Вибродиагностика машин и механизмов. Учебное пособие

Если наблюдать этот процесс в реальном времени, то в спектре будут видны пульсации составляющих.

При ослаблении жесткости крепления оборудования к фундаменту меняется форма сигнала. Форма сигнала может быть сильно асимметричной.

Надо помнить, что анализ формы сигнала следует проводить только одновременно с анализом формы спектра.

Важнейший и надежный признак нарушения жесткости – это изменение характера вибрации при переходе через границу дефектного узла. Если смежные части агрегата имеют значительно различающиеся амплитуды и фазы, то имеется относительное движение этих частей и нарушается жесткость. При достаточной жесткости фундамента вибрация механизма изменяется плавно без скачков, например, в направлении от крышки подшипника до фундамента уровень вибрации уменьшается в 2…5 раз. При ослаблении жесткости фундамента вибрация повышается не только в подшипниковых узлов, но и в статоре.

91

10. ДЕФЕКТЫ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

Дефекты подшипников скольжения и причины их выхода из строя можно разделить на две группы:

низкочастотная вибрация подшипников, возникающая вследствие потери динамической устойчивости вращения ротора и нарушения условий смазки;

вибрации, связанные с дефектами изготовления, сборки и эксплуатации опорных и упорных подшипников скольжения.

Различные дефекты подшипников скольжения часто взаимосвязаны друг с другом. Например, повышенная вибрация и износ подшипника могут приводить к потере динамической устойчивости.

Характерные особенности вибрации подшипников скольжения при зарождении и развитии различных дефектов разнообразны и зависят от множества факторов. Основные из них:

величина и место приложения сил; нагружение опор; крутящий момент; свойства и качество смазки.

В вибрационном спектре сигнала подшипника присутствуют колебания с частотой вращения ротора, его гармоник, субгармоник, дробных гармоник.

Низкочастотная вибрация подшипников. Низкочастотная вибра-

ция подшипников в большинстве случаев связана с потерей динамической устойчивости вращения ротора. Эта потеря происходит, когда аэродинамические силы, возникающие при вращении вала, превосходят силы демпфирования. Это явление часто встречается у быстроходных агрегатов с легкими роторами; агрегатов с вертикально

92

расположенной осью вращения роторов; машин с малой нагрузкой на ось; длинных роторов.

Потере динамической устойчивости способствуют снижение нагрузки на ось, повышение вязкости смазки, повышение зазоров в подшипнике, перекосы оси вкладышей и т.д.

«Вихревая смазка». Опыт эксплуатации агрегатов с гибкими роторами показывает возникновение высокоинтенсивных автоколебаний ротора на масляной пленке. Это явление характерно для роторов с рабочей частотой вращения, превышающей первую критическую частоту вращения, но меньшей ее удвоенной частоты.

Влияние «вихревой смазки» на форму траектории движения шейки вала в подшипнике заключается в том, что форма траетории более сплошная, чем при движении при дисбалансе.

Если при дисбалансе эта траектория ближе к форме эллипса, то в данном случае траектория более сложна (рис. 10.1). Поэтому здесь меняется характер вибрации.

Рис. 10.1

«Взбиваемая смазка». Возникновение таких автоколебаний характерно для роторов с рабочей частотой вращения, вдвое превышающей ее критическое значение. «Взбиваемая смазка» часто возбуждается аэродинамическими циркуляционными силами. Для таких нагрузок характерно наличие некоторых пороговых нагрузок, при которых возникают интенсивные колебания.

Дефекты опорных подшипников. Опорные подшипники воспри-

нимают радиальные усилия на ротор и фиксируют его радиальное положение. Основные причины выхода из строя таких подшипников: повышенное давление в радиальном направлении из-за нарушения технологии сборки, нарушение подачи масла, плохое качество масла, дефекты сборки, загрязнение подшипников.

Повышенное давление на опоры, нарушение подачи масла во многих случаях мало влияют на характер вибрации, но в большинстве случаев приводят к повышению температуры и давления. В свою

93

очередь, повышение давление сопровождается ускоренным износом вкладышей подшипников и может привести к их выходу из строя.

Нарушение подгонки и последующая приработка подшипников – явление временное, и обычно возникает при выводе агрегата из ремонта и пуске его в эксплуатацию. Приработка подшипников сопровождается повышенной виброактивностью.

Наиболее надежными вибродиагностическими признаками нарушения подгонки и приработки является изменение формы кривой сигнала виброперемещения и траектории движения вала в подшипнике (рис. 10.2). На этом рисунке показана траектория вала в период приработки. Наиболее характерная особенность рисунка – это наличие участков с прямолинейной траекторией. На этом же рисунке показана и форма вибросигнала.

Рис. 10.2

Увеличенный радиальный зазор в подшипнике, его неравномерность по окружности приводят к сложной зависимости жесткости смазочного слоя от угла поворота ротора. Эта неравномерность может привести к разрыву смазочного пленки и возникновению «сухого вихря», что повышает температуру подшипника.

Когда существует повышенный зазор в подшипнике, то в спектре наблюдается повышенная активность гармоник (рис. 10.3).

Рис. 10.3

94

В случае пониженного зазора форма и спектр сигнала изменяются

(рис. 10.4).

Рис. 10.4

В случае нарушения соосности подшипников на кривой вибросигнала могут возникать импульсы.

Нарушение жесткости крепления подшипника, дефекты упор-

ных подшипников. Упорные подшипники воспринимают осевую нагрузку и фиксируют осевое положение ротора.

Основными причинами выхода упорных подшипников из строя являются: повышенное давление в осевом направлении из-за нарушения технологии изготовления и сборки; у компрессоров – из-за износа уплотнений, нарушения подачи масла, загрязнения подшипников.

Дефекты сборки и подгонки подшипников включают в себя:

перекос по вертикали или горизонтали поверхности вкладыша подшипника;

угловые смещения подшипника; нарушение величины номинального осевого зазора; неудовлетворительная площадь контакта.

Ослабление деталей упорного подшипника вызывает вибрацию в осевом направлении.

Осевую вибрацию опор компрессора могут вызвать расцентровка, неуравновешенность ротора, дефекты упорного подшипника.

Важнейшим диагностическим признаком в этом случае оказывается рост температуры упорного подшипника.

Установить причины осевой вибрации можно, рассмотрев спектры вибрации.

95

11. ДЕФЕКТЫ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Ресурс электромеханического оборудования в основном определяется ресурсом подшипников качения. Наиболее эффективный метод определения работоспособности таких подшипников – это виброметод. Хотя дефекты изготовления, сборки и эксплуатации влияют на вибрационный сигнал различным образом, правильная диагностика позволяет разделить эти дефекты еще на начальной стадии.

Параметры вибрации агрегатов с подшипниками качения в значительной степени определяются конструктивными особенностями подшипникового узла (например, радиальные, упорные, спаренные и др.) и самого агрегата (например, с горизонтальным или вертикальным расположением ротора). Кроме того, на вибрацию подшипников качения влияют три группы факторов:

нелинейная жесткость подшипников; дефекты изготовления и сборки подшипниковых узлов; дефекты эксплуатации.

Кдефектам эксплуатации относятся: разрушения от усталости, повреждения от повышенного износа, разрушения из-за нарушений смазки. Последние два фактора охватывают все возможные дефекты колец, тел вращения, сепараторов, нарушение и ослабление мест посадок.

Кдефектам изготовления относятся также перекосы подшипников. Все эти факторы связаны друг с другом. Например, усталостные разрушения подшипников проявляются в виде выкрашивания материала дорожек и тел качения и могут возникать из-за больших радиальных нагрузок. Износ деталей подшипников приводит к увеличению радиальных зазоров и смещению ротора. Выход сепараторов из строя происходит из-за нарушения технологии сборки, действия больших

96

осевых нагрузок, выкрашивания дорожек. Проскальзывание внутреннего кольца подшипника относительно тел качения приводит к износу поверхности качения.

Исследования показывают, что в зависимости от партии дефекты изготовления имеют почти 10…90 % подшипников. Опыт эксплуатации показывает, что если на агрегат монтируются бездефектные подшипники, то основные причины его выхода из строя распределяются следующим образом: 40 % – нарушение смазки, 30 % – нарушение сборки, 20 % – повышенная вибрация и только 10 % – естественный износ.

Рассмотрим влияние погрешностей изготовления на вибрацию подшипников.

Влияние нелинейной жесткости подшипников на вибрацию подшипников. Выражается она в появлении дополнительных гармонических составляющих из-за неодинаковой статической и динамической нагрузки на теле качения даже при отсутствии дефектов изготовления и сборки. Поскольку статическая нагрузка воздействует одновременно на 2-4 тела качения и число этих тел меняется со временем, возникают параметрические колебания.

Влияние дефектов изготовления и сборки. Дефектами изго-

товления подшипников качения являются отклонения геометрических размеров и формы деталей подшипника от конструктивных и нарушение шероховатости поверхности. Дефекты сборки подшипников – это появление радиального натяга в подшипнике, перекос внутреннего и наружного колец, перекос соединительных муфт.

Влияние дефектов износа поверхности качения на вибрацию.

Дефекты износа поверхности качения влияют на характер вибрации во всем частотном диапазоне, так как в процессе износа повышается коэффициент трения, а при взаимодействии дефектных поверхностей возникают периодические удары, что приводит к росту интенсивности высших гармоник и увеличению случайных составляющих в сигнале. Наличие ударных импульсов и случайной вибрации приводит к сложному составу спектра. При таком возбуждении возникают резонансные колебания отдельных узлов и деталей, которые могут определить его уровень вибрации. При развитии дефектов на нескольких поверхностях колебания имеют сложную структуру. Основное свойство дефектов износа, в отличие от дефектов изготовления поверхностей, – это более сильное проявление в сигнале вибрации кратных

97

гармоник в области низких и средних частот, высокий уровень случайной вибрации и наличие ударных импульсов.

Влияние нарушения смазки при эксплуатации. Нарушение смазки – наиболее распространенная причина выхода из строя бездефектного подшипника. Уровень вибрации и температура подшипника существенно зависят от состояния смазки. Кроме того, нарушение смазки может приводить к появлению в спектре вибрации 3-4 пиков с интервалом в 80…130 Гц в области 900…1600 Гц.

Наибольшее распространение для оценки состояния подшипников качения и их дефектов нашли две группы методов.

Первая группа выделяет и анализирует дискретные составляющие на основных частотах возбуждения колебаний.

Диагностическими признаками дефектов служат частотные составляющие спектра и характеристики импульсов, следующих с частотой перекатывания тел качения (роликов, шариков по локальным дефектам, например местам выкрашивания), амплитуда импульса, соотношение энергии импульса и уровня шума, амплитуды спектральной составляющей на частоте повторения импульсов и ее гармониках.

Для выделения этих составляющих используют спектральные и корреляционные методы.

Вторую группу составляют методы диагностирования в целом. При потере работоспособности агрегата не имеют значения дефекты, вызвавшие выход из строя подшипника. Важно, что его надо заменить. В силу этого состояние подшипника оценивают по степени развития деградационных процессов. Широкое распространение нашел метод ударных импульсов.

Для дефектов подшипников качения характерна еще одна особенность. Это появление в сигнале вибрации гармонических частотных составляющих, не кратных частоте вращения ротора. Обычно на ранней стадии развития дефектов появляются признаки дефектов только одного кольца, а затем и другого. При одинаковой степени развития дефекта вибрация, вызываемая внутренним кольцом, имеет более низкую интенсивность, чем наружного. По мере работы подшипника возникают дефекты тел качения и сепаратора.

Если посмотреть осциллограмму вибросигнала, то на ней видны ударные выбросы и импульсы, кривая вибрации имеет случайный характер.

98

В спектре появляются боковые частотные составляющие. С увеличением износа поверхности уровень частотных составляющих повышается (рис. 10.5).

V, мм/с

f

Рис. 10.5

Усталостное разрушение подшипников проявляется в виде выкрашивания дорожек колец. Форма спектра изменяется с наработкой

(рис. 10.6).

99