CC BY
313
Вибродиагностика подшипников качения
12 3
Поезжаева Е. В. , Юртаев Р. И. , Чудинов В. А.
3Поезжаева Елена Вячеславовна /Poyezzhayeva Elena Vyacheslavovna - кандидат технических наук, профессор;
2Юртаев Рустам Ильгизович / Yurtaev Rustam Ilgizovich - студент;
3Чудинов Владислав Александрович / Chudinov Vladislav Alexandrovich - студент, кафедра «Автомобили и технологические машины», автодорожный факультет,
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь
Аннотация: рассмотрены проблемы вибрационной диагностики. Приведен анализ вибраций в подшипниках качения, описаны методы вибродиагностики дефектов подшипников, способы обработки вибрационных сигналов с применением компьютерной техники.
Ключевые слова: вибродиагностика, качение, подшипники.
УДК 621.822
Одной из серьезных проблем вибрационной диагностики является определение технического состояния подшипников качения, установленных на тихоходных валах. Такой тип оборудования, имеющий невысокую частоту вращения рабочего и промежуточных валов, встречается достаточно часто (подшипники колес механизмов передвижения кранов, механизма подъема кранов, механизма передвижения крановых тележек, полиспасты и т. д.). Во многих случаях безаварийность работы данного оборудования в большой степени зависит от состояния подшипников качения и влияет не только на технологический процесс, но и на безопасность работы установки, агрегата, цеха. Таким образом, решение вопроса диагностики таких узлов является весьма актуальной задачей [1]
При обкатывании телами качения механических дефектов на обоймах подшипника, как и при дефектах на самих телах качения, в подшипнике возникают вибрационные процессы. Причиной возникновения вибраций является единичное импульсное возбуждение. Как аналог этого импульсного возбуждения можно рассмотреть удар при прохождении стыка двух рельс колесом вагона движущегося поезда. В этом случае колесо вагона является аналогом тела качения, а стык - дефекта на внешней обойме подшипника. Время действия возбуждающего усилия очень мало и составляет чаще всего доли или единицы миллисекунд. Каждое импульсное усилие от дефекта, возбуждаемое в элементах подшипника и в элементах механической конструкции агрегата, рассматривается как свободное затухающее колебание. Поскольку возбуждающее усилие носит кратковременный характер, то спектр частот возникающих свободных колебаний очень широк и может занимать полосу частот от сотен герц до сотен килогерц. Именно этим объясняется успешное применение для диагностики подшипников качения различных методов диагностики, анализирующих вибрации как в зоне слышимых частот, так и в зоне ультразвука и выше. Здесь очень важно уточнить, что частоты вибрации от дефектов подшипников качения мало зависят от частот вращения самих подшипников, т. к. свободные колебания механической конструкции от импульсного возбуждения определяются только резонансными свойствами самой конструкции. Т. е., с какой бы частотой ни наносились удары по подшипнику, частота свободных колебаний элементов подшипника не меняется. Следствием этого заключения является то, что с изменением частоты вращения контролируемого дефектного подшипника (конструкции) частота свободных колебаний не изменяется. Происходит только некоторое смещение распределения мощности в спектре вибрации. У быстроходных подшипников большая часть мощности сосредоточена в высокочастотной зоне, у тихоходных подшипников больший вес имеют более низкие частоты. В любом случае частоты свободных колебаний не опускаются ниже нескольких сотен герц.
Как было показано, частота регистрации прибором вибросигналов, необходимых для диагностики подшипников качения, должна быть в диапазоне от нескольких герц до нескольких тысяч герц. Нижняя граница регистрируемых частот ограничена значением примерно в 100 герц, что допускает применение практически любых виброанализаторов и датчиков (достаточно даже стандартного минимального значения частоты в 10 герц). Верхняя граница регистрируемых сигналов должна быть не менее 2 килогерц, хотя, чаще всего, достаточно одного килогерца. Никаких низкочастотных датчиков с нижней частотой до 0,1 герц не требуется. Виброанализатор с датчиками, работающими в диапазоне частот 5-5000 герц, идеально подходит для диагностики низкооборотных агрегатов, оснащенных подшипниками качения.
Вторым диагностическим параметром вибрации, возникающим из-за дефектов подшипника качения, является частота повторения ударов. Наличие дефекта предполагает следование ударов через повторяющиеся промежутки времени. Длительность этих интервалов времени зависит от соотношения геометрических размеров подшипника и скорости вращения вала.
В среднем можно считать, что минимальное значение частоты следования ударов, возникающих при дефектах сепаратора подшипника, чуть больше 40 % от частоты вращения поддерживаемого подшипником вала. Максимальная частота следования ударов, возникающих при дефектах тел качения подшипника, редко бывает больше десятикратного значения оборотной частоты вала.
Для достоверного диагностирования любого стационарного дефекта необходимо подряд или с одним пропуском зарегистрировать несколько импульсов одной природы (не менее 2-3). Это предполагает проведение непрерывной регистрации вибросигналов в течение достаточно длительного времени, за которое теоретически дефект должен несколько раз проявить себя. За это время контролируемый вал в исследуемом
узле должен совершить несколько оборотов. Максимально это составляет примерно 10 оборотов контролируемого вала, если исходить из необходимости диагностики дефектов сепаратора. Для диагностики тихоходных подшипников это требование очень жестко регламентирует необходимые параметры приборов регистрации вибрации.
Для диагностики подшипников качения с малой частотой вращения подходят только те приборы, которые могут проводить регистрацию сигналов в течение длительного интервала времени. [2]. Только в этом случае есть уверенность в том, что при обработке сигналов будут выявлены настоящие признаки дефекта, повторяющиеся от оборота к обороту. Единичные импульсы другой природы возникновения будут идентифицированы как случайные, не связанные с работой подшипника качения. Первое и второе требования к анализаторам вибросигналов противоположны друг другу. Первое требует регистрации на максимально высокой частоте, т. к. частота свободных колебаний конструкции после единичных импульсных воздействий в момент обкатывания дефектов достаточно велика, о чем постоянно говорят специалисты по диагностике подшипников качения при помощи спектра огибающей. При фиксированной длине выборки сигнала в приборе это приводит к сокращению длительности регистрации. Чем выше частота регистрации сигнала, тем короче во времени получаемая выборка. В то же время второе выдвигает необходимость увеличения длины выборки, что при прочих равных условиях достигается уменьшением частоты регистрации сигналов. Особенно остро эта проблема выявляется при диагностике подшипников ходовых колес кранов и крановых тележек. При работе данных узлов на вибрацию в подшипниках влияют не только внутренние дефекты, но и дефекты колес, рельсов, прохождение колесами стыков рельсов, контакт колес о рельсы и т. д.
Единственный способ объединить первое и второе требования - использовать прибор с большой памятью, позволяющей регистрировать длинные выборки - сигналы с высокой частотой в течение длительного времени.
Соответственно, возникает вопрос использования современной компьютерной техники для регистрации, анализа и обработки результатов записи сигнала. Преимущества использования компьютерной техники заключаются в относительно малых габаритах и возможности регистрации результатов эксперимента в довольно продолжительном периоде времени (время ограничено емкостью носителя и используемым программным обеспечением). При использовании файловой системы NTFS, поддерживаемой Windows 2000 и XP, время записи результатов эксперимента в звуковом формате MP3 может достигать несколько сотен часов.
Однако при использовании компьютерной техники возникает вопрос об аналого-цифровом преобразователе (АЦП) и устройствах согласования сигнала. Цена современных АЦП весьма значительна. И их возможности превышают потребности выше поставленных задач. Разработка и создание АЦП для машиностроения представляется также весьма дорогим и экономически неоправданным. Вследствие этого, предлагается использовать АЦП звуковой платы, подавать сигнал на линейный вход. Чувствительность работы АЦП звуковой платы является достаточной для проведения преобразования аналогового сигнала вибродатчика в цифровой сигнал.
С помощью современных программных средств провести спектральный анализ сигнала и сделать выводы о возможных повреждениях в узлах подшипников довольно просто. Для более качественного преобразования сигнала необходимо произвести согласование выходного сигнала вибродатчика и звуковой платы компьютера. В процессе исследования разработан портативный преобразователь сигнала вибродатчика в звуковой формат, который приемлем для восприятия звуковой картой компьютера и имеет возможность одновременного подключения двух вибродатчиков. С помощью портативного компьютера через звуковой вход мы можем записать звуковую информацию и просмотреть её в графическом отображении. Так же можно более точно оценить изменения параметров системы. Кроме того, возможно подключение к щеточным тахометрам, тензомостам для определения динамики работы скоростей и ускорений как двигателей, так и машин в целом. Принципиальная схема подключения компьютера представлена на рис. 1.
Рис.1 Схема подключения вибродатчика к компьютеру
Запись вибраций в цифровом формате позволяет более точно и без применения специальных приборов оценить уровень вибрации и шума, построить спектрограмму и провести качественную оценку надежности механизма по степени возрастания вибраций и шумов от первоначальных или регламентированных. Анализ спектрограммы вибрации может не только указать на изношенные детали без разборки механизма, но и предоставить возможность проанализировать причины их износа [3]. На рис. 2 приведен пример диалогового отражения работы осциллографа с преобразователем вибрационных измерений. Из рисунка 2 видно, что можно четко отследить амплитуду и периодичность изменения параметров вибрационного датчика, произвести запись вибраций и повысить точность исследования, используя масштабирование и изменение чувствительности.
Рис. 2. Пример работы программы «Осцилоскоп 2,51» при подключении вибрационного датчика
Вывод
Таким образом, система анализа вибраций позволяет проводить исследования непосредственно на анализируемом узле, используя при этом портативные компьютерные системы. С их помощью появляется возможность записывать вибрационные данные на внешние носители и впоследствии анализировать на компьютерной технике. Также имеется возможность автономного питания системы, что делает её более мобильной и удобной в эксплуатации.
Литература
1. Поезжаева Е. В. Теория механизмов и механика систем машин: учеб. Пособие. / Е. В. Поезжаева. -Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2015.
2. Русов В. А. Обзор вибрационных методов и технических средств, предназначенных для диагностики подшипников качения. // Журнал «Г лавный механик», № 3 2009 г.
