Вибрационная диагностика подшипников качения (стр. 6 из 12)

Во всех стационарных системах вибрационного контроля и мониторинга решения принимаются автоматически, путем сравнения контролируемой величины с пороговым значением. Пороговое значение либо устанавливается пользователем (разработчиком) в соответствии с нормативно-технической документацией, либо определяется по результатам контроля, накапливаемым на первом этапе эксплуатации (бездефектной) диагностируемого оборудования. В последнем случае время накопления выбирается достаточно большим, порядка 10% от ресурса оборудования, Определяются среднее значение и среднеквадратичное, отклонение контролируемого параметра и устанавливается пороговое значение, отличающееся на 3-4 среднеквадратичных отклонения от среднего значения. При этом необходимо иметь априорную информацию о том, что при появлении опасных дефектов контролируемый параметр заведомо выйдет из зоны допустимых значений. В некоторых случаях при наличии априорной информации на начало эксплуатации системы контроля устанавливается предварительное пороговое значение, которое по мере набора статистической информации корректируется, в том числе и автоматически.

Простейшие средства вибрационного контроля чаще всего сравнивают с порогом среднеквадратичное значение вибрации в выбранном частотном диапазоне, а отдельные стационарные системы дополнительно и скорость его роста во времени. Для снижения вероятности ложных, срабатываний в многоканальных системах часто решение принимается по срабатыванию не одного, а нескольких параллельных каналов вибрационного контроля.

В приборах, контролирующих высокочастотную или ультразвуковую вибрацию подшипниковых узлов, часто вместо дополнительного, алгоритма определения скорости нарастания вибрации используется алгоритм, обнаружения ударных импульсов и сравнения его величины с пороговым значением. Ударные импульсы обнаруживаются по импульсам высокочастотной вибрации, величина которых существенно превышает ее среднеквадратичное значение. Известны математически строгие алгоритмы их обнаружения по величине пикфактора, крестфактора, коэффициента эксцесса самого сигнала вибрации или статистических параметров его мощности (огибающей), но эти алгоритмы, а определенных условиях могут быть далеки от оптимальных. Достаточно часто производитель прибора придумывает свой алгоритм обнаружения этих импульсов, собирая для этого большой статистический материал, и называет его новой технологией диагностики подшипников. Экспериментально в таких приборах подбираются и пороги срабатывания, которые обычно зависят от скорости вращения подшипника и его размеров, т.е. от произведения

(где угловая частота вращения одного кольца подшипника относительно другого; d_c- диаметр сепаратора), а также от качества изготовления поверхностей качения и смазки. Поэтому такие приборы обычно адаптируются к подшипникам одного производителя и должны перестраиваться при контроле состояния подшипников других производителей. Кроме того, источниками ударных импульсов в подшипниках могут быть процессы в других узлах машины, создающие ударные нагрузки на подшипники, и в этих случаях вероятность ошибки в оценке состояния подшипника становится очень большой.. В качестве примера следует привести зубчатые и другие механические передачи с подшипниками качения, в которых возможно появление импульсных нагрузок на подшипники.

Снизить вероятность ошибок при поиске и оценке параметров ударных импульсов можно в тех случаях, когда данные измерений группы одинаковых подшипников в одинаковых узлах одинаковых машин хранятся в постоянно пополняемой базе данных. В этом случае можно использовать алгоритмы автоматической адаптации порогов обнаружения дефектов.

Существенного снижения ошибок в определении причины появления периодических ударных импульсов можно добиться, применяя спектральное преобразование к огибающей сигнала вибрации. Типичная форма сигнала вибрации, возбуждаемой периодическими ударными импульсами, форма огибающей его мощности и спектр огибающей приведены на рис.4.3.

Если же измерять огибающую сигнала вибраций не в ультразвуком, а в более низкочастотном диапазоне частот, где вибрацию возбуждают не только ударные импульсы, но и силы гидродинамической природы в масляной пленке подшипника, то дополнительно можно обнаруживать модуляцию сил трения из-за
неровностей поверхностей трения, не приводящих к разрыву масляной пленки (рис.4.4).

Вибрация такого происхождения проявится на наружном (неподвижном) кольце подшипника _;и при зарождающихся дефектах на других, кроме наружной, поверхностях качения. Таким образом, в спектре огибающей вибрации проявятся зарождающиесядефекты всех поверхностей качения, и они будут источниками модуляции вибрации разными частотами. На рис.4.5 и 4.6 приведены спектры огибающей высокочастотной вибрации разных подшипников с разными дефектами поверхностей качения, в частности, с плавными износами, перекосами, сопровождающимися дополнительными нагрузками на подшипник, и раковинами.

Рис. 4.6. Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипников с износом (а), перекосом (б) и раковинами на внутреннем кольце (в)

Как видно из рисунков, при измерении спектров огибающей вибрации появляется возможность идентификации вида дефекта, в том числе и с помощью методов автоматического распознавания состояний.

Именно этот метод был разработан сотрудниками Ассоциации «ВАСТ» в конце 70-х годов прошлого века и лег в основу первых программ, созданных предприятием «Вибротехника». Программы автоматической диагностики, подшипников качения по спектру огибающей их высокочастотной вибрации и сейчас выпускаются многими предприятиями-производителями, систем вибрационного контроля и мониторинга. Но использовать их для перехода на обслуживание и замену подшипников по состоянию большинству заказчиков не удалось. Причина заключается в том, что метод спектрального анализа огибающей вибрации наиболее эффективен при обнаружении и идентификации зарождающихся дефектов, но он не рассчитан на достоверную оценку величины развитых дефектов и неэффективен при обнаружении предаварийного состояния подшипника, когда подшипниковая вибрация теряет периодичность.

Для мониторинга и прогноза состояния подшипников необходимо объединять по крайней мере четыре метода обнаружения дефектов на разной стадии их развития, т.е.:

- обнаруживать дефекты смазки по величине ультразвуковой вибрации;

- идентифицировать вид и оценивать величину развивающегося дефекта по спектру огибающей высокочастотной вибрации;

- контролировать величину идентифицированных ранее дефектов при переходе их в группу развитых дефектов по спектру низкочастотной и среднечастотной вибрации;

- контролировать появление цепочек развитых дефектов как по спектру огибающей высокочастотной вибрации, так и по величине и появлению ударных составляющих в среднечастотной и низкочастотной вибрации.

Из четырех перечисленных методов наиболее сложно формируются алгоритмы автоматического распознавания состояний по спектру среднечастотной вибрации. Причина заключается в том, что в этой области частот наибольшее количество гармонических составляющих вибрации, источником которых, кроме всех подшипников качения, работающих в машине, являются многие другие узлы, а также большое количество резонансов неизвестной частоты и добротности. Поэтому крайне сложно дать количественную оценку колебательных сил, действующих между поверхностями качения конкретного подшипника, состояние которого необходимо определить. В результате приходится создавать модули диагностики не отдельных узлов, а определенной группы узлов, например ротора или рабочего колеса с двумя разными подшипниками, двух шестерен с их подшипниками и т.д.

Основной задачей диагностического модуля является поиск и идентификация составляющих вибрации, возбуждаемых диагностиремой группой узлов при наличии каждого из потенциально опасных дефектов, определение величины роста найденных составляющих вибрации во времени или по группе одинаковых машин с учетом влияния резонансов на обнаруженный рост. Совершенно естественно, что в диагностических модулях все дефекты узлов, в том числе и подшипников качения, объединяются в группы с одинаковыми или близкими диагностическими признаками. В одной группе могут оказаться, например, дефекты монтажа и дефекты износа. Определить, какой из этих дефектов обнаружен, можно по наработке подшипниковых узлов, поскольку на начальной стадии эксплуатации машины опасного износа поверхностей качения практически не бывает. Для разных диагностических модулей количество идентифицируемых групп дефектов может быть разное, но при этом все дефекты будут обнаружены своевременно, однако при определении типа обнаруженного дефекта может быть сделана сознательная ошибка, так как при близости диагностических признаков двух разных дефектов должен указываться тот из них, который развивается быстрее. Такой выбор повышает достоверность долгосрочного прогноза состояния подшипника, но из-за него в процессе мониторинга состояния контролируемый дефект может несколько раз менять название.