подшипниковый узел

Особенности диагностики низкооборотных подшипников качения ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИКИ НИЗКООБОРОТНЫХ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ А.В. Барков, Н.А. Баркова, А.Ю. Азовцев Ассоциация ВАСТ, Россия, 198207, C-Петербург, пр. Стачек, д. 140 Copyright (с) 1996-2002, Азовцев, Барков, Баркова, все права защищены. Копирование, перепечатка подшипниковый узел распространение допускается только с разрешения авторов. Введение Практические задачи диагностики подшипников качения в процессе эксплуатации решаются ,как правило, одним из трех основных способов. Первый использует алгоритмы обнаружения дефектов по росту температуры подшипникового узла, второй - по появлению в смазке продуктов износа, подшипниковый узел третий - по изменению свойств вибрации (шума). Наиболее полная и детальная диагностика подшипников с обнаружением подшипниковый узел идентификацией дефектов на ранней стадии развития выполняется по сигналу вибрации подшипника, в основном, высокочастотной. Основные проблемы такой диагностики возникают в двух случаях, когда высокочастотная вибрация слишком слаба, т.е. в низкооборотных машинах, подшипниковый узел когда корпус подшипникового узла недоступен для измерения высокочастотной вибрации. Анализ основных проблем диагностики низкооборотных подшипников качения подшипниковый узел путей их решения приводится в настоящей публикации. Основные проблемы. Дефекты подшипников качения появляются на трех основных этапах жизненного цикла - в процессе изготовления, при установке в подшипниковый узел подшипниковый узел во время эксплуатации. К последнему этапу можно отнести и транспортировку машины до места установки, и монтаж ее на рабочем месте.Типовые дефекты изготовления, к которым относятся плавные отклонения формы поверхностей качения от расчетной, лучше всего обнаруживать во время выходного контроля, при прокручивании на специальном станке, по низкочастотной вибрации опор последнего. Естественно, что частота вращения подшипника в этом случае должна быть достаточно большой, выше 3-5 Гц, чтобы не возникли сложности при измерении низкочастотной вибрации. Для обнаружения скрытых дефектов изготовления, таких как трещины и т.д., приводящих к появлению ударных импульсов, можно использовать измерения высокочастотного шума подшипника в ближней зоне излучения. Таким образом, при выходном контроле подшипников можно избежать проблем, появляющихся при диагностике низкооборотных подшипников. Типовые дефекты монтажа подшипников, приводящие к значительному увеличению локальных нагрузок на поверхности качения подшипниковый узел снижению толщины масляной пленки в точках приложения этих нагрузок, чаще всего обнаруживаются по росту среднечастотной вибрации подшипникового узла. В подшипниках низкооборотных машин те составляющие вибрации, по которым обнаруживаются дефекты монтажа, попадают уже в область низких частот. Соответственно возникают проблемы разделения подшипниковых составляющих вибрации с вибрацией, дошедшей до точки контроля от других узлов машины или даже от других машин. Кроме того, возникают проблемы, связанные с низким уровнем подшипниковой вибрации, амплитуда которой в первом приближении пропорциональна квадрату частоты вращения подшипника, подшипниковый узел также задачи частотного разделения составляющих подшипниковой вибрации, которые могут различаться лишь на величину, равную частоте вращения сепаратора. Решение этих задач возможно лишь при использовании измерительной аппаратуры с большим динамическим диапазоном подшипниковый узел высоким разрешением по частоте в режиме измерения типа “Лупа”. Дефекты, возникающие в подшипниках качения во время эксплуатации, в первую очередь изменяют свойства сил трения, поэтому на ранней стадии развития обнаруживаются лишь по высокочастотной случайной вибрации, возбуждаемой силами трения. Ударные импульсы, возникающие при контакте поверхностей качения с многими видами дефектов, можно рассматривать как одну из составляющих сил трения, также обнаруживаемую по высокочастотной вибрации. Лишь после того, как дефекты становятся аварийноопасными, их влияние на низкочастотную вибрацию машины в целом оказывается достаточным, чтобы обнаружить дефект с большой степенью достоверности. При диагностике подшипников низкооборотной машины в процессе ее эксплуатации возникалет ряд проблем, требующих усложнения методов обнаружения дефектов подшипниковый узел роста технических возможностей измерительной и анализирующей аппаратуры. Это связано с низким уровнем высокочастотной вибрации подшипников низкооборотных машин, а, при диагностике по низкочастотной вибрации, еще подшипниковый узел с высоким уровнем вибрации, распространяющейся в точки контроля от других узлов машины или других машин и оборудования, установленных на одном фундаменте. Поскольку с уменьшением скорости вращения машины вибрация на высоких частотах падает гораздо быстрее, чем на средних подшипниковый узел низких частотах, для диагностики подшипников по высокочастотной вибрации, возбуждаемой силами трения, необходимо увеличивать не только чувствительность измерительной аппаратуры, но и такие ее параметры, как динамический диапазон и линейность.. Лишь в этом случае выделяемые из сигнала высокочастотные составляющие превышают собственные шумы измерительных приборов подшипниковый узел шумы, вносимые за счет нелинейных искажений низкочастотных подшипниковый узел среднечастотных составляющих, часто превышающих уровень высокочастотных составляющих в 1000 подшипниковый узел более раз. Кроме того для диагностики подшипников качения по среднечастотной вибрации при слишком слабом уровне высокочастотной, как подшипниковый узел при монтаже подшипника, необходимо иметь приборы с высоким разрешением по частоте подшипниковый узел возможностью работы в режиме “Лупа”. Методы диагностики Обнаружение зарождающихся дефектов подшипников качения, в основном, производится двумя методами - по появлению ударных импульсов подшипниковый узел по модуляции сил трения. В низкооборотных подшипниках толщина масляного слоя ниже, чем в высокооборотных, а следовательно, разрывы масляной пленки подшипниковый узел ударные импульсы возникают гораздо чаще. Величина ударных импульсов в низкооборотных подшипниках гораздо ниже, но их число гораздо больше, подшипниковый узел они накладываются друг на друга. Практически таким образом идет процесс формирования сил “сухого” трения качения и, даже если удается выделить высокочастотную вибрацию подшипника, имеющего естественный износ, обнаружить в нем компоненты, возбуждаемые ударными импульсами, крайне сложно. Это означает, что метод ударных импульсов для диагностики низкооборотных подшипников применим лишь в частных случаях. Механизм амплитудой модуляции сил трения в подшипниках качения с дефектами одинаков как у высокооборотных машин, так подшипниковый узел у низкооборотных. И это несмотря на то, что в высокооборотных подшипниках трение имеет гидродинамическое происхождение, подшипниковый узел в большинстве низкооборотных - механическое или, по крайней мере, комбинированное. Поэтому метод спектрального анализа колебаний мощности случайной вибрации, более известный как метод огибающей, одинаково успешно может применяться для диагностики подшипниковый узел высокооборотных, и низкооборотных подшипников качения. Сущность метода иллюстрируется рисунком 1, на котором показаны сигналы высокочастотной вибрации подшипника качения без дефектов подшипниковый узел с дефектами, подшипниковый узел также огибающие этих сигналов подшипниковый узел их спектры. В бездефектном подшипнике мощность сигнала не имеет периодических низкочастотных колебаний, подшипниковый узел в дефектном эти колебания достаточно сильны подшипниковый узел хорошо выделяются в спектре огибающей в виде гармонических составляющих, имеющих подшипниковые частоты или их комбинации. Вид дефекта определяется частотами обнаруживаемых составляющих, величина дефекта - глубиной модуляции мощности вибрации, то есть соотношением амплитуд гармонических и случайных составляющих /1,2/. Метод позволяет разделить возникающие при эксплуатации дефекты каждой из поверхностей качения на две группы - износ, характеризующийся плавной модуляцией сил трения, подшипниковый узел раковины (трещины), характеризующиеся импульсным изменением сил трения. Кроме того метод позволяет обнаружить подшипниковый узел определить характер динамических нагрузок, действующих на подшипник со стороны ротора. Именно таким образом могут обнаруживаться дефекты соединительных муфт, в том числе зубчатых, механических передач, в том числе зубчатых и ременных /3,4/. В список дефектов, обнаруживаемых по динамическим нагрузкам на поверхности качения входят подшипниковый узел дефекты монтажа подшипника, такие как перекос колец подшипника, повышенный (неоднородный) радиальный или осевой натяг, и другие. Рис. 1а. Высокочастотные компоненты вибрации. Нет ни модуляции ни ударных импульсов Рис. 1b. Высокочастотные компоненты вибрации с амплитудной модуляцией. Рис. 1с Огибающая сигнала с рисунка а. Рис 1d. Огибающая сигнала с рисунка b. Рис. 1e. Спектр огибающей сигнала с рисунка а. Рис 1f. Спектр огибающей сигнала с рисунка b. Общий список дефектов, идентифицируемых по спектру огибающей вибрации, можно разделить на три группы. Первая - дефекты монтажа подшипника: - перекосы колец подшипника, - неоднородный радиальный (осевой) натяг подшипника. Вторая группа - дефекты эксплуатации подшипника: - износ наружного кольца, - раковины, трещины на наружном кольце, - износ внутреннего кольца, - раковины, трещины на внутреннем кольце, - износ тел качения, - раковины, сколы трещины на телах качения, - износ (дефекты) сепаратора, - старение (недостаток) смазки. Третья группа - дефекты ротора, соединительных муфт подшипниковый узел механических передач, создающих динамические нагрузки на подшипники: - обкатывание (бой вала), - дефекты соединительных муфт, - дефекты зубьев зубчатых передач, - дефекты зацепления в зубчатых передачах. Рис. 2. Спектры вибрации измеренные на одной машине: работающей на скоростях - 25, 10 подшипниковый узел 3 Гц. Проблемы диагностики подшипников качения во-многом определяются сложностями измерения высокочастотных составляющих вибрации. В высокооборотных подшипниках они связаны в первую очередь с потерями при распространении высокочастотной вибрации и решаются путем установки датчика вибрации на элементы подшипникового узла, имеющие непосредственный контакт с неподвижным кольцом подшипника. В низкооборотных подшипниках соотношение уровней низкочастотной (среднечастотной) подшипниковый узел высокочастотной вибрации гораздо хуже, чем в высокообротных, подшипниковый узел поэтому возникают дополнительные проблемы разделения высокочастотной подшипниковый узел низкочастотной вибрации, а также выделения высокочастотных составляющих сигнала на фоне собственных шумов аппаратуры. На рис. 2 показаны спектры вибрации подшипникового узла машины при частоте вращения ротора 25Гц, 10Гц подшипниковый узел 3Гц, из которых видно, что высокочастотная вибрация с уменьшением скорости вращения падает быстрее низкочастотной. Поэтому даже использование анализаторов спектра сигнала с высокими динамическим диапазоном и линейностью не всегда позволяет выделить высокочастотные случайные составляющие измеряемых сигналов. В этом случае приходится анализировать колебания мощности сигнала на более низких частотах, как это показано на рисунке. Основная проблема в этом случае заключается в том, чтобы в полосу частот, используемую для выделения огибающей, не попадали сильные гармонические составляющие. В противном случае появление двух или более гармонических составляющих приводит к колебаниям мощности сигнала в выбранной полосе (биениям) подшипниковый узел отделить эти колебания от анализируемых колебаний мощности случайного сигнала во многих случаях просто невозможно. Если же в этой полосе появляется одна гармоническая составляющая большой мощности, то колебания мощности суммарного сигнала снижаются и искажается информация о величине дефекта. Чтобы избежать подобных ошибок перед выбором полосы частот сигнала вибрации, используемого для формирования огибающей, рекомендуется производить анализ спектра вибрации подшипниковый узел выбирать полосу частот без сильных гармонических составляющих /5 /. Экспериментальные результаты В настоящее время авторами накоплен значительный практический опыт диагностирования низкооборотных подшипников. Самыми низкооборотными оказались подшипники ряда машин металлургической промышленности, частота вращения которых составила около 5-7 оборотов в минуту. Как правило, основной проблемой при диагностировании оказывалось ограниченное время вращения подшипника со стабильными нагрузкой подшипниковый узел частотой вращения. Для достаточно полной диагностики подшипникового узла методом огибающей необходимо измерять вибрацию за время порядка 50 -100 оборотов подшипника. В таких отраслях промышленности, как энергетика, бумажная и другие, где машины вращаются со стабильной частотой длительное время, никаких специальных режимов работы подшипника или измерительной системы предусматривать нет необходимости. Особенности диагностики подшипников низкооборотных машин в этих отраслях заключается лишь в определении полосы частот сигнала вибрации, используемого для формирования огибающей, подшипниковый узел расширении списка диагностических признаков дефектов тел качения. На рис. 3 показаны спектры огибающей вибрации подшипника качения с дефектами тел качения при высоких оборотах подшипниковый узел при низких оборотах подшипника, иллюстрирующие необходимость такого расширения. Во втором спектре имеет место “размытие” составляющих, отвечающих за раковины подшипниковый узел сколы на телах качения. Еще одна проблема для любых отраслей промышленности - диагностика подшипников качения выходных (низкооборотных) ступеней редукторов, на подшипниковые узлы которых попадает вибрация, возбуждаемая зубчатыми колесами высокооборотных ступеней. В этом случае приходится использовать только высокочастотную вибрацию подшипника, тщательно выбирая место для установки датчика на подшипниковые узлы выходных ступеней редуктора. Рис. 3. Спектры огибающей подшипника электромотора подшипниковый узел сушильного цилиндра бумагоделательной машины. Оба подшипника имеют схожие дефекты тел качения. RPM - скорость вращения вала, BSF - частота вращения тел качения, FTF - частота вращения сепaратора, Fz - зубцовая частота привода сушильного цилиндра. На рис.4 показаны спектры огибающей вибрации подшипника качения выходной ступени редуктора с частотой вращения 1.4Гц, измеренные в третьоктавной полосе частот со среднегеометрической частотой соответственно 3,15кГц подшипниковый узел 10кГц. В первом спектре четко проявляются дефекты зубчатых колес первой (из трех) ступеней редуктора, снижая глубину модуляции вибрации, вызванную раковиной на наружном кольце, подшипниковый узел во втором - только дефекты подшипника третьей ступени. Ограничения на время вращения подшипника с постоянной скоростью подшипниковый узел нагрузкой встречаются в металлургии, особенно в прокатном производстве, когда нагрузка на клети держится постоянной лишь несколько оборотов, подшипниковый узел также в крановом хозяйстве, когда время подъема (спуска) груза также ограничено несколькими оборотами. При этих ограничениях возможны три основных подхода к измерениям вибрации, в том числе спектров ее огибающей. Первый подход, который обычно и является основным, состоит в поэтапном накоплении результатов спектрального анализа. При этом подходе считается, что всегда можно выбрать отрезок времени, за который подшипник три - четыре оборота вращается со стабильной скоростью. За это время подшипниковый узел измеряется спектр огибающей, который затем усредняется с результатами аналогичных измерений в другие отрезки времени. Рис. 4а. Спектр огибающей вибрации подшипника третьей ступени редуктора, выделенной третьоктавным фильтров с центральной частотой 3.15 кГц. Вибрация измерялась на подшипниковом щите третьей ступени. RPM1 - скорость вращения первой ступени редуктора, RPM3 - скорость вращения третьей ступени редуктора, BPFO - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу подшипника третьей ступени. Рис. 4а. Спектр огибающей вибрации подшипника третьей ступени редуктора, выделенной третьоктавным фильтров с центральной частотой 10 кГц. Вибрация измерялась на подшипниковом щите третьей ступени. BPFO - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу подшипника третьей ступени. Второй подход заключается в организации специальных диагностических режимов работы машины с постоянной скоростью вращения, например на холостом ходу. В качестве примера можно привести диагностику подшипников авиационных двигателей при прокрутке двигателя либо стартером, либо внешним приводом. Другой пример - диагностика буксовых подшипников электропоездов подшипниковый узел локомотивов с подъемом каждой из тележек с колесными парами на домкратах и последующим вращением колесных пар от тяговых двигателей. Проблемы такой диагностики определяются тем, что нагрузка на подшипники может изменить направление подшипниковый узел дефектный участок неподвижного кольца подшипника при наличии в подшипнике зазора не входит в контакт с телами качения. Результатом может стать пропуск дефекта неподвижного кольца подшипника. Может возникнуть подшипниковый узел другая ситуация, когда в новое место передачи нагрузки на неподвижное кольцо совпадает с точкой, в которой при типовых условиях работы скапливаются отходы смазки. Тогда при диагностике в первые минуты вращения колеса, может появиться ложная информация о дефекте. Пример спектра огибающей вибрации буксы локомотива, установленного на домкратах, приведен на рис.5. В нижней части подшипника, на которую действует нагрузка после установки колесно - редукторного блока на домкраты, за время эксплуатации скопились отработанные элементы смазки подшипниковый узел появилась ржавчина. В первые минуты вращения спектр огибающей вибрации давал признаки раковины, через 10 минут признаки износа, а еще через 30 минут признаки дефекта исчезли. Приведенные примеры показывают, что при подборе специальных режимов работы машины для диагностики рекомендуется сохранять точки подшипниковый узел направления нагрузки, при которых этот подшипник эксплуатируется. Третий подход к диагностике подшипников при непрерывно изменяющейся частоте вращения - синхронный анализ спектров огибающей вибрации с использованием датчиков угла поворота вала с диагностируемым подшипником. Как показывает практика, при таком подходе удастся диагностировать даже подшипники, работающие в качающихся механизмах, в частности подшипники конверторов в металлургии. Но подшипниковый узел при этом подходе существует ряд трудностей, если скорость вращения в момент измерений изменяется на величину более 15 - 20%. Рис. 5а. Спектр огибающей вибрации буксового подшипника локомотива. Рис. 5б. Спектр огибающей вибрации буксового подшипника локомотива. Рис. 5в. Спектр огибающей вибрации буксового подшипника локомотива. Важнейшими критериями качества диагностики подшипников качения, в том числе и низкооборотных, являются вероятности пропуска сильного дефекта подшипника, ложного обнаружения дефекта подшипниковый узел правильности определения вида дефекта. Если первые два показателя определяют эффективность диагностирования, то последний -эффективность долгосрочного прогноза, длительность которого напрямую связана как с глубиной, так подшипниковый узел с видом развивающихся дефектов. Экспериментальные результаты дефектации подшипников после их диагностирования показывают, что количественные оценки этих показателей близки для низкооборотных подшипниковый узел высокооборотных подшипников, и определяются выбираемой пользователем последовательностью проведения диагностических измерений. Наиболее высокие показатели, составляющие менее трех процентов для суммы вероятностей пропуска сильного дефекта подшипниковый узел ложной тревоги, достигаются при периодическом измерении спектра огибающей высокочастотной вибрации подшипниковый узел спектра среднечастотной вибрации подшипникового узла. При интервалах между измерениями порядка 10% от ожидаемого ресурса подшипника обеспечивается подшипниковый узел долгосрочный прогноз безаварийной работы, и, после того, как в подшипнике появятся развитые дефекты, прогноз остаточного ресурса. Последний целесообразно производить по трендам, характеризующим рост спектральных составляющих вибрации на низких и, особенно, на средних частотах. Высокие показатели достигаются и при диагностике подшипников по одному измерению спектров вибрации подшипниковый узел ее огибающей с последующим сравнением результатов с данными измерений одинаковых параметров вибрации группы подшипниковых узлов идентичных машин (диагностика по множеству). При таком подходе снижается, в основном, достоверность прогноза остаточного ресурса подшипника при наличии сильных дефектов, но практически сохраняется достоверность диагноза подшипниковый узел прогноза состояния подшипника при отсутствии развитых дефектов. Третье направление диагностики подшипников низкооборотных машин по однократным измерениям только спектра огибающей имеет меньшую достоверность, чем перечисленные выше, но подшипниковый узел оно оказывается эффективным более, чем в 90% практических задач. При единственном измерении спектра огибающей вибрации можно совершить две ошибки, подшипниковый узел именно, не идентифицировать дефекты смазки, приводящие к росту сил трения и высокочастотной вибрации или не разделить группы развитых дефектов в подшипнике, находящемся в предаварийном состоянии, когда из-за отсутствия периодичности вращения тел качения силы трения перестают быть периодически модулированными. Но в обоих перечисленных случаях дефектный подшипник выявляется по повышенной вибрации (шуму) или температуре. Технические средства Для диагностики низкооборотных подшипников качения обязательным является измерение спектра огибающей вибрации на частотах, по крайней мере в 500 - 1000 раз превышающих частоту его вращения. Учитывая тот факт, что уровень вибрации на этих частотах может составлять менее одного процента от общего уровня вибрации, для ее выделения требуются полосовые фильтры не ниже 6 порядка, с динамическим диапазоном не менее 70 дБ подшипниковый узел высокой линейностью. Чтобы не усложнять измерительные приборы, лучше всего использовать цифровые фильтры, для чего, например, в средствах измерения, разработанных с участием авторов, используются специализированные сигнальные процессоры. В настоящее время в средствах измерения подшипниковый узел анализа вибрации, применяемых для диагностики подшипников качения, используется всего два вида анализа сигналов, подшипниковый узел именно, спектральный анализ самого сигнала подшипниковый узел огибающей его высокочастотных составляющих, предварительно выделенных полосовым фильтром. Этих видов анализа достаточно подшипниковый узел для вибрационного мониторинга машин в целом, и, кроме подшипников, для диагностики широкой номенклатуры узлов роторных машин /4/. Cами средства измерения для диагностики подшипников имеют три основные разновидности, выполненные либо в виде либо плат для персонального компьютера, либо отдельных блоков обработки сигналов с нескольких датчиков вибрации, либо малогабаритных цифровых анализаторов. Подробнее информация о технических характеристиках средств измерения изложена в публикациях /6,7/. Рассмотренные ограничения на применяемые для диагностики подшипников качения методы анализа сигналов вибрации позволяют наиболее полно использовать возможности современных методов автоматической обработки результатов анализа подшипниковый узел методов автоматического распознавания состояний. В настоящее время созданы подшипниковый узел широко используются в России системы автоматической диагностики подшипников качения, позволяющие не только обнаруживать и идентифицировать дефекты, но подшипниковый узел давать долгосрочный прогноз состояния подшипников. Выводы Из известных методов диагностики подшипников качения по вибрации в низкооборотных машинах минимальные ошибки дает метод спектрального анализа огибающей ее высокочастотных составляющих. Основные особенности диагностики низкооборотных подшипников определяются нестабильностью режимов работы машины подшипниковый узел низким уровнем высокочастотной вибрации. Качество диагностики низкооборотных подшипников методом огибающей растет с повышением динамического диапазона и линейности технических средств спектрального анализа сигналов вибрации подшипниковый узел огибающей ее случайных составляющих. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1.Барков А.В. Диагностика подшипниковый узел прогноз состояния подшипников качения по сигналу вибрации Судостроение, 1985, N3 стр21-23, Ленинград. 2.Александров,А.В. Барков, Н.А. Баркова, В.А. Шафранский Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. Судостроение, Ленинград, 1986. 3.A. V. Barkov, N. A. Barkova, J. S. Mitchell Condition Assessment and Life Prediction of Rolling Element Bearings Sound Vibration 1995, June pp.10-17, September, pp.27-31. 4.А.В. Барков, Н.А. Баркова, А.Ю. Азовцев Мониторинг подшипниковый узел диагностика роторных машин по вибрации Изд. АО ВАСТ, Санкт-Петербург 1997г. 5.A.Y. Azovtsev, A. V. Barkov, D. L. Carter Improving the accuracy of Rolling Element Bearing Condition Assessment Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Vibration Institute, Saint Louis, Missouri, USA, 1996, pp. 27-30. 6.А.Ю. Азовцев, А.В. Барков. Новое поколение систем диагностики подшипниковый узел прогнозирования технического состояния. Изд. А/О ВАСТ,г. Санкт-Петербург, 1994г. Copyright (с) 1996-2002, Азовцев, Барков, Баркова, все права защищены. Копирование, перепечатка подшипниковый узел распространение допускается только с разрешения авторов. Вернуться на Статьи, публикации, описания разделы растворитель 646 время архангельск изолента хб гиря торговый калибровочный газонокосилка stiga лечение щитовидный железа проведение анкетирование медикаметозное безоперационное прерывание беременность валерий билет купить электрооткрывалку акриловый пряжа враждебный поглощение гипсокартон подшипниковый узел