3.3. Влияние дефектов на вибрацию подшипников и подшипниковых узлов

Номенклатура дефектов, ограничивающих ресурс подшипни­ков качения и представляющих собой потенциальную опасность возникновения аварийной ситуации, достаточно широка. По вре­мени возникновения дефекты обычноделятсянатриосновные группы: дефекты изготовления; монтажа и эксплуатации. По эле­ментам подшипника они делятся на дефекты поверхностей каче­ния (наружных, внутренних колец, а также тел качения), поверхностей трения скольжения(сепаратора, защитных колец, поса­дочных поверхностей) и смазки:

Дефектыповерхностей качения по скорости развития обычно делятся на две группы: --износ -ра­ковины (трещины).

Общий список дефектов подшипника качения, влияющих на его ресурс, можно разделить на группы следующим образом:

1. нарушения геометрии (плавные) поверхностей качения на­ружного, внутреннего кольца и тел качения (из-за неточности из­готовления или износа);

2. разноразмерность тел качения;

3. нарушения геометрии сепаратора и защитных колец;

4. перекос наружного и внутреннего колец подшипника, перекос тел (тела) качения (в роликовом и игольчатом подшипниках);

5. перегрузка поверхностей качения без их перекосов;

6. проскальзывание колец в посадочном месте;

7. раковины и трещины на поверхностях качения;

8. дефекты смазки (недостаток, избыток, недопустимые избы­ точность продуктов износа и изменения вязкости, разрывы слоя).

Первая группа дефектов, в основном, влияет на низкочастот­ную вибрацию подшипникового узла и машины в целом. Обычно имеет место преимущественный рост вибрации на первых двух-трех гармониках частоты перекатывания тел качения по наружно­му кольцу (дефект наружного кольца), двух-четырех гармониках частоты вращения тел качения (дефект тел качения) и гораздо реже двух-трех гармониках частоты перекатывания тел качения по внутреннему кольцу (дефект внутреннего кольца). Последний дефект из первой группы из-за одновременного нагружения рото­ром нескольких тел качения чаще приводит к появлению колеба­тельных сил на первых гармониках частоты вращения ротора. Однако эти силы трудно обнаружить, так как они много меньше сил той же частоты, действующих в машине из-за несоосностей валов и дефектов соединительных муфт.

Как правило, в местах наибольшего отклонения формы по­верхности качения от правильной (расчетной) поверхность каче­ния имеет повышенную шероховатость, и при прокатывании по ней тел качения изменяется сила трения, а следовательно, появ­ляется модуляция высокочастотной случайной вибрации подшип­ника теми же частотами, на которых растет низкочастотная виб­рация при плавном изменении формы поверхностей, качения. Глубина модуляции сил трения (в процентах от среднего значе­ния) зависит не только от- соотношения шероховатостей поверх­ностей качения в разных точках, но и от некоторых параметров смазочного слоя, например, толщины и вязкости. При анализе процессов модуляции высокочастотной вибрации новых подшип­ников необходимо помнить, что неприкатанные поверхности каче­ния почти всегда имеют неравномерную шероховатость, т.е. об­ладают зависимостью коэффициента трения от угла их поворота. Это приводит практически к такой же модуляции высокочастотной вибрации, что и при износе поверхностей качения.

Во вторую группу входит только один вид дефекта, возникаю­щий либо при изготовлении подшипника, либо при ускоренном износе отдельных тел качения. Разноразмерность тел качения приводит к многократному увеличению удельных нагрузок на по­верхности качения и резкому снижению ресурса подшипника. Де­фект сопровождается ростом низкочастотной вибрации машины на частоте вращения сепаратора подшипника, иногда на ее вто­рой и частично третьей гармониках, а также модуляции сил тре­ния и высокочастотной случайной вибрации подшипника этими же частотами. Если статическая радиальная нагрузка ротора на подшипник изменяется на вращающуюся с частотой вращения вала, в частности в вертикальных машинах или при изломах ли­нии вала в плоскости крепления полумуфт, то частоту вращения сепаратора следует заменить на разность частот вращения вала и сепаратора. К сожалению, при выходном контроле подшипников на заводах-изготовителях разноразмерность тел качения в под­шипнике по вибрации не контролируется, так как всеми методи­ками контроля подшипников на стендах предусмотрено измере­ние -их вибрации на частотах выше второй гармоники частоты вращения внутреннего кольца. Как правило, разноразмерность тел качения не контролируется и в процессе эксплуатации машин, хотя ускоренный износ одного из тел качения сопровождается резким изменением шероховатости поверхности тела качения и быстрым износом стенки сепаратора. Как показывают статистиче­ские данные, при отсутствии перегрузок в подшипнике и наруше­ний свойств смазки износ тела качения приводит к наиболее бы­строму старению и отказу подшипников качения.

В третью группу сведены" дефекты поверхностей трения скольжения в подшипниках. Их непосредственное влияние на вибрацию подшипника сказывается лишь на высоких частотах, при задевании сепаратора за неподвижные элементы подшипни­ка, а защитных колец - за вращающиеся элементы. Как правило, это задевание не носит строго периодического характера, поэтому изменяет только" две основных характеристики высокочастотной вибраций! её энергию (среднеквадратичное значение) и закон распределения мгновенных значений вибрации. Косвенное влия­ние этих дефектов на вибрацию подшипника может заключаться в изменении размеров стенок сепаратора (расстояние между от­дельными телами качения); что влияет на вибрацию таким же об­разом, что и разноразмерность тел качения, а также в попадании продуктов износа в смазку и соответствующем изменении харак­теристик высокочастотной вибрации подшипника.

В четвертую группу сведены основные дефекты монтажа подшипников В машине, объединенные общими правилами их об­наружения. Перекосы поверхностей качения опасны тем, что мо­гут привести к многократному превышению нагрузок на подшип­ники с ускорением процессов старения и износа нагруженных участков поверхностей качения. Если через короткое время из-за изнбеа поверхностей перегрузка прекращается; то произошедшие изменения состояния могут привести к резкому ускорению разви­тия многих дефектов. Как правило, перекосы лишь незначительно изменяют низкочастотную вибрацию машины, причем нередко в сторону ее уменьшения. Наибольшие изменения в сторону роста вибрации приходятся на средние частоты из-за наличия на любой поверхности качения незначительных неровностей, которые су­щественно увеличивают вибрацию подшипникового узла при уменьшении толщины смазочного слоя из-за роста нагрузки или ухудшении качества смазки. Общим правилом для идентифика­ции перекосов является преимущественный рост четных гармоник подшипниковой вибрации. При этом рассматриваются гармоники высокой кратности, обычно выше десяти. Так, при перекосах наружного кольца это четные гармоники, кратные удвоенной частоте перекатывания тел качения по наружному кольцу, внутреннего -четные гармоники частоты вращения и достаточно часто частоты перекатывания тел качения по внутреннему кольцу, а приуперекот сах роликов -гармоники, кратные четвертой гармонике частоты вращения тел качения. Кроме роста подшипниковой вибрации на средних частотах, рост нагрузки на поверхности качения из-за снижения толщины масляного, слоя и имеющихся неровностей при­водит к модуляции сил трения и случайной вибрации подшипнико­выми частотами. Основным отличием такой модуляции является, с Одной стороны, возможное увеличение числа гармоник,в спектре огибающей вибрации, с другой стороны, преимущественный рост четных гармоник. При сильных перегрузках ловерхностей качения возможны импульсные разрывы смазочного слоя на неровностях поверхностей качения, в том числе периодические, и появление ультразвуковой вибрации импульсно ударного происхождения.

В пятую группу входят дефекты, которые могут появиться как при монтаже, так и при эксплуатации оборудования (сопровожда­ется многократными перегрузками поверхностей качения). При монтаже подшипников среди дефектов этой группы чаще других появляются радиальные статические перегрузки из-за несоответ­ствия диаметров посадочных мест и подшипников, при монтаже машин - статические осевые перегрузки из-за осевых смещений машин друг относительно друга и радиальные статические или вращающиеся из-за несоосности соединяемых муфтами валов.

Эта группа дефектов по своему проявлению в вибрации очень похожа на дефекты, рассмотренные в четвертой группе. Низко­частотная подшипниковая вибрация машины при таких дефектах может не только не расти, но и снижаться, а основные изменения связаны с ростом подшипниковых гармоник вибрации высокой кратности и модуляцией высокочастотной вибрации подшипнико­выми частотами. Как правило, из-за конечной точности изготовле­ния поверхностей качения осевые и радиальные статические пе­регрузки подшипников проявляются так же, как и перекос внут­реннего кольца, и лишь в некоторых случаях преимущественная модуляция случайной вибрации имеет место на третьей гармони­ке, частоты, вращения вала. Вращающиеся нагрузки также явля­ются причиной модуляции случайной вибрации несколькими гар­мониками частоты вращения вала, но основной является первая гармоника с последующим падением величины кратных гармоник. В шестую группу выделены дефекты в виде проскальзывания подшипников в посадочных местах.

Как правило, проскальзывание начинается в импульсных режимах работы машины, в первую очередь при ее пусках, когда задача его обнаружения решается наиболее сложно. Изменения вибрации при проскальзывании за­ключаются прежде всего в нестабильности частот подшипниковых составляющих по отношению к частоте вращения ротора, зада­ча измерения отношения Этих частот в режиме пуска - опреде­лённая техническая сложность. Если проскальзывание происхо­дит и в стабильных режимах, то нестабильность подшипниковых частот обнаруживается по расширению подшипниковых составляющих вибрации по частотной координате. В момент проскаль­зывания наружного (неподвижного) кольца в посадочном месте происходит рост, в том числе и импульсный, сил трения и высоко­частотной вибрации подшипника. Особенностью поведения внутреннего кольца подшипника с ослабленной посадкой является то, что при статической радиальной нагрузке на подшипник, например из-за силы тяжести ротора, один-два раза за оборот вала ось вала импульсно сдвигается во внутреннем кольце подшипника, создавая ударную нагрузку на подшипник и модулируя его высокочастотную случайную вибрацию. Необходимо учитывать, что такая же нагрузка может создаваться и при дефектах соединительных муфт, и при некоторых дефектах механических передач, например зубьев шестерен.

Следующая, седьмая группа дефектов объединяете себе раковины, сколы и трещины на поверхностях качения. Выделить трещины в поверхностях качения в отдельную группу дефектов по их влиянию на вибрацию подшипниковых узлов или машины в це­лом практически невозможно, хотя в некоторых машинах удаётся по вибрационным признакам разделить трещины и раковины на внутренних кольцах и телах качения: Влияние дефектов этой группы на вибрацию заключается в появлении периодических ударов, которые и являются источником импульсной вибрации. Чем резче границы повреждения, тем короче удары и шире час­тотная область возбуждаемой вибрации. Если при ударе разры­вается масляная пленка, упругие соударения поверхностей качения возбуждают и ультразвуковую вибрацию до частот, сущест­венно Превышающих сто килогерц. Развитые дефекты незадолго до отказа подшипников могут стать источником сильной вибрации всей машины на гармониках подшипниковой вибрации низкой кратности. При дефектах наружного кольца удары идут с частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу, при дефектах внутреннего кольца - с-частотой перекатывания тел качения по внутреннему кольцу, при дефектах тел качения - с двойной частотой вращения тел качения. Статическая нагрузка на подшипник приводит к модуляции силы удара о вращающиеся поверхности качения, в частности, при дефектах внутреннего кольца - часто­той его вращения, при дефектах тел качения - частотой враще­ния сепаратора Вращающаяся нагрузка меняет частоты модуля­ции силы ударов, причем эти частоты могут сильно зависеть от особенностей нагрузки. Признаки периодической модуляции уда­ров - боковые составляющие у основных гармоник подшипнико­вых составляющих в спектрах вибрации и ее огибающей.

Последняя группа дефектов объединяет все возможные де­фекты, смазки, разделить которые по вибрационным признакам практически невозможно. Влияние дефектов смазки на вибрацию заключается в том, что, во-первых, масляная пленка при дефек­тах смазки значительно легче рвется в зоне максимальных нагру­зок на поверхности качения, а во-вторых, снижение толщины и вязкости смазочного слоя увеличивает подшипниковую вибрацию на средних и высоких частотах, возникающую из-за всегда имею­щихся неровностей контактирующих поверхностей качения. Раз­рывы масляной пленки приводят к упругим или неупругим ,(аку­стическая эмиссия) ударам тел качения о поверхности колец, возбуждай ультразвуковую вибрацию поверхностей качения. Уда­ры тел качения о неподвижное кольцо подшипника легко обнару­живаются по его ультразвуковой вибрации при установке датчика вибрации непосредственно на это кольцо или на корпус подшип­никового узла, в который это кольцо запрессовано.