Глава 6

Диагностика узлов с подшипниками скольжения и уплотнениями

Схематичный разрез подшипника скольжения приведен на рис. 6.1. Часть вала, называемая цапфой, шейкой и т.п., вращается внутри пространства, ограни­ченного вкладышем подшипника. Жидкая смазка (иногда газ, магнитное поле) за­щищает возникновение граничного тре­ния между металлическими поверхностя­ми деталей подшипника при нормальной его работе. Она же, взаимодействуя с вращающимся валом за счет сил трения, образует снизу "масляный клин", который вынуждает его "всплывать" по кривой динамического равновесия тем выше, чем больше скорость его вращения.

Методам виброакустической диагно­стики подшипников скольжения посвя­щено значительно меньше работ [7, 8, 26, 62, 155, 156], чем подшипникам качения, хотя они также являются слабыми узлами во многих машинах и механизмах, напри­мер, в судовых дизелях, в турбогенерато­рах, в различного вида насосах, компрес­сорах, турбинах и др. Такое положение вы­звано многими причинами. Одна из них - подшипник скольжения обладает малой по сравнению с другими узлами машины виброактивностью, поэтому приходится иметь дело с незначительными виброаку- стическими сигналами собственно под­шипника, которые "тонут" на фоне помех, если измерения производятся корпусными датчиками. Другой причиной является трудность диагностирования лавинооб­разного процесса деградации легкоплав­ких покрытий вкладышей подшипников скольжения.

Конечно, не каждый дефект подшип­ника скольжения проявляет себя доста­точно явно в виброакустическом сигнале, сопровождающем его работу. Зато такие важные, с точки зрения надежности и безопасности функционирования машин с опорами скольжения, дефекты, как нерав­номерность зазоров, люфт, затирания, заедания, сколы или выплавления вкла­дышей имеют выраженные проявления в вибрационном сигнале, которые исполь­зуются в качестве диагностических при­знаков.

Рассмотрим основные дефекты и их возможные признаки

Рис. 6.1. Поперечный разрез подшипника скольжения

1. Неравномерность зазоров в подшипнике (уплотнении)

В идеально спроектированной и из­готовленной машине роторного типа при работе на номинальном режиме реализу­ется одинаковое распределение зазоров в каждом подшипнике скольжения вдоль оси вала. Практически проверяют равно- зазорность при снятой верхней крышке подшипника прямыми измерениями боко­вых зазоров между валом и нижней поло­виной вкладыша подшипника вдоль его длины, затем проверяют одинаковость вертикальных зазоров между валом и верхней половиной вкладыша, а также оценивают изменения вертикальных зазо­ров при всплытии цапфы вала на рабочем режиме. При монтаже проверяют круг- лость шейки вала и состояние ее рабочей поверхности.

Каковы же причины появления не­равномерности зазоров? Основная причи­на - незапроектированная поперечная наг­рузка на вал, вероятнее всего, связанная с перекосом оси подшипника относительно оси вала или несоосностями, смещениями осей валов.

Каким образом такая дополнительная поперечная нагрузка влияет на вибраци­онный сигнал?

Одним из характерных диагностиче­ских признаков является отклонение по­ложения центра вала от расчетного поло­жения на кривой динамического равнове­сия при данном оборотно-нагрузочном режиме (рис. 6.2).

Наилучшее представление об этом можно получить из графика в декартовых координатах, на котором приводятся дан­ные измерений постоянной составляющей вибросмещения с двух взаимно перпен­дикулярных датчиков, что, при соответст­вующей тарировке, дает координаты ди­намического положения центра вала в зазоре подшипника. Наличие такой ин­формации с нескольких подшипниковых опор вдоль оси агрегата помогает опреде-

Рис. 6.2. Теоретическая и реальные траектории перемещения центра вала во вкладыше при d = 120 мм, lid = 0,8 и 25 = 0,33 мм:

1 - полуокружность; 2 - теоретическая траектория перемещения центра вала [62];

3,4,5 - экспериментальные траектории для удельных нагрузок Р_уд, равных 5, 10 и 20 кгс/см² соответственно

лить вид отклонения. Например, если проблема не в подшипнике(-ках), а в со­единительной муфте (скажем, несоос- ность валов), то это будет проявляться в нарушении положения центров цапф в опорах по обе стороны от муфты. Несов­падение оси отдельного подшипника с осью вала проявится только в характери­стиках вибросмещения конкретной опоры (рис. 6.3).

При этом можно реально оценить направления и величины (в мкм) смеще­ний опор, которые могли бы восстановить нормальное функционирование машины, без проведения дополнительных измере­ний. Отметим, что иногда, например, в агрегатах с паровыми турбинами, значи­тельные смещения центра вала в подшип­никах относительно общепринятых зало­жены в проекте.

Если обратиться к переменной со­ставляющей этих сигналов, то она иска­жается под влиянием данного дефекта, что приводит к деформации орбиты (она

До ремонта После ремонта

Рис. 6.3. Положение центра вала в зазоре подшипника на одном и том же режиме работы при разных технических состояниях

как бы сдавливается в направлении дейст­вия нагрузки до формы восьмерки при значительных дефектах) (рис. 6.4).

В частотной области это означает обогащение спектрального представления гармониками оборотной частоты. Напри­мер, на рис. 6.5 приводится спектр скоро­сти горизонтальной вибрации переднего подшипника скольжения циркуляционно­го насоса перекачки нефти. Общий уро­вень сигнала значительно превышает по­роговое значение вибрации из-за нерав­номерности зазоров в подшипнике. При­знаки других дефектов насоса отсутству­ют, в частности, лопаточная частота, рав­ная 350 Гц (число лопаток 7, частота вра­щения 50 Гц), как видно из рис. 6.5, по уровню не выделяется на фоне соседних гармоник частоты вращения.

Рис. 6.4. Влияние увеличения поперечной нагрузки на изменение формы орбиты

Заметим, что если бы этот спектр был получен для электрической машины, то повышенный уровень второй гармони­ки оборотной частоты относительно пер­вой мог свидетельствовать еще и о воз­можном дефекте электромагнитной сис­темы (см. гл. 12).

Примечание. Обычно принято счи­тать [26, 34], что при наличии чистого дисбаланса, т.е. в отсутствие других дефектов, в том числе несоосностей раз­личного вида, в спектре вибрации домини­рует компонент на частоте вращения вала. Опыт показывает, что даже если в спектре вибрации роторной машины гар­моники частоты вращения имеют значи­мые амплитуды, может оказаться, что их проявление инициируется именно зна­чительным дисбалансом, а не какими-то другими причинами, связанными с со­стоянием подшипников ши валов. По­этому, как всегда, для уточнения диагно­за полезно привлекать дополнительную информацию.

Столкнувшись при анализе вибрации с картиной, представленной на рис. 6.5, надо исследовать и другие возможные причины появления составляющих, крат­ных частоте вращения. Это, например, гранность шейки вала, которая может ге­нерировать вторую, третью или более вы­сокую гармонику частоты вращения в зависимости от числа этих граней, а также биение шейки вала.

Если первый дефект, скорее всего, "врожденный" (по-видимому, только в исключительных случаях можно ожидать его появления и развития в процессе функционирования машины) и должен исключаться при правильном монтаже оборудования, то второй может быть следствием развивающейся трещины вала, которая нередко и возникает вблизи опор в местах концентрации нагрузок. В спек­тре вибрации в этом случае существенен уровень второй гармоники частоты вра­щения. Это один из признаков. Значи­тельно информативнее признак, получае-