Костюков В.Н., Науменко А.П. Практические основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

- качество изготовления зубчатой пары;

- качество, достаточность и чистота смазочного масла;

- загрузка зубчатой пары нагрузочным моментом.

Как правило, износ зубьев шестерен происходит неравномерно, вслед-

ствие чего возникает амплитудно-частотная модуляция импульсов пересо-

пряжения зубьев шестерен накопленной погрешностью шага зубьев каждой

из шестерен, с частотой их вращения, что приводит к появлению боковых

составляющих оборотных гармоник каждой шестерни, расположенных вок-

руг зубцовых гармоник.

Основное внимание при измерении вибрации и диагностике состояния

зубчатой пары должно быть уделено амплитуде пика на частоте зацепления

и другим особенностям и параметрам спектра. Наиболее серьезное внима-

ние при анализе спектров вибросигналов должно быть уделено:

- наличию в спектре вибрации вблизи гармоники зубозацепления бо-

ковых гармоник от основной частоты зубозацепления, расположенных сле-

ва и справа;

- относительной величине амплитуды этих боковых гармоник часто-

ты зубозацепления по отношению к амплитуде пика основной частоты зу-

бозацепления;

- амплитуде частотного пика чередования боковых гармоник часто-

ты зубозацепления, насколько они сдвинуты относительно друг друга и от-

носительно основной гармоники;

- наличию в спектре характерного горба «белого шума» вблизи час-

тоты зацепления, его усредненному уровню относительно самой гармоники

частоты зацепления.

Если редуктор многовальный, то каждая пара зубчатых колес будет гене-

рировать свои собственные вибрационные и модуляционные составляющие

зацепления.

Различные типы зубьев приводят к заметно отличающимся уровням виб-

рации. Прямозубые зубчатые передачи являются наиболее шумными. За ними

в порядке убывания вибрации следуют конические, гипоидные, косозубые

цилиндрические, шевронные и червячные передачи.

Износ или локальное повреждение зуба на колесе приводит к повы-

шению уровня компонент, связанных с зацеплением, причем частота зубча-

того зацепления будет модулироваться частотой вращения дефектного ко-

леса. Это приводит к появлению боковых частот, расположенных с шагом

fo вокруг частоты зацепления и ее гармоник (рис. 2.1). Если возникают по-

добные боковые частоты, то по их шагу легко определить, зубья какого из

колес имеют дефект, либо износ.

Эксцентриситет зубчатого колеса приводит к появлению вокруг час-

тоты зацепления по одной боковой частоте с каждой стороны на расстоя-

нии, равном оборотной частоте соответствующей шестерни. Этим он отли-

чается от случая повреждения отдельных зубьев, сопровождающегося мно-

жеством боковых частот. Такое отличие связано с тем, что модулирующий

сигнал (вращения колеса) является, по существу, синусоидальным, и поэтому

при модуляции возникает только одна пара боковых частот. При обычном

абразивном износе сложная форма изношенных поверхностей пересопря-

гающихся зубьев порождает несколько боковых гармоник, кратных час-

тоте вращения дефектной шестерни. При питинге, т.е. усталостно-

контактном вык-рашивании, боковых поверхностей зубьев возникает ши-

рокий цуг гармоник до 10-го и более высоких порядков.

Рис. 2.1. Амплитудно-частотный спектр виброускорения в окрестностях первой

зубцовой гармоники частоты зацепления

2.2. Подшипники качения

Подшипники качения служат в качестве опор и фиксируют положение ва-

лов в машине. В понятие подшипников “качения” входят как шариковые, так и

Рис. 2.2. Подшипник качения

роликовые подшипники. В подшипни-

ках качения используется вращатель-

ное движение, а в подшипниках

скольжения - скольжение поверхно-

стей.

Неисправность подшипников ка-

чения может быть выявлена до их вы-

хода из строя.

Многолетний опыт показывает,

что только чуть менее 10% подшип-

ников дорабатывает до окончания

проектного срока службы. Около

40% отказов связано с недостаточ-

ной смазкой и около 30% вызвано не-

верной установкой, т.е. несоосно

стью

или перекосом при монтаже. Около

20% приходится на другие причины: перегрузки, дефекты изготовления и

т.д. (рис.2.2).

Однако, даже при идеальном изготовлении, сборке и т.п. неисправности

могут происходить также вследствие усталости материалов.

Поэтому диагностика состояния подшипников во время работы и плани-

рование их технического обслуживания приобретает все большее значение.

Повреждения подшипников могут быть распознаны в процессе измерения

вибраций по характерным частотам повреждений и трендам вибрации.

Причины вибрации. Когда шарик перекатывается через дефектное место

возникает удар, направленный по вектору действующей нагрузки в сторону

внешней обоймы подшипника. Удар преобразуется в виброакустические им-

пульсы, которые через внешнюю обойму передаются на корпус подшипника, в

котором он установлен. По причине своего происхождения это явление иногда

называют ударной вибрацией. Оно характеризуется резким снижением долго-

вечности подшипников в сравнении с нормальным сроком службы.

Длительность ударного импульса примерно составляет несколько мик-

росекунд. Спектр импульсов содержит высокочастотные составляющие.

Однако элементы подшипника вращаются пропорционально скорости вра-

щения вала (внутреннего кольца (обоймы)) и происходит нелинейное взаи-

модействие ударного импульса с вращающимися элементами. В результате

спектр ударного импульса модулируется низкочастотным сигналом враща-

ющихся элементов. Поэтому виброакустический сигнал присутствует в ши-

роком диапазоне частот начиная от единиц герц и до десятков и сотен кило-

герц. Первый максимум в спектре находится в диапазоне от 500 Гц до 3 кГц.

Дефекты подшипников качения являются наиболее распространенным

типом неисправности, подлежащим вибродиагностике. Дефектный подшип-

ник генерирует вибрационные составляющие, которые не кратны в точнос-

ти оборотной частоте f

. Присутствие в спектре вибрации таких составляю-

щих является сигналом неисправности подшипника, требующим немедлен-

ной проверки и исключения других возможных причин.

Частоты дефектов:

Тела качения (BSF)

()1-cos

fГц f

æö

ç÷

èø

;

сепаратор (FTF)

()1-(cos)

f Гц

æö

ç÷

èø

;

внешняя обойма (BPFO)

()1-cos

fГц f

æö

ç÷

èø

;

внутренняя обойма (BPFI)

()1cos

fГц f

æö

ç÷

èø

;

где a – радиус шарика; R – радиус окружности, проведенный через центры

шариков;

– угол контакта; n – количество тел качения; f

– относительная

скорость вращения, внешней и внутренней обоймы.

Хорошими приближениями для частот дефектов наиболее широко рас-

пространенных подшипников являются следующие соотношения:

- дефект наружного кольца (BPFO) = число тел качения (n) х 0.4 обо-

ротной частоты (f

);

- дефект внутреннего кольца (BPFI) = число тел качения (n) х 0.6

оборотной частоты (f

);

- сепараторная частота (FTF) = 0.4 оборотной частоты (f

Количество тел качения в большинстве подшипников составляет обыч-

но от 8 до 12, но в подшипниках очень большого диаметра или игольчатых

подшипниках, это число может быть значительно больше.

2.2.1. Износ подшипников качения

На начальных стадиях развития дефекта подшипника в спектре вибрации

появляются характерные некратные частотные компоненты, называемые час-

тотами дефектов подшипников, а также их гармоники. Частоты дефектов с

уровнем 0.15 мм/с (67 VdB) и выше считаются значительными. Иногда новый

подшипник также создает подшипниковые частоты, что может быть связано с

повреждениями при установке, транспортировке или дефектами изготовления.

Если дефект подшипника очень небольшой, например, трещина на од-

ном из колец, то в спектре появятся гармоники частоты дефекта, причем

амплитуда на его основной частоте будет очень маленькой. Если дефект

возникает в виде скола кольца большей площади, то обычно основная час-

тота дефекта подшипника выше, чем ее производные. По мере развития де-

фекта возрастает общий уровень частот дефектов, а также общий уровень

широкополосного шума (рис. 2.3 а).

Существует много различных вариантов развития спектральных струк-

тур, вызванных неисправностями подшипников. Они определяются харак-

тером начального дефекта, скоростью и нагружением.

Если дефект расположен на внутреннем кольце (рис. 2.3 б), то будет про-

исходить амплитудная модуляция частоты дефекта подшипника частотой вра-

щения. В результате вокруг частоты дефекта появятся боковые полосы с ша-

гом f

. Амплитудная модуляция возникает из-за того, что дефект на внутрен-

нем кольце входит и выходит из зоны нагружения подшипника один раз за

оборот.

При нахождении в зоне нагружения дефект вызывает сильную вибра-

цию на частоте прохождения шариков, а когда он вне зоны нагружения -

очень слабую. То есть амплитуда вибрации на частоте дефекта подшипника

изменяется (модулируется) с частотой вращения, что приводит к появле-

нию боковых составляющих (полос).

Боковые полосы, расположенные на расстоянии f

вокруг частот де-

фектов подшипника, являются верным признаком его развивающегося из-

носа и почти всегда указывают на дефект внутреннего кольца. Необходимо

заметить также, что из-за увеличившегося зазора в подшипнике в спектре

появились гармоники оборотной частоты, и становится заметной вторая

гармоника подшипниковой частоты дефекта.

Иногда при сильном дисбалансе ротора дефект внутреннего кольца не

сопровождается амплитудной модуляцией. Это объясняется тем, что цен-

тробежная сила дисбаланса все время создает нагружение в одном и том же

положении на периферии внутреннего кольца. Такое часто случается в вер-

тикальных машинах, где сила тяжести не создает нагрузки ни на одну из

сторон подшипника.

а)

б)

Рис. 2.3. Амплитудно-частотный спектр огибающей виброускорения подшипника

качения с дефектами: а) – внешней обоймы;

б) – внутренней обоймы

Еще один пример боковых полос в спектре подшипника связан с се-

параторной частотой (FTF). Она равна частоте вращения сепаратора внутри

подшипника. Если одно из тел качения имеет скол, трещину или, что еще

хуже, развалилось на кусочки, то, находясь в зоне нагружения, оно будет

производить вибрационный шум, а вне ее - оставаться тихим. Вращаясь в

подшипнике вместе с сепаратором, оно проходит через зону нагружения с

частотой дефекта сепаратора. Тем самым осуществляется амплитудная мо-

дуляция частот дефектов подшипника сепараторной частотой, и, в резуль-

тате, вокруг последнего появляются боковые полосы с шагом частоты де-

фекта сепаратора.

Финальная стадия износа подшипника иногда называется термальной,

когда подшипник становится горячим, а смазка в нем разрушается. Резуль-

тат - катастрофическое повреждение, сопровождающееся плавлением тел

качения и/или колец. На этой стадии, в вибрационном спектре повышается

шумовой фон.

Ключевым моментом эффективности диагностики подшипников

является отслеживание развития их частот дефектов во времени (трен-

дов), начиная с момента возникновения. Иногда небольшой дефект в под-

шипнике развивается столь стремительно, что в течение короткого времени

подшипник полностью разрушается. Поэтому для раннего обнаружения де-

фекта необходимо чувствовать очень слабые компоненты вибрации. Следу-

ет знать, что некоторые типы машин содержат в усредненных спектрах час-

тоты дефектов подшипников. В этом случае диагностика осуществляется на

основе существенного превышения средних уровней. Любые значительные

частоты дефектов подшипников необходимо внимательно отслеживать на

предмет ухудшения.

2.2.2. Вибрация, вызываемая прецессией приводного вала насоса в

подшипниках качения с радиальным зазором.

Если в шарикоподшипнике есть радиальный зазор, то в процессе вра-

щения вала его ось совершает прецессию - блуждания, допускаемые поя-

вившимися вследствие наличия радиального зазора промежуточными сте-

пенями свободы. В процессе блуждания вал сталкивается с телами качения.

Возникают ударные воздействия, которые являются источниками вибрации

и шума.

Ударные импульсы, вызываемые прецессией вала при наличии ради-

ального зазора на одной из двух его опор,

(1)sin

qheFR

(2.1)

где h

- радиальный зазор;

е - коэффициент восстановления, равный для стали 5/9;

N - число тел качения;

- радиальная сила на валу - реакция вала;

m - масса, приведенная к подшипнику;

R - радиус окружности, проведенной через центры шариков.

Частота повторения импульсов

(-)

nRaN

(2.2)

где а - радиус шарика;

n - частота вращения вала, с

1 .

Выражения (2.1) и (2.2) получены в предположении, что значение и

направление радиальной силы, действующей на вал, постоянны; радиаль-

ный зазор мал по сравнению с линейными размерами элементов подшип-

ника; проскальзывание шариков относительно обоймы отсутствует. Гиро-

скопические силы не учитываются.

Так как насосы работают при больших частотах вращения приводных

валов, при прецессии приводного вала могут возникнуть переменные гиро-

скопические моменты, нагружающие его опоры.

Гироскопический момент

(2.3)

где ω - угловая скорость вала;

J - момент инерции вала;

- угловая скорость вала при его прецессии.

В первом приближении

sin

mRN

(2.4)

где L - расстояние между опорами вала.

Гироскопический момент нагружает опоры нормально относительно

линии действия силы F с частотой, примерно равной частоте импульсов q

вызванных прецессией вала [см. выражение (2.2)].

2.2.3. Вибрация, вызванная ударными импульсами при качении шари-

ков шарикоподшипников по волнистым беговым дорожкам.

Предполагая отсутствие проскальзывания шариков относительно

кольца и равномерное расположение волн кольца, частота ударных импуль-

сов

(1)

nNz

=±

(2.5)

где z

- число волн в дорожке;

q - общий наибольший делитель между N и z

В формуле (2.5) знаки "плюс" и "минус" относятся к случаю качения

шариков соответственно по внешней и внутренней дорожке.

2.2.4. Вибрация, вызванная ударными импульсами при качении

овальных (гранных) шариков (роликов) по беговым дорожкам.

Частота этих импульсов

()

nNz

qaR

=±

(2.6)

где z

- число гранных (овальных) тел качения.

Вынужденные колебания, вызываемые ударными импульсами с час-

тотой, определяемой по формулам (2.5) или (2.6), при наличии множества

волн (выкрашивании) беговых дорожек и гранностей шаров, как правило,

вызывают сплошной спектр вибрации в характерных для подшипниковых

гармоник диапазонах частот.

Неуравновешенность сепаратора обусловливает вибрацию с частотой

(1-cos).

(2.7)

2.3. Подшипники скольжения

Подшипники скольжения являются неотъемлемой частью многих и

очень ответственных агрегатов, широко применяются в энергетическом

оборудовании, мощных насосах, компрессорах, электродвигателях и т. д.

При кажущейся простоте конструкции, подшипник скольжения со-

стоит из трех элементов – из антифрикционного вкладыша, части

поверхности вала и слоя масла между ними, на самом деле это сложный и

ответственный узел, в котором возможно возникновение опасных дефектов.

Большинство дефектов подшипников скольжения генерируют в спек-

тре пики на более низких частотах, чем f

, которые называют субгармони-

ками оборотной частоты. Иногда также возникают гармоники самих суб-

гармонических пиков, что указывает на тяжелое повреждение подшипника.

В машинах с длинными гибкими роторами, например, в паровых и га-

зовых турбинах, ротор всегда имеет, по крайней мере, один изгибный резо-

нанс с собственной частотой ниже рабочей скорости вращения. Эти собст-

венные частоты называют критическими скоростями. Они возбуждаются,

когда скорость вращения ротора в процессе разгона совпадает с собствен-

ной частотой. По этой причине разгон должен быть достаточно быстрым,

чтобы машина не долго находилась в критическом режиме. Первая, то есть

низшая критическая скорость соответствует основной моде изгибных коле-

баний ротора.

Если подшипники закреплены более свободно, то они будут двигаться

и поглощать энергию резонанса, слегка снижая его величину.

Второй критический резонанс соответствует вилянию (прецессии) ос-

новной массы ротора. Он приводит к воздействию на подшипники больших

сил на частоте f

, но сам ротор перемещается не очень сильно, и поэтому

данную критическую скорость иногда трудно заметить при разгоне. Та же

критическая скорость при податливых подшипниках сопровождается более

сильной вибрацией.

Абразивный износ возникает вследствие истирания трущихся по-

верхностей и прямо пропорционален удельному давлению на трущиеся по-

верхности и пути скольжения.

Заедание возникает вследствие контакта поверхностей в условиях

разрушения масляной пленки.

Усталостный износ возникает вследствие усталости поверхност-

ного слоя при относительном скольжении поверхностей и вследствие мик-

ро-шероховатостей.

2.3.1. Срыв масляного клина

Срыв масляного клина - это состояние, которое характеризуется силь-

ной вибрацией между 0.38f

и 0.48 f

. Он никогда не проявляется точно на

0.5 f

, но всегда на чуть более низких частотах. Если амплитуда этой суб-

гармоники превышает 50 % от величины первой оборотной гармоники час-

тоты вращения вала, то следует говорить о серьезном характере дефекта и

об опасном влиянии его на общее состояние агрегата. Срыв возникает

вследствие чрезмерного зазора и слишком легкого радиального нагружения

подшипника, что приводит к скоплению масляной пленки в одном месте и

вынуждает цапфу перемещаться внутри подшипника по кругу с частотой,

немного меньшей оборотной. Срыв - это серьезная неисправность, которая

требует немедленного вмешательства, так как она может достаточно быст-

ро привести к возникновению прямого контакта металлических деталей

внутри подшипника.

Диагностические особенности возникновения субгармоники с часто-

той масляной вибрации:

- если частота масляной вибрации смещается ближе к значению 0,5

(от оборотной частоты), то можно говорить о хорошем состоянии внешней