Вибрационная диагностика подшипников качения

--PAGE_BREAK--Необходимо учитывать, что такая же нагрузка может создаваться и при дефектах соединительных муфт, и при некоторых дефектах механических передач, например зубьев шестерен.

  Следующая, седьмая группа дефектов объединяете себе раковины, сколы и трещины на поверхностях качения. Выделить трещины в поверхностях качения в отдельную группу дефектов по их влиянию на вибрацию подшипниковых узлов или машины в це­лом практически невозможно, хотя в некоторых машинах удаётся по вибрационным признакам разделить трещины и раковины на внутренних кольцах и телах качения: Влияние дефектов этой группы на вибрацию заключается в появлении периодических ударов, которые и являются источником импульсной вибрации. Чем резче границы повреждения, тем короче удары и шире час­тотная область возбуждаемой вибрации. Если при ударе разры­вается масляная пленка, упругие соударения поверхностей качения возбуждают и ультразвуковую вибрацию до частот, сущест­венно Превышающих сто килогерц. Развитые дефекты незадолго до отказа подшипников могут стать источником сильной вибрации всей машины на гармониках подшипниковой вибрации низкой кратности. При дефектах наружного кольца удары идут с частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу, при дефектах внутреннего кольца — с-частотой перекатывания тел качения по внутреннему кольцу, при дефектах тел качения — с двойной частотой вращения тел качения. Статическая нагрузка на подшипник приводит к модуляции силы удара о вращающиеся поверхности качения, в частности, при дефектах внутреннего кольца — часто­той его вращения, при дефектах тел качения — частотой враще­ния сепаратора Вращающаяся нагрузка меняет частоты модуля­ции силы ударов, причем эти частоты могут сильно зависеть от особенностей нагрузки. Признаки периодической модуляции уда­ров — боковые составляющие у основных гармоник подшипнико­вых составляющих в спектрах вибрации  и ее огибающей.

Последняя группа дефектов объединяет все возможные де­фекты, смазки, разделить которые по вибрационным признакам практически невозможно. Влияние дефектов смазки на вибрацию заключается  в том, что, во-первых, масляная пленка при дефек­тах смазки значительно легче рвется в зоне максимальных нагру­зок на поверхности качения, а во-вторых, снижение толщины и вязкости смазочного слоя увеличивает подшипниковую вибрацию на средних и высоких частотах, возникающую из-за всегда имею­щихся неровностей контактирующих поверхностей качения. Раз­рывы масляной пленки приводят к упругим или неупругим ,(аку­стическая эмиссия) ударам тел качения о поверхности колец, возбуждай ультразвуковую вибрацию поверхностей качения. Уда­ры тел качения о неподвижное кольцо подшипника легко обнару­живаются по его ультразвуковой вибрации при установке датчика вибрации непосредственно на это кольцо или на корпус подшип­никового узла, в который это кольцо запрессовано.
3.4. Оптимизация методов диагностики

и диагностических параметров на разных этапах

жизненного цикла подшипника

 Вибрационная диагностика подшипников качения, невозможна без, учета влияния привода, обеспечивающего вращение подшип­ника, на контролируемую вибрацию либо подшипника, либо под­шипникового узла, либо корпуса машины, в которую установлен диагностируемый подшипник.

Впервые после изготовления вибрационная диагностика под­шипника может проводиться на этапе его выходного контроля на заводе-изготовителе, где, как правило, проводится выборочный контроль продукции. Подшипник при этом устанавливается и при­водится во вращение на специальном стенде выходного контро­ле, схема которого приведена на рис.4.1.



Рис.4.1. Схема стенда для выходного контроля подшипников качения: 1 -фундамент; 2 — массивная рама; 3 — вал со шкивом; 4 — радиальный подшипник скольжения; 5 — радиально-упорный подшипник скольжения; 6 — электродвигатель с ременной передачей; 7 — переходная втулка; 8 – контролируемый подшипник качения; 9 -устройства для создания нагрузки на неподвижное кольцо подшипника; 10 — датчик вибрации; 11 — виброизоляторы; 12 — упорная шайба на валу

Для минимизации влияния вибрации привода на контроли­руемую вибрацию неподвижного наружного кольца подшипника вал, на который насаживается подшипник, вращается в высоко­точных Подшипниках скольжения и приводится во вращение ре­менной передачей от малошумного электродвигателя, установ­ленного на собственном массивном фундаменте, виброизолиро­ванном от фундамента вала с диагностируемым подшипником. Основной задачей вибрационного контроля является количест­венная оценка неровностей поверхностей качения, поэтому виб­рация наружного кольца (обычно виброскорость) контролируется в вертикальном направлении в трех полосах частот: низкочастот­ной (от 50 до 300 Гц), среднечастотной (от 300 до 1800 Гц) и вы­сокочастотной (от 1800 до 10000 Гц) при минимальных радиаль­ных и осевых нагрузках на подшипник. Частота вращения под­шипника обычно выбирается равной 1800 об/мин. Величина вибрации на средних и высоких частотах существенно зависит и от свойств смазки, поэтому измерения вибрации проводятся с использованием либо специальных смазок, либо с конкретным ти­пом смазки, рекомендуемой для испытываемых подшипников.

При таком подходе не контролируется ряд геометрических ха­рактеристик подшипника, а именно, разноразмерность тел каче­ния, являющаяся источником вибрации подшипника на частоте вращения сепаратора, несоосность посадочной поверхности и поверхности качения внутреннего кольца, являющаяся источни­ком вибрации на частоте вращения, овальность поверхности ка­чения внутреннего кольца, являющаяся источником вибрации на второй гармонике частоты вращения подшипника. Кроме того, практически не контролируется угловая несимметрия жесткости элементов качения, вызываемая, например, внутренними трещи­нами в металле. Для контроля несимметрии жесткости по вибра­ции необходимо нагружать подшипник до величин, сопоставимых с номинальными нагрузками, а это резко усложняет стенды и объем работ по выходному контролю подшипников. Поэтому за­воды-поставщики подшипников предпочитают дополнительно проводить выборочный контроль физических свойств элементов подшипника невибрационными методами.

Задача входного контроля подшипников качения на машино­строительных и ремонтных предприятиях существенно отличает­ся от задачи выходного контроля, так как вибрационный контроль достаточно часто бывает единственным используемым способом
входного контроля, от которого необходимо получить максимум
информации о реальном состоянии подшипника при минимуме
затрат. В этом случае стенд для входного контроля можно суще­ственно упростить, добавить в него возможность создания боль­ших радиальных нагрузок на подшипник, но параллельно усложнив аппаратуру измерения и анализа вибрации. Упростить стенд
удается в случае диагностики подшипников в режиме свободного
выбега, а усложнить контрольную аппаратуру — используя узкопо­лосный синхронный спектральный анализ вибрации. Можно даже
производить одновременную диагностику двух подшипников ка­чения разного типа, установленных с разных концов радиально
нагруженного маховика (рис.4.2).

Диагностика подшипников в этом случае производится по ве­личинам каждой из значимых подшипниковых составляющих виб­рации в спектре вибрации, измеряемом от частоты вращения се­паратора до 100-300 гармоники частоты вращения вала и по подшипниковым составляющим в спектре огибающей высокочас­тотной вибрации.



Рис.4.2. Схема стенда для входного контроля подшипников качения: 1 -массивная рама; 2 — переходники для установки подшипников; 3- ротор с активным сердечником и двумя диагностируемыми различными подшипниками; 4 — электромагнитное устройство для создание радиальной нагрузки,; 5 – электродвигатель для разгона ротора; 6 — ременная передача с натяжителем; 7 — датчики вибрации; 8-фотоэлектрический датчик оборотов на штативе с магнитной основой; 9 — виброанализатор

Следующий этап диагностики подшипников качения — после их установки в машину при выходном контроле вибрации машины. На этом этапе контролируется появление дефектов сборки, а при отсутствии входного контроля подшипников по вибрации — нали­чие дефектов изготовления подшипников.

Дефекты монтажа подшипников обнаруживаются двумя основ­ными методами. Простейшим может считаться контроль появления ударных импульсов в подшипниках по ультразвуковой вибрации неподвижного кольца. Эти импульсы появляются из-за продавливанияслоя смазки в местах наибольшего нагружения поверхностей качений. Второй метод – узкополосный анализ вибрации подшип­никовых узлов с поиском значимых составляющих подшипниковой вибрации высокой кратности и сравнением их величин с пороговы­ми значениями для конкретного типа машин, а также анализ спек­тров огибающей высокочастотной вибрации подшипниковых узлов. Второй метод более трудоемкий, но, он используется значительно чаще, так как позволяет определить вид дефектов для их после­дующего, устранения. Этот метод может быть автоматизирован, что во много раз сокращает его трудоемкость.

Следует отметить, что для успешного разделения дефектов монтажа подшипников и дефектов других узлов машины подшип­ники можно диагностировать ив режиме свободного выбега ма­шины,  используя дополнительную информацию о времени ее полного или частичного выбега. Необходимо также помнить, что применение в подшипнике смазок низкого качества также приво­дит к росту среднечастотной и высокочастотной подшипниковой вибрации, резко затрудняя поиск и оценку степени опасности об­наруживаемых дефектов монтажа.

Следующий этап диагностики подшипников — после установки машин на месте их эксплуатации. Основная задача диагностики состоит в обнаружении перегрузок подшипников из-за дефектов монтажа, идентификации твида перегрузок и определения причин их появления. Для решения этих задач чаще всего используется рассмотренный ранее второй метод обнаружения дефектов мон­тажа подшипников, а основными причинами перегрузок являются несоосность валов, дефекты соединительных муфт и повышен­ные осевые нагрузки на валы.

Основными задачами диагностики подшипников качения в
процессе их эксплуатации являются долгосрочный прогноз их
безотказной работы и своевременное обнаружение дефектов. За­дача обнаружения дефектов в свою очередь делится на две: об­наружение зарождающихся дефектов с наблюдением за их разви­тием (мониторинг состояния) и обнаружение предаварийного со­стояния подшипника (аварийная защита). Главными критериями
оценки эффективности любого метода и средства диагностики
подшипников качения являются вероятность пропуска предаварийного состояния подшипника и длительность долгосрочного прогноза его безаварийной работы.

Дефекты эксплуатации в подшипниках по величине и влиянию на длительность прогноза безотказной работы делятся на: зарож­дающиеся (слабые), развивающиеся (средние), развитые (силь­ные) и аварийно-опасные (опасные). Первые не влияют на дли­тельность прогноза безотказной работы подшипника, которая мо­жет доходить до 20% от его среднего ресурса, но, как правило, не превышает шести месяцев. Они могут исчезать в процессе при­работки, не переходя по величине в следующую, группу. Вторые после их образования не, могут исчезнуть, но они практически не увеличивают вероятность отказа подшипника ранее того времени, когда перейдут в группу сильных дефектов. Сильные дефекты оказывают влияние на надежность подшипника, повышая до ве­личины 1-5% вероятность его отказа за ограниченное время, Дос­таточное дли подготовки к его замене (около месяца или 1-2% от среднего ресурса). Подшипники с опасными дефектами жела­тельно заменять при первой возможности, а до замены постоянно контролировать их развитие, аварийно останавливая машину при больших скоростях развития дефекта.

Обнаружение дефектов подшипников может вестись по под­шипниковой вибрации во всех диапазонах частот, начиная от низких, например, с частотывращения сепаратора, и заканчивая
ультразвуковыми, в том числе выше 100 кГц. Методы контроля
(мониторинга) состояния подшипнишв качения по сложности ал­горитмов обнаружения дефектов делятся на два основных на­правления.

Первое направление включает в себя оперативные методы, не требующие информации о характеристиках подшипника, кроме частоты его вращения, и не дающие информации о виде дефекта, а для многих дефектов и о степени его опасности. Длительность измерения вибрации при использовании таких методов обнару­жения минимальна и обычно не превышает времени, за которое подшипник совершает 3-5 оборотов подвижного кольца. Для обеспечения безопасной работы подшипников качения интервалы между измерениями их вибрации с оценкой состояния при ис­пользовании оперативных методов не должны быть большими, т.е. в типовых ситуациях не должны превышать 1-3 суток непре­рывной работы.

Второе направление включает в себя методы обнаружения дефектов с накоплением и подробным анализом вибрации под­шипников. Эти методы требуют длительных измерений вибрации (более 50-100 оборотов), более сложных, обычно спектральных методов анализа сигналов, а также подробных данных о парамет­рах подшипника, но позволяют с разной для разных методов дос­товерностью определять вид и глубину развития дефектов. Это, в свою очередь, позволяет прогнозировать безотказную работу подшипника и переходить на длительные (более 1-2 месяцев) интервалы между диагностическими измерениями.

По возможностям долгосрочного прогноза методы диагностики делятся на три группы: методы, позволяющие обнаруживать за­рождающиеся дефекты для прогноза их развития и планирования работ по обслуживанию, методы обнаружения развитых (средних и сильных) дефектов для планирования работ по ремонту и мето­ды обнаружения аварийно-опасных дефектов для своевременной остановки оборудования.

В основе методов первой группы лежит использование ре­зультатов измерения ультразвуковой или, как минимум, высоко­частотной вибрации подшипниковых узлов. Но при этом следует учитывать, что чем выше частота измеряемой вибрации, тем меньшее количество дефектов, но на более ранней стадии разви­тия, можно обнаружить. По данным измерений вибрации на очень высоких частотах можно получить неоднозначный долгосрочный прогноз состояния подшипников, так как часть дефектов при этом пропускается. В качестве примера следует привести результаты, получаемые с помощью индикаторов состояния подшипников, об­наруживающих ударные импульсы и акустическую эмиссию не­подвижного кольца подшипника, по ультразвуковой вибрации с частотами выше 80-100 кГц. Очень рано обнаруживая дефекты наружного кольца и смазки подшипника, такие индикаторы начи­нают обнаруживать дефекты других поверхностей качения и скольжения только косвенно и в развитом состоянии, когда про­дукты износа ухудшают состояние смазки. Как следствие, долго­срочный прогноз безаварийной работы подшипника становится невозможным, поэтому для мониторинга состояния подшипников измерения ультразвуковой вибрации проводятся достаточно час­то, с интервалами в несколько дней. После обнаружения дефекта проводится глубокая диагностика подшипника (машины) теми ме­тодами второй группы, которые дают.возможность определения вида и величины дефекта.

В основе метода второй группы лежит измерение среднечастотной вибрации подшипниковых узлов. Для обнаружения, и осо­бенно для оценки величины средних и сильных дефектов обычно измеряется и анализируется не только среднечастотная, но и низ­кочастотная вибрация подшипниковых узлов контролируемой ма­шины. Кроме этого может проводиться анализ также, высокочас­тотной или ультразвуковой вибрации для определения вида де­фекта, что необходимо, в первую очередь, для прогноза работоспособности подшипника, так как скорости развития разных дефектов могут различаться в десятки раз.

В основе методов третьей группы лежит измерение величины низкочастотной вибрации машины (подшипникового узла или корпу­са) преимущественно в радиальном к оси вращения ротора направ­лении. Поскольку вид дефекта подшипника при аварийной защите оборудования не имеет значения, подробный, в частности спек­тральный анализ низкочастотной вибрации с параллельным изме­рением и анализом среднечастотной и высокочастотной вибрации, не является обязательным признаком методов третьей группы.

По результатам многолетних исследований вибрации под­шипников качения в составе различных типов машин и оборудо­вания и на основании опыта использования многих видов систем контроля и диагностики машин, во время их эксплуатации для решения типовых задач по контролю состояния подшипников качения во время эксплуатации можно рекомендовать следующие алгоритмы и технические средства.

1.      Для систем аварийной защиты с автоматическим отключением оборудования рекомендуются средства контроля величины вибрации (виброскорости) в стандартной полосе частот от 10 до 1000 Гц, кото­рые могут дополняться средствами контроля температуры.

2.              В стационарно установленных системах аварийной сигна­лизации параллельно со средствами, указанными в п.1, рекомен­дуется измерять величину высокочастотной или ультразвуковой
вибрации для своевременного обнаружения опасных изменений
состояния смазки.     

3.              В стационарно установленных системах мониторинга реко­мендуется дополнительно к средствам, указанным в пп.1 и 2, ли­бо измерять величину и параметры статистического распределе­ния значений (для обнаружения опасных ударных импульсов)
среднечастотной вибрации подшипникового узла; либо анализи­ровать ее спектральный состав. Спектральный анализ вибрации рекомендуется производить с большими интервалами, поэтому
его можно выполнять и переносными средствами измерения и анализа вибрации.

4.              В переносных средствах оперативного контроля состояния подшипников качения рекомендуется измерять величину вибра­ции подшипникового узла в трех полосах частот — на низких час­тотах, начиная со 2-3 гармоники частоты вращения подшипника
до 20-30 гармоники, на средних частотах (без перекрытия с поло­сой низкочастотной вибрации) и на высоких (ультразвуковых) час­тотах. При этом важно в каждой из полос обеспечить измерение
именно подшипниковых составляющих вибрации,  исключив те
Области частот, где доминируют составляющие вибрации другой
природы. Кроме величины вибрации в средствах оперативного
контроля можно рекомендовать для своевременного обнаружения
ударных импульсов измерять параметры статистического распре­деления значений либо вибрации в выбранных среднечастотных
и высокочастотных полосах частот, либо ее огибающей. При об­наружении средствами оперативного контроля опасных отклоне­ний состояния необходимо проводить более глубокий анализ вибрации для принятия решений о сроках проведения и объеме
работ по обслуживанию или ремонту машины.

5.      В переносных средствах глубокой (превентивной) диагности­ки с долгосрочным прогнозом безаварийной работы подшипника
необходимо измерять и анализировать спектральными методами
вибрацию каждого подшипникового узла во всех частотных областях. Только так можно обнаружить и с необходимой для прогноза точностью определить вид и глубину каждого дефекта. При этом необходимо применять дополнительные виды обработки сигналов, для того чтобы не пропускать опасных дефектов в той стадии раз­вития, когда спектральные методы перестают работать. Это означает, что необходимо, как минимум, выполнять измерения и спек­тральный анализ подшипниковой вибрации и колебаний ее мощно­сти (огибающей) в частотном диапазоне от частоты вращения сепаратора, по крайней мере, до частоты 25-30 кГц.

Отсутствие результатов измерения и анализа вибрации хотя бы в одной из частотных областей (низкие, средние, высокие и ультразвуковые) снижает достоверность глубокой диагностики до таких значений, которые не позволяют переходить на обслужива­ние и замену подшипников по фактическому состоянию.

Следует отметить, что современные средства и программное обеспечение для глубокой диагностики и прогноза состояния подшипников качения, позволяющие переходить на обслуживание по фактическому состоянию, кроме анализа вибрации в широком диапазоне частот могут использовать результаты контроля тем­пературы подшипниковых узлов, анализа тока электродвигателя, приводящего во вращение контролируемый агрегат, а также ана­лиза состава смазки и других параметров подшипников.

3.5. Возможности автоматической диагностики подшипников качения

Под автоматизацией диагностики подшипников качения обыч­но понимается не автоматизация процесса измерения вибрации, а применение программ для автоматической обработки результа­тов измерения, формирования заключения о состоянии подшип­ника и рекомендаций по его обслуживанию (ремонту).

Во всех стационарных системах вибрационного контроля и мониторинга решения принимаются автоматически, путем срав­нения контролируемой величины с пороговым значением. Поро­говое значение либо устанавливается пользователем (разработ­чиком) в соответствии с нормативно-технической документацией, либо определяется по результатам контроля, накапливаемым на первом этапе эксплуатации (бездефектной) диагностируемого оборудования. В последнем случае время накопления выбирает­ся достаточно большим, порядка 10% от ресурса оборудования, Определяются среднее значение и среднеквадратичное, отклоне­ние контролируемого параметра и устанавливается пороговое значение, отличающееся на 3-4 среднеквадратичных отклонения от среднего значения. При этом необходимо иметь априорную информацию о том, что при появлении опасных дефектов контро­лируемый параметр заведомо выйдет из зоны допустимых значе­ний. В некоторых случаях при наличии априорной информации на начало эксплуатации системы контроля устанавливается предва­рительное пороговое значение, которое по мере набора статисти­ческой информации корректируется, в том числе и автоматически.

Простейшие средства вибрационного контроля чаще всего сравнивают с порогом среднеквадратичное значение вибрации в выбранном частотном диапазоне, а отдельные стационарные системы дополнительно и скорость его роста во времени. Для снижения вероятности ложных, срабатываний в многоканальных системах часто решение принимается по срабатыванию не одно­го, а нескольких параллельных каналов вибрационного контроля.

В приборах, контролирующих высокочастотную или ультра­звуковую вибрацию подшипниковых узлов, часто вместо дополни­тельного, алгоритма определения скорости нарастания вибрации используется алгоритм, обнаружения ударных импульсов и срав­нения его величины с пороговым значением. Ударные импульсы обнаруживаются по импульсам высокочастотной вибрации, величина которых существенно превышает ее среднеквадратичное значение. Известны математически строгие алгоритмы их обна­ружения по величине пикфактора, крестфактора, коэффициента эксцесса самого сигнала вибрации или статистических парамет­ров его мощности (огибающей), но эти алгоритмы, а определенных условиях могут быть далеки от оптимальных. Достаточно часто производитель прибора придумывает свой алгоритм обнаружения этих импульсов, собирая для этого большой статистический ма­териал, и называет его новой технологией диагностики подшипни­ков. Экспериментально в таких приборах подбираются и пороги срабатывания, которые обычно зависят от скорости вращения подшипника и его размеров, т.е. от произведения    продолжение
--PAGE_BREAK--(где  угловая частота вращения одного кольца подшипника отно­сительно другого; dc
— диаметр сепаратора), а также от качестваизготовления поверхностей качения и смазки. Поэтому такие при­боры обычно адаптируются к подшипникам одного производителя и должны перестраиваться при контроле состояния подшипников других производителей. Кроме того, источниками ударных им­пульсов в подшипниках могут быть процессы в других узлах маши­ны, создающие ударные нагрузки на подшипники, и в этих случаях вероятность ошибки в оценке состояния подшипника становится очень большой… В качестве примера следует привести зубчатые и другие механические передачи с подшипниками качения, в которых возможно появление импульсных нагрузок на подшипники.

Снизить вероятность ошибок при поиске и оценке параметров ударных импульсов можно в тех случаях, когда данные измерений группы одинаковых подшипников в одинаковых узлах одинаковых машин хранятся в постоянно пополняемой базе данных. В этом случае можно использовать алгоритмы автоматической адапта­ции порогов обнаружения дефектов.

Существенного снижения ошибок в определении причины по­явления периодических ударных импульсов можно добиться, применяя спектральное преобразование к огибающей сигнала вибрации. Типичная форма сигнала вибрации, возбуждаемой пе­риодическими ударными импульсами, форма огибающей его мощности и спектр огибающей приведены на рис.4.3.



 Если же измерять огибающую сигнала вибраций не в ультразвуком, а в более низкочастотном диапазоне частот, где вибра­цию возбуждают не только ударные импульсы, но и силы гидродинамической природы в масляной пленке подшипника, то допол­нительно можно обнаруживать модуляцию сил трения из-за
неровностей поверхностей трения, не приводящих к разрыву мас­ляной пленки (рис.4.4).



Вибрация такого происхождения проявится на наружном (не­подвижном) кольце подшипника; и при зарождающихся дефектах на других, кроме наружной, поверхностях качения. Таким обра­зом, в спектре огибающей вибрации проявятся зарождающиеся дефекты всех поверхностей качения, и они будут источниками модуляции вибрации разными частотами. На рис.4.5 и 4.6 приве­дены спектры огибающей высокочастотной вибрации разных под­шипников с разными дефектами поверхностей качения, в частно­сти, с плавными износами, перекосами, сопровождающимися до­полнительными нагрузками на подшипник, и раковинами.


Рис. 4.6. Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипников с износом (а), перекосом (б) и раковинами на внутреннем кольце (в)
Как видно из рисунков, при измерении спектров огибающей вибрации появляется возможность идентификации вида дефекта, в том числе и с помощью методов автоматического распознава­ния состояний.

Именно этот метод был разработан сотрудниками Ассоциации «ВАСТ» в конце 70-х годов прошлого века и лег в основу первых программ, созданных предприятием «Вибротехника». Программы автоматической диагностики, подшипников качения по спектру огибающей их высокочастотной вибрации и сейчас выпускаются многими предприятиями-производителями, систем вибрационного контроля и мониторинга. Но использовать их для перехода на об­служивание и замену подшипников по состоянию большинству заказчиков не удалось. Причина заключается в том, что метод спектрального анализа огибающей вибрации наиболее эффекти­вен при обнаружении и идентификации зарождающихся дефек­тов, но он не рассчитан на достоверную оценку величины разви­тых дефектов и неэффективен при обнаружении предаварийного состояния подшипника, когда подшипниковая вибрация теряет периодичность.

Для мониторинга и прогноза состояния подшипников необхо­димо объединять по крайней мере четыре метода обнаружения дефектов на разной стадии их развития, т.е.:

-  обнаруживать дефекты смазки по величине ультразвуковой вибрации;

-  идентифицировать вид и оценивать величину развивающе­гося дефекта по спектру огибающей высокочастотной вибрации;

-  контролировать величину идентифицированных ранее де­фектов при переходе их в группу развитых дефектов по спектру низкочастотной и среднечастотной вибрации;

— контролировать появление цепочек развитых дефектов как по спектру огибающей высокочастотной вибрации, так и по вели­чине и появлению ударных составляющих в среднечастотной и низкочастотной вибрации.

Из четырех перечисленных методов наиболее сложно формируются алгоритмы автоматического распознавания состояний по спектру среднечастотной вибрации. Причина заключается в том, что в этой области частот наибольшее количество гармонических составляющих вибрации, источником которых, кроме всех подшипников качения, работающих в машине, являются многие другие узлы, а также большое количество резонансов неизвестной частоты и добротности. Поэтому крайне сложно дать количественную оценку колебательных сил, действующих между поверхностями качения конкретного подшипника, состояние которого необходимо определить. В результате приходится создавать модули диагностики не отдельных узлов, а определенной группы узлов, например ротора или рабочего колеса с двумя разными подшипниками, двух шестерен с их подшипниками и т.д.

Основной задачей диагностического модуля является поиск и идентификация составляющих вибрации, возбуждаемых диагностиремой группой узлов при наличии каждого из потенциально опасных дефектов, определение величины роста найденных составляющих вибрации во времени или по группе одинаковых ма­шин с учетом влияния резонансов на обнаруженный рост. Совер­шенно естественно, что в диагностических модулях все дефекты узлов, в том числе и подшипников качения, объединяются в груп­пы с одинаковыми или близкими диагностическими признаками. В одной группе могут оказаться, например, дефекты монтажа и де­фекты износа. Определить, какой из этих дефектов обнаружен, можно по наработке подшипниковых узлов, поскольку на началь­ной стадии эксплуатации машины опасного износа поверхностей качения практически не бывает. Для разных диагностических мо­дулей количество идентифицируемых групп дефектов может быть разное, но при этом все дефекты будут обнаружены своевремен­но, однако при определении типа обнаруженного дефекта может быть сделана сознательная ошибка, так как при близости диагно­стических признаков двух разных дефектов должен указываться тот из них, который развивается быстрее. Такой выбор повышает достоверность долгосрочного прогноза состояния подшипника, но из-за него в процессе мониторинга состояния контролируемый дефект может несколько раз менять название.

Втабл.4.1 приведены основные вибродиагностические признаки дефектов подшипников качения в составе работающего агрегата с одним валом и двумя опорами вращения, т.е. без учета влияния механической передачи, например соединительной муфты, на ра­боту подшипников и на диагностические признаки их дефектов.

Дефект, названный обкатыванием, означает возможную пере­грузку подшипника за счет дополнительной вращающейся нагруз­ки, например из-за значительной неуравновешенности ротора, Плавные неровности поверхностей качения в таблице указывают­ся как их износ, неровности с резкими краями — как раковины на соответствующих поверхностях. Перекос внутреннего кольца ша­риковых и роликовых подшипников, а также осевая перегрузка шариковых подшипников сведены в одну группу дефектов, с об­щими диагностическими признаками, названную неоднородным радиальным натягом подшипника. Разноразмерность тел качения и износ сепаратора также объединены в одну группу дефектов. Кроме того, часто встречающиеся дополнительные признаки по­явления одновременно двух и более влияющих друг на друга де­фектов выделены отдельно в группу сложных дефектов. Наконец, поскольку в нестандартных режимах работы машин отдельные дефекты подшипников могут проявлять себя нестандартным об­разом, а влияние других узлов агрегата на работу подшипников может быть не учтено в используемых диагностических алгорит­мах, в таблицу признаков следует ввести группу неидентифицируемых дефектов, для определения вида которых требуется до­полнительная информация и участие диагноста.



Примечание:  
-частота вращениявала; — частота перекатывания тел ка­чения по внутреннему кольцу;
— частотаперекатываниятелкаченияпонаруж­номукольцу,
  — частота вращения тел качения;
  — частота вращения сепарато­ра; ВЧ — высокочастотная область спектра вибрации; УНЧ — низкочастотная об­ласть спектра вибрации (); =1,2,3,4…
Диагностика подшипников качения в агрегатах с механически­ми передачами, например, соединительными муфтами, ремнями, шестернями и т.п., требует учета их влияния на работу подшипни­ка. Это влияние прежде всего заключается в перегрузке подшип­ников из-за расцентровки валов и дефектов соединений и сопро­вождается появлением или ростом вращающихся и/или ударных нагрузок на подшипники. Поэтому дефекты подшипника и механи­ческой передачи, диагностическими признаками которых являют­ся рост вибрации и модуляция сил трения частотами вращения, объединяются в две группы — бой вала (плавные перегрузки, воз­никающие чаще всего из-за излома линии вала), и дефекты со­единений (муфты, зубьев и т.п.), приводящие к ударным нагруз­кам на подшипники. К последней группе относятся и проскальзы­вание колец в посадочном месте.

В некоторых случаях даже в диагностических модулях одновальных машин для снижения числа неидентифицированных де­фектов необходимо учитывать особенности работы тех узлов машины, которые вращаются вместе с валом. Это, прежде всего, относится к модулям диагностики подшипников электрических машин, насосов, турбин.

Создание и отработка диагностических модулей является крайне сложной задачей, которая по силам только крупному науч­ному коллективу, имеющему обратную связь с диагностами, рабо­тающими на предприятиях разных отраслей промышленности. Поэтому задачу перехода1 на обслуживание и ремонт оборудова­ния по фактическому состоянию решать надо во взаимодействии с научными подразделениями крупных производителей специали­зированных диагностических комплексов. Аппаратура вибрацион­ного контроля на решение такой задачи просто не рассчитана.

4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ

В работе используется переносной комплекс вибрационного мониторинга и диагностики «Вектор-2000», состоящий из двух частей. Первой из них является виброанализатор СД-21, на вход которого можно подключать один аналоговый измерительный преобразователь (датчик вибрации или тока) и один преобразова­тель с цифровым выходом (датчик оборотов или температуры). Во вторую входят персональный компьютер с программным обес­печением DREAM, включающим в себя программы мониторинга и автоматической диагностики (рис.4.7).



Рис.4.7. Переносной комплекс вибрационного мониторинга и диагностики «Вектор-2000»

Общий вибрационный мониторинг машин, включая их под­шипники, проводится по уровню вибрации подшипниковых узлов в трех направлениях в стандартной полосе частот, которая для машин с частотой выше 600 об/мин имеет нижнюю границу 10 Гц и верхнюю — 1000 Гц. При оперативном мониторинге состояния подшипника вибрация измеряется в одном (вертикальном) на­правлении и к уровню вибрации в стандартной полосе частот до­бавляется уровень ультразвуковой вибрации в частотном диапа­зоне 16*26 кГц и статистические параметры (уровень и коэффи­циент искажения) огибающей высокочастотной вибрации в одной из третьоктавных частотных полос по выбору пользователя.

Специальный вибрационный мониторинг машин и их подшип­ников производится по составляющим узкополосного и/или широ­кополосного спектров вибрации подшипниковых узлов с автома­тическим формированием порогов по группе одинаковых машин или по ретроспективным измерениям вибрации контролируемой машины. Вибрация подшипникового узла, как правило, измеряет­ся в вертикальном направлении. Пороги, как и частотные полосы в широкополосном спектре, могут при необходимости корректиро­ваться пользователем.

Автоматическая диагностика подшипников качения проводит­ся совместно по составляющим узкополосного спектра низкочас­тотной и среднечастотной вибрации подшипникового узла, а также по составляющим спектра огибающей его высокочастотной вибраций и по величине вибрации на ультразвуковых частотах.

Основными техническими характеристиками виброанализато­ра СД-21 являются:

·         количество каналов обработки информации — 2;

·         частотный диапазон измеряемой вибрации или тока — от 0 до 25600 Гц;

·         верхние границы частотных поддиапазонов — 25, 50, 100,
200, 400, 800, 1600, 3200, 6400, 12800 и 25S00 ГЦ

·         средние частоты третьоктавных полосовых фильтров для
формирования огибающей вибрации -   800, 1000, 1250, 1600,
2000, 2500, 3200, 4000, 5000,6406, 8000, 10000, 12500, 16000, и
20000 Гц;        

·         динамический диапазон без изменения параметров усили­теля — не менее 70 дБ;

·         полный динамический диапазон — не менее 110 дБ;

·         линейность виброанализатора — не хуже 0,1%;

·         неравномерность амплитудочастотных характеристик филь­тров (не хуже 0,5 дБ);

·         количество частотных полос вспектре — 400, 600 и 1600;

·         единицы измерения вибрации — м/с2, ускорение g— ско­рость мм/с, смещение, мкм' — единицы измерения напряжения -
мВ, тока-А;    

·         размеры — 210-1,10-35 мм; масса — не более 1кг.

СД-21 позволяет анализировать форму сигнала вибрации (во времени), выделять компоненты сигнала в выбранных полосах частот, определять их среднеквадратичное и пиковое значения, формировать огибающую, проводить спектральный анализ сигна­ла и его огибающей. Дополнительно СД-21 позволяет.анализиро­вать затухающие колебания и измерять амплитудочастотные ха­рактеристики машин в.режимах работы с изменяющейся частотой вращения, например, в режиме свободного выбега. Анализатор может также проводить сбор данных для последующего статисти­ческого анализа сигналов, программой мониторинга, для анализа форм колебаний оборудования, на гармониках частоты вращения и для построения орбит, колебаний вала в подшипниках. Наконец, анализатор позволяет выполнять измерения, необходимые для балансировки роторов, в том числе при подключении коммутато­ра с группой датчиков, в многоканальном режиме.

Для контроля состояния и диагностики подшипников качения используется также и программное обеспечение DREAM, уста­навливаемое в персональный компьютер. Это программное обеспечение осуществляет; определение требований к диагностиче­ским измерениям вибрации, планирование измерений, формиро­вание маршрутных карт измерений и передачу их в анализатор, прием данных измерений, их автоматические анализ и сравнение с пороговыми значениями для каждого из возможных дефектов, выдачу диагноза и, либо долгосрочного прогноза состояния, либо рекомендаций по обслуживанию. Кроме этого программа позво­ляет проводить мониторинговые измерения, пользовательские измерения, заданные оператором, выполнять графический анализ всех проводимых измерений, строить тренды развития вибраци­онных параметров или дефектов, а также автоматически коррек­тировать пороговые значения дефектов и планы измерений в за­висимости от текущих результатов мониторинга и диагностики.

Для проведения автоматической диагностики в программу должны быть введены данные подшипника, необходимые для расчета частот подшипниковой вибрации, а именно: диаметры внутреннего и внешнего колец подшипника, диаметр и число тел качения в одном ряду, угол контакта тел и дорожек качения, час­тота вращения подшипника. Эти данные, кроме частоты враще­ния, для многих типов подшипников указаны в справочной базе программы. Для частоты вращения в программу при конфигури­ровании подшипника оператор задает верхний и нижний пределы ее возможных изменений, а при каждом измерении — конкретное значение с точностью от 1 до 20%. Чем выше точность задания частоты вращения, тем выше достоверность результатов диагно­за. Рекомендуемая точность составляет 3-5%. Для автоматиче­ского прогнозирования длительности безотказной работы под­шипника в виде рекомендуемой даты проведения следующих ди­агностических измерений вводитсяжелаемая длительность прогноза, но не более 100 дней, которая заносится в графу Максимальный период контроляпри отсутствии дефектов.

Параллельно диагностическим измерениям в программу вно­сятся и требования к пользовательским измерениям для автома­тического вибрационного мониторинга подшипников. Обычно та­кой мониторинг проводится по спектрам низкочастотной вибрации и
алгоритмам оперативной диагностики, для которых используют­ся диагностические измерения спектров низкочастотной и уровня
ультразвуковой вибрации, а также дополнительно измеряется
форма: огибающей среднечастотной вибрации, по которой опре­деляются ее среднеквадратичное значение и коэффициент иска­жений.

5. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В состав лабораторной установки входят стенд, виброанали­затор и персональный компьютер с диагностическим программ­ным обеспечением (рис.4.8 и 4.9).



Рис.4.8. Лабораторный стенд для контроля состояния подшипников качения

Схема стенда приведена на рис.4.9. Он состоит их асинхрон­ного двигателя и двух последовательных роторов, каждый из ко­торых имеет две опоры вращения с одинаковыми подшипниками качения.



Рис.4.9. Схема стенда для контроля состояния подшипников качения;

1 — фундамент; 2 — опоры вращения для установки подшипников

и электродвигателя; 3 — электродвигатель; 4 — подшипники качения;

5 — соединительная муфта; 6 — металлические диски для создания

нагрузки; 7 — вал; 8 — датчик вибрации

Роторы соединяются друг с другом посредством муфты. Опо­ры вращения установлены на единой раме и оборудованы места­ми для крепления датчиков вибрации. При изменении положения опор меняется соосность роторов и нагрузка на подшипники.

Электродвигатель питается от трехфазной сети переменного тока с помощью пускателя.
6. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1.      Ознакомление с методами контроля состояния и диагности­ки подшипников качения, составление списка основных методов,
используемых для диагностики подшипников в процессе эксплуа­тации.

2.              Анализ возможностей оперативных и детальных методов
вибрационной диагностики подшипников на этапах контроля ма­шины после изготовления (ремонта), монтажа на месте эксплуа­тации и в процессе эксплуатации. Выбор и обоснование метода.

3.              Изучение и работа со средствами измерения и анализа
подшипниковой вибрации. Выбор точек и направлений контроля
вибрации, способа крепления датчиков вибрации к узлам машины
с диагностируемыми подшипниками. Измерение спектра вибрации
в контрольных точках и выбор полосы частот для измерения оги­бающей вибрации.

4.              Изучение возможностей и порядка работы с программным
обеспечением DREAM. Конфигурирование подшипников качения
в программе мониторинга и диагностики. Составление маршрут­
ной карты мониторинговых и диагностических измерений, сброс
карты в виброанализатор.

5.              Проведение диагностических и мониторинговых измерений
по маршруту. Проведение внемаршрутных измерений. Сброс ре­
зультатов маршрутных и внемаршрутных измерений в базу дан-
 ных программы DREAM. Автоматическая и экспертная оценки со-
 стояния подшипников качения лабораторной установки по результатам   анализа  вибрации.   Вывод  и   корректировка  отчета  о
 состоянии подшипников.

6.      Работа с базами данных предприятий, выполняющих ди­агностику технологического оборудования по вибрации (база дан­ных и объекты диагностики по выбору преподавателя). Сравнение
результатов автоматической диагностики по группе одинаковых
машин и по истории.

7.      Составление отчета.
7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен включать в себя:

-         список основных методов диагностики подшипников в со­
ставе машины с перечнем случаев, когда их использование дает
оптимальные результаты;

-         преимущества и недостатки методов,  используемых для
диагностики подшипников лабораторного стенда;

-         список проводимых измерений;

-          результаты   автоматического   диагноза   контролируемых подшипников по группе машин и по истории;

-         результаты сравнения диагнозов при разных типах несоос­ностей валов.

ЛИТЕРАТУРА

1.              Неразрушающий контроль: Справочник: Т. 7: Балицкий Ф.Я., Барков А.В., Баркова Н.А. и др. Вибродиагностика. М.: Машино­
строение, 2005, 829 с.

2.              Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и ди­
агностика роторных машин по вибрации: учеб. пособие. СПб.:
Изд. СПбГМТУ. 2000. 158 с.

3.              Баркова Н.А. Введение в виброакустическую диагностику
роторных машин и оборудования:  учеб.  пособие.  СПб.:  Изд.
СПбГМТУ. 2003. 158 с.

4.              Барков А.В., Баркова Н.А. Вибрационная диагностика ма­шин и оборудования. Анализ вибрации: учеб. пособие. СПб.: Изд.
СПбГМТУ. 20Q4. 151 с.

5.              Барков А.В., Баркова Н.А., Федорищдв В.В. Вибрационная
диагностика колесно-редукторных блоков на железнодорожном
транспорте. СПб.: Изд. СПБГМТУ, 2002.

6.      Виброанализатор   СД-21.   Руководство   по   эксплуатации.
СПб. 2007.

7.              Пакет программ для мониторинга и диагностики роторных
машин (DREAMforWindows); Инструкция по эксплуатации. 4.1.
Краткое описание системы. СПб. 2003.

8.              Пакет программ для мониторинга и диагностики роторных
машин (DREAMforWindows). Инструкция по эксплуатации. 4.2.
Работа оператора с пакетом программ. СПб. 2003.
Приложение 1

Алгоритмы проведения работы с использованием

переносного комплекса для вибрационной

диагностики подшипников качения на базе

программы DREAM

Для выполнения  лабораторной работы необходимо следую­щее программное и аппаратное обеспечение:

-         DREAMдля операционных систем Windows;

-         виброанализатор серии «СД»;

-         измерительный преобразователь (датчик) вибрации с маг­нитом и кабелем, совместимый с виброанализатором серии «СД»;

-         интерфейсный кабель RS-232.

Работа включает в себя полный цикл последовательных дей­ствий — от подготовки к работе программного обеспечения до по­лучения отчета о состоянии оборудования на основании произве­денных замеров. Иллюстративный материал приводится для на­глядной связи текстового материала с требуемыми от оператора
действиями.   

Алгоритмы работы

1.Запустите программу DREAM..

2.В разделе  меню База данных выберите базу данных,
предназначенную для проведения лабораторной работы, напри­мер Мониторинг. Для открытия выбранной базы нажмите кнопку Открыть(рис.1).



Рис.1

3.В разделе меню Редактор (рис.2) включите режим редак­тирования (1), после чего добавьте диагностируемый узел (2).



Рис.2

4.В появившемся диалоговом окне (рис.3) установите сле­дующие параметры:

-  Имя — любое обозначение проверяемого оборудования, вве­дите имя стенда, номер группы и номер бригады: Привод 216-3;

-  Комментарий — можно ввести любые дополнительные по­яснения (необязательный параметр);

-  выберите режим Машина (в данной лабораторной работе);

-  Тип группы/Машины — Агрегат (любой удобный значок);

-  установите флажок Активна.



Рис.3

Примечание. По завершении работы с диалоговым окном корректный ввод данных подтверждается нажатием кнопок ОК или Дальше.

5.Выберите Добавить узел, щелкнув правой кнопкой мыши на появившемся в иерархии имени машины (рис.4).



Рис.4

6.В появившемся окне (рис.5) под названием Конфигурация диагностируемого узла установите следующие значения:

-  Имя — любое удобное название проверяемого оборудова­ния, например: точка №1;

-  Комментарий — можно ввести любые дополнительные по­яснения (необязательный параметр, но рекомендуется указывать местоположение подшипника, например, ПК со стороны ЭД);

-  Тип оборудования — подшипник качения вала;

-  Тип измерительной системы — СД12;

-  возможность диагностирования узла — Доступен.



Рис.5

7.В диалоговом окне (рис.6) с параметрами диагностируемого подшипника следует:

-         выбрать тип подшипника (1), в данной лабораторной рабо­те: для первого стенда — SU204, второго  SU206, пятого — SU205(нажмите кнопку Выбрать). Номер стенда для проведения рабо­ты уточняется у преподавателя;

-         если нет требуемого типа, произвести «Импорт» его пара­метров из базы данных (2) (нажмите кнопку Импорт). Если под­шипник есть, выберите его, щелкнув левой кнопкой мыши, после чего нажмите ОК;

-         найти требуемый подшипник в базе, введя маску подшипни­ка в поисковом окне (3), когда программа найдет требуемый тип подшипника, нажмите кнопку Выбрать;

-         в окне «Выбор подшипника» нажать кнопку ОК (4).


Рис.6

При отсутствии требуемой марки подшипника можно добавить подшипник любой конфигурации, нажав кнопку Добавить и введя в соответствующие столбцы параметры подшипника (рис.7):

Din-диаметр внутреннего кольца;

Dout— диаметр наружного кольца;

Drol— диаметр тел качения;

Angle— угол контакта тел качения и дорожек качения;

Nrol — число тел качений.



Рис.7

8.В окне Конфигурация диагностируемого узла: подшип­ник (рис.8) будут отображены параметры выбранного подшипни­ка.



Рис.8

9.В появившемся окне (рис.9) для ввода параметров второго подшипника нажмите кнопку Дальше (так как на лабораторном стенде установлен одинарный подшипник).



Рис.9
10.В окне (рис.10) для установки частоты вращения вала с подшипником введите следующие параметры:

-  Минимальная частота вращения, Гц: для первого стенда -24, второго — 14, для пятого — 13,5 (нижняя граница частоты вра­щения для машин с несколькими режимами работы);

-  Максимальная частота вращения, Гц — для первого стен­да — 25, второго — 15,5, пятого — 15 (верхняя граница частоты вращения для машин с несколькими режимами работы);

-  Разброс, % — 3 (возможный разброс частоты вращения от измерения к измерению);

-  Максимальный разброс, % — 5 (максимально допустимая погрешность частоты вращения, при которой достоверность диаг­ноза сохраняется на допустимом уровне);

-Максимальный период контроля, дней — 100 (число дней, которое будет интервалом между измерениями для узла, не имеющего превышения порогов по результатам последнего изме­рения);

-  Полный набор измерений — использовать;

-  Специальный мониторинг — не использовать (использует­ся для проведения измерений в стационарной системе);

-  Группа мониторинга — не используется;

-  Для всей машины — не использовать.  


Рис. 10

11.Появившееся окно (рис.11) содержит параметры диагно­стических измерений, рассчитанных программой в соответствии с введенными ранее данными. Это окно позволяет изменить:

— количество усреднений (чем больше усреднений, тем вы­ше достоверность диагностики по постоянным составляющим, но требуется больше времени для проведения измерения);

— полосовой фильтр для спектра огибающей.

  Для внесения изменений несколько раз щёлкните мышью на параметре, который хотите изменить, и введите новый.

В данной лабораторной работе не требуется изменения уста­новок.



Рис.11

12. Установки, сделанные в появившемся окне (рис.12), влияют на определение программой степени развития дефекта при диагно­стике. (Указаны пороги для сильных дефектов, половина от которых будет являться порогом среднего дефекта, а четверть — слабо­го). Корректировка уровней оператором рекомендуется только после накопления данных в зависимости от важности оборудова­ния.

Просмотрите информацию о порогах дефектов, установлен­ных автоматически для подшипников качения, ознакомившись, нажмите кнопку Завершить.



Рис.12

13. В появившемся окне (рис.13) для ввода параметров поль­зовательских измерений создайте новый вид измерений, нажав кнопку Новый вид измерений.

В панели Параметры измерения показываются параметры пользовательского измерения, выбранного в списке Виды изме­рений (1).



Рис. 13

14. В окне установок измерений (рис,14) выберите вид изме­рений Общий уровень (1) и задайте следующие параметры, из­мерения (2):

-         Детектор — СКЗ;  

-         Количество отсчетов — 6 (влияет на точность измерения и на время, которое будет затрачено для проведения измерения);

-         Полосовой фильтр, Гц – 10000 — 25000 (выбор частотной области, в которой отслеживаются энергетические параметры);

-         Шкала Y— ускорение, дБ (единицы измерения физической величины, по значениям которой осуществляется мониторинг).



Рис.14

15. В окне для ввода параметров пользовательских измере­ний (рис.15) вновь создайте новый вид измерений, нажав соот­ветствующую кнопку. В окне установок измерений выберите вид измерений Временной сигнал (1) и задайте следующие пара­метры измерения (2):

-  Частота дискретизации, Гц — 1024 (значение частоты, с ко­торой производится отсчет дискретных значений сигнала);

-  Количество отсчетов — 4000 (длительность периода дис­кретизации, умноженная на количество отсчетов, дает время вы­борки процесса);
    продолжение
--PAGE_BREAK--