ВИявлення дефектів підшипників кочення за допомогою аналізу вібрації
Daniel Lynn, Manager, Training, Computational Systems, Inc. (CSI) Пер. з англ. І.Р. Шейняк, за редакцією В.А. Смирнова.
Одна з цілей цієї статті – показати можливість виявлення дефектів підшипників кочення за допомогою аналізу сигналу вібрації у частотній та часовій областях. Друга - показати можливість визначення ступеня розвитку дефектів підшипників, щоб мати можливість оцінити залишковий ресурс підшипника.
Спектр та форма сигналу вібрації містять інформацію про характерні дефекти підшипників кочення, ця інформація має специфічні особливості залежно від виду дефекту. Однією з таких характерних рис є наявність несинхронних піків, тобто. піків, що не є цілократними гармоніками частоти обертання валу машини. Спектр вібрації може містити дискретні піки, так і широкосмугові частотні області високого рівня. У тимчасовому сигналі вібрації можуть спостерігатися ударні імпульси, обумовлені проходженням (перекочуванням-прим. ред.) елементів кочення через дефекти доріжок або контактом доріжок з дефектними ділянками кочення. Важливим моментом є те, що коливання, пов'язані з дефектом підшипника кочення, мають набагато меншу амплітуду, ніж коливання, пов'язані з багатьма іншими ушкодженнями, такими як дисбаланс, неспіввісність або дефекти зубчастої передачі. Велика різноманітність конструкцій підшипника та умов їх використання, робочих швидкостей і навантажень сильно ускладнює використання єдиного (універсального) рівня допустимої вібрації, який задовільно працював у всіх або хоча б у більшості випадків.
У тимчасовому сигналі вібрації та його спектрі присутні характерні ознаки дефектів підшипників кочення, які залежить від виду дефекту. Одним зтаких ознак є у спектрі несинхронних піків, тобто. піків, які є цілочисленними гармоніками частоти обертання. Понад те, при розвинених дефектах можна спостерігати гармоніки цих несинхронних піків. Спектр може містити дискретні (вузькосмугові) піки, так і розмиті "пагорби", в яких зосереджена вібраційна енергія. У часовому сигналі спостерігаються ударні імпульси, що виникають у зонах контакту тіл кочення з дефектами доріжок або доріжок з дефектами тіл кочення.
Важливим моментом тут є те, що амплітуда коливань, пов'язаних з дефектами підшипників кочення набагато менше від тієї, що викликана різними іншими дефектами, такими як дисбаланс, неспіввісність або пошкодження зубчастих передач. Зазначені дефекти викликають коливання з амплітудами різних порядків, тому доцільно порівнювати отримані дані з наявними еталонними значеннями для різних дефектів замість того, щоб користуватися єдиним загальним рівнем, прийнятим за рівень попередження про можливі дефекти підшипників. Оскільки на практиці доводиться мати справу з різними конструкціями і способами застосування підшипників, різними частотами обертання та умовами їх навантаження, - дуже важко встановити один рівень попередження, який би добре працював у всіх, або хоча б багатьох, ситуаціях. І коли ми говоримо про рівень розвитку дефектів, то насамперед пов'язуємо це з характерними особливостями спектрів. Розпізнавання образів є ключовим моментом визначення стадії розвитку дефекту.
Підшипники кочення мають характерні частоти прояви дефектів, які визначаються їх геометричними розмірами. Ці частоти можна розрахувати для внутрішньої та зовнішньої доріжок, сепаратора та кулькових або роликових елементів.Длярозрахунку характерних частот необхідно знати число елементів кочення, їх діаметр, діаметр сепаратора і кут контакту (виділення ред.). Якщо ці параметри відомі, можна визначити всі характерні частоти, що генеруються кожним окремим елементом підшипника. На відміну від пошкоджень інших видів, характерні підшипникові частоти з'являтимуться у спектрі тільки в тому випадку, якщо є дефекти конкретних елементів підшипників. Крім того, у спектрі можлива поява відразу декількох частотних складових, характерних для конкретного підшипника. Наприклад, якщо на зовнішній доріжці є який-небудь дефект, через деякий час цей дефект спричинить знос і деградацію елементів кочення, а потім передасться і внутрішній доріжці підшипника. Характерні частоти часто визначають через коефіцієнти, на які слід помножити частоту обертання валу; ці коефіцієнти кратні кількості ударів за оборот валу, що виникають внаслідок наявності певного дефекту. Для визначення характерних частот є стандартні формули. Наприклад, розрахований коефіцієнт для дефекту зовнішньої доріжки може дорівнювати 5,22, і зазвичай у спектрі вібрації ви можете спостерігати гармоніки цієї складової, які відповідають коефіцієнтам 5,22, 10,44, 15,66, 20,88 і вище. Цей несинхронний пік та його гармоніки можна спостерігати, якщо у підшипнику є дефектні елементи. Дефекти підшипників, які ми можемо розпізнати за допомогою вібраційного аналізу, включають: дефекти внутрішньої і зовнішньої доріжок кочення, дефекти елементів кочення, дефекти сепаратора, ослаблення посадки підшипника, збільшений внутрішній зазор, провертання внутрішнього кільця на внутрішній кільця дефекти мастила. Насправді можна знайти багато причин, що викликають ушкодженняпідшипників кочення. Приблизно 43% підшипників виходять із ладу внаслідок неправильного режиму мастила, тобто. її надлишку або нестачі (як правило, більш імовірною причиною буде надлишкове мастило). Ще 27% пов'язані з неправильною установкою підшипника, наприклад коли підшипник намагаються поставити на місце за допомогою молотка або зварювання. Наступні 24% включають: неправильне застосування підшипників, дефекти збирання та підвищену вібрацію. Тільки 9% підшипників виходять з ладу внаслідок природного зношування. Якщо поглянемо різні формули, визначальні термін служби підшипника залежно від навантаження, то побачимо, що це залежність має кубічний вигляд, тобто. підшипники дуже швидко виходитимуть з ладу, якщо навантаження на них перевищуватиме, встановлене технічними умовами. Іншим чинником, визначальним термін служби, є частота обертання. На термін життя підшипника може вплинути і вібрація, з формул випливає, що підвищення вібрації машини від 5 до 10 мм/с може скоротити термін служби підшипника майже на 70%. Якщо тип підшипника вам невідомий, є формули, що дозволяють приблизно визначити значення характерних частот. Так, частота обертання сепаратора становить приблизно 40% частоти обертання валу. Частота перекочування елементів кочення по зовнішньому кільцю (міжнародне позначення-BPFO) приблизно дорівнює 0,4 від добутку числа елементів кочення на частоту обертання. Частота перекочування кульок по внутрішньому кільцю (міжнародне позначення-BPFI) буде приблизно 0,6 від кількості елементів кочення на частоту обертання, тобто. відношення BPFI/BPFO становить близько 1,5. Єдиним винятком, коли вказаними формулами не можна користуватися, є випадок, коли кут контакту дорівнює 90°, наприклад, у деяких типах упорнихпідшипників, коли частоти для внутрішньої та зовнішньої доріжки збігаються, проте така ситуація трапляється вкрай рідко. Найвищою характерною частотою є частота перекочування внутрішньою доріжкою, яка приблизно на 40-60 % перевищує характерну частоту для зовнішньої доріжки, і обидва ці піки будуть несинхронними. Так для підшипника моделі SKF 22228, що має 19 кульок, і частоту обертання валу 29,6Гц приблизно BPFI, згідно з формулою, буде 337,44 Гц. Насправді справжнє значення цієї частоти для підшипника даної моделі дорівнюватиме 320 Гц, так що помилка оцінювання склала всього близько 5%. Якщо ви зустрінете несинхронний пік біля частоти 340 Гц на відстані приблизно 17 Гц від неї, ви можете з достатньою впевненістю зробити висновок, що цей пік пов'язаний з дефектом внутрішньої доріжки підшипника.
Мал. 1. Декілька спектрів у діапазоні до 2000 Гц.