Методы диагностирования подшипников качения, применяемые в системе «Прогноз»

Методы диагностирования подшипников реализо­ванные в программе основаны на анализе вибрации, создаваемой переменными сигналами трения в элемен­тах подшипника.

Специфика сил трения в подшипниках качения вращающихся узлов такова, что при отсутствии дефек­тов в подшипниках качения они стабильны во времени.

При недостаточной точности изготовления под­шипника, его монтажа в посадочном месте, а также при износе поверхности качения силы трения в этом под­шипнике нестабильны и зависят от угла поворота вра­щающегося кольца или сепаратора.

Постоянная сила трения возбуждает случайную вибрацию подшипника в широкой полосе частот. Мак­симум её спектральной плотности обычно приходится на частоты порядка 2-10 кГц. Значение частоты зависит для конкретного подшипника от частоты вращения, размеров подшипника, состояния поверхности трения и смазки.

При появлении дефектов и нестабильности из-за этого сил трения, возбуждаемая случайная вибрация становится нестационарной и величина спектральной плотности на любой частоте периодически меняется во времени. Именно нестационарность случайной вибра­ции подшипниковых узлов является объективным при­знаком появления дефектов трущихся поверхностей в подшипниках качения.

Количественные характеристики нестационарной вибрации определяются в результате спектрального анализа огибающей этой вибрации. Нестационарностьвыражается в амплитудной модуляции высокочастот­ной вибрации периодическим процессом, например, с периодом вращения узлов подшипника, приводит к тому, что в спектре огибающей кроме случайных со­ставляющих появляются ещё и гармонические, с часто­той вращения этих узлов. В результате по частотам появившихся составляющих определяются виды имеющихся в подшипнике дефектов (идентификация дефектов), а по превышению амплитуд этих состав­ляющих над уровнем фона - оценивается степень или глубина каждого из обнаруженных дефектов.

У спектров огибающих имеется ряд преимуществ по сравнению с автоспектрами или «прямыми» спек­трами:

1. Выделение огибающей основано на анализе высокочастотной вибрации, которая локализована в пространстве около источника вибраций. Таким обра­зом, получая спектр огибающей диагностируемого уз­ла, можно с большой уверенностью говорит, что анали­зируется сигнал с этого узла, а не с соседнего, как часто случается при анализе автоспектра низкочастотной вибрации.

2. Спектр огибающей бездефектного узла обычно вообще не содержит гармонических составляющих и появление хотя бы одной из них, позволяет заключить о возникновении неисправности, что не всегда видно в автоспектре.

3. Спектр огибающей, по сути, является относи­тельным измерением - по нему определяется глубина модуляции т, т.е. соотношение минимального х_тЬи максимального х_тах уровней проявления сил трения за оборот:

Это даёт возможность говорить о величине дефек­
та по однократному измерению вибрации. Для оценки
величины по автоспектру необходимо сравнивать уров­
ни вибрации в момент последнего измерения с уровня­
ми измеренными ранее. '

Для обнаружения сильно развитых дефектов ис­пользуются так называемые «прямые» спектры вибра­ции.

Необходимо отметить, что в диагностической про­грамме величины амплитуд спектров вибраций представляются в логарифмических единицах измерений обычно принимаемых в акустике и виброизмерениях, если исследуется широкий частотный диапазон.

Логарифмическая шкала представляет собой шка­лу, в которой единицей измерения является децибел. Она основана на сопоставлении двух измеренных уров­ней вибраций, например измеренного z и принятого за нулевой уровень , тогда

В акустике за нулевой уровень принимаются уста­новленные в ГОСТах уровни звукового давления, ско­ростей, вибраций и т.п.

Для ускорений принимается уровень, измеренный на частоте 1000 Гц и составляющий величину 3-Ю"² см/с², что соответствует смещению вибрирующей по­верхности при частоте 1000 Гц - 8-Ю"¹⁰ см. При этом эффективные значения ускорений, смещений и скоро­стей при частоте 1000 Гц получают одинаковое значе­ние в децибелах.

На рис. **** представлены записи вибраций, по­лученные для подшипников без дефектов, с неравно­мерным износом (модуляция) и имеющим раковины на поверхности (удары).

Как видно из анализа спектров спектр для под­шипника с неравномерным износом имеет узкополос­ную (гармоническую) частотную составляющую, опре­деляющую модуляцию высокочастотной части спектра, а на спектре для подшипника с ударами видны перио­дические частотные составляющие, вызванные импуль­сами от ударных воздействий.

Хорошо просматривается случайная составляющая спектра, вызванная шумами от производственных усло­виями изготовления и которая может быть принята за нулевой уровень отсчёта.

Для децибельной шкалы спектра коэффициент мо­дуляции определяется по формуле:

где А/д - разрешающая способность спектрального анализа при анализе спектра огибающей; Д/_ф - ширина полосы фильтра, выделяющего высоко­частотную вибрацию.

AL - уровень гармонической (модулирующей) состав­ляющей в вибрациях подшипника, обозначающей воз­никающий дефект.

В практике диагностирования подшипников могут быть разные случаи:

если модулирующий процесс и модулируемый являются периодическими, то используется прямой спектр сигнала и модулирующий про­цесс идентифицируется по появлению боковых составляющих в спектре сигнала.

если модулирующий процесс является случай­ным, а модулируемый - периодическим, а час­тота модулирующего случайного процесса на порядок или более ниже частоты модулируемо­го сигнала, то производится анализ по прямому спектру и модулируемые составляющие иден­тифицируются по ширине частотных состав­ляющих, при этом нужно быть уверенным, что частота вращения была стабильна.

- если модулирующий процесс является модули­рованным ещё более низкочастотным процес­сом, то необходимо искать боковые состав­ляющие в спектре огибающей вибрации, либо определять ширину линий в спектре огибаю­щей (2 случай).

В этом случае исследуется спектр огибающей вы­сокочастотного процесса выделенного полосовым фильтром. Наличие модуляции обнаруживается по подъёму уровня случайных составляющих спектра оги­бающей в его низкочастотной зоне.

При анализе спектра огибающей важным является выбор полос фильтра для формирования огибающей.

Обязательным условием является отсутствие в по­лосе этого спектра гармонических (немодулированных) составляющих высокочастотной вибрации.

Спектр огибающей вибрации - это спектр колеба­ний мощности тех составляющих вибрации, которые выделены фильтрами при формировании огибающей.

Если в полосу фильтра попало несколько состав­ляющих вибраций и мощность одних меняется во вре­мени, а других - постоянна, то в результате анализа полной мощности невозможно оценить диапазон колебаний мощности одних составляющих и стабильность других.

Чтобы исключить ошибки необходимо выбирать точки измерения вибраций в узлах машин, в которых доминирует случайная вибрация.

5.6.2. Перечень диагностируемых неисправно­стей подшипников качения и их квалификационные состояния

Оценка технического состояния подшипников производится путём определения относительной коли­чественной оценки развития основных дефектов, воз­никающих при эксплуатации:

- «бой вала» (повышенная вращающаяся нагруз­ка на подшипник, неуравновешенность ротора, обкатывание наружного);

- износ наружного кольца (происходит локально, изменяя коэффициент трения качения на от­дельных участках поверхности наружного кольца);

- раковины, трещины на наружном кольце (диаг­ностические признаки раковин и трещин часто совпадают);

- износ внутреннего кольца (зона повышенного коэффициента трения захватывает область, превышающую расстояние между точками контакта ближайших двух тел качения);

- раковины на внутреннем кольце;

- износ тел качения и сепаратора (опасные де­фекты, т.к. развиваются быстро);

- раковины и сколы на телах качения (наиболее опасные дефекты, быстро развивающиеся);

- проскальзывание кольца подшипника в поса­дочном месте (обнаруживается только если происходит в момент измерения вибраций);

- неоднородный радиальный натяг (дефект сбор­ки - следствие посадки подшипника на вал, диаметр которого больше допустимого, или перекоса кольца);

- перекос наружного кольца при неправильном монтаже из-за дефекта посадочного места;

- недостаточное количество смазки или грязная смазка («дефект» смазки);

- группа дефектов на поверхности качения.
Каждый из названных дефектов в соответствии с

количественными пороговыми значениями оценки име­ет квалификационные состояния:

«слабый дефект» - зарождение дефектов, не пре­пятствующих длительной эксплуатации;

«средний дефект» - зарождение дефектов, за кото­рыми необходимо следить при дальнейшей эксплуата­ции;

«сильный дефект» - развитый дефект в узле, кото­рый требует частой проверки при эксплуатации;

«заменить подшипник» - дальнейшая эксплуата­ция может привести к его разрушению с последующим «заклиниванием» вращающейся детали - вала или оси колёсной пары.

Пороговые значения устанавливаются диагностом при конфигурировании программы анализа и уточня­ются при эксплуатации на основании статистики (не менее 30 экспертных оценок для каждого уточняемого дефекта).

Оценка остаточного ресурса (очередное диагно­стирование) определяется программой в зависимости от вида обнаруженного дефекта, степени его развития и от значения общего ресурса подшипника.

Для локомотивов установлены следующие соот­ношения между степенью развития дефекта и следую­щим диагностированием.

5.6.4. Периодичность измерений,режимы диаг­ностируемого объекта

Периодичность диагностических измерений для подшипников качения определяется двумя способами:

1. Применяется при массовом диагностическом обслуживании по однократным измерениям спектром огибающей вибрации. Периодичность определяется разработчиками пакета программ на основании данных диагностики более 100 тыс. подшипников в разных от­раслях промышленности

Периодичность измерений задаёт сам диагност на основании данных о среднем ресурсе подшипника в конкретном агрегате.

Многолетние исследования показывают, что если в подшипнике нет скрытых дефектов изготовления, его правильно эксплуатируют и в нём нет средних дефек­тов монтажа и износа, то нижняя граница безаварийной работы составляет 20-25% от его среднего ресурса.

Однако, учитывая то, что при неработающей ма­шине могут происходить структурные изменения со­стояния смазки подшипника, разработчики установили максимальный интервал между диагностическими из­мерения для подшипников равным 6 месяцам.

Если по результатам диагностики в подшипнике не обнаружены средние или сильные дефекты, то про­изводится уменьшение интервала между диагностиче­скими измерениями. При этом рекомендуемый интер­вал сокращается в 2 раза, т.е. до 3-х месяцев.

Если обнаружены два средних и один сложный дефекты, то рекомендуемый интервал снижается ещё в 3 раза.

В более сложных случаях необходимо либо сме­нить подшипник, либо сократить исходный интервал между измерениями в 10 раз. Но в том случае, если ве­роятность выхода из строя подшипника невелика - это выполняется экспертной программой.

В том случае, если количества измерений для вы­бираемых программой автоматической диагностики не хватает - предлагается произвести повторное измере­ние через интервал времени, составляющий 20% от ус­тановленного пользователем интервала бездефектных машин.

2. Второй способ выбора интервалов времени между диагностическими измерениями базируется на периодических измерениях спектров вибраций и их огибающих. Интервал устанавливается исходя из имеющейся информации о скоростях развития дефек­тов (см. раздел 5.3. пример определения уровня техни­
ческого состояния для ИРП-12).

На достоверность проводимых измерений сильное влияние оказывают выбранные режимы работы маши­ны при диагностических измерениях.

Основными требованиями являются:

1. Обеспечение одной и ой же скорости вращения вала с подшипниками при периодических измерениях.
Исходя из этого, при диагностике используются только те группы измерений, которые уложились по частоте в диапазон ±10% от среднего значения.

2. Рекомендуется использовать номинальный ре­жим работы машины. Если это невозможно осущест­вить, то выбирается другой режим, в котором условия смазки подшипника укладываются в технические тре­
бования.

3. Рекомендуется при диагностировании под­шипников исключать динамические нагрузки на диаг­ностируемый подшипник от других узлов, особенно если они имеют ударный характер. Наиболее удобным является режим работы на холостом ходу.

4. Необходимо обеспечить установку датчиков на очищенные от грязи места машины и сила притяжения магнитов к этим местам должна быть не менее 10 кГс. Лучше провести предварительную обработку мест ус­тановки диагностических датчиков путём механиче­ской обработки и окраски нитрокраской. Таким обра­зом обеспечивается повторяемость установки датчиков, а очистка поверхности от грязи производится лёгким удалением верхнего слоя грязи.

5.6.5. Построение эталонов и пороговых значе­ний

Построение эталонов возможно лишь при наборе достаточных статистических данных по многим изме­рениям. На первом этапе определяются пороги пре­дельного изменения диагностических параметров, ха­рактеризующих бездефектные узлы, а также узлы со средними и сильными дефектами. Пороги эти опреде­ляются по всей совокупности параметров, характери­зующих каждый вид дефектов.

Сильные дефекты обнаруживаются в том случае, если выбранные для его обнаружения составляющие определяются работай диагностируемого узла и растут по амплитуде в 10 раз, т.е. на 20 дБ. Если обнаружение дефекта осуществляется по появлению модуляции гар­монических или случайных составляющих, то сильно­му дефекту соответствует модуляция среднеквадрати-ческого значения вибраций в 20%.

Глубина модуляции т связана с разностью AZ уровней гармонических и случайных составляющих спектра огибающей

Коэффициент глубины модуляции вибраций в %

где Д/д ~ ширина полосы спектра огибающей, А/_ф- ширина полосы фильтра, выделяющего высоко­частотную составляющую.

Определение порога сильного дефекта при моду­ляции случайной вибрацией

где m_i- глубина модуляции для каждого из пузлов, п - число узлов с одинаковыми сильнымидефектами.