечить повторяемость условий крепления (способа и места установки датчика и его выбора). Поскольку мы имеем дело с относительными
9 В дальнейшем предполагаем, что при проведении замеров пользуемся одним и тем же датчиком.
измерениями (оцениваем глубину модуляции, а не ее абсолютные значения), то нам важно лишь обеспечить погрешность измерений при многократной установке датчика в одной и той же точке не более 40%, при одинаковом способе крепления. Это требование вытекает из того, что при неудачном выборе контрольной площадки возможен большой разброс в показаниях измеряемой величины.
При диагностике ряда сходных механизмов, желательно место установки и способ крепления датчика на всех машинах выбирать одинаковыми (для обеспечения возможности проведения сравнительного анализа).
Для обеспечения равномерной чувствительности во всем контролируемом частотном диапазоне необходимо использовать датчик с резонансной частотой керамики выше верхней границы исследуемой полосы не менее 20%10
В большинстве случаев, замеры выполняются при установке датчика на магнит. При этом нужно избавится от установочного резонанса11 датчика. Для решения этой задачи нужно выполнить ряд дополнительных условий.
При установке датчика на магните необходимо очищать контролируемую поверхность от краски или каких-то других покрытий. Поверхность должна быть плоской и достаточно гладкой для надежной установки датчика. Место установки датчика следует покрыть тонким слоем консистентной смазки. Указанные требования избавляют нас от ярко выраженного установочного резонанса датчика и позволяют выполнять измерения как в дорезонансной, так и зарезонансной областях датчика, установленного на магните. Нужно лишь исключить из анализа полосу, содержащую установочный резонанс.
ОСНОВЫ МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ
Основу метода диагностики состояния подшипников качения по спектрам огибающей составляет явление зависимости параметров сил трения в подшипнике от вида и величины дефектов на трущихся поверхностях. Эти соотношения обнаруживаются в виде периодического изменения сил трения как функций частот вращения отдельных элементов подшипника (сепаратор, тела качения, внутреннее кольцо^. Результатом периодического изменения сил трения является амплитудная модуляция случайной вибрации подшипника, вызываемой этими силами. Также силы трения могут иметь амплитудную модуляцию
10 Резонансная частота керамики датчика, штатно поставляемого вместе с прибором, составляет приблизительно 27 кГп.
11 Частота установочного резонанса датчика в нормальных условиях составляет приблизительно 4.5 кГц.
12 Предполагается, что наружное кольцо подшипника неподвижно.
вследствие периодического изменения коэффициента трения и скачков сил давления на трущихся поверхностях.
Идентификация дефектов осуществляется путем спектрального анализа огибающей шумовой составляющей вибрации подшипника.
Предлагаемый алгоритм диагностирования основан на правиле, по которому каждому виду дефекта соответствует одна из ограниченной совокупности групп составляющих в спектре огибающей вибрации, причем группы не могут быть одинаковыми для разных видов дефектов. Вероятность появления основных признаков неисправности, приведенных в таблице 1. составляет 70 - 85%.
Величины дефектов определяются по максимальной глубине модуляции вибрации т, задаваемой в процентах, которая однозначно связана с разностью ΔL уровней гармонических составляющих и фона в спектре огибающей (рис. 2).
рис. 2 спектр огибающей
Долгосрочный прогноз состояний подшипника осуществляется методом идентификации вибрационных моделей развития каждого дефекта. В основе этих моделей лежит ограничение на скорости развития дефектов износа подшипников, которое предполагает, что минимально возможное время развития дефекта от момента зарождения до предаварийного состояния составляет около 20% от среднего ресурса подшипника. При этом, условия эксплуатации подшипника считаются нормальными13
КЛАССИФИКАЦИЯ ОБНАРУЖИВАЕМЫХ ДЕФЕКТОВ ПО ВЕЛИЧИНЕ
В настоящее время из многолетнего опыта работы известно двенадцать основных дефектов подшипников качения, имеющих сильное влияние на ресурс при нормальных условиях эксплуатации (см. табл. 1). Из всех этих дефектов только выработка (загрязнение) смазки обнаруживается по росту уровня высокочастотной третьоктавной вибрации над средним значением не более чем на 20 дБ. Для выявления этого дефекта необходимо по трем замерам определить средний уровень высокочастотной вибрации, и только начиная с четвертого замера проводить диагностику данного дефекта.
Все остальные дефекты приводят к модуляции сил трения и вибрации с определенными группами частот.
Основные дефекты по величине подразделяются на:
— слабые, не влияющие на работу подшипника (глубина модуляции порядка 10 дБ):
— средние, сокращающие остаточный ресурс (20 дБ):
— сильные, при которых возможен аварийный выход из строя подшипника (30 дБ).
Длительность долгосрочного прогноза состояния и периодичность диагностирования
подшипникового узла определяется как типовой срок дальнейшей безотказной работы подшипника от среднего ресурса и превышает 20%. При появлении средних дефектов длительность прогноза сокращается как минимум в два раза. При определенных видах сильных дефектов рекомендуется заменять подшипник не дожидаясь выхода его из строя, либо устранить возникающий дефект, если это возможно.
ОСНОВНЫЕ ОБНАРУЖИВАЕМЫЕ ДЕФЕКТЫ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ
Таблица №1
Примечание:
fвр - частота вращения ротора
fcen - частота вращения сепаратора
fтк - частота вращения тела качения
fнap- частота перекатывания тела качения по наружному- кольцу
fвн - частота перекатывания тела качения по внутреннему- кольцу
z - чисто тел качения
ВЧ - Высокочастотная область спектра вибрации
РАСЧЕТ «ПОДШИПНИКОВЫХ» ВИБРАЦИЙ
К «подшипниковым» вибрациям приводит наличие в подшипниках качения нескольких элементов, совершающих сложное движение с различными угловыми скоростями.
Для получения аналитических зависимостей между геометрическими характеристиками подшипника и его вибрацией проведем ряд рассуждений. Пусть внутреннее кольцо вращается с частотой fвр, наружное - неподвижно, проскальзывание отсутствует.
1. Предположим, что единичный дефект (трещина) находится на наружном кольце.
При прохождении тел качения через трещину-, будут наблюдаться периодические удары. Для определения частоты следования этих ударных импульсов необходимо найти групповую скорость движения тел качения (скорость сепаратора Vсеп).
Скорость сепаратора:
здесь fвр — частота вращения внутреннего кольца, расстояние до точки 1 определяется как:
Rсеп — средний радиус сепаратора подшипника. rmк — радиус тела качения и α — номинальный угол контакта тела качения, (см. рис. 3)
Следовательно, скорость вращения сепаратора:
Тогда частота вращения сепаратора будет соответственно равна:
подставляя полученные ранее выражения, имеем
а D и d — соответственно средний диаметр сепаратора и диаметр тел качения.
За один оборот сепаратора Z тел качения пройдет через раковину следовательно, частота прохождения тел качения через одиночный дефект, находящийся на наружном кольце, будет
Рис. 3. Определение номинального угла контакта тела качения
2. Пусть, теперь, единичный дефект находится на внутреннем кольце.
Частота прохождения тел качения через дефект, находящейся на внутреннем кольце,
будет
умножая на z — количество тел качения, получаем частоту следования тел качения через дефект обнаруживаемый на внутреннем кольце:
ОГРАНИЧЕНИЯ ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ ПО ТИПАМ МАШИН
Метод спектров огибающей применяется для диагностирования подшипников качения отдельных узлов роторных машин, в которых отсутствуют элементы возвратнопоступательного и ударного действия, а также элементы трения скольжения. Таким образом, диагностируются подшипниковые узлы, в которых отсутствуют ударные нагрузки, а случайная вибрация корпуса создается преимущественно силами трения качения.
ВЫБОР ТРЕТЬОКТАВНОГО ФИЛЬТРА
Надежность и достоверность диагностирования подшипников качения с помощью спектров огибающей имеет сильную зависимость от выбора частотного диапазона контролируемых составляющих вибрации, используемых для измерения диагностических параметров.
Для достижения максимальной эффективности диагностирования дефектов необходимо выбрать такой диапазон в прямом спектре высокочастотного сигнала вибрации. в котором отсутствуют гармонические составляющие и какие-либо другие факторы.
искажающие диагностическую информацию (рис. 4). Посте фильтрации из вибросигнала интересующей нас полосы частот, берут ее огибающую и рассчитывают от нее обычный спектр14
Для получения наивысшей достоверности рекомендуется выполнять несколько основных условий при выборе третьоктавного фильтра детектора огибающей.
рис. 4 «прямой» спектр
Первым условием является использование третьоктавного15 фильтра со среднегеометрической частотой от 2 кГц до 25 кГц, причем дтя тихоходных16 машин имеет смысл выбирать и более низкочастотный третьоктавный фильтр.
Максимум17 спектральной плотности случайной вибрации колец подшипника, возбуждаемой силами трения, приходится на частоты 1-8 кГц. причем, после максимума, ее величина быстро уменьшается с ростом частоты. Одновременно с этим, спектральная плотность случайной вибрации, возбуждаемой ударными импульсами, слабо зависит от частоты и может оставаться приблизительно одного уровня до частот порядка сотен килогерц и более. Оптимальным будем считать такую полосу анализируемых частот, в которой уровни случайной вибрации, вызываемой ударными импульсами и узлами подшипника, имеют приблизительно одинаковые уровни.
Используя высокочастотные фильтры, можно повысить чувствительность к таким дефектам, как раковины на поверхностях качения, понижая при этом эффективность обнаружения других (например, дефектов, возникающих при монтаже подшипников).
14 Так получают спектр огнбаюшей.
15 С увеличением полосы пропускания фильтра увеличивается чувствительность метода, но вместе с этим, возрастает вероятность попадания гармонических составляющих, искажающих спектр огибающей.
16 Тихоходной будем считать машину с рабочей частотой менее 15 Гп
17 Частота максимума спектральной плотности вибрапии. создаваемой силами трения, растет по мере увеличения частоты вращения машины.
Однако, в широком частотном диапазоне (порядка одной-двух октав) соотношения вкладов в случайную вибрацию сил трения и ударных импульсов при сильных дефектах меняется весьма слабо.
Вторым условием является отсутствие в полосе пропускания фильтра интенсивных гармонических составляющих, резонансов, антирезонансов и неоднородной спектральной плотности сигнала вибрации, которые могут исказить результаты диагностирования. Для проверки выполнимости этого условия при выборе точки контроля, нужно взять прямой спектр вибрации в этой точке в полосе частот до 30 кГц и убедиться в отсутствии в выбранной третьоктавной полосе частот гармонических составляющих, которые превышали бы уровень случайных составляющих на 4-6 дБ. как это показано на рис. 4. Если это условие не выполняется, рекомендуется изменить точку контроля или перейти на другой фильтр, частота которого находится в пределах октавы от рекомендуемого значения.
Третьим условием является низкий уровень собственных шумов прибора по сравнению с уровнем полезного сигнала в выбранной полосе. Убедится в выполнении этого требования можно отсоединив датчик от анализатора и оценив уровень фона спектра огибающей. Уровень случайных составляющих при наличии полезного сигнала должен бьггь выше величины, полученной при выключенном акселерометре, более чем на 10 дБ
К существенным ошибкам ведет попадание в анализируемую полосу резонансов элементов подшипника. В этом случае слабые дефекты этого узла могут быть приняты за сильные, а сильные дефекты других узлов — за слабые. Таким образом, диагноз может быть ошибочным как по виду, так и по величине обнаруженных дефектов. В то же время резонанс акселерометра если измерение производится на его частоте, не ухудшает качеств диагностирования в случае, когда он используется вместо третьоктавного фильтра в детекторе огибающей.
Проверку выполнимости всех описанных условий рекомендуется выполнять всего одни раз. при выборе точки контроля вибрации. В дальнейших измерениях можно не учитывать те изменения, которые происходят в процессе эксплуатации машин.
ПЕРИОДИЧНОСТЬ ОБСЛЕДОВАНИЯ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ
Анализируя многолетний опьгг диагностирования подшипников качения роторных машин можно заключить, что скорость развития неодинакова для разных типов дефектов, но минимальное время развития дефектов износа от момента обнаружения зарождающегося дефекта до аварийного состояния подшипника близко к четверти от среднего ресурса подшипника в конкретном типе машины.
Посте монтажа нового подшипника, стедует выполнить контрольные измерения спектра огибающей для исключения его работы с сильными дефектами изготовления и монтажа.
Типичная длительность приработки подшипника составляет 5-10% от его ресурса, поэтому’ после приработки, то есть через время порядка 20% от его ресурса или (для подшипников с большим ресурсом) через полгода его эксплуатации необходимо произвести повторное диагностирование.
Если при повторном диагностировании не выявлены дефекты, то интервал до следующего измерения также составляет 20% от его ресурса ити. если ресурс превышает 2.5 года, то б месяцев. В случае обнаружения одного слабого дефекта, интервал между измерениями можно сохранить. Если обнаружены два слабых дефекта разных узлов подшипника, либо один средний дефект, то интервал между измерениями следует сократить примерно в 2 раза. То есть до 10% от его среднего ресурса или до 3 месяцев. При появлении двух средних дефектов разных узлов или одного сильного, его стедует сократить еще в 2 раза, то есть до 5% от ресурса ити до б недель. Такой же интервал стедует выдерживать и при обнаружении среднего дефекта тел качения, так как этот вид дефекта относится к наиболее быстро развивающимся. При появлении одного среднего и одного сильного дефекта разных узлов подшипника рекомендуется сократить интервал между измерениями еще в 2 раза, то есть до 2.5% от ресурса или до 3 недель. Аналогичное сокращение интервала стедует производить и при одном сильном дефекте, если его величина превышает более чем на 50%. порог сильного дефекта.
Во всех других случаях, а именно при двух сильных дефектах разных элементов подшипника (и. как исключение, при одном сильном дефекте тел качения) рекомендуется либо заменить подшипник, либо производить измерения ежедневно, стедя за скоростью их развития, и при появлении еще одного вида сильного дефекта производить замену подшипника.
Если вид обнаруживаемого дефекта не идентифицировал специалистом, то он приравнивается по периодичности измерений к дефектам тел качения, как наиболее быстро развивающимися, и. следовательно, в этом случае при обнаружении среднего дефекта интервал между измерениями составляет пять процентов от ресурса или б недель, а при появлении сильного дефекта принимается решение о замене подшипника. Если необходимо продолжить эксплуатацию подшипника с сильным не идентифицированным дефектом, следует производить ежедневное диагностирование и решение а замене принимать по скорости развития дефекта с учетом индивидуальных особенностей машины.