Общие сведения и назначение

Комплекс предназначен для определения техниче­ского состояния и остаточного ресурса подшипников качения и зубчатых передач по результатам одного цикла измерения, обработки и анализа сигналов от виб­рации механических узлов оборудования.

Окончательное заключение по результатам диаг­ностирования даётся в виде рекомендации: «В эксплуа­тацию допустить» или «Заменить подшипник». Реко­мендации выдают с учётом предыдущих диагностиро­ваний.

В состав комплекса входит компьютер (ноутбук) с платой АЦП L1250f, который обеспечивает:

- установку значений коэффициента усиления;

- преобразование сигнала в цифровую форму;

- обработку входных сигналов путём примене­
ния алгоритма БПФ (быстрое преобразование
Фурье), фильтрацию, определение огибающей
сигнала.

Возможно подключение до 8 пьезодатчиков уско­рений со встроенными в датчик предварительными усилителями (АР57у или ВДОЗА).

Это позволяет предъявлять меньшие требования к длине кабеля и его электрическим параметрам.

В комплект входит датчик оборотов с адаптером, который непрерывно измеряет частоту вращения объ­екта м вводит значения в компьютер.

Технические данные:

1. Частота вращения вала диагностируемого ме­
ханизма от 2,5 до 20 Гц.

2. Динамический диапазон спектрального анализа
в полосе частот 120 - 10000 Гц составляет 40дБ.

3. Крепление датчика - постоянный магнит.

4. Динамический диапазон спектрального анализа
огибающей на несущей частоте 6400 Гц и модулирую­
щей частоте 200 Гц при коэффициенте модуляции 15%
составляет 45 дБ.

5. Погрешность измерения частоты ±0,65%.

6. Масса комплекта - 9 кг (без датчиков и кабе­
лей).

Объектами диагностирования являются подшип­ники качения, редуктор.

В качестве контролируемых параметров исполь­зуются параметры (уровни и значения частот, соответ­ствующих этим уровням) частотных составляющих спектров вибраций.

Контрольные точки для регистрации вибраций размещаются на подшипниковых щитах, корпусах ре­дукторов и агрегатов.

Режимы диагностирования задаются по частоте вращения валов и величине нагрузки на подшипники и зубчатую передачу.

Исходные параметры диагностируемых подшип­ников и передач вводятся перед диагностированием (геометрические размеры подшипников, количество тел качения, зубьев зубчатых колёс, частоты вращения ва­лов при диагностировании, места расположения датчи­ков).

Перед диагностированием должны быть известны пороговые значения параметров диагностирования.

5.6.2. Методы диагностирования подшипников качения, применяемые в системе «Прогноз»

Методы диагностирования подшипников реализо­ванные в программе основаны на анализе вибрации, создаваемой переменными сигналами трения в элемен­тах подшипника.

Специфика сил трения в подшипниках качения вращающихся узлов такова, что при отсутствии дефек­тов в подшипниках качения они стабильны во времени.

При недостаточной точности изготовления под­шипника, его монтажа в посадочном месте, а также при

износе поверхности качения силы трения в этом под­шипнике нестабильны и зависят от угла поворота вра­щающегося кольца или сепаратора.

Постоянная сила трения возбуждает случайную вибрацию подшипника в широкой полосе частот. Мак­симум её спектральной плотности обычно приходится на частоты порядка 2-10 кГц. Значение частоты зависит для конкретного подшипника от частоты вращения, размеров подшипника, состояния поверхности трения и смазки.

При появлении дефектов и нестабильности из-за этого сил трения, возбуждаемая случайная вибрация становится нестационарной и величина спектральной плотности на любой частоте периодически меняется во времени. Именно нестационарность случайной вибра­ции подшипниковых узлов является объективным при­знаком появления дефектов трущихся поверхностей в подшипниках качения.

Количественные характеристики нестационарной вибрации определяются в результате спектрального анализа огибающей этой вибрации. Нестационарность выражается в амплитудной модуляции высокочастот­ной вибрации периодическим процессом, например, с периодом вращения узлов подшипника, приводит к тому, что в спектре огибающей кроме случайных со­ставляющих появляются ещё и гармонические, с часто­той вращения этих узлов. В результате по частотам появившихся составляющих определяются виды имеющихся в подшипнике дефектов (идентификация дефектов), а по превышению амплитуд этих состав­ляющих над уровнем фона - оценивается степень или глубина каждого из обнаруженных дефектов.

У спектров огибающих имеется ряд преимуществ по сравнению с автоспектрами или «прямыми» спек­трами:

1. Выделение огибающей основано на анализе
высокочастотной вибрации, которая локализована в
пространстве около источника вибраций. Таким обра­
зом, получая спектр огибающей диагностируемого уз­
ла, можно с большой уверенностью говорит, что анали­
зируется сигнал с этого узла, а не с соседнего, как часто
случается при анализе автоспектра низкочастотной
вибрации.

2. Спектр огибающей бездефектного узла обычно
вообще не содержит гармонических составляющих и
появление хотя бы одной из них, позволяет заключить о
возникновении неисправности, что не всегда видно в
автоспектре.

3. Спектр огибающей, по сути, является относи­
тельным измерением - по нему определяется глубина
модуляции т, т.е. соотношение минимального х_тЬ и
максимального х_тах уровней проявления сил трения за
оборот:

Это даёт возможность говорить о величине дефек­
та по однократному измерению вибрации. Для оценки
величины по автоспектру необходимо сравнивать уров­
ни вибрации в момент последнего измерения с уровня­
ми измеренными ранее. '

Для обнаружения сильно развитых дефектов ис­пользуются так называемые «прямые» спектры вибра­ции.

Необходимо отметить, что в диагностической про­грамме величины амплитуд спектров вибраций пред-:тавляются в логарифмических единицах измерений

обычно принимаемых в акустике и виброизмерениях, если исследуется широкий частотный диапазон.

Логарифмическая шкала представляет собой шка­лу, в которой единицей измерения является децибел. Она основана на сопоставлении двух измеренных уров­ней вибраций, например измеренного z и принятого за нулевой уровень, тогда

В акустике за нулевой уровень принимаются уста­новленные в ГОСТах уровни звукового давления, ско­ростей, вибраций и т.п.

Для ускорений принимается уровень, измеренный на частоте 1000 Гц и составляющий величину 3-Ю"² см/с², что соответствует смещению вибрирующей по­верхности при частоте 1000 Гц - 8-Ю"¹⁰ см. При этом эффективные значения ускорений, смещений и скоро­стей при частоте 1000 Гц получают одинаковое значе­ние в децибелах.

На рис. **** представлены записи вибраций, по­лученные для подшипников без дефектов, с неравно­мерным износом (модуляция) и имеющим раковины на поверхности (удары).

Как видно из анализа спектров спектр для под­шипника с неравномерным износом имеет узкополос­ную (гармоническую) частотную составляющую, опре­деляющую модуляцию высокочастотной части спектра, а на спектре для подшипника с ударами видны перио­дические частотные составляющие, вызванные импуль­сами от ударных воздействий.

Хорошо просматривается случайная составляющая спектра, вызванная шумами от производственных усло­виями изготовления и которая может быть принята за нулевой уровень отсчёта.

Для децибельной шкалы спектра коэффициент мо­дуляции определяется по формуле:

где А/д - разрешающая способность спектрального анализа при анализе спектра огибающей; Д/_ф - ширина полосы фильтра, выделяющего высоко­частотную вибрацию.

AL - уровень гармонической (модулирующей) состав­ляющей в вибрациях подшипника, обозначающей воз­никающий дефект.

если модулирующий процесс и модулируемый являются периодическими, то используется прямой спектр сигнала и модулирующий про­цесс идентифицируется по появлению боковых составляющих в спектре сигнала.

- если модулирующий процесс является случай­ным, а модулируемый - периодическим, а час­тота модулирующего случайного процесса на порядок или более ниже частоты модулируемо­го сигнала, то производится анализ по прямому спектру и модулируемые составляющие иден­тифицируются по ширине частотных состав­ляющих, при этом нужно быть уверенным, что частота вращения была стабильна.

- если модулирующий процесс является модули­рованным ещё более низкочастотным процес­сом, то необходимо искать боковые состав­ляющие в спектре огибающей вибрации, либо определять ширину линий в спектре огибаю­щей (2 случай).

В этом случае исследуется спектр огибающей вы­сокочастотного процесса выделенного полосовым фильтром. Наличие модуляции обнаруживается по подъёму уровня случайных составляющих спектра оги­бающей в его низкочастотной зоне.

При анализе спектра огибающей важным является выбор полос фильтра для формирования огибающей.

Обязательным условием является отсутствие в по­лосе этого спектра гармонических (немодулированных) составляющих высокочастотной вибрации.

Спектр огибающей вибрации - это спектр колеба­ний мощности тех составляющих вибрации, которые выделены фильтрами при формировании огибающей.

Если в полосу фильтра попало несколько состав­ляющих вибраций и мощность одних меняется во вре­мени, а других - постоянна, то в результате анализа полной мощности невозможно оценить диапазон коле-

баний мощности одних составляющих и стабильность других.

Чтобы исключить ошибки необходимо выбирать точки измерения вибраций в узлах машин, в которых доминирует случайная вибрация.

5.6.2. Перечень диагностируемых неисправно­стей подшипников качения и их квалификационные состояния

Оценка технического состояния подшипников производится путём определения относительной коли­чественной оценки развития основных дефектов, воз­никающих при эксплуатации:

- «бой вала» (повышенная вращающаяся нагруз­
ка на подшипник, неуравновешенность ротора,
обкатывание наружного);

- износ наружного кольца (происходит локально,
изменяя коэффициент трения качения на от­
дельных участках поверхности наружного
кольца);

- раковины, трещины на наружном кольце (диаг­
ностические признаки раковин и трещин часто
совпадают);

- износ внутреннего кольца (зона повышенного
коэффициента трения захватывает область,
превышающую расстояние между точками
контакта ближайших двух тел качения);

- раковины на внутреннем кольце;

- износ тел качения и сепаратора (опасные де­
фекты, т.к. развиваются быстро);

- раковины и сколы на телах качения (наиболее
опасные дефекты, быстро развивающиеся);

- проскальзывание кольца подшипника в поса­
дочном месте (обнаруживается только если
происходит в момент измерения вибраций);

- неоднородный радиальный натяг (дефект сбор­
ки - следствие посадки подшипника на вал,
диаметр которого больше допустимого, или
перекоса кольца);

- перекос наружного кольца при неправильном
монтаже из-за дефекта посадочного места;

- недостаточное количество смазки или грязная
смазка («дефект» смазки);

- группа дефектов на поверхности качения.
Каждый из названных дефектов в соответствии с

количественными пороговыми значениями оценки име­ет квалификационные состояния:

«слабый дефект» - зарождение дефектов, не пре­пятствующих длительной эксплуатации;

«средний дефект» - зарождение дефектов, за кото­рыми необходимо следить при дальнейшей эксплуата­ции;

«сильный дефект» - развитый дефект в узле, кото­рый требует частой проверки при эксплуатации;

«заменить подшипник» - дальнейшая эксплуата­ция может привести к его разрушению с последующим «заклиниванием» вращающейся детали - вала или оси колёсной пары.

Пороговые значения устанавливаются диагностом при конфигурировании программы анализа и уточня­ются при эксплуатации на основании статистики (не менее 30 экспертных оценок для каждого уточняемого дефекта).

Оценка остаточного ресурса (очередное диагно­стирование) определяется программой в зависимости от

5.6.4. Периодичность измерений,режимы диаг­ностируемого объекта

Периодичность диагностических измерений для подшипников качения определяется двумя способами:

1. Применяется при массовом диагностическом
обслуживании по однократным измерениям спектром
огибающей вибрации. Периодичность определяется
разработчиками пакета программ на основании данных
диагностики более 100 тыс. подшипников в разных от­
раслях промышленности

Периодичность измерений задаёт сам диагност на основании данных о среднем ресурсе подшипника в конкретном агрегате.

Многолетние исследования показывают, что если в подшипнике нет скрытых дефектов изготовления, его правильно эксплуатируют и в нём нет средних дефек­тов монтажа и износа, то нижняя граница безаварийной работы составляет 20-25% от его среднего ресурса.

Однако, учитывая то, что при неработающей ма­шине могут происходить структурные изменения со­стояния смазки подшипника, разработчики установили максимальный интервал между диагностическими из­мерения для подшипников равным 6 месяцам.

Если по результатам диагностики в подшипнике не обнаружены средние или сильные дефекты, то про­изводится уменьшение интервала между диагностиче­скими измерениями. При этом рекомендуемый интер­вал сокращается в 2 раза, т.е. до 3-х месяцев.

Если обнаружены два средних и один сложный дефекты, то рекомендуемый интервал снижается ещё в 3 раза.

В более сложных случаях необходимо либо сме­нить подшипник, либо сократить исходный интервал между измерениями в 10 раз. Но в том случае, если ве­роятность выхода из строя подшипника невелика - это выполняется экспертной программой.

В том случае, если количества измерений для вы­бираемых программой автоматической диагностики не хватает - предлагается произвести повторное измере­ние через интервал времени, составляющий 20% от ус­тановленного пользователем интервала бездефектных машин.

2. Второй способ выбора интервалов времени
между диагностическими измерениями базируется на
периодических измерениях спектров вибраций и их
огибающих. Интервал устанавливается исходя из
имеющейся информации о скоростях развития дефек­
тов (см. раздел 5.3. пример определения уровня техни­
ческого состояния для ИРП-12).

На достоверность проводимых измерений сильное влияние оказывают выбранные режимы работы маши­ны при диагностических измерениях.

Основными требованиями являются:

1. Обеспечение одной и ой же скорости вращения
вала с подшипниками при периодических измерениях.
Исходя из этого, при диагностике используются только
те группы измерений, которые уложились по частоте в
диапазон ±10% от среднего значения.

2. Рекомендуется использовать номинальный ре­
жим работы машины. Если это невозможно осущест­
вить, то выбирается другой режим, в котором условия
смазки подшипника укладываются в технические тре­
бования.

3. Рекомендуется при диагностировании под­
шипников исключать динамические нагрузки на диаг­
ностируемый подшипник от других узлов, особенно
если они имеют ударный характер. Наиболее удобным
является режим работы на холостом ходу.

4. Необходимо обеспечить установку датчиков на
очищенные от грязи места машины и сила притяжения
магнитов к этим местам должна быть не менее 10 кГс.
Лучше провести предварительную обработку мест ус­
тановки диагностических датчиков путём механиче­
ской обработки и окраски нитрокраской. Таким обра­
зом обеспечивается повторяемость установки датчиков,
а очистка поверхности от грязи производится лёгким
удалением верхнего слоя грязи.

5.6.5. Построение эталонов и пороговых значе­ний

Построение эталонов возможно лишь при наборе достаточных статистических данных по многим изме­рениям. На первом этапе определяются пороги пре­дельного изменения диагностических параметров, ха­рактеризующих бездефектные узлы, а также узлы со средними и сильными дефектами. Пороги эти опреде­ляются по всей совокупности параметров, характери­зующих каждый вид дефектов.

Сильные дефекты обнаруживаются в том случае, если выбранные для его обнаружения составляющие определяются работай диагностируемого узла и растут по амплитуде в 10 раз, т.е. на 20 дБ. Если обнаружение дефекта осуществляется по появлению модуляции гар­монических или случайных составляющих, то сильно­му дефекту соответствует модуляция среднеквадрати-ческого значения вибраций в 20%.

Коэффициент глубины модуляции вибраций в %

где Д/д ~ ширина полосы спектра огибающей, А/_ф - ширина полосы фильтра, выделяющего высоко­частотную составляющую.

Определение порога сильного дефекта при моду­ляции случайной вибрацией

При диагностическом параметре - росте уровня конкретной составляющей вибрации AZ, порог сильно дефекта в дБ

где AZ, - рост уровня вибрации, составляющих в i

машине или / моменте измерения над средним значе­нием по всем измерениям.

При п > 5 целесообразно определить среднеквад-ратическое значение и отбросить те значения, которые выходят за удвоенную величину отклонения от средне­го, а по оставшимся определить окончательное значе­ние т_тр и А1_пор.

Если диагностическим параметром является глу­бина модуляции гармонической вибрации гармониче­ских процессов, т.е. обнаружение дефекта ведётся по росту боковых составляющих вибрации, то пороговое значение, в дБ, определяется по формуле

где AZ/j, AL₂ - приращение уровня боковых состав­ляющих,

AL_0CH - приращение уровня основной (центральной) составляющей спектра вибрации.

В качестве начального значения порога сложного дефекта следует считать величину прироста порядка 12 дБ, что означает рост каждой из боковых составляющих на величину 18 дБ для случая, когда уровень централь­ной составляющей сохраняется. Наиболее типичным случаем обнаружения дефекта по этому алгоритму яв­ляется обнаружение дефектов шестерни редуктора.

где m_i - глубина модуляции для каждого из п узлов, п - число узлов с одинаковыми сильными дефектами.