OOO фирма "Сервис технологических машин"

Техническая диагностика подшипников качения

Подшипники качения являются самым распространенным и наиболее уязвимым элементом любого роторного механизма. Они осуществляют пространственную фиксацию вращающихся роторов и воспринимают основную часть статических и динамических усилий, возникающих в механизме. Поэтому техническое состояние подшипников является важнейшей составляющей, определяющей работоспособность механизма в целом.

Для повышения ресурса и надежности оборудования, сокращения затрат, связанных с ремонтом и простоями, необходима точная система диагностирования текущего технического состояния подшипников качения. Широкое распространение во всём мире получили методы контроля и диагностики подшипников качения, базирующиеся на измерении параметров вибрации. Обусловлено это тем, что вибрационные сигналы несут в себе информацию о состоянии механизма и подшипников в частности. При этом теория и практика анализа вибросигналов к настоящему времени столь отработана, что можно получить достоверную информацию о текущем техническом состоянии не только подшипника, но и его элементов.

В настоящее время на практике используются четыре метода оценки технического состояния подшипников качения:

1. Метод ПИК-фактора;
2. Метод прямого спектра;
3. Метод спектра огибающей;
4. Метод ударных импульсов.

Рассмотрим подробнее каждый из них.

1. Метод ПИК-фактора

Для контроля технического состояния подшипников по данному методу необходимо иметь простой виброметр, позволяющий измерять два параметра вибросигнала:

• среднеквадратичное значение уровня (СКЗ) вибрации, т.е. энергию вибрации;
• пиковую амплитуду (ПИК) вибрации (положительную, отрицательную или полный размах – значения не имеет).

Отношение двух этих параметров ПИК/СКЗ, называется ПИК - фактором.

В осциллограмме нового хорошо смазанного подшипника присутствует стационарный сигнал шумового характера (рис.1а).

С течением времени, по мере появления дефектов на деталях подшипника, в сигнале начнут появляться отдельные короткие амплитудные пики, соответствующие моментам соударения дефектов (рис. 1б).

В дальнейшем, с развитием дефекта, сначала увеличиваются амплитуды пиков, потом постепенно увеличивается и их количество (рис. 1в). Например, дефект, появившись на одном из шариков, создаёт впоследствии забоину на кольце, с него она переносится на другой шарик, дефекты шариков начинают вырабатывать сепаратор до полного разрушения.

Если изобразить результаты измерений на графике, мы увидим зависимости, показанные на рисунке 2. По мере появления и развития дефекта нарастает функция ПИК, а СКЗ меняется очень мало, поскольку отдельные очень короткие амплитудные пики практически не меняют энергетические характеристики сигнала.

В дальнейшем, по мере увеличения амплитуд и количества пиков, начинает увеличиваться энергия сигнала, возрастает СКЗ вибрации.

Отношение ПИК/СКЗ из-за временного сдвига между ними имеет явно выраженный максимум на временной оси. На этом и основывается метод ПИК- фактора.

Экспериментально было установлено, что момент прохода функции ПИК-фактор через максимум соответствует остаточному ресурсу подшипника порядка 2-3 недель.

Достоинство – простота. Для реализации нужен обычный виброметр общего уровня.

Недостатки – слабая помехозащищенность метода и необходимость проводить многократные измерения в процессе эксплуатации. Установить датчик непосредственно на наружной обойме подшипника практически невозможно, поэтому сигнал вибрации характеризует не только подшипник, но и другие узлы механизма, что в данном случае рассматривается как помехи. Чем дальше установлен датчик от подшипника и сложнее кинематика самого механизма, тем меньше достоверность метода.

Получить оценку состояния по одному замеру невозможно.

2. Метод прямого спектра

Для контроля за техническим состоянием подшипников по данному методу необходим анализатор спектра вибрации (виброанализатор).

Метод базируется на анализе спектра вибрации – выявлении периодичности (частоты) появления амплитудных всплесков (рис.1в). Вибрационный сигнал анализируется узкополосным виброанализатором, и по частотному составу спектра (рис.3) можно идентифицировать возникновение и развитие дефектов подшипника. Каждому дефекту на элементах подшипника (тела качения, внутреннее и наружное кольцо, сепаратор), соответствуют свои частоты, которые зависят от кинематики подшипника и скорости его вращения.

Наличие той или иной частотной составляющей в спектре сигнала говорит о возникновении соответствующего дефекта, а амплитуда этой составляющей – о глубине дефекта.

Достоинства:

• высокая помехозащищённость (маловероятно наличие в механизме источников, создающих вибрации на тех же частотах, что и дефекты подшипника);
• высокая информативность метода. Возможна оценка состояния элементов подшипника (тел качения, внутреннего и наружного кольца, сепаратора), поскольку они генерируют разные частотные ряды в спектре.

Недостатки:

• метод дорогостоящий, если виброанализатор использовать только для контроля подшипников;
• метод малочувствителен к зарождающимся и слабым дефектам в связи с тем, что подшипники в большинстве случаев являются маломощными источниками вибрации. Небольшой скол на шарике или дорожке не в состоянии заметно качнуть механизм, чтобы мы увидели эту частотную составляющую в спектре. И только при достаточно крупных дефектах амплитуды этих частотных составляющих начинают заметно выделяться в спектре.

Метод используется достаточно широко и даёт хорошие результаты.

3. Метод спектра огибающей

Для контроля технического состояния подшипников по данному методу необходим анализатор спектра вибрации с функцией анализа спектра огибающей высокочастотной вибрации.

Метод базируется на анализе высокочастотной составляющей вибрации и выявлении модулирующих ее низкочастотных сигналов.

На рисунке 1 видно, что высокочастотная часть сигнала изменяет свою амплитуду во времени, т.е. она модулируется каким-то более низкочастотным сигналом. Выделение и обработка этой информации и составляют основу этого метода.

Рассмотрим подшипник с зарождающимся дефектом (скол, трещина и т.п.) на наружной обойме. При ударе тел качения о дефект возникают высокочастотные затухающие колебания, которые будут повторяться (модулироваться) с частотой, равной частоте перекатывания тел качения по наружному кольцу. Именно в этом модулирующем сигнале содержится информация о состоянии подшипника.

Установлено, что наилучшие результаты метод даёт в том случае, если анализировать модуляцию не широкополосного сигнала, получаемого от акселерометра, а предварительно осуществить узкополосную фильтрацию сигнала, выбрать основную (несущую) частоту в диапазоне от 4 до 32 кГц и анализировать модуляцию этого сигнала.

Для этого отфильтрованный сигнал детектируется, т.е. выделяется модулирующий сигнал (или ещё его называют «огибающая сигнала»), который подаётся на узкополосный виброанализатор, и мы получаем спектр интересующего нас модулирующего сигнала, или спектр огибающей, что и дало название методу.

Обработка сигнала очень сложна, но результат стоит того. Дело в том, что небольшие дефекты подшипника не в состоянии вызвать заметной вибрации в области низких и средних частот. В тоже время для модуляции высокочастотных вибрационных шумов энергии возникающих ударов оказывается вполне достаточно. Таким образом, метод обладает очень высокой чувствительностью.

Спектр огибающей при отсутствии дефектов представляет собой почти горизонтальную волнистую линию (рис.4а). При появлении дефектов над уровнем линии сплошного фона начинают возвышаться дискретные составляющие, частоты которых однозначно просчитываются по кинематике и оборотам подшипника (рис.4б). Частотный состав спектра огибающей позволяет идентифицировать наличие дефектов, а превышение соответствующих составляющих над фоном однозначно характеризует глубину каждого дефекта.

Достоинства – высокая чувствительность, информативность и помехозащищенность.

Недостаток – высокая стоимость, необходим анализатор спектра вибрации с функцией анализа спектра огибающей высокочастотной вибрации.

Метод очень широко используется в стационарных системах контроля технического состояния оборудования.

4. Метод ударных импульсов

Метод ударных импульсов основан на измерении и регистрации механических ударных волн, вызванных столкновением двух тел. Ускорение частиц материала в точке удара вызывает волну сжатия, которая распространяется в виде ультразвуковых колебаний. Ускорение частиц материала в начальной фазе удара зависит только от скорости столкновения и не зависит от соотношения размеров тел. Период времени мал, и заметной деформации не происходит. Величина фронта волны является мерой скорости столкновения (удара) двух тел. Во второй фазе удара поверхности двух тел деформируются, энергия движения отклоняет тело и вызывает в нем колебания.

Для измерения ударных импульсов используется пьезоэлектрический датчик, на который не оказывают влияние фон вибрации и шум. Вызванная механическим ударом фронтальная волна сжатия возбуждает затухающие колебания в датчике (преобразователе).

Пиковое значение амплитуды этого затухающего колебания прямо пропорционально скорости удара (V). Поскольку затухающий переходный процесс очень хорошо определяется и имеет постоянную величину затухания, его можно отфильтровать от других сигналов, т.е. от сигналов вибрации. Анализ затухающего переходного процесса - основа метода ударных импульсов.

Наблюдаемый процесс аналогичен процессу, происходящему в камертоне: как бы вы по нему ни ударили – он звенит на своей собственной частоте. Так и подшипниковые узлы от соударения дефектов «звенят» на своей частоте. Частота эта практически всегда лежит в диапазоне 28-32 кГц, но, в отличие от камертона, эти колебания очень быстро затухают, поэтому на осциллограммах они выглядят практически, как импульсы, что и дало название методу – метод ударных импульсов.

Результаты измерений очень легко нормировать по скорости  соударения, зная геометрию подшипника и его обороты. Амплитуды ударных импульсов однозначно связаны со скоростью соударения дефектов и глубиной дефектов. Поэтому по амплитудам ударных импульсов можно достоверно диагностировать наличие и глубину дефектов.

Достоинства - высокая чувствительность, информативность и помехозащищенность. Метод прост и дёшев в реализации, существуют простые портативные приборы.

Недостаток - Существует одно ограничение, связанное с конструктивным исполнением механизма. Поскольку речь идёт об измерении параметров ультразвуковых колебаний, которые заметно затухают на границах разъёмных соединений, для точности измерений необходимо, чтобы между наружным кольцом подшипника и местом установки датчика находился сплошной массив металла. В большинстве случаев это не вызывает проблем.

Метод широко используется, прост и доступен персоналу, обслуживающему  оборудование.

5. Сравнительные характеристики методов

6. Приборы контроля

Фирма «Сервис технологических машин» совместно с НПП «Контест» производит и поставляет приборы - анализатор спектра вибрации 795М и тестер состояния подшипников 77Д11.

Анализатор спектра вибрации 795М – малогабаритный автономный микропроцессорный виброизмерительный прибор с двойным питанием - от внутренних аккумуляторов или от сетевого блока питания БП-05. Предназначен для измерения и спектрального анализа параметров вибрации, балансировки и наладки механизмов роторного типа.

Прибор позволяет измерять  динамические сигналы с последующей их записью в энергонезависимую память, просматривать, анализировать и передавать их в базу данных на персональный компьютер.

Прибор может работать как автономный анализатор и как коллектор данных в системе прогнозируемого обслуживания оборудования совместно с программным обеспечением.

Использование прибора обеспечивает объективный контроль текущего технического состояния механизмов, исключающий аварийные остановки, и позволяет технически обоснованно определить необходимые сроки, объем и содержание ремонтных и наладочных работ,  контролировать качество их выполнения.

ПРИМЕНЕНИЕ:

• Измерение параметров вибрации - виброускорения, виброскорости, виброперемещения, работающего оборудования
• Спектральный анализ сигнала вибрации (частотная область)
• Анализ формы сигнала (временная область)
• Бесконтактное измерение частоты вращения с помощью оптического инфракрасного таходатчика
• Динамическая балансировка роторов в собственных опорах, на эксплуатационных режимах (плоскостей коррекции - до 8, точек контроля вибрации - до 14)
• Измерение амплитудо- фазо- частотных характеристик (АФЧХ) вибрации механизма при режимах разгона/выбега
• Анализ спектра огибающей вибросигнала для обнаружения и идентификации зарождающихся дефектов подшипников
• Измерение амплитуды ударного ускорения вынужденной высокочастотной вибрации (31 кГц), вызванной ударными импульсами, для определения технического состояния подшипников качения

Индикатор вибродиагностический 77Д11 - малогабаритный микропроцессорный прибор, предназначенный  для измерения уровня   высокочастотной вибрации (31 кГц), создаваемой ударными импульсами в работающих механизмах - позволяет без останова оборудования определять состояние подшипников качения,  качество их смазки и монтажа, а также состояние насосов высокого давления, форсунок дизелей, клапанов поршневых компрессоров и т. п. Методики измерения разработаны в ЦНИИ Морского флота, г. Санкт-Петербург.

Использование прибора не требует специальной подготовки, и его применение обслуживающим персоналом на уровне производственных участков, позволяет получать оперативную информацию, исключающую аварийные остановки оборудования.

Фирма «СТМ» поставляет приборы, обучает работе и осуществляет гарантийное (18 месяцев) и послегарантийное обслуживание.