8.9.1. Діагностика за загальним рівнем вібрації

Даний спосіб діагностики дефектів в підшипниках є досить поширеним і найпростішим способом оцінки загального технічного стану устаткування за загальним рівнем вібросигнала. Для проведення такої діагностики дефектів підшипників кочення цілком досить використання простого віброметра.

Така діагностика дефектів підшипників кочення дозволяє визначати дефекти лише на найпізнішій стадії їх розвитку, коли вони призводять або вже призвели до деградації стану підшипників, підвищення загального рівня вібрації (передаварійна діагностика дефектів).

Критерії ступеня розвитку дефекту в даному методі орієнтовані на відповідні нормативні рівні вібрації, що існують прийняті для даного двигуна. Дефектним в цьому методі діагностики вважається такий підшипник кочення, вібрації якого перевищили спільну норму для агрегату. При такому підвищенні значення рівня вібрації обслуговуючому персоналу необхідно приймати рішення про можливість подальшої роботи агрегату, або про зупинку устаткування і заміну підшипника.

Перші ознаки дефекту підшипника даним методом діагностики виявляються при обстеженні устаткування персоналом досить пізно, приблизно за декілька місяців, тижнів або навіть днів до моменту повного руйнування підшипника.

Не зважаючи на це такий метод діагностики стану підшипників кочення досить широко використовується в практиці і дає непагані результати в тих випадках, коли:

основним завданням проведення діагностичного обстеження устаткування є лише запобігання аваріям і їх наслідкам, нехай навіть це буде відомо на досить пізньому етапі;

останов устаткування і заміну підшипника можна виконати в термін час, що залишився до аварії, без будь-якого збитку для роботи установки і підприємства, без порушення спільного технологічного процесу;

циклічність проведення ремонтних робіт на устаткуванні така, що термін служби підшипника, що залишився з діагностованим дефектом перевищує час напрацювання до виводу устаткування в ремонт за інших умов.

Перевагою методу діагностики дефектів підшипників кочення за спільним рівнем вібрації є так само те, що для його вживання не потрібне практично жодного додаткового навчання обслуговуючого персоналу і вартість технічного устаткування, що необхідне для його впровадження, мінімальна.

Досить високу ефективність може мати діагноста дефектів підшипників кочення найбільш простим способом – «на слух». Для цього необхідна наявність якого-небудь пристрою для прослуховування підшипників типа стетоскопа або віброметра з навушниками. Якщо прикласти його до дефектного підшипника, то можна почути високий неголосний дзвін.

Структура приладу для аналізу загального рівня вібрації наведена на мал. 8.15.

Рис. 8.15. Структура приладу для аналізу загального рівня вібрації

8.9.2. Діагностика за спектрами вібросигналів

Вірогідність більшості практичних діагнозів за станом підшипників кочення, що отримані при використанні класичних спектрів вібросигналів, є низькою. Це пояснюється особливостями спектральної вібродіагностіки. Помилки ранніх діагнозів заздалегідь прогнозовані і полягають в тому що класичний спектр є за своїм визначенням,розподілом потужності первинного часового вібросигнала в частотній області. Тому появу виражених вузьких піків на спектрі в зоні характерних частот того або іншого елементу підшипника кочення, що має не лише велику амплітуду але і істотну потужність вібрації, слід чекати лише при розвитку дефекту до того рівня, що його потужність буде сумірна потужності піків, які чітко діагностуються на спектрі (для наявності в спектрі дефект має бути досить розвиненим).

Спектральна діагностика може упевнено діагностувати дефекти підшипників кочення лише з кінця першого етапу, а частіше з другого етапу їх розвитку. До того ж навіть і на другому етапі розвитку дефектів їх діагноста за класичними спектрами вібросигналів є складною і має ряд специфічних особливостей.

Вимоги до вживаних спектроаналізаторів. Прилад повинен обов'язково мати високу роздільну здатність, що складає не менше ніж 3200 ліній в спектрі. Інакше розподіл потужності вузького ударного піку дефекту по досить широкій спектральній смузі призведе до різкого заниження рівня характерної гармоніки і до неможливості її використання в діагностиці.

Варіант структури спектроаналізатора наведено на мал. 8.16.

Рис. 8.16. Структура спектроаналізатора

Прилад обов'язково повинен мати можливість реєструвати часові сигнали.

Особливості прояву дефектів підшипників на спектрах вібросигналов:

– наявність на часовому вібросигналі явно визначаємих періодичних ударних процесів;

– наявність в спектрі вібросигнала великої кількості несинхронних компонент, або гармонік з дробовими номерами відносно базової частоти обертання ротора. Частоти цих гармонік визначаються підшипниковими співвідношеннями;

– наявність в спектрі широкосмугових енергетичних горбів поблизу підшипникових частот і частот власних резонансів елементів механічної конструкції.

В

Рис. 8.17. Часовий вібросигнал типа «рибка» при розвинених дефектах підшипника

ірогідність появи на часовому вібросигналі дефектного підшипника ударних періодичних імпульсів, що мають вельми характерний вигляд, наближається до 100 %. Для опису цих зовнішніх особливостей навіть придуманий спеціальний термін – «рибка». Наявність такої форми в часовому вібросигналі є надійною діагностичною ознакою для виявлення дефектів підшипників.

Частота слідкування «рибок» у часовому сигналі повинна досить точно відповідати частоті, що характеризує дефект того або іншого елементу підшипника. Інтенсивність «рибок», ступінь їх виявленості, перевищення над фоном вібрації залежить від ступеня розвитку дефекту. Приклад вібросигнала з двома «рибками» наведено на мал. 8.17.

У реальних вібросигналах «рибки» найчастіше є більш «кудлатими». Вони ідуть слідом одна за одною, а часто можуть навіть нашаровуватись. Все це залежить від частоти слідкування ударів від дефектів і від власних резонансних властивостей механічної конструкції або її окремих елементів.

Безпосередньо при діагностиці дефектів підшипників кочення за допомогою спектрів вібросигналів можна виявити три типи спектрів вібросигналів, що найчастіше зустрічаються, і відповідають різним етапам розвитку дефектів.

Стадія 1. Перші ознаки дефектів на спектрі вібросигналів виникають тоді, коли дефект підшипника розвинеться до такого ступеня, що енергія, яка виділяється ним, стане сумірна загальній енергії вібрації підшипника. Щодо етапів розвитку дефектів це зазвичай кінець першого етапу – початок другого. По термінах це приблизно декілька місяців з моменту початку розвитку дефекту. Вигляд спектру першої стадії наведено на мал. 8.18.

У цьому спектрі поряд з першими механічними гармоніками частоти обертання ротора з'являється пік на характерній частоті дефекту того або іншого елементу підшипника. На цій стадії характерна гармоніка вже добре помітна на спектрі і дозволяє досить точно виявляти дефектний елемент.

За амплітудою характерна гармоніка вже сумірна амплітуді першої або другої гармонік оборотної частоти ротора, але за потужністю ще набагато поступається їм. На спектрі це виявляється тим, що пік підшипникової гармоніки є дуже вузьким. Дефект з'явився, але ще не є сильно розвиненим.

Ця стадія завершується тоді, коли амплітуда характерної гармоніки вже не зростає, а поряд з нею дуже близько з'являється перша пара бічних гармонік зліва і справа. Це означає, що почався етап розширення зони дефекту в підшипнику.

Стадія 2. На цій стадії значно збільшується вклад в загальну вібрацію складової від дефекту підшипника. Підшипникова гармоніка збільшує свою потужність до такого значення, що стає сумірна з основними механічними гармоніками – першою і другою. Наявність у вібросигналі, як мінімум, двох гармонік, які приблизно однакові за потужністю – синхронної і несинхронної, збурює в агрегаті биття. Частоти биття виявляються на спектрі у вигляді бічних смуг поблизу характерної підшипникової гармоніки. У міру зростання потужності підшипникової гармоніки з розширенням зони дефекту число бічних смуг і їх потужність поступово зростає.

Подальший розвиток дефекту призводить до появи гармонік від характерної підшипникової частоти. Зазвичай з'являються гармоніки з номерами два і три основної частоти підшипникового дефекту. Поряд з кожною такою гармонікою зліва і справа теж матимуть місце бічні частоти, число пар яких може бути достатньо великим. Що глибше розвинен дефект, то більше бічних гармонік і в гармонік частоти дефекту.

П

f₁

f_П

2f_П

риклад спектру вібросигнала підшипника з розвиненим дефектом показано на мал. 8.19. На цьому спектрі є перша і друга гармоніки характерної частоти підшипникового дефекту. Довкола кожної гармоніки зліва і справа розташовано по дві пари бічних гармонік.

Рис. 8.19. Спектр вібрації на другій стадії розвитку дефекту підшипника кочення

Ізнос підшипника з таким спектром вже очевидний і може поширюватися майже по всій робочій поверхні підшипника, він вже став груповим і захопив декілька елементів підшипника. Підшипник потребує заміни, або до такої процедури потрібно інтенсивно готуватися.

f₁

Стадія 3. Це остання стадія розвитку дефектів підшипника. У кінці цієї стадії підшипник вже повністю деградував і перестав виконувати свої прямі функції – забезпечувати обертання валів з мінімальними витратами на тертя. Витрати на тертя великі і обертання ротора утруднене.

Стан підшипника досягає такої стадії, коли характерна частота дефекту стає нестабільной, так само поводяться бічні гармоніки. Накладення б агатьох сімейств гармонік кожне з яких складається з основної частоти і бічних гармонік створює досить складну картину. Якщо в цих сімействах основні гармоніки розрізняються за частотою несуттєво, то сума всіх частот в спектрі має вигляд енергетичного горба, що захоплює такий діапазон частот, куди входять всі гармоніки всіх сімейств від всіх вже існуючих дефектів підшипника кочення.

На загальному фоні енергетичного горба можуть підноситися окремі гармоніки, але зазвичай всі вони носять випадковий характер і вже практично нічого не відбивають. Вони просто збільшують потужність, яка зосереджена в цьому частотному діапазоні енергетичного горба.

Практично вся потужність вібросигнала зосереджена не в зоні механічних гармонік (1 – 8), а в зоні характерних гармонік, що відповідають наявним дефектам підшипника кочення. На цьому етапі таких дефектів вже багато (підшипника вже практично немає). Для ілюстрації цієї стадії на мал. 8.20 наведено спектр вібросигнала. На ньому добре видно всі перераховані особливості діагностування третьої стадії розвитку дефекту.

Зокрема, в діапазоні гармонік, що властиві механічному послабленню і збільшеному зазору в підшипнику, з'являється набір цілих гармонік оборотної частоти. Усі вони за своїми параметрами відповідають вищеназваним механічним причинам. Причина виникнення таких гармонік – великі зазори у підшипнику.

Підшипник потребує швидкої заміни, оскільки можливість аварійної ситуації дуже велика.

При роботі підшипника з внутрішніми дефектами в часовому вібросигналі з'являються характерні складові з власними частотами, за якими можна досить коректно виявити місце знаходження дефекту. Основні частоти дефектів підшипників розраховуються за формулами, що описують кінематику взаємодії елементів підшипників (частоти проходження тіл кочення, сепаратора і т. п.). Чисельні значення частот залежать від співвідношення геометричних розмірів підшипника і частоти обертання ротора механізму. Розвиток дефекту призводить до появи другої і третьої гармонік від характерної підшипникової частоти, поряд з якими зліва і справа теж з'являються бічні частоти, число пар яких може бути досить великим. Що розвиненіший дефект, то більше у гармонік частоти дефекту бічних складових.

Прояви дефектів підшипників на спектрах вібросигналів мають ряд особливостей: наявність на часовому вібросигналі наявних періодичних ударних процесів; наявність в спектрі вібросигнала великої кількості несинхронних компонент (гармонік з дробовими номерами), частоти яких визначаються підшипниковими співвідношеннями; наявність в спектрі широкосмугових енергетичних горбів поблизу підшипникових частот і частот власних резонансів елементів механічної конструкції.

Для забезпечення вірогідності розпізнавання дефектів підшипників кочення на початкових етапах, коли спектральні складові піддаються відокремленню, можливе використання векторних діагностичних моделей, що мають вигляд багатовимірних векторів, які включають не лише три ортогональні гармоніки оборотної частоти, але і вищі гармоніки підшипникових частот. Аналіз таких багатовимірних векторів в просторі станів дозволяє диференціювати дефекти підшипників від дисбалансів ротора, розцентрування і т. п.

Для підшипників авіаційних ГТД, які виконані з високою точністю, в спектрах коливань відокремлюються ряд високочастотних складових. Причинами їх можуть бути вигибні деформації кілець підшипника силами, що діють на них від тіл кочення, коливання жорсткості підшипника під дією навантаження при його обертанні і резонансні коливання зовнішнього кільця. У спектрах вібрації ці спектральні складові виглядають як коливання при хвилястості бігової доріжки підшипникового кільця.

Одним з джерел підвищених вібрацій в підшипниках авіаційного ГТД можуть бути нерівномірності газового потоку в тракті двигуна, що обумовлені обмеженим числом робочих лопаток ротора. Ці коливання передаються на опору ротора, викликають резонансні коливання підшипникового кільця. Проаналізуємо конкретний приклад – при роботі двигуна було зафіксовано підвищений рівень коливань кулькового підшипника 6-126122Р1 (передня опора ротора компресора ГТД) в діапазоні від 4,5 до 7 кГц. Робочий діапазон частот обертання ротора досліджуваного ГТД складає від 10000 об/мін на режимі малого газу (167 Гц) до 15700 об/мін на максимальному режимі (262 Гц). Кількість тіл кочення в підшипнику – 19. Частота проходження тіл кочення по зовнішньому кільцю по першій формі складає в робочому діапазоні від 1287 Гц до 2105 Гц.

Для визначення можливих джерел вібрації було виконано чисельне моделювання коливань зовнішнього кільця кулькового підшипника, яке дозволило побудувати частотну діаграму власних коливань кільця. На мал. 8.21 наведена твердотіла модель обойми з розбиттям на кінцеві елементи, на мал. 8.22 – одна з форм коливань.

Число робочих лопаток першого ступеня осьового компресора досліджуваного двигуна – 27, частота, що збуджується в робочому діапазоні нерівномірністью потоку складає від 4509 Гц до 7074 Гц. На діаграмі мал. 8.23 наведено частоти коливань зовнішнього кільця підшипника для різних вигибних форм в холодному стані (суцільна лінія) і при робочих температурах підшипника (пунктирна лінія). Коливання за першою формою відповідають пересувнню кільця в радіальному напрямку за іншими формами – вигину кільця з різним числом хвиль.

На діаграмі нанесено також частоти коливань збурюючих сил від проходження тіл кочення і від нерівномірності газового потоку.

З діаграми видно, що в робочому діапазоні частот обертання ротора можливі резонансні коливання кільця підшипника до четвертої форми вигибних коливань, які збурюються нерівномірністю газового потоку в тракті двигуна. Характер коливань аналогічний коливанням при хвилястості бігової доріжки підшипникового кільця.

Формули для розрахунку підшипникових частот зручні для використання в діагностиці, але достовірність діагностики з їх використанням може бути невисокою. Досить часто навіть за наявності в підшипнику явного дефекту у вібросигналі характерні частоти можуть бути відсутніми, мати зрушення за частотою, або мати дуже малий рівень.

Для того, щоб за наявності дефекту в часовому вібросигналі і на отриманому в результаті його обробки спектрі були вірогідно виявлені гармоніки з цими характерними частотами необхідне виконання ряду вимог:

– підшипник має бути навантажений достатнім зусиллям, яке близьке до номінального;

– дефектна зона повинна періодично проходити через зону навантаження підшипника;

– у механізмі не повинно бути інших джерел вібросигналів з частотою, яка дорівнює частоті дефектів;

– вібродатчик має бути розташовано досить близько до навантаженої зони підшипника;

– частотні параметри датчика повинні відповідати робочим параметрам механізму;

– реєстратор вібросигналів повинен забезпечувати здобуття спектру вібросигнала з кількістю спектральних ліній не менше 1600 – 3200.

Ці вимоги відносяться до всіх методів діагностики підшипників кочення за спектрами вібрації і згинаючої, які базуються на використанні формул розрахунку підшипникових частот. Лише при виконанні цих умов роботи підшипника і установки датчика можна досить упевнено і на ранніх стадіях діагностувати дефекти підшипника. Інакше висока вірогідність або невиявлення дефектів, або помилкового визначення дефектів при їх дійсній відсутності.

Складним так само є питання визначення рівня розвитку зареєстрованого дефекту за амплітудами або іншими параметрами гармонік, які характерні для підшипникових частот. У великій мірі прояв дефекту залежить від типа використовуваної апаратури і місця установки вібродатчика. Інакше кажучи рівень дефекту підшипника в кожному механізмі свій, унікальний. На величині порогу кожного дефекту так само позначається виддалення дефектного елементу від вібродатчика – дефект внутрішньої обойми менш помітний, ніж дефект зовнішньої обойми.

Визначення дійсного ступеня розвитку кожного дефекту підшипника значно збільшує трудомісткість використання таких методів діагностики.

До того ж:

– всі підшипникові частоти зазвичай модулюються частотою обертання ротора, що призводить до виникнення довкола них характерних бічних гармонік. У міру поглиблення дефекту число бічних гармонік зростає. Додаткова потужність вібрації від дефекту виявляється зосередженою не в основній гармоніці дефекту, а довкола неї, до того ж в досить широкому діапазоні частот;

– досить часто реальні частоти характерних гармонік від окремих елементів підшипника не відповідають розрахованим значенням і в міру поглиблення дефектів ця відзнака зростає;

– найчастіше при значних ступенях розвитку дефектів на спектрі виникають енергетичні горби – ділянки із загальним підніманням рівня, що мають велику кількість випадкових піків. Такі горби можуть виникнути як поблизу характерної частоти так і поблизу частоти резонансу конструкції або її окремого елементу. Часто енергетичний горб буває в двох місцях спектру – і на характерній частоті, і на резонансній. Досить часто при розвиненому дефекті характерна частота, довкола якої з'явився енергетичний горб, на спектрі відсутня. Інколи число горбів може бути три або навіть більше.

Структура приладу для аналізу спектру вібросигнала наведена на мал. 8.24

Рис. 8.24. Структура приладу для аналізу спектру