Диагностика дефектов подшипников по спектрам огибающей.

Метод диагностики состояния вращающегося оборудования при помощи спектров огибающей вибрационного сигнала получил максимальное прикладное развитие благодаря его применению именно для ранней диагностики технического состояния подшипников качения. Основы метода диагностики дефектов подшипника качения по спектру огибающей и особенности его практического применения достаточно подробно описаны выше, и поэтому не будем здесь все это повторять.

Если говорить кратко и очень просто, суть этого метода заключается в детектировании высокочастотных хвостиков «золотых рыбок» (смотри рисунок 3.1.1.4), и получения спектра от полученной огибающей высокочастотного сигнала. Полученная кривая, огибающая исходный вибрационный сигнал, является более информативной для диагностики дефектов подшипников качения, чем исходный сигнал, так как она принудительно «избавлена» от ненужной высокочастотной информации. По этой причине на спектре от данной кривой более явно представляются гармоники, соответствующие характерным подшипниковым частотам, математические формулы, предназначенные для расчета которых также приведены выше, в начале данного раздела.

Процедура проведения регистрации огибающей вибрационного сигнала достаточно сложна. Она должна учитывать несколько специфических особенностей, позволяющих повысить чувствительность метода.

Во-первых, регистрация производится не во всем частотном диапазоне, в котором может работать измерительный прибор, а только в узкой его полосе. Поскольку первые применения данного метода чаще всего проходили с использованием аппаратуры фирмы «Брюль & Къер», которая наряду с созданием приборов вибрационного контроля занималась акустическими измерениями, для определения параметров полос частот использовались октавные определения. В настоящее время стандартом для расчета огибающей сигнала считается использование треть октавных фильтров, или близких к ним.

Во-вторых, достаточно сложным является выбор необходимой полосы частот, перестройка которой осуществляется при помощи управляемых фильтров высокого порядка. С одной стороны, в этой полосе частот должны быть максимальны высокочастотные колебания, которые возникают после динамических ударов в зоне дефекта подшипника. С другой стороны, в выбранной полосе частот должны быть минимальны колебания, связанные с другими причинами, приводящими к увеличенным вибрациям в зоне опорных подшипников.

Как вы уже догадались, практически для каждого контролируемого подшипника этот вопрос приходится решать отдельно. Слишком от многих конструктивных и эксплуатационных параметров это зависит.

Мы достаточно подробно описываем этот вопрос потому, что от правильного его решения во многом зависит точность и достоверность проводимой диагностики дефектов подшипников качения.

Далее мы приведем, причем уже в конечном виде, общей таблицей, практически полный перечень дефектов, которые можно диагностировать в подшипниках качения при помощи спектральных методов - по классическим спектрам и спектрам огибающей. Всего в этой таблице приведено 15 наиболее часто встречающихся причин повышенной вибрации - дефектов подшипников с различной локализацией.

Все дефекты в таблице представлены в определенном хронологическом порядке, связанным с этапами «жизненного цикла» подшипника качения в оборудовании. Сначала идут дефекты, связанные с монтажом подшипников, с которыми приходится встречаться уже на этапе ввода оборудования в эксплуатацию. Далее идут дефекты смазки, т. е. эксплуатации подшипников. За ними следуют проблемы, связанные уже с износом рабочих поверхностей подшипников. Замыкают таблицу явно выраженные и уже сильно развитые дефекты элементов подшипников типа, «скол» и «раковина» на поверхностях качения.

В графе «тип сигнала» указывается параметр, при помощи которого наиболее эффективно проводить диагностику каждого дефекта. Это может «прямой» спектр, спектр огибающей сигнала, или их комбинация. В графе «основная частота» указывается или оборотная гармоника, или подшипниковые гармоники, являющиеся основными при диагностике. В следующей графе указывается, на какие гармоники от основной частоты следует обращать основное внимание. И в последней графе «порог» указывается уровень модуляции вибрационного сигнала основной диагностической гармоникой. Этот параметр рассчитывается по стандартным формулам обработки сигналов, которые следует взять из теории анализа модулированных радиосигналов.

 

N	Дефект подшипника	Тип сигнала	Основная частота	Гармоники	Порог
1. Проблемы монтажа подшипников качения
	Перекос наружного кольца при посадке	Спектр + огибающая	2 х Fн	k=1,2	16 %
	Неоднородный радиальный натяг	Спектр + огибающая	k x F1	k=1,2	13 %
	Проскальзывание в посадочном месте	Огибаю-щая	k x F1	k=1,2,3	9 %
	Ослабление крепления подшипника	Спектр	k x F1	k=0.5,1,2,3	13 %
	Задевания подшипнике и уплотнениях	Спектр	k x F1	k=0.5,1,1.5, 2,2.5,3	13 %
	Обкатывание наружного кольца	Спектр + огибающая	F1		16 %
2. Проблемы смазки
	Проблемы смазки	Фон вибрации	-	-	20 dB
3. Проблемы износа подшипников качения
	Увеличенные зазоры в подшипнике	Спектр	k x F1	k=1,2,3,4,5,6...	13 %
	Износ поверхности наружного кольца	Огибаю-щая	Fн	-	16 %
	Износ поверхности тел качения	Огибаю-щая	Fc или F1-Fс	k=1,2,3	15 %
	Износ поверхности внутреннего кольца	Огибаю-щая	kxF1	k=1,2,..6	13 %
	Дефект группы поверхностей трения	Огибаю-щая	Fн + Fв Fн+F1	k=1,2,...	16 %
4. Критические дефекты подшипников качения
	Раковины (сколы) на наружном кольце	Огибаю-щая	k x Fн	k=1,2,3	16 %
	Раковины (сколы) на внутреннем кольце	Огибаю-щая	k x Fв	k=1,2,3	15 %
	Раковины (сколы) на телах качения	Огибаю-щая	k x Fтк	k=1,2,3	15 %

Проблемы изготовления и монтажа подшипников можно отнести к нулевому этапу развития дефектов подшипников, когда эксплуатация подшипника еще даже не началась. Проблемы смазки и начальные этапы износа соответствуют первому этапу, когда дефекты поверхностей качения только зарождаются.

Сильный износ и зона углубления физических дефектов подшипников относятся ко второму этапу развития дефектов в подшипниках. Как уже говорилось выше, третий этап развития дефектов в подшипниках, начало их деградация, диагностируется уже любым методом.

Для иллюстрации возможностей диагностики дефектов подшипников качения, приведем несколько характерных спектров огибающей вибросигнала, свойственных нескольким наиболее характерным дефектам.

На рисунке 3.1.1.9. приведен спектр огибающей вибрационного сигнала с подшипника качения, имеющего значительную раковину на наружном кольце. На приведенном спектре может иметься достаточно много гармоник, иногда даже более десяти. Все они, по своей частоте, кратны частоте обкатывания наружного кольца подшипника качения, т. е. являются ее гармониками. Других, значительных, характерных гармоник на данном спектре просто нет, поэтому вибрационная диагностика данного дефекта подшипников качения не вызывает значительных трудностей, диагностическая картина дефекта здесь достаточно простая.

На следующем спектре огибающей вибрационного сигнала, приведенном на рисунке 3.1.1.10., следует диагностировать дефект типа раковина на внутреннем кольце. Здесь также имеются гармоники характерной частоты - частоты внутреннего кольца, но здесь есть существенное отличие. Характерные гармоники имеют боковые полосы, сдвинутые на частоту вращения ротора. Появление боковых полос объяснялось выше с физической точки зрения.

Можно привести еще одно объяснение причин появления боковых гармоник, с другой точки зрения. Дефект на внутреннем кольце не постоянно находится в нагруженной зоне подшипника. В течении одного оборота ротора он то находится в нагруженной зоне, то выходит из нее. Таким образом, дефект внутреннего кольца модулируется частотой вращения ротора. При внимательном рассмотрении спектра на рис. 3.1.1.10. возникает впечатление, что дефект модулируется синусоидой, по которой и располагаются амплитуды основных и боковых гармоник. Данный дефект диагностируется тоже достаточно просто.

Мы не будем приводить примеров спектров огибающих для других дефектов подшипников качения. Все они достаточно просты и могут быть легко дифференцированы после небольших рассуждений. Вся сложность проведения диагностики дефектов по спектру огибающей заключается в получении этих спектров, а дальше все уже достаточно просто.

Уровень дефекта на диагностических спектрах огибающей определяется по величине модуляции огибающей данного вибросигнала характерной гармоникой. Диагностируемые дефекты принято характеризовать в данном методе диагностики уровнями - слабый, средний и сильный. Нормированию подлежит порог сильного дефекта, в долях от которого в дальнейшем рассчитываются пороги среднего и слабого уровней. Порог среднего уровня дефекта чаще всего считают равным половине от величины порога сильного дефекта. Порог слабого уровня дефекта обычно определяют в 20 процентов от уровня порога сильного дефекта.

Самым ответственным считается корректное определение уровня порога сильного дефекта. При этом приходиться учитывать три аспекта работы подшипника и способа проведения замера вибрации:

- Чем больше размер подшипника, тем более высоким должен быть уровень порога сильного дефекта. Большой подшипник «звенит» сильнее.

- Чем выше рабочая частота вращения ротора механизма, тем выше должен быть уровень порога сильного дефекта. При быстром вращении от подшипника больше шума.

- Измерительный датчик должен располагаться как можно ближе к контролируемому подшипнику. При удалении датчика часть полезной информации затухает в конструкции и уровень порога сильного дефекта необходимо понижать.

Для каждого нового конкретного типа оборудования, точнее говоря, даже для каждого подшипника в каждом оборудовании, уровень порога сильного дефекта реально приходиться каждый раз подбирать сугубо индивидуально, не рассчитывать, а именно подбирать.

Величина порога сильного дефекта во многом зависит от удаленности элемента с дефектом от измерительного датчика. Пороги дефектов внутреннего кольца подшипника всегда ниже порогов дефектов наружного кольца. Это объясняется увеличением затухания полезной составляющей вибросигнала на более длинном пути передачи, включая дополнительные зазоры в подшипнике.

Для справки напомним, что для примера усредненные, наиболее часто встречающиеся, значения уровней порогов сильных дефектов приведены выше в таблице, где перечислены диагностируемые в подшипниках качения дефекты. В зависимости от примененного способа диагностики дефектов подшипника в таблице имеется две разновидности единиц, в которых нормируется уровень сильного порога.

При использовании для диагностики дефекта подшипника классических спектров вибросигналов уровень порога сильного дефекта может быть задан в долях от нормированного допустимого значения виброскорости на данном подшипнике или так же в процентах модуляции. При сравнении с нормой необходимо использовать не полное, абсолютное значение виброскорости на данном подшипнике, а только ту ее часть, которая наведена диагностируемым дефектом. Это несколько сложнее, но в конечном итоге более точно.

При определении качества смазки за базу для сравнения берется общий уровень «фоновой» вибрации исправного подшипника с хорошей смазкой. При повышении общего уровня «фона» вибрации в десять раз, т. е. на 20 dB, качество смазки считается неудовлетворительным.

Еще раз хочется напомнить, что в таблице приведены только общие, усредненные значения уровней порогов сильных дефектов. У конкретных подшипников возможен разброс этих значений на ± 40 % или даже несколько больше. Все зависит от типа подшипника и условий его работы.

Сам факт диагностирования того или иного дефекта подшипника несет в себе полезную информацию, но эта информация мало применима для практики. Обслуживающий персонал больше интересует вопрос о возможности дальнейшей практической эксплуатации оборудования с дефектным подшипником и тех ограничениях, которые накладывает обнаруженный дефект на возможности использования оборудования. Очень важным для практики является вопрос о сроках проведения очередного ремонта. Все эти вопросы относятся уже к сфере, относящейся к системе обслуживания оборудования.

Вопрос прогнозирования остаточного ресурса подшипника качения во многом напоминает прогнозирование общего остаточного ресурса оборудования, но и имеет свои индивидуальные особенности. Не вдаваясь в подробности, рассмотрим основные проблемы, возникающие при расчете остаточных ресурсов подшипников.

Это:

- Каждый подшипник имеет свои уникальные физические особенности, приводящие к специфическим внутренним процессам. Поэтому каждый подшипник должен описываться своей математической моделью.

- Каждый подшипник должен описываться двумя различными моделями - одна должна описывать общие процессы износа подшипника без дефектов, а другая должна описывать процессы развития внутренних дефектов.

- Время полного развития дефектов, находящихся на разных элементах подшипника, например не внешнем кольце или на сепараторе, различно. Для дефектов каждого элемента подшипника должна существовать своя математическая модель.

Даже из этого простого перечисления особенностей математического описания физических процессов в подшипнике качения видно, насколько сложна задача прогнозирования остаточного ресурса подшипника по итогам проведения вибрационной диагностики.

Первоначально состояние подшипника «контролируется» при помощи достаточно стабильной модели нормального износа, когда в нем отсутствуют внутренние дефекты. Так продолжается до момента выявления в подшипнике какого-либо дефекта. Здесь приходится отказываться от нормальной модели и переходить к моделям развития дефектов. Очень важной задачей, решаемой при переходе от нормальной модели к контролю состояния по модели развития дефекта, является как можно более точное определение времени зарождения дефекта. Чем точнее оно будет определено, тем более достоверными будут дальнейшие прогнозы по величине остаточного ресурса подшипника.

Максимальная скорость развития разных дефектов различна, поэтому контролировать следует развитие всех возможных дефектов, даже когда один из них только что зародился, а другой уже достаточно развит. Никогда нельзя заранее сказать, какой из дефектов раньше всех разовьется до недопустимого уровня и послужит причиной смены подшипника качения при ремонте.

Периодичность проведения диагностических измерений вибрации зависит от максимальной скорости развития дефекта подшипника в данном оборудовании. В практических случаях замеры могут проводиться через интервал времени от нескольких часов до одного года. При нормальной эксплуатации типового оборудования и проведении замеров примерно через шесть месяцев удается выявить большую часть дефектов на достаточно ранней стадии и предупредить аварии.

После выявления первых признаков зарождающегося дефекта интервал времени между двумя измерениями необходимо сократить. В зависимости от локализации дефекта интервал времени между замерами сильно меняется. Он минимален при дефектах тел качения, которые могут развиваться очень быстро.

Подшипник подлежит замене или ежедневному наблюдению при наличии в нем двух сильных дефектов.

Для обеспечения необходимой точности расчета остаточного ресурса и даты проведения ремонта в расчетах необходимо применение математических моделей с порядком не ниже третьего - четвертого. Если вспомнить, что один подшипник описывается не менее, чем десятком математических моделей, то становятся представимыми те математические затраты, необходимые для корректного прогнозирования параметров эксплуатации подшипника качения. А таких подшипников на предприятии в работе может одновременно находиться в работе несколько тысяч.

Процедура контроля состояния многих подшипников на предприятии становится возможной только при использовании компьютеров, в которых создаются и работают базы данных по подшипникам и современные экспертные системы диагностики.

Тест-удар (bump test) - По машине ударяют чем-нибудь тяжелым, например, киянкой, записывая при этом вибрационные данные. Если машина имеет резонансы, то в ее затухающей вибрации выделятся собственные частоты.
Разгон или Выбег - машину включают (или отключают) и одновременно снимают вибрационные данные и показания тахометра. Когда обороты машины приблизятся к собственной частоте конструкции, на временной реализации вибрации появятся сильные максимумы.
Тест с вариацией скорости - скорость машины меняют в широком диапазоне (если это возможно), снимая данные вибрации и показания тахометра. Полученные данные затем интерпретируют так же, как в предыдущем тесте.На рисунке приведена идеализированная кривая механического резонансного отклика. Поведение резонирующей системы под воздействием внешней силы, очень интересно и немного противоречит бытовой интуиции. Оно строго зависит от частоты возбуждения. Если эта частота ниже собственной (то есть располагается слева от пика), то вся система будет вести себя подобно пружине, в которой смещение пропорционально силе. В простейшем осцилляторе, состоящем из пружины и массы, именно пружина будет определять отклик на возбуждение такой силой. В этой частотной области поведение конструкции будет совпадать с обыденной интуицией, откликаясь на большую силу большим смещением, причем смещение будет находиться в фазе с силой.

В области справа от собственной частоты ситуация другая. Здесь масса играет определяющую роль, и вся система реагирует на силу, грубо говоря, так, как это делала бы материальная точка. Это означает, что пропорциональным приложенной силе будет ускорение, а амплитуда смещения будет относительно неизменной с изменением частоты.
Отсюда следует, что вибросмещение будет в противофазе с внешней силой (так как оно в противофазе с виброускорением): когда вы будете давить на конструкцию, она будет двигаться к вам и наоборот!
Если частота внешней силы в точности совпадает с резонансом, то система будет вести себя совершенно по-другому. В этом случае реакции массы и пружины взаимоуничтожатся, и сила будет видеть только демпфирование, или трение, системы. Если система является слабо демпфированной, то внешнее воздействие будет подобно толканию воздуха. Когда вы пробуете его толкнуть, он легко и невесомо уступает вам. Следовательно, на резонансной частоте вы не сможете приложить к системе большую силу, а если попытаетесь это сделать, то амплитуда вибрации достигнет очень больших значений. Именно демпфирование управляет движением резонансной системы на собственной частоте.
На собственной частоте сдвиг фазы (фазовый угол) между источником возбуждения и откликом конструкции всегда составляет 90 градусов.
У машин с длинными роторами, например, турбин, собственные частоты называют критическими скоростями. Необходимо следить, чтобы в рабочем режиме таких машин их скорости не совпадали с критическими.