Вибрационная диагностика подшипников качения (стр. 2 из 12)

Низкочастотная подшипниковая вибрация машины в целом имеет кинематическую или параметрическую природу. Кинематическая вибрация возникает при движении инерционного тела по поверхности, с плавными неровностями. Так, если диаметр одного из тел качения больше, чем других, при прокатывании этим телом нижней точки неподвижного кольца подшипника, максимальной нагруженной силой тяжести ротора, ротор «подпрыгивает» с частотой вращения сепаратора:

где

частота вращения вала; - радиус сепаратора; -радиус тел качения; - угол контакта тел качения с дорожками качения.

Такая же вибрация возникнет и в том случае, когда в одном месте изменено расстояние между телами качения, например, из-за большой степени износа одной перемычки сепаратора.

Если есть неровность в нагруженной точке наружного (неподвижного) кольца подшипника, то в момент, когда в «ямку» попадает любое из тел качения, ротор «проваливается» с частотой прохождения тел качения через эту точку, которая называется частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу:

где Z - число тел качения.

Если есть одна плавная неровность на внутреннем (вращающемся) кольце подшипника, то ротор будет «проваливаться» с частотой его вращения, однако вибрация этого происхождения, как правило, существенно меньше вибрации, возбуждаемой, например, остаточной неуравновешенностью ротора. Если же неровность имеет малую протяженность, в которую «проваливается» лишь одно тело качения, то возникнет вибрация ротора и машины в целом на частоте перекатывания тел качения по внутреннему кольцу:

Если же неровность имеет место на теле качения, ротор будет «проваливаться» дважды за оборот тела качения, т.е. появится вибрация ротора на удвоенной частоте вращения тел качения:

Подшипниковая вибрация параметрического происхождения возникает даже в бездефектных нагруженных подшипниках; из-за того что периодически меняется жесткость подшипника, так как ротор максимально нагружает лишь небольшую зону с телами качения, а число тел качения в этой зоне при вращении ротора меняется на одно с частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу. Как следствие, ротор с этой частотой «проваливается», приближаясь к неподвижному кольцу подшипника.

Перечисленные основные подшипниковые частоты определяют подшипниковую вибрацию не только на низких, но и на средних частотах, которые включают в себя прежде всего вибрацию не машины в целом, а подшипниковых узлов на гармониках этих частот с высокой кратностью. Среднечастотные периодические составляющие подшипниковой вибрации чаще всего имеют кинематическую природу, но возникают не при протяженных и плавных неровностях поверхностей качения, а при неровностях небольшого размера с резкими краями. При хорошем качестве смазки и малых радиальных нагрузках на подшипник смазка сглаживает края этих неровностей, что приводит к снижению среднечастотной вибрации подшипниковых узлов. В то же время в реальных машинах с нагруженными подшипниками среднечастотная подшипниковая вибрация может вырасти:

- при ухудшении свойств смазки;

- при дефектах сборки и монтажа машины, приводящих к
росту статических или вращающихся нагрузок на подшипник;

- при совпадении чистоты хотя бы одной из подшипниковых
составляющих вибрации или их гармоник хотя бы с одним из многочисленных резонансов машины или подшипникового узла.

Кроме гармонических составляющих подшипниковой вибрации на средних частотах присутствуют и случайные составляющие, определяемые гидродинамическими эффектами в смазочном слое подшипника. Это и гидродинамическое трение, и турбулентность смазочного слоя, и нелинейные эффекты, например, локальная кавитация. Спектральный максимум случайных пульсаций давления при идеальном масляном слое приходится на частоты, при которых длина волны в смазке сравнима с размером подшипника, однако существует зависимость этого максимума и от частоты вращения ротора. Кроме этого необходимо учитывать и частотную зависимость коэффициента преобразования пульсаций давления в вибрацию неподвижных элементов подшипникового узла. Как правило, максимум случайной вибрации, возбуждаемой гидродинамическими эффектами в подшипниках качения, в низкооборотных машинах приходится на 2-5 кГц, а в высокооборотных может доходить 10-25 кГц. При наличии высокодобротных резонансов в конструктивных элементах подшипников и машины случайные составляющие вибрации подшипниковых узлов по мощности могут быть существенно выше ее периодическихсоставляющих.

Вибрация гидродинамического происхождения вносит существенный вклад и в высокочастотную вибрацию подшипников качения. Но если при работе подшипника в какие-то моменты происходит разрыв масляной ..пленки и тело качения ударяется о неподвижное кольцо подшипника, возникает случайная вибрация ударного происхождения, максимум энергии которой приходится на частоты в несколько раз выше, чем. у вибрации гидродинамического происхождения. При наличии неровностей на поверхностях качения часто возникает и ударное взаимодействие поверхностей качения без полного разрыва масляной пленки. В этом случае частотный максимум энергии вибрации находится где-то посередине. Как правило, под вибрацией подшипников, возбуждаемой упругими ударами при разрывах масляной пленки, понимается вибрация с энергетическим максимумом, приходящимся на частоты 30-60 кГц.

Есть ультразвуковая вибрация трения еще одной природы, которая возникает при импульсном разрушении молекулярной структуры поверхностных слоев элементов трения. Эта импульсная вибрация возникает под нагрузкой при старении материалов в виде поверхностной волны на поверхности качения и носит название акустической эмиссии. Обычно под акустической эмиссией понимаются колебательные импульсы нелинейной природы, а на практике принято исследовать и использовать в диагностических целях эмиссию статически нагруженных материалов и эмиссию при утечках жидкости или газа в сосудах и трубопроводах под давлением. Что касается методов диагностики элементов трения на основе анализа акустической эмиссии трения, то практическая невозможность разделить в подшипниках ударные составляющие вибрации линейного происхождения с максимумом спектральной плотности на частотах до ста килогерц, и нелинейного происхождения с максимумом спектральной плотности выше 100 кГц, ограничивает их возможности. На практике применяется объединенный метод диагностики, в котором ультразвуковая вибрация не делится на составляющие линейной и нелинейной природы, получивший название SPM-метод (метод ударных импульсов).

3.3. Влияние дефектов на вибрацию подшипников и подшипниковых узлов

Номенклатура дефектов, ограничивающих ресурс подшипников качения и представляющих собой потенциальную опасность
возникновения аварийной ситуации, достаточно широка. По времени возникновения дефекты обычноделятсянатриосновные
группы: дефекты изготовления; монтажа и эксплуатации. По элементам подшипника они делятся на дефекты поверхностей качения (наружных, внутренних колец, а также тел качения), поверхностей трения скольжения(сепаратора, защитных колец, посадочных поверхностей) и смазки:

Дефектыповерхностей качения по скорости развития обычно делятся на две группы: --износ
-раковины (трещины).

Общий список дефектов подшипника качения, влияющих на его ресурс, можно разделить на группы следующим образом:

1) нарушения геометрии (плавные) поверхностей качения наружного, внутреннего кольца и тел качения (из-за неточности изготовления или износа);

2) разноразмерность тел качения;

3) нарушения геометрии сепаратора и защитных колец;

4) перекос наружного и внутреннего колец подшипника, перекос тел (тела) качения (в роликовом и игольчатом подшипниках);

5) перегрузка поверхностей качения без их перекосов;

6) проскальзывание колец в посадочном месте;

7) раковины и трещины на поверхностях качения;

8) дефекты смазки (недостаток, избыток, недопустимые избы
точность продуктов износа и изменения вязкости, разрывы слоя).

Первая группа дефектов, в основном, влияет на низкочастотную вибрацию подшипникового узла и машины в целом. Обычно имеет место преимущественный рост вибрации на первых двух-трех гармониках частоты перекатывания тел качения по наружному кольцу (дефект наружного кольца), двух-четырех гармониках частоты вращения тел качения (дефект тел качения) и гораздо реже двух-трех гармониках частоты перекатывания тел качения по внутреннему кольцу (дефект внутреннего кольца). Последний дефект из первой группы из-за одновременного нагружения ротором нескольких тел качения чаще приводит к появлению колебательных сил на первых гармониках частоты вращения ротора. Однако эти силы трудно обнаружить, так как они много меньше сил той же частоты, действующих в машине из-за несоосностей валов и дефектов соединительных муфт.