3.5. Возможности автоматической диагностики подшипников качения

Под автоматизацией диагностики подшипников качения обыч­но понимается не автоматизация процесса измерения вибрации, а применение программ для автоматической обработки результа­тов измерения, формирования заключения о состоянии подшип­ника и рекомендаций по его обслуживанию (ремонту).

Во всех стационарных системах вибрационного контроля и мониторинга решения принимаются автоматически, путем срав­нения контролируемой величины с пороговым значением. Поро­говое значение либо устанавливается пользователем (разработ­чиком) в соответствии с нормативно-технической документацией, либо определяется по результатам контроля, накапливаемым на первом этапе эксплуатации (бездефектной) диагностируемого оборудования. В последнем случае время накопления выбирает­ся достаточно большим, порядка 10% от ресурса оборудования, Определяются среднее значение и среднеквадратичное, отклоне­ние контролируемого параметра и устанавливается пороговое значение, отличающееся на 3-4 среднеквадратичных отклонения от среднего значения. При этом необходимо иметь априорную информацию о том, что при появлении опасных дефектов контро­лируемый параметр заведомо выйдет из зоны допустимых значе­ний. В некоторых случаях при наличии априорной информации на начало эксплуатации системы контроля устанавливается предва­рительное пороговое значение, которое по мере набора статисти­ческой информации корректируется, в том числе и автоматически.

Простейшие средства вибрационного контроля чаще всего сравнивают с порогом среднеквадратичное значение вибрации в выбранном частотном диапазоне, а отдельные стационарные системы дополнительно и скорость его роста во времени. Для снижения вероятности ложных, срабатываний в многоканальных системах часто решение принимается по срабатыванию не одно­го, а нескольких параллельных каналов вибрационного контроля.

В приборах, контролирующих высокочастотную или ультра­звуковую вибрацию подшипниковых узлов, часто вместо дополни­тельного, алгоритма определения скорости нарастания вибрации используется алгоритм, обнаружения ударных импульсов и срав­нения его величины с пороговым значением. Ударные импульсы обнаруживаются по импульсам высокочастотной вибрации, величина которых существенно превышает ее среднеквадратичное значение. Известны математически строгие алгоритмы их обна­ружения по величине пикфактора, крестфактора, коэффициента эксцесса самого сигнала вибрации или статистических парамет­ров его мощности (огибающей), но эти алгоритмы, а определенных условиях могут быть далеки от оптимальных. Достаточно часто производитель прибора придумывает свой алгоритм обнаружения этих импульсов, собирая для этого большой статистический ма­териал, и называет его новой технологией диагностики подшипни­ков. Экспериментально в таких приборах подбираются и пороги срабатывания, которые обычно зависят от скорости вращения подшипника и его размеров, т.е. от произведения (где угловая частота вращения одного кольца подшипника отно­сительно другого; d_c - диаметр сепаратора), а также от качества изготовления поверхностей качения и смазки. Поэтому такие при­боры обычно адаптируются к подшипникам одного производителя и должны перестраиваться при контроле состояния подшипников других производителей. Кроме того, источниками ударных им­пульсов в подшипниках могут быть процессы в других узлах маши­ны, создающие ударные нагрузки на подшипники, и в этих случаях вероятность ошибки в оценке состояния подшипника становится очень большой.. В качестве примера следует привести зубчатые и другие механические передачи с подшипниками качения, в которых возможно появление импульсных нагрузок на подшипники.

Снизить вероятность ошибок при поиске и оценке параметров ударных импульсов можно в тех случаях, когда данные измерений группы одинаковых подшипников в одинаковых узлах одинаковых машин хранятся в постоянно пополняемой базе данных. В этом случае можно использовать алгоритмы автоматической адапта­ции порогов обнаружения дефектов.

Существенного снижения ошибок в определении причины по­явления периодических ударных импульсов можно добиться, применяя спектральное преобразование к огибающей сигнала вибрации. Типичная форма сигнала вибрации, возбуждаемой пе­риодическими ударными импульсами, форма огибающей его мощности и спектр огибающей приведены на рис.4.3.

Если же измерять огибающую сигнала вибраций не в ультразвуком, а в более низкочастотном диапазоне частот, где вибра­цию возбуждают не только ударные импульсы, но и силы гидродинамической природы в масляной пленке подшипника, то допол­нительно можно обнаруживать модуляцию сил трения из-за неровностей поверхностей трения, не приводящих к разрыву мас­ляной пленки (рис.4.4).

Вибрация такого происхождения проявится на наружном (не­подвижном) кольце подшипника _;и при зарождающихся дефектах на других, кроме наружной, поверхностях качения. Таким обра­зом, в спектре огибающей вибрации проявятся зарождающиеся дефекты всех поверхностей качения, и они будут источниками модуляции вибрации разными частотами. На рис.4.5 и 4.6 приве­дены спектры огибающей высокочастотной вибрации разных под­шипников с разными дефектами поверхностей качения, в частно­сти, с плавными износами, перекосами, сопровождающимися до­полнительными нагрузками на подшипник, и раковинами.

Рис. 4.6. Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипников с износом (а), перекосом (б) и раковинами на внутреннем кольце (в)

Как видно из рисунков, при измерении спектров огибающей вибрации появляется возможность идентификации вида дефекта, в том числе и с помощью методов автоматического распознава­ния состояний.

Именно этот метод был разработан сотрудниками Ассоциации «ВАСТ» в конце 70-х годов прошлого века и лег в основу первых программ, созданных предприятием «Вибротехника». Программы автоматической диагностики, подшипников качения по спектру огибающей их высокочастотной вибрации и сейчас выпускаются многими предприятиями-производителями, систем вибрационного контроля и мониторинга. Но использовать их для перехода на об­служивание и замену подшипников по состоянию большинству заказчиков не удалось. Причина заключается в том, что метод спектрального анализа огибающей вибрации наиболее эффекти­вен при обнаружении и идентификации зарождающихся дефек­тов, но он не рассчитан на достоверную оценку величины разви­тых дефектов и неэффективен при обнаружении предаварийного состояния подшипника, когда подшипниковая вибрация теряет периодичность.

Для мониторинга и прогноза состояния подшипников необхо­димо объединять по крайней мере четыре метода обнаружения дефектов на разной стадии их развития, т.е.:

- обнаруживать дефекты смазки по величине ультразвуковой вибрации;

- идентифицировать вид и оценивать величину развивающе­гося дефекта по спектру огибающей высокочастотной вибрации;

- контролировать величину идентифицированных ранее де­фектов при переходе их в группу развитых дефектов по спектру низкочастотной и среднечастотной вибрации;

- контролировать появление цепочек развитых дефектов как по спектру огибающей высокочастотной вибрации, так и по вели­чине и появлению ударных составляющих в среднечастотной и низкочастотной вибрации.

Из четырех перечисленных методов наиболее сложно формируются алгоритмы автоматического распознавания состояний по спектру среднечастотной вибрации. Причина заключается в том, что в этой области частот наибольшее количество гармонических составляющих вибрации, источником которых, кроме всех подшипников качения, работающих в машине, являются многие другие узлы, а также большое количество резонансов неизвестной частоты и добротности. Поэтому крайне сложно дать количественную оценку колебательных сил, действующих между поверхностями качения конкретного подшипника, состояние которого необходимо определить. В результате приходится создавать модули диагностики не отдельных узлов, а определенной группы узлов, например ротора или рабочего колеса с двумя разными подшипниками, двух шестерен с их подшипниками и т.д.

Основной задачей диагностического модуля является поиск и идентификация составляющих вибрации, возбуждаемых диагностиремой группой узлов при наличии каждого из потенциально опасных дефектов, определение величины роста найденных составляющих вибрации во времени или по группе одинаковых ма­шин с учетом влияния резонансов на обнаруженный рост. Совер­шенно естественно, что в диагностических модулях все дефекты узлов, в том числе и подшипников качения, объединяются в груп­пы с одинаковыми или близкими диагностическими признаками. В одной группе могут оказаться, например, дефекты монтажа и де­фекты износа. Определить, какой из этих дефектов обнаружен, можно по наработке подшипниковых узлов, поскольку на началь­ной стадии эксплуатации машины опасного износа поверхностей качения практически не бывает. Для разных диагностических мо­дулей количество идентифицируемых групп дефектов может быть разное, но при этом все дефекты будут обнаружены своевремен­но, однако при определении типа обнаруженного дефекта может быть сделана сознательная ошибка, так как при близости диагно­стических признаков двух разных дефектов должен указываться тот из них, который развивается быстрее. Такой выбор повышает достоверность долгосрочного прогноза состояния подшипника, но из-за него в процессе мониторинга состояния контролируемый дефект может несколько раз менять название.

Втабл.4.1 приведены основные вибродиагностические признаки дефектов подшипников качения в составе работающего агрегата с одним валом и двумя опорами вращения, т.е. без учета влияния механической передачи, например соединительной муфты, на ра­боту подшипников и на диагностические признаки их дефектов.

Дефект, названный обкатыванием, означает возможную пере­грузку подшипника за счет дополнительной вращающейся нагруз­ки, например из-за значительной неуравновешенности ротора, Плавные неровности поверхностей качения в таблице указывают­ся как их износ, неровности с резкими краями - как раковины на соответствующих поверхностях. Перекос внутреннего кольца ша­риковых и роликовых подшипников, а также осевая перегрузка шариковых подшипников сведены в одну группу дефектов, с об­щими диагностическими признаками, названную неоднородным радиальным натягом подшипника. Разноразмерность тел качения и износ сепаратора также объединены в одну группу дефектов. Кроме того, часто встречающиеся дополнительные признаки по­явления одновременно двух и более влияющих друг на друга де­фектов выделены отдельно в группу сложных дефектов. Наконец, поскольку в нестандартных режимах работы машин отдельные дефекты подшипников могут проявлять себя нестандартным об­разом, а влияние других узлов агрегата на работу подшипников может быть не учтено в используемых диагностических алгорит­мах, в таблицу признаков следует ввести группу неидентифицируемых дефектов, для определения вида которых требуется до­полнительная информация и участие диагноста.

				Таблица 4.1
Вид дефекта	Диагностические призна­ки в спектре вибрации		Диагностические признаки в спектре огибающей вы­сокочастотной вибрации
	Основные	Дополни­тельные	Основные	Дополни­тельные
1; Бой вала (муф­ты)		Нет роста ВЧ		Нет роста ВЧ
2. Неоднородный радиальный натяг		Нет роста ВЧ		Нет роста ВЧ
3. Перекос наруж­ного кольца		Нет роста ВЧ		Нет роста ВЧ
4. Износ наружного кольца				Рост ВЧ
5. Раковины (трещины) на наружном кольце		Рост ВЧ		Рост ВЧ
6. Износ внутренне­го кольца
7. Раковины (тре­щины) на внутрен­нем кольце
8. Износ тел каче­ния и сепаратора		Рост ВЧ		Рост ВЧ
9. Раковины, сколы на телах качения		Рост ВЧ
10. Неуравновешенность ротора		Нет роста , нет роста ВЧ	Нет	Нет роста ВЧ
11. Дефекты узлов крепления	Рост УНЧ	Есть другие дефекты	He обнаруживаются
12. Дефекты смазки	Рост ВЧ		Рост ВЧ	Нет сильных составляющих
13. Дефект муфты		Нет роста ВЧ		Нет роста ВЧ
14. Неидентифицированный дефект	Рост других гармонических составляющих

Примечание: -частота вращениявала; - частота перекатывания тел ка­чения по внутреннему кольцу; - частотаперекатываниятелкаченияпонаруж­номукольцу, - частота вращения тел качения; - частота вращения сепарато­ра; ВЧ - высокочастотная область спектра вибрации; УНЧ - низкочастотная об­ласть спектра вибрации (<0,5 ); =1,2,3,4…

Диагностика подшипников качения в агрегатах с механически­ми передачами, например, соединительными муфтами, ремнями, шестернями и т.п., требует учета их влияния на работу подшипни­ка. Это влияние прежде всего заключается в перегрузке подшип­ников из-за расцентровки валов и дефектов соединений и сопро­вождается появлением или ростом вращающихся и/или ударных нагрузок на подшипники. Поэтому дефекты подшипника и механи­ческой передачи, диагностическими признаками которых являют­ся рост вибрации и модуляция сил трения частотами вращения, объединяются в две группы - бой вала (плавные перегрузки, воз­никающие чаще всего из-за излома линии вала), и дефекты со­единений (муфты, зубьев и т.п.), приводящие к ударным нагруз­кам на подшипники. К последней группе относятся и проскальзы­вание колец в посадочном месте.

В некоторых случаях даже в диагностических модулях одновальных машин для снижения числа неидентифицированных де­фектов необходимо учитывать особенности работы тех узлов машины, которые вращаются вместе с валом. Это, прежде всего, относится к модулям диагностики подшипников электрических машин, насосов, турбин.

Создание и отработка диагностических модулей является крайне сложной задачей, которая по силам только крупному науч­ному коллективу, имеющему обратную связь с диагностами, рабо­тающими на предприятиях разных отраслей промышленности. Поэтому задачу перехода¹ на обслуживание и ремонт оборудова­ния по фактическому состоянию решать надо во взаимодействии с научными подразделениями крупных производителей специали­зированных диагностических комплексов. Аппаратура вибрацион­ного контроля на решение такой задачи просто не рассчитана.