3.4. Оптимизация методов диагностики

и диагностических параметров на разных этапах

жизненного цикла подшипника

Вибрационная диагностика подшипников качения, невозможна без, учета влияния привода, обеспечивающего вращение подшип­ника, на контролируемую вибрацию либо подшипника, либо под­шипникового узла, либо корпуса машины, в которую установлен диагностируемый подшипник.

Впервые после изготовления вибрационная диагностика под­шипника может проводиться на этапе его выходного контроля на заводе-изготовителе, где, как правило, проводится выборочный контроль продукции. Подшипник при этом устанавливается и при­водится во вращение на специальном стенде выходного контро­ле, схема которого приведена на рис.4.1.

Рис.4.1. Схема стенда для выходного контроля подшипников качения: 1 -фундамент; 2 - массивная рама; 3 - вал со шкивом; 4 - радиальный подшипник скольжения; 5 - радиально-упорный подшипник скольжения; 6 - электродвигатель с ременной передачей; 7 - переходная втулка; 8 – контролируемый подшипник качения; 9 -устройства для создания нагрузки на неподвижное кольцо подшипника; 10 - датчик вибрации; 11 - виброизоляторы; 12 - упорная шайба на валу

Для минимизации влияния вибрации привода на контроли­руемую вибрацию неподвижного наружного кольца подшипника вал, на который насаживается подшипник, вращается в высоко­точных Подшипниках скольжения и приводится во вращение ре­менной передачей от малошумного электродвигателя, установ­ленного на собственном массивном фундаменте, виброизолиро­ванном от фундамента вала с диагностируемым подшипником. Основной задачей вибрационного контроля является количест­венная оценка неровностей поверхностей качения, поэтому виб­рация наружного кольца (обычно виброскорость) контролируется в вертикальном направлении в трех полосах частот: низкочастот­ной (от 50 до 300 Гц), среднечастотной (от 300 до 1800 Гц) и вы­сокочастотной (от 1800 до 10000 Гц) при минимальных радиаль­ных и осевых нагрузках на подшипник. Частота вращения под­шипника обычно выбирается равной 1800 об/мин. Величина вибрации на средних и высоких частотах существенно зависит и от свойств смазки, поэтому измерения вибрации проводятся с использованием либо специальных смазок, либо с конкретным ти­пом смазки, рекомендуемой для испытываемых подшипников.

При таком подходе не контролируется ряд геометрических ха­рактеристик подшипника, а именно, разноразмерность тел каче­ния, являющаяся источником вибрации подшипника на частоте вращения сепаратора, несоосность посадочной поверхности и поверхности качения внутреннего кольца, являющаяся источни­ком вибрации на частоте вращения, овальность поверхности ка­чения внутреннего кольца, являющаяся источником вибрации на второй гармонике частоты вращения подшипника. Кроме того, практически не контролируется угловая несимметрия жесткости элементов качения, вызываемая, например, внутренними трещи­нами в металле. Для контроля несимметрии жесткости по вибра­ции необходимо нагружать подшипник до величин, сопоставимых с номинальными нагрузками, а это резко усложняет стенды и объем работ по выходному контролю подшипников. Поэтому за­воды-поставщики подшипников предпочитают дополнительно проводить выборочный контроль физических свойств элементов подшипника невибрационными методами.

Задача входного контроля подшипников качения на машино­строительных и ремонтных предприятиях существенно отличает­ся от задачи выходного контроля, так как вибрационный контроль достаточно часто бывает единственным используемым способом входного контроля, от которого необходимо получить максимум информации о реальном состоянии подшипника при минимуме затрат. В этом случае стенд для входного контроля можно суще­ственно упростить, добавить в него возможность создания боль­ших радиальных нагрузок на подшипник, но параллельно усложнив аппаратуру измерения и анализа вибрации. Упростить стенд удается в случае диагностики подшипников в режиме свободного выбега, а усложнить контрольную аппаратуру - используя узкопо­лосный синхронный спектральный анализ вибрации. Можно даже производить одновременную диагностику двух подшипников ка­чения разного типа, установленных с разных концов радиально нагруженного маховика (рис.4.2).

Диагностика подшипников в этом случае производится по ве­личинам каждой из значимых подшипниковых составляющих виб­рации в спектре вибрации, измеряемом от частоты вращения се­паратора до 100-300 гармоники частоты вращения вала и по подшипниковым составляющим в спектре огибающей высокочас­тотной вибрации.

Рис.4.2. Схема стенда для входного контроля подшипников качения: 1 -массивная рама; 2 - переходники для установки подшипников; 3- ротор с активным сердечником и двумя диагностируемыми различными подшипниками; 4 - электромагнитное устройство для создание радиальной нагрузки,; 5 – электродвигатель для разгона ротора; 6 - ременная передача с натяжителем; 7 - датчики вибрации; 8-фотоэлектрический датчик оборотов на штативе с магнитной основой; 9 - виброанализатор

Следующий этап диагностики подшипников качения - после их установки в машину при выходном контроле вибрации машины. На этом этапе контролируется появление дефектов сборки, а при отсутствии входного контроля подшипников по вибрации - нали­чие дефектов изготовления подшипников.

Дефекты монтажа подшипников обнаруживаются двумя основ­ными методами. Простейшим может считаться контроль появления ударных импульсов в подшипниках по ультразвуковой вибрации неподвижного кольца. Эти импульсы появляются из-за продавливания слоя смазки в местах наибольшего нагружения поверхностей качений. Второй метод – узкополосный анализ вибрации подшип­никовых узлов с поиском значимых составляющих подшипниковой вибрации высокой кратности и сравнением их величин с пороговы­ми значениями для конкретного типа машин, а также анализ спек­тров огибающей высокочастотной вибрации подшипниковых узлов. Второй метод более трудоемкий, но, он используется значительно чаще, так как позволяет определить вид дефектов для их после­дующего, устранения. Этот метод может быть автоматизирован, что во много раз сокращает его трудоемкость.

Следует отметить, что для успешного разделения дефектов монтажа подшипников и дефектов других узлов машины подшип­ники можно диагностировать ив режиме свободного выбега ма­шины, используя дополнительную информацию о времени ее полного или частичного выбега. Необходимо также помнить, что применение в подшипнике смазок низкого качества также приво­дит к росту среднечастотной и высокочастотной подшипниковой вибрации, резко затрудняя поиск и оценку степени опасности об­наруживаемых дефектов монтажа.

Следующий этап диагностики подшипников - после установки машин на месте их эксплуатации. Основная задача диагностики состоит в обнаружении перегрузок подшипников из-за дефектов монтажа, идентификации твида перегрузок и определения причин их появления. Для решения этих задач чаще всего используется рассмотренный ранее второй метод обнаружения дефектов мон­тажа подшипников, а основными причинами перегрузок являются несоосность валов, дефекты соединительных муфт и повышен­ные осевые нагрузки на валы.

Основными задачами диагностики подшипников качения в процессе их эксплуатации являются долгосрочный прогноз их безотказной работы и своевременное обнаружение дефектов. За­дача обнаружения дефектов в свою очередь делится на две: об­наружение зарождающихся дефектов с наблюдением за их разви­тием (мониторинг состояния) и обнаружение предаварийного со­стояния подшипника (аварийная защита). Главными критериями оценки эффективности любого метода и средства диагностики подшипников качения являются вероятность пропуска предаварийного состояния подшипника и длительность долгосрочного прогноза его безаварийной работы.

Дефекты эксплуатации в подшипниках по величине и влиянию на длительность прогноза безотказной работы делятся на: зарож­дающиеся (слабые), развивающиеся (средние), развитые (силь­ные) и аварийно-опасные (опасные). Первые не влияют на дли­тельность прогноза безотказной работы подшипника, которая мо­жет доходить до 20% от его среднего ресурса, но, как правило, не превышает шести месяцев. Они могут исчезать в процессе при­работки, не переходя по величине в следующую, группу. Вторые после их образования не, могут исчезнуть, но они практически не увеличивают вероятность отказа подшипника ранее того времени, когда перейдут в группу сильных дефектов. Сильные дефекты оказывают влияние на надежность подшипника, повышая до ве­личины 1-5% вероятность его отказа за ограниченное время, Дос­таточное дли подготовки к его замене (около месяца или 1-2% от среднего ресурса). Подшипники с опасными дефектами жела­тельно заменять при первой возможности, а до замены постоянно контролировать их развитие, аварийно останавливая машину при больших скоростях развития дефекта.

Обнаружение дефектов подшипников может вестись по под­шипниковой вибрации во всех диапазонах частот, начиная от низких, например, с частоты вращения сепаратора, и заканчивая ультразвуковыми, в том числе выше 100 кГц. Методы контроля (мониторинга) состояния подшипнишв качения по сложности ал­горитмов обнаружения дефектов делятся на два основных на­правления.

Первое направление включает в себя оперативные методы, не требующие информации о характеристиках подшипника, кроме частоты его вращения, и не дающие информации о виде дефекта, а для многих дефектов и о степени его опасности. Длительность измерения вибрации при использовании таких методов обнару­жения минимальна и обычно не превышает времени, за которое подшипник совершает 3-5 оборотов подвижного кольца. Для обеспечения безопасной работы подшипников качения интервалы между измерениями их вибрации с оценкой состояния при ис­пользовании оперативных методов не должны быть большими, т.е. в типовых ситуациях не должны превышать 1-3 суток непре­рывной работы.

Второе направление включает в себя методы обнаружения дефектов с накоплением и подробным анализом вибрации под­шипников. Эти методы требуют длительных измерений вибрации (более 50-100 оборотов), более сложных, обычно спектральных методов анализа сигналов, а также подробных данных о парамет­рах подшипника, но позволяют с разной для разных методов дос­товерностью определять вид и глубину развития дефектов. Это, в свою очередь, позволяет прогнозировать безотказную работу подшипника и переходить на длительные (более 1-2 месяцев) интервалы между диагностическими измерениями.

По возможностям долгосрочного прогноза методы диагностики делятся на три группы: методы, позволяющие обнаруживать за­рождающиеся дефекты для прогноза их развития и планирования работ по обслуживанию, методы обнаружения развитых (средних и сильных) дефектов для планирования работ по ремонту и мето­ды обнаружения аварийно-опасных дефектов для своевременной остановки оборудования.

В основе методов первой группы лежит использование ре­зультатов измерения ультразвуковой или, как минимум, высоко­частотной вибрации подшипниковых узлов. Но при этом следует учитывать, что чем выше частота измеряемой вибрации, тем меньшее количество дефектов, но на более ранней стадии разви­тия, можно обнаружить. По данным измерений вибрации на очень высоких частотах можно получить неоднозначный долгосрочный прогноз состояния подшипников, так как часть дефектов при этом пропускается. В качестве примера следует привести результаты, получаемые с помощью индикаторов состояния подшипников, об­наруживающих ударные импульсы и акустическую эмиссию не­подвижного кольца подшипника, по ультразвуковой вибрации с частотами выше 80-100 кГц. Очень рано обнаруживая дефекты наружного кольца и смазки подшипника, такие индикаторы начи­нают обнаруживать дефекты других поверхностей качения и скольжения только косвенно и в развитом состоянии, когда про­дукты износа ухудшают состояние смазки. Как следствие, долго­срочный прогноз безаварийной работы подшипника становится невозможным, поэтому для мониторинга состояния подшипников измерения ультразвуковой вибрации проводятся достаточно час­то, с интервалами в несколько дней. После обнаружения дефекта проводится глубокая диагностика подшипника (машины) теми ме­тодами второй группы, которые дают .возможность определения вида и величины дефекта.

В основе метода второй группы лежит измерение среднечастотной вибрации подшипниковых узлов. Для обнаружения, и осо­бенно для оценки величины средних и сильных дефектов обычно измеряется и анализируется не только среднечастотная, но и низ­кочастотная вибрация подшипниковых узлов контролируемой ма­шины. Кроме этого может проводиться анализ также, высокочас­тотной или ультразвуковой вибрации для определения вида де­фекта, что необходимо, в первую очередь, для прогноза работоспособности подшипника, так как скорости развития разных дефектов могут различаться в десятки раз.

В основе методов третьей группы лежит измерение величины низкочастотной вибрации машины (подшипникового узла или корпу­са) преимущественно в радиальном к оси вращения ротора направ­лении. Поскольку вид дефекта подшипника при аварийной защите оборудования не имеет значения, подробный, в частности спек­тральный анализ низкочастотной вибрации с параллельным изме­рением и анализом среднечастотной и высокочастотной вибрации, не является обязательным признаком методов третьей группы.

По результатам многолетних исследований вибрации под­шипников качения в составе различных типов машин и оборудо­вания и на основании опыта использования многих видов систем контроля и диагностики машин, во время их эксплуатации для решения типовых задач по контролю состояния подшипников качения во время эксплуатации можно рекомендовать следующие алгоритмы и технические средства.

1. Для систем аварийной защиты с автоматическим отключением оборудования рекомендуются средства контроля величины вибрации (виброскорости) в стандартной полосе частот от 10 до 1000 Гц, кото­рые могут дополняться средствами контроля температуры.

2. В стационарно установленных системах аварийной сигна­лизации параллельно со средствами, указанными в п.1, рекомен­дуется измерять величину высокочастотной или ультразвуковой вибрации для своевременного обнаружения опасных изменений состояния смазки.

3. В стационарно установленных системах мониторинга реко­мендуется дополнительно к средствам, указанным в пп.1 и 2, ли­бо измерять величину и параметры статистического распределе­ния значений (для обнаружения опасных ударных импульсов) среднечастотной вибрации подшипникового узла; либо анализи­ровать ее спектральный состав. Спектральный анализ вибрации рекомендуется производить с большими интервалами, поэтому его можно выполнять и переносными средствами измерения и анализа вибрации.

4. В переносных средствах оперативного контроля состояния подшипников качения рекомендуется измерять величину вибра­ции подшипникового узла в трех полосах частот - на низких час­тотах, начиная со 2-3 гармоники частоты вращения подшипника до 20-30 гармоники, на средних частотах (без перекрытия с поло­сой низкочастотной вибрации) и на высоких (ультразвуковых) час­тотах. При этом важно в каждой из полос обеспечить измерение именно подшипниковых составляющих вибрации, исключив те Области частот, где доминируют составляющие вибрации другой природы. Кроме величины вибрации в средствах оперативного контроля можно рекомендовать для своевременного обнаружения ударных импульсов измерять параметры статистического распре­деления значений либо вибрации в выбранных среднечастотных и высокочастотных полосах частот, либо ее огибающей. При об­наружении средствами оперативного контроля опасных отклоне­ний состояния необходимо проводить более глубокий анализ вибрации для принятия решений о сроках проведения и объеме работ по обслуживанию или ремонту машины.

5. В переносных средствах глубокой (превентивной) диагности­ки с долгосрочным прогнозом безаварийной работы подшипника необходимо измерять и анализировать спектральными методами вибрацию каждого подшипникового узла во всех частотных областях. Только так можно обнаружить и с необходимой для прогноза точностью определить вид и глубину каждого дефекта. При этом необходимо применять дополнительные виды обработки сигналов, для того чтобы не пропускать опасных дефектов в той стадии раз­вития, когда спектральные методы перестают работать. Это означает, что необходимо, как минимум, выполнять измерения и спек­тральный анализ подшипниковой вибрации и колебаний ее мощно­сти (огибающей) в частотном диапазоне от частоты вращения сепаратора, по крайней мере, до частоты 25-30 кГц.

Отсутствие результатов измерения и анализа вибрации хотя бы в одной из частотных областей (низкие, средние, высокие и ультразвуковые) снижает достоверность глубокой диагностики до таких значений, которые не позволяют переходить на обслужива­ние и замену подшипников по фактическому состоянию.

Следует отметить, что современные средства и программное обеспечение для глубокой диагностики и прогноза состояния подшипников качения, позволяющие переходить на обслуживание по фактическому состоянию, кроме анализа вибрации в широком диапазоне частот могут использовать результаты контроля тем­пературы подшипниковых узлов, анализа тока электродвигателя, приводящего во вращение контролируемый агрегат, а также ана­лиза состава смазки и других параметров подшипников.