2.4. 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 источники генерируют импульсы соответствующей частоты, совокупность которых образует сигнал колебаний. К основным дефектам изго­товления относятся овальность и волнистость дорожек качения, огранность 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 могут достигнуть 25 % от среднего значения.

Частота периодической составляющей изменения жесткости рав­на zf_с, где z — число тел качения; f_с — частота вращения сепарато­ра относительно неподвижного наружного кольца:

Где - частота вращения внутреннего кольца подшипника (вала)б Гцб =n/60; n – число оборотов вала, об/мин; D – диаметр окружности,проходящей через центры тел качения (средний диаметр сепаратора подшипника)б мм; - 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 внутреннему кольцу частота, соответствующая повреждению внутреннего кольца:

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

Наибольшее применение в настоящее время нашли следующие четыре метода виброакустической диагностики подшипников каче­ния: по общему уровню (OL) вибрационного сигнала (по амплитуде виброперемещения или виброскорости); по спектральному анализу вибросигнала (автоспектру — АS); по методу ударных импульсов (SРМ); по спектральному анализу огибающей высокочастотной виб­рации (ЕS). В современных программах автоматической диагностики подшипников для повышения достоверности постановки диагноза, как правило, используется комбинация методов ОL, АS и ЕS.

Диагностика по общему уровню вибросигнала (ОL) является наименее информативной, осуществляется в низкочастотной облас­ти 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.

Анализ автоспектра (АS) вибросигнала позволяет выявить нали­чие и интенсивность пиков на характеристических частотах подшип­ников 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 пикфактором, является диагностическим при­знаком, а метод, основанный на измерении пик-фактора на частоте 31,5...32,5 кГц, называется методом ударных импульсов (SРМ). 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 (а) и дефектного (б) подшипников качения

С ростом дефекта ударные импульсы возрастают, величина пикфактора 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 SРМ 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 SРМ, 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 5РМ перестает работать при наличии цепочки развитых дефектов, не чувствителен к дефектам сборки и не может быть использован для низкооборотных машин.

Наиболее информативным является метод ЕS, 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 признаком дефекта, используется еще и ряд дополнительных признаков, В качестве примера в табл. 2.2 приведены основные и дополнитель­ные диагностические признаки в спектре огибающей высокочастот­ной вибрации некоторых дефектов подшипников качения [15].

Таблица 2.2

Примечание f_в — частота вращения вала; f_н.к. — частота перекатывания тел качения по наружному кольцу; f_вк — то же, по внутреннему; f_тк — частота вращения тел качения;f_с — частота вращения сепаратора; ВЧ — высокочастотная область спек­тра вибрации; i = 1, ..., n.

Таким образом, достоинствами ЕS наряду с высокой чувстви­тельностью является возможность идентификации вида дефекта по частоте модуляции и степени его развития по относительной глубине модуляции. При этом абсолютный уровень вибросигнала не имеет принципиального значения в связи с переходом на относительные измерения. Эталонным признаком бездефектного подшипника явля­ется отсутствие в спектре огибающей гармонических составляющих. Важнейшим достоинством ЕS высокочастотного сигнала является также то, что диагностике подвергается только тот подшипник, на котором установлены датчики. К числу основных недостатков ЕS следует отнести то, что данный метод перестает работать при разви­тых дефектах и в предаварийном состоянии. Кроме того, требуется достаточно большое время измерений для усреднения результатов.