Джерела вібрації у дефектних підшипниках

Пошкодження відбувається в підшипниках кочення через локальну нерівномірність матеріалу, втомних тріщин на поверхнях контакту в підшипнику, деформації та руйнування тіл кочення. Зміни геометрії підшипника створюють імпульси при вході в контакт тіл кочення з пошкодженими областями. Ці періодичні імпульси призводять до вібрації та звукових коливань, які передаються через зовнішню обойму та корпус підшипника. Їхня загальноприйнята назва - ударні імпульси.

Ударні імпульси з пошкодженого підшипника характеризуються дуже швидким зростанням переднього фронту та надзвичайно короткою тривалістю імпульсу, порівнянної з інтервалом чергування (величина, обернена до інтервалу чергування, називається частотою пошкодження).

Амплітуда імпульсів - міра потужності удару, що залежить, крім просторової протяжності ушкодження, а також від швидкості та умов навантаження в підшипнику. Частота пошкодження визначена геометрією підшипника, умовами збирання та швидкістю обертання валу.

Так само, як абсолютні коливання підшипника відображають технічний стан машини та її окремих вузлів та деталей, так і ударні імпульси містять всю важливу інформацію щодо стану всього підшипника та його елементів:

зовнішньої обойми підшипника;
внутрішньої обойми підшипника;
тіл кочення;
сепаратора.

Тому аналогічно оцінці загального стану машини в цілому або окремих її вузлів (залежно від завдання, що стоїть - чи оцінюється стан підшипника в цілому абостан його окремих елементів) може бути використаний вузькосмуговий (дискретний) або широкосмуговий (загальний) метод аналізу високочастотних компонентів вібрації.

Спочатку розглянемо оцінку лише загального стану підшипника, яка визначає стан підшипника одним окремим виміряним значенням. Вузькосмуговий метод аналізу для дискретної локалізації пошкодження елементів підшипника пояснюється в наступних розділах цього розділу.

Нині немає загальновизнаних міжнародних стандартів чи керівних матеріалів, які б наказували метод і процедуру вимірювання, і навіть містили оцінки стану підшипника. З цієї причини використовується ціла низка методів вимірювання та оцінки, які базуються на вимірі, обробці та описі ударних імпульсів тим чи іншим способом. Розглянемо три найбільш поширених і дають хорошу збіжність із практичними спостереженнями методу оцінки технічного стану підшипників кочення на основі аналізу ударних імпульсів.

Метод BEARCON, який використовується фірмою Schenck, заснований на вимірюванні ударних імпульсів та вібрації на корпусі машини. Застосовуваний датчик прискорення типу ідентичний звичайному акселерометру з резонансною частотою близько 32 кГц. Ударні імпульси, накладені на низькочастотний вібраційний сигнал, змушують датчик вібрувати частотою резонансу 32 кГц, генеруючи відповідний електричний сигнал, накладений на сигнал, пропорційний амплітуді низькочастотних коливань власне машини.

Датчик може бути порівняний у цьому випадку з дзвінком, який дзвонить з періодом прямування ударних імпульсів. Після кожного удару дзвінок вібрує з власною частотою протягом деякого часу, а сила впливу, що дорівнює амплітуді ударного імпульсу, визначає гучність звукудзвінка, пропорційну амплітуді вібрації на резонансній частоті.

Тому вихідний сигнал датчика прискорення є суперпозицією сигналів, пропорційних амплітудам вібрації та ударних імпульсів, визначених у точці вимірювання (рис.1).

Щоб придушити високоенергетичні низькочастотні коливання машини і постійно присутній електронний шум високочастотної області, сигнал датчика пропускають через смуговий фільтр зі смугою пропускання 15 - 60 кГц.

Після цього в обробленому таким чином сигналі по суті залишаються ударні імпульси. Спеціально розроблений фірмою Schenck детектор розміру піків потім визначає енергію ударних імпульсів, яка пропорційна амплітуді, тривалості та періодичності ударних імпульсів. Стосовно підшипника кочення це означає, що кількість енергії містить інформацію щодо розміру, місця та числа пошкоджень у підшипнику.

Детектор розмірів піків представляє цю інформацію як калібрований вимір одиницях BCU.

Вимірювання для оцінки стану підшипника будь-яким із методів (дивись нижче) повинні проводитися якомога ближче до відповідного підшипника: переважно проводити вимірювання безпосередньо на зовнішній обоймі підшипника, хоча радіальні вимірювання на корпусі підшипника можуть також постачати цінні, значущі результати. Чим більша відстань між джерелом ударних імпульсів і точкою вимірювання, тим меншим буде сигнал, що вимірюється. Потрібно уникати таких точок вимірювання, між якими і джерелом ударних імпульсів є різні перешкоди на шляху сигналу (ребра жорсткості, потонання або потовщення стінок, з'єднання різнорідних матеріалів тощо), тому що кожен перехід через перешкоду створює ослаблення чи спотворення (за наявності резонансу взоні переходу, що лежить у тому частотному діапазоні) вимірюваного сигналу.

Вимірювання ударних імпульсів для оцінки стану підшипника можуть бути проведені датчиком прискорення, приєднаним до вимірювальної точки за допомогою щупа, з використанням магнітного тримача або за допомогою різьбового з'єднання.

Найбільший сигнал та результати з найкращою повторюваністю будуть отримані у разі пригвинчування датчика до корпусу підшипника у точці вимірювання.

Оцінка стану підшипника на основі одиничного виміру фактично неможлива, тому що амплітуда і періодичність слідування ударних імпульсів залежать від безлічі факторів, що впливають, таких як умови установки підшипника, швидкість обертання, умови навантаження, допуск монтажу і умови змащення. Крім того, на величину ударних імпульсів впливають, як уже зазначалося раніше, положення вимірювальної точки на корпусі та спосіб приєднання датчика.

Точність оцінки значно покращується, коли вимірювання проводяться з однаковим інтервалом протягом деякого тривалого періоду часу, а як критерій оцінки використовується отриманий тимчасовий тренд енергії ударних імпульсів.

В ідеалі графік вимірювань має бути розпочато з нового підшипника, який має визначальний початковий стан із ресурсом працездатності, рівним 100 %.

Згідно з досвідом, накопиченим розробником даного методу, підшипник досягає пошкодженої стадії, коли значення BCU перевищують величини, виміряні на новому підшипнику, в 10-20 разів. Обов'язковою умовою для отримання порівнянних результатів і правильної подальшої оцінки технічного стану є те, що одиничні, послідовні вимірювання повинні бути проведені за однакових умов експлуатації машини в тих самих вимірювальних точках, в тому жнапрямку та тими ж способами встановлення датчика.

На рис.2 наведено приклад вимірювання ударних імпульсів за наведеною вище методикою для оцінки технічного стану підшипників кочення насосного агрегату. Щоб визначити зв'язок між станом підшипника та значеннями енергії ударних імпульсів, виміряних у відносних одиницях BCU з постійним інтервалом протягом тривалого періоду часу, починаючи з моменту встановлення нового підшипника, значення BCU були порівняні з візуально обумовленим ушкодженням. Вимірювання були проведені з використанням акселерометра з резонансною частотою збудження, що дорівнює 32 кГц у зазначеній точці біля підшипника. Умови експлуатації підшипника (швидкість, навантаження та умови мастила) були майже ідентичні при кожному вимірі, так що виміряні значення можна було порівнювати.