Виброактивность подшипников и их диагностика

Причинами колебаний, возникающих в подшипниках скольже­ния, являются наличие обязательного бокового зазора между подшип­ником и цапфой вала, а также наличие динамических сил в пульси­рующем потоке смазочной жидкости в зазоре, определяемых гидроди­намическими свойствами смазки и толщиной смазочного слоя. В связи с этим подшипники скольжения являются сложным объектом для вибродиагностики. Эталонный спектр колебаний бездефектных подшипников скольжения не имеет характеристических частот и уста­навливается экспериментально. В дальнейшем развивающиеся дефек­ты диагностируются по изменению спектральных составляющих. До­полнительно эффективным методом оценки состояния подшипников скольжения является также анализ формы траектории движения вала. Форма траектории зависит от многих факторов, в том числе от коли­чества и качества смазки, наличия дефектов подшипника и вала. При отсутствии дефектов траектория обычно представляет собой замкну­тый эллипс, что связано с различной жесткостью подшипника в вер­тикальном и горизонтальном направлениях. Анализ отклонения от эталонной формы траектории позволяет определить наличие и качест­во смазки, обнаружить дисбаланс ротора, выявить основные дефекты подшипника и оценить степень их опасности.

Источниками вибрации в подшипниках качения являются их ки­нематические особенности, дефекты и повреждения. При каждом перекатывании тел качения по дефектам и неровностям эти источ ники генерируют импульсы соответствующей частоты, совокупность которых образует сигнал колебаний. К основным дефектам изго­товления относятся овальность и волнистость дорожек качения, ог- анность тел качения и дисперсия их размеров, неравномерный радиальный зазор между кольцами и телом качения. Ось вала в под­шипнике с зазором блуждает (совершает прецессию), при этом про­исходит столкновение с телом качения, являющееся причиной им­пульсных колебаний.

Подшипники качения устанавливаются обычно с гарантирован­ным радиальным зазором. При этом радиальная жесткость подшип­ника периодически изменяется из-за того, что внутреннее кольцо опирается поочередно на четное и нечетное число тел качения. Пе­риодические составляющие радиальной жесткости Moiyr достигнуть 25 % от среднего значения.

Частота периодической составляющей изменения жесткости рав­на zfc > ^гДе z — число тел качения; f_c — частота вращения сепарато­ра относительно неподвижного наружного кольца:

/_с = /_в(1 - | cos Р) 1/2,

где /_в — частота вращения внутреннего кольца подшипника (вала), Гц, f_B - п/60; п — число оборотов вала, об/мин; d — диаметр тел ка­чения, мм; D — диаметр окружности, проходящей через центры тел качения (средний диаметр сепаратора подшипника), мм; Р — угол контакта тел качения в подшипнике.

Эта же частота и ее кратные гармоники будут соответствовать наличию единичного дефекта на наружном кольце подшипника при перекатывании по нему тел качения

Аналогично при перекатывании тел качения по внутренему коль­цу частота, соответствующая повреждению внутреннего кольца:

Частота, соответствующая повреждению тел качения при их вра­щении, определяется по формуле

Наибольшее применение в настоящее время нашли следующи< четыре метода виброакустической диагностики подшипников каче­ния: по общему уровню (OL) вибрационного сигнала (по амплитуд» виброперемещения или виброскорости); по спектральному анализ} вибросигнала (автоспектру — AS); по методу ударных импульсо< (SPM); по спектральному анализу огибающей высокочастотной виб рации (ES). В современных программах автоматической диагностик! подшипников для повышения достоверности постановки диагноза как правило, используется комбинация методов OL, AS и ES. ' Диагностика по общему уровню вибросигнала (OL) является наименее информативной, осуществляется в низкочастотной облас ти и позволяет выявить только сильно развитые дефекты в предаварийном состоянии подшипника. Несмотря на недостатки, метод из за своей простоты продолжает использоваться в системах защитного мониторинга. i

Анализ автоспектра (AS) вибросигнала позволяет выявить нали­чие и интенсивность пиков на характеристических частотах подшип ников и таким образом идентифицировать дефект и определить сте­пень его развития. Как отмечалось выше, для каждого подшипника помимо частоты вращения имеется четыре характеристические час­тоты — наружного кольца, внутреннего кольца, тела качения и сепа­ратора. При анализе дефектов подшипника необходимо проводить исследование спектра на наличие и интенсивность пиков на характе­ристических частотах подшипников и их гармониках. Эти пики яв­ляются безусловным признаком дефекта. Вместе с тем автоспектр сложно поддается расшифровке и анализу из-за наличия большого числа источников вибрации, не имеющих отношения к подшипнику качения; наличие механических резонансов требует значительного времени для усреднения результатов и др.

Как уже отмечалось, даже идеальные подшипники качения явля­ются виброактивными из-за параметрических и кинематических воздействий. Они возбуждают так называемую фоновую высокочас­тотную вибрацию, мощность которой постоянна во времени. При появлении дефектов, например внешнего кольца, появляются спек­тральные амплитуды (ударные импульсы) на участках, кратных час­тоте возбуждения. Эти ударные импульсы накладываются на фоно­вую вибрацию в виде пиков, затухающих во времени. При хорошем техническом состоянии подшипников пики превышают уровень фона незначительно. Сам уровень фона также невысок. Отношение пикового и среднеквадратического значений общего уровня фона, которое называется пик-фактором, является диагностическим при­знаком, а метод, основанный на измерении пик-фактора на частоте 31,5..32,5 кГц, называется методом ударных импульсов (SPM). Принцип действия ударных импульсов поясняется на рис. 2.6, где представлены временные высокочастотные сигналы вибрации исправного подшипника качения и подшипника с раковиной на поверхности качения [15]. Сигнал при наличии дефекта приобретает модулированную форму.

Рис. 2.6. Высокочастотная вибрация исправного (с) и дефектного (б) подшипников качения

С ростом дефекта ударные импульсы возрастают, величина пикт фактора возрастает максимально и достигает значения десяти и бо­лее. Далее пиковое значение импульса растет незначительно, но при расширении зоны распространения дефекта растет уровень фоновой вибрации. В предаварийном состоянии уровень фоновой вибрации становится соизмерим с уровнем пиков, так как вся фоновая вибра­ция при развитом и распространенном дефекте состоит из системы пиков. Величина пик-фактора при этом снижается.

Достоинствами метода SPM являются высокая чувствительность к зарождающимся дефектам, быстродействие и простота измерений. Вместе с тем метод не позволяет идентифицировать вид зарождаю­щегося дефекта. Приборы, в которых реализован метод SPM, явля­ются по существу контрольными приборами со светофорной сигна­лизацией: при исправном подшипнике и величине пик-фактора от 3 до 5 высвечивается зеленая зона, при зарождающемся дефекте и пик-факторе свыше 5 до 15 — желтая зона и при развитом дефекте с пик-фактором свыше 15 до 25 — красная зона. Кроме того, метод SPM перестает работать при наличии цепочки развитых дефектов, не чувствителен к дефектам сборки и не может быть использован для низкооборотных машин.

Наиболее информативным является метод ES, где вся информа­ция о техническом состоянии подшипника содержится в огибающей высокочастотного сигнала. Частота модуляции высокочастотного сигнала определяет вид дефекта, а глубина модуляции — степень его развития. Помимо частоты модуляции, являющейся основным при-

знаком дефекта, используется еше и ряд дополнительных признаков В качестве примера в табл. 2.2 приведены основные и дополнитель­ные диагностические признаки в спектре огибающей высокочастот ной вибрации некоторых дефектов подшипников качения.

Таблица 2.1

Примечание./, — частота вращения вала;/_нк — частота перекатывания тел качения по наружному кольцу; f_aK — то же, по внутреннему; /_{т к} — частота вращения тел качения; Уё — частота вращении сепаратора; ВЧ — высокочастотная область спек­тра вибрации; i = 1,..., п.