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 и 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, а третий - по изменению свойств вибрации (шума). Наиболее полная и детальная диагностика подшипников с обнаружением и 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, и когда корпус подшипникового узла недоступен для измерения высокочастотной вибрации. Анализ основных проблем диагностики низкооборотных подшипников качения и 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 и 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 и 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, а 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 и 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 и роста технических возможностей измерительной и анализирующей аппаратуры. Это связано с низким уровнем высокочастотной вибрации подшипников низкооборотных машин, а, при диагностике по низкочастотной вибрации, еще и 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 и 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 и шумы, вносимые за счет нелинейных искажений низкочастотных и среднечастотных составляющих, часто превышающих уровень высокочастотных составляющих в 1000 и более раз. Кроме того для диагностики подшипников качения по среднечастотной вибрации при слишком слабом уровне высокочастотной, как и при монтаже подшипника, необходимо иметь приборы с высоким разрешением по частоте и возможностью работы в режиме “Лупа”.

Методы диагностики

Обнаружение зарождающихся дефектов подшипников качения, в основном, производится двумя методами - по появлению ударных импульсов и по модуляции сил трения. В низкооборотных подшипниках толщина масляного слоя ниже, чем в высокооборотных, а следовательно, разрывы масляной пленки и ударные импульсы возникают гораздо чаще. Величина ударных импульсов в низкооборотных подшипниках гораздо ниже, но их число гораздо больше, и 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 и у низкооборотных. И это несмотря на то, что в высокооборотных подшипниках трение имеет гидродинамическое происхождение, а 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 и высокооборотных, и низкооборотных подшипников качения.
Сущность метода иллюстрируется рисунком 1, на котором показаны сигналы высокочастотной вибрации подшипника качения без дефектов и с дефектами, а также огибающие этих сигналов и их спектры. В бездефектном подшипнике мощность сигнала не имеет периодических низкочастотных колебаний, а в дефектном эти колебания достаточно сильны и 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, и раковины (трещины), характеризующиеся импульсным изменением сил трения. Кроме того метод позволяет обнаружить и 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 и 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:

Вторая группа - дефекты эксплуатации подшипника:

Третья группа - дефекты ротора, соединительных муфт и механических передач, создающих динамические нагрузки на подшипники:

Рис. 2. Спектры вибрации измеренные на одной машине: работающей на скоростях - 25, 10 и 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) и высокочастотной вибрации гораздо хуже, чем в высокообротных, и поэтому возникают дополнительные проблемы разделения высокочастотной и 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 и 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) и 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 и 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 и 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, и расширении списка диагностических признаков дефектов тел качения. На рис. 3 показаны спектры огибающей вибрации подшипника качения с дефектами тел качения при высоких оборотах и при низких оборотах подшипника, иллюстрирующие необходимость такого расширения. Во втором спектре имеет место “размытие” составляющих, отвечающих за раковины и 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 и 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 и 10кГц. В первом спектре четко проявляются дефекты зубчатых колес первой (из трех) ступеней редуктора, снижая глубину модуляции вибрации, вызванную раковиной на наружном кольце, а во втором - только дефекты подшипника третьей ступени.
Ограничения на время вращения подшипника с постоянной скоростью и нагрузкой встречаются в металлургии, особенно в прокатном производстве, когда нагрузка на клети держится постоянной лишь несколько оборотов, а 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 и 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 и 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 и 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 и 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 и 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 и 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 и 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 и правильности определения вида дефекта. Если первые два показателя определяют эффективность диагностирования, то последний -эффективность долгосрочного прогноза, длительность которого напрямую связана как с глубиной, так и с видом развивающихся дефектов.
Экспериментальные результаты дефектации подшипников после их диагностирования показывают, что количественные оценки этих показателей близки для низкооборотных и высокооборотных подшипников, и определяются выбираемой пользователем последовательностью проведения диагностических измерений.

Наиболее высокие показатели, составляющие менее трех процентов для суммы вероятностей пропуска сильного дефекта и ложной тревоги, достигаются при периодическом измерении спектра огибающей высокочастотной вибрации и спектра среднечастотной вибрации подшипникового узла. При интервалах между измерениями порядка 10% от ожидаемого ресурса подшипника обеспечивается и 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 и 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 и 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 и оно оказывается эффективным более, чем в 90% практических задач. При единственном измерении спектра огибающей вибрации можно совершить две ошибки, а 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 и 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 и анализа вибрации, применяемых для диагностики подшипников качения, используется всего два вида анализа сигналов, а именно, спектральный анализ самого сигнала и огибающей его высокочастотных составляющих, предварительно выделенных полосовым фильтром. Этих видов анализа достаточно и 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 и методов автоматического распознавания состояний. В настоящее время созданы и широко используются в России системы автоматической диагностики подшипников качения, позволяющие не только обнаруживать и идентифицировать дефекты, но и давать долгосрочный прогноз состояния подшипников.


Выводы

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Барков А.В. Диагностика и 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 и 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 и прогнозирования технического состояния.
Изд. А/О ВАСТ,г. Санкт-Петербург, 1994г.


Copyright (с) 1996-2002, Азовцев, Барков, Баркова, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения авторов.

Вернуться на Статьи, публикации, описания