3.2.5. Дефекты редукторов и мультипликаторов

Русов В.А. "Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам" 2012 г.

3.2. Дефекты оборудования уровня «механизм»

Работу любой зубчатой пары в редукторе или мультипликаторе сопровождает целый ряд характерных вибраций, которые обусловлены усилиями, сопровождающими передачу вращающегося момента через зону зубозацепления. Вибрации зубчатых пар в наибольшей мере вызываются динамическими ударами, связанными с переходом передаваемой нагрузки с «зуба на зуб». Кроме того, в процессе работы каждой пары зубьев возникают и другие динамические усилия, обусловленные как «обкатыванием» зубьев, так и проскальзыванием рабочих поверхностей зубьев относительно друг друга.

Существует большое разнообразие, как типов зубчатых пар, так и особенностей их изготовления. Не раскрывая этот вопрос глубоко, просто скажем, что это многообразие конечно сказывается на особенностях проявления возникающих дефектов в зубчатых парах в вибрационных сигналах. Однако это не приводит к появлению радикальных отличий в процедуре диагностики дефектов в различных редукторах, поэтому акцентировать какое-либо внимание на этом мы не будем.

В данном разделе рассматриваются основные особенности диагностики специфических проблем зубчатых передач, связанных только с проблемами зубозацепления. Общие проблемы оборудования, являющиеся универсальными и тоже встречающиеся в редукторах, такие как небаланс, неправильная посадка колес, дефекты подшипников редукторов и т. д., рассмотрены в других разделах.

Непременным условием корректной оценки текущего технического состояния зубчатых пар, и успешной диагностики возможных дефектов редукторов и мультипликаторов является наличие измерительных приборов с высоким частотным разрешением, не менее 1600 линий в спектре, желательно еще лучше. Кроме того необходимо использовать широкополосные датчики вибрации, позволяющие регистрировать как высокочастотные, так и низкочастотные вибрационные сигналы.

3.2.5.1. Общие вопросы анализа состояния редукторов

Техническое состояние любой, даже практически идеально изготовленной, зубчатой пары может быть оценено в процессе работы при помощи анализа вибросигналов. Такое заявление справедливо как для единичной зубчатой пары, так и для сложных редукторов и мультипликаторов. Достоинством вибрационных методов диагностики, при применении их для анализа состояния редукторов, является то, что диагностика производится «без разборки», в рабочих режимах. Все другие методы диагностики состояния редукторов, за исключением диагностики состояния зубчатых пар по составу примесей в смазочном масле, требует разборки оборудования. 

Причины вибрации зубчатых пар

При проведении регистрации и анализе вибросигналов, генерируемых зубчатыми парами, необходимо учитывать основные характерные особенности их работы. К этим особенностям следует отнести следующее:

a) Вибросигналы от зубчатых пар содержит в себе как синхронные компоненты (гармоники), пропорциональные оборотной частоте вращения ротора (шестерни), так и несинхронные, связанные с резонансными процессами и не пропорциональные частоте вращения ротора. Вся основная мощность в вибросигнале от зубчатой пары сосредоточена в достаточно высокочастотной области.

Основная частота зубозацепления зубчатой пары FZ равна произведению оборотной частоты ротора шестерни на количество зубцов на ней и может достигать единиц или даже десятка килогерц. На практике, при проведении регистрации вибросигналов, предполагая их дальнейшее применение для диагностики состояния зубчатых пар, желательно начинать с регистрации измерительным прибором максимально высоких частот, это обязательно принесет пользу в дальнейшем.

b) Гармоники, свойственные самому процессу зубозацепления, создаваемые парой зубьев при передачи вращающего момента, имеют невысокий энергетический уровень. Причин этому две. Во-первых, энергия, выделяемая в процессе обкатывания зубьев, сама по себе не очень велика. Во-вторых, места установки вибродатчиков, в силу конструктивных особенностей редукторов, значительно удалены от самой зоны зубозацепления.

В результате путь передачи энергии вибрации зубозацепления достаточно велик и сигналы в нем сильно затухают. Поэтому, как минимум, необходимо использование для диагностики состояния зубчатых передач сигналов в размерности виброскорости, а в большинстве случаев, для повышения информативности вибросигналов, приходится использовать вибросигналы в размерности виброускорения.

c) Амплитуда гармоник в спектре, вызванных вибрациями от зубчатых пар, в значительной степени зависят от передаваемой зубчатой парой нагрузки. На холостом ходу редуктора гармоники от зубозацепления регистрируются очень плохо. С ростом усилий, передаваемых редуктором, возрастают вибрации от процесса зубозацепления. Такая особенность работы зубчатой пары требует, по возможности, проведения сравнительных измерений при одинаковой, желательно большой, нагрузке.

Если нагрузка будет маленькой - дефекты зубчатой пары могут не проявиться. Если несколько измерений, используемых для построения временного тренда, будут выполнены при разных нагрузках редуктора - то все эти замеры окажутся абсолютно непригодными для сравнения друг с другом для поиска произошедших в редукторе изменений.

d) Вибрации от зубозацепления являются нестационарным в том плане, что имеют в своем составе несколько фаз «обкатывания», точнее говоря «проскальзывания» зуба по зубу, различающихся у различных типов зубчатых зацеплений. Каждая из этих фаз возбуждает колебания своей частоты, не связанной с частотой зубозацепления. Более того, каждый из зубьев, в силу своих специфических отличий от других зубьев, генерирует свои частоты. На это все накладывается то, что пары «взаимно обкатываемых» зубьев постоянно меняются, так как шестерни имеют не одинаковое количество зубцов.

Все эти важные особенности приводят к появлению в вибрации неоднородного «белого шума» вблизи частоты зубозацепления. Этим термином в технике обычно называют смесь колебаний различных частот. Идеальным источником «белого шума» является падающая вода в водопаде, что и дало название этому термину. Правда есть версия, что как многие цвета в сумме дают белый цвет, так и в белом шуме складываются все колебания. Такое толкование происхождения термина «белый шум», при более подробном его рассмотрении, менее предпочтительно.

В «белом шуме» присутствует очень много частот, а в белом цвете смешиваются несколько фиксированных частот. На спектре вибросигнала «белый шум» проявляется в виде поднятия общего уровня всего спектра в достаточно широкой полосе частот вблизи характерной частоты зубозацепления. Непосредственно сам «белый шум» состоит практически полностью из несинхронных компонент.

e) Очень часто общее поднятие спектра от «белого шума» происходит не только на частоте зубозацепления, но и на частоте собственных резонансов элементов зубчатой пары или редуктора. Это возникает по следующей причине. Микро удары в зубчатой паре возбуждают колебания достаточно широкого диапазона, но максимальная амплитуда колебаний будет, что полностью соответствует стандартной физической картине колебаний, на частоте собственного резонанса того или иного близко расположенного элемента редуктора. Эта частота собственного резонанса определяется конструкцией редуктора.

Пользоваться диагностикой состояния зубчатой пары не по частоте зубозацепления, а по частотам собственного резонанса элементов редуктора, приходится в быстроходных мультипликаторах, где сама частота зубозацепления может быть очень высокой. В результате она будет очень сильно затухать в конструкции, и ее иногда невозможно даже зарегистрировать на опорных подшипниках.

Спектр вибрационного сигнала бездефектной зубчатой пары

Для начала рассмотрим спектр вибрационного сигнала, который был зарегистрирован на редукторе, находящемся в исправном бездефектном состоянии. Эта информация понадобиться нам когда мы будем выявлять отличия в спектре, появляющиеся по мере возникновения и развития различных дефектов.

Рис. 3.2.5.1. Спектр вибрационного сигнала «нормальной» зубчатой пары Спектр вибросигнала от зубчатой пары редуктора, которая находится в хорошем состоянии, имеет примерно такой вид, который показан на рисунке 3.2.5.1. Основными гармониками на таком спектре обычно являются первая, оборотная F1 и, может быть, вторая 2F1 гармоника оборотной частоты контролируемого вала. Появление этих гармоник обусловлено обычными механическими проблемами вращающегося оборудования, такими как небаланс, расцентровка и т. д. Эти гармоники, как обычно, определяются оборотной частотой вращения одного из валов зубчатой передачи, на подшипнике которого производится измерение вибрации.

На этом же спектре также находится и первая гармоника оборотной частоты второго вала зубчатой пары F2. Она связана с частотой вращения вала через коэффициент передачи зубчатой пары, но, для примера, на нашем спектре она не имеет второй гармоники от этой оборотной частоты.

Естественно, что при наличии на спектре двух систем оборотных гармоник, преобладающими, по своей мощности, будут частоты того вала редуктора, который будет ближе расположен к месту установки вибродатчика. При прочих равных условиях максимальны будут те гармоники вибрационного сигнала, на пути которого к вибродатчику будет минимальное затухание. Соответственно, гармоники удаленного вала редуктора будут представлены в спектре с гораздо меньшими амплитудами.

Здесь мы намеренно повторим очень важную информацию, понимание которой важно для проведения корректной диагностики. Пусть мы имеем редуктор с одной ступенью, имеющий входной и выходной вал, и одну зубчатую пару. На спектре вибрационного сигнала такого редуктора мы будем иметь три системы гармоник. Это:

  • Оборотная гармоника F1 , и ее производные, относящиеся к входному валу нашего редуктора.
  • Оборотная гармоника F2 , и ее производные, которых на нашем спектре не показано, относящиеся к выходному валу нашего редуктора.
  • Оборотная гармоника F2Z, и ее производные, относящиеся к частоте зубозацепления шестерен нашего редуктора.

Смысл нашего логического подчеркивания, в наиболее общем смысле звучит следующим образом:

  • Количество семейств гармоник на спектре вибрационного сигнала, зарегистрированного на редукторе, относящихся к входным, выходным, и промежуточным валам, всегда равно, или меньше, чем общее количество валов в редукторе.
  • Количество семейств гармоник на спектре вибрационного сигнала, относящихся к зубчатым парам, всегда меньше на единицу, чем общее количество валов в редукторе.

Применительно к спектру, показанному на рисунке, и относящемуся к редуктору с одной ступенью, все совпадает. На нем имеют место оборотные гармоники входного и выходного валов, и одна частота зубозацепления. Это легко объяснимо, в редукторе всего одна зубчатая пара, значит и частота зубозацепления одна.

На частоте гармоники зубозацепления зубчатой пары, которая одинакова, как бы ее не считали, от первого, или от второго валов, всегда будет иметь место явно выраженный пик. Этот пик может иметь несколько боковых гармоник выше и ниже по частоте, появление которых в спектре или увеличение их амплитуды обычно говорит о появлении и развитии в зубчатой паре какого-либо дефекта.

Соотношение пика гармоники зубозацепления и первых оборотных гармоник валов, зависит от многих причин, особенно от типа используемого представления вибросигнала, виброскорости, или виброперемещения. Как уже говорилось выше, соотношение этих гармоник является индивидуальной величиной для каждого редуктора.

Вблизи пика гармоники зубозацепления может иметь место общее поднятие спектра от совокупности колебаний многих частот, называемой обычно в литературе «белым шумом». Вне зависимости от того, есть ли боковые полосы у частоты зубозацепления или нет, есть ли общее поднятие от «белого шума» или нет, основная гармоника зубозацепления обычно имеет расширенный в нижней части пик. Это является результатом общей нестационарности процесса трения и обкатывания зубцов шестерен.

Все пики на спектре зубчатой пары, находящейся в хорошем состоянии, имеют сравнительно низкую амплитуду. Еще раз хочется сказать, что понятие малых амплитуд гармоник зубозацепления в диагностике всегда относительное, требующее для своей оценки использования сравнения нескольких замеров и применения всего индивидуального опыта вибродиагноста.

Диагностические признаки дефектов в зубчатых парах

Самый первый признак появления и развития дефектов в зубчатых парах – повышение амплитуды первой гармоники зубозацепления, которая равняется произведению оборотной частоты вала шестерни на количество зубьев. Еще раз отмечаем, что речь идет именно об увеличении амплитуды этой гармоники. Она всегда присутствует при передаче энергии через зубчатую пару, а не возникает только при появлении дефектов. Амплитуда этой гармоники определяется типом зубчатой пары и качеством ее изготовления на заводе.

При появлении дефектов зубозацепления происходит не только рост амплитуды самой гармоники зубозацепления. Очень часто вблизи первой гармоники частоты зубозацепления, выше и ниже ее по частоте, появляются боковые гармоники. При недостаточном разрешении используемого диагностического оборудования это выглядит как «расширение» пика в нижней части.

Сдвиг по частоте между основным пиком гармоники зубозацепления и боковой гармоникой говорит о том, какое зубчатое колесо имеет предполагаемый дефект. Если сдвиг частот равен оборотной частоте входного вала - то дефект находится на нем, если сдвиг равен оборотной частоте выходного вала - то дефект расположен на нем. Иногда имеют место боковые полосы от обоих валов, при  этом наиболее дефектным будет являться тот вал, семейство боковых гармоник от которого будет иметь большие амплитуды.

Причина возникновения в спектре вибрации зубчатой пары боковых полос достаточно просто физически объяснима. Это объяснение включает в себя два аспекта:

  • Во-первых, при прохождении дефекта через зону контакта шестерен в вибросигнале будет наблюдаться всплеск амплитуды. Этот импульс будет повторяться в вибросигнале через время, пропорциональное одному обороту шестерни с дефектным зубцом. Иначе говоря, будет происходить модуляция частоты зубозацепления оборотной частотой ротора с дефектной шестерней.
  • Во-вторых, при прохождении дефекта через зону контакта зубьев во вращении выходного вала наблюдается очень маленькое замедление, а затем такое же ускорение. При некоторых дефектах сначала может быть и наоборот - сначала ускорение, а затем замедление частоты вращения вала. На спектре и то и другое приводит к появлению боковых, чаще всего симметричных, зубцов рядом с частотой зубозацепления, сдвинутых на частоту повторения такого процесса. Если боковые гармоники слева и справа различаются по амплитуде - это говорит о разной интенсивности процессов замедления и ускорения при прохождении дефекта через зону контакта зубьев шестерен.

Если дефект расположен на входном вале, то процесс прохождения дефекта через зону зубозацепления происходит через один оборот этого вала, и сдвиг боковых гармоник относительно гармоники зубозацепления пропорционален оборотной частоте именно входного вала. При расположении дефекта на выходном валу редуктора, повторив аналогичные рассуждения, получим, что сдвиг боковых гармоник должен быть равен оборотной частоте выходного вала.

На первых этапах развития дефектов зубозацепления частота зубозацепления и боковые гармоники, являющиеся синхронными компонентами, содержат в себе практически всю мощность вибросигнала. По мере своего развития дефект становится более нестационарным, распределенным по частоте, возникают многие процессы, приводящие к «размазыванию» мощности вибросигнала на спектре в промежутках между частотой зубозацепления и боковыми гармониками. В вибросигнале начинают преобладать несинхронные компоненты, горбы и поднятия на спектре.

Происходит процесс, когда синхронные компоненты не растут, а вся дополнительная мощность от дефекта сосредотачивается в несинхронных гармониках. Так происходит до тех пор, пока несинхронные гармоники не сравняются по амплитуде с синхронными. Это будет в момент полной деградации зубчатой пары, когда вместо процессов трения при скольжении зуба по зубу, имеющих место в зубчатой паре, в ней будут происходить только динамические удары.

Нормирование уровня вибрации в редукторах

Большие проблемы при диагностировании дефектов зубозацепления в редукторах и мультипликаторах различного типа на практике вызывает отсутствие нормативной информации по допустимым уровням как всего вибросигнала, так и отдельных его составляющих и гармоник. Поэтому очень большое значение в диагностике состояния зубчатых пар приобретает процедура сравнения спектра текущего вибросигнала со спектром вибросигнала, зарегистрированного в предыдущем замере, или в замере, который был выполнен на заведомо исправном редукторе.

Такой подход иногда называют «сравнением с опорным спектром», причем считается, что в качестве опорного спектра необходимо использовать сигнал с редуктора, состояние которого заведомо должно быть хорошим, бездефектным. Такой подход к диагностике редукторов, хотя и вызывает в обычных условиях достаточно противоречивые мнения, применительно к оценке состояния редукторов, наверное, является почти единственно возможным.

Сложность в нормировании уровней вибрации зубозацепления заключается в том, что в редукторе регистрируется не весь исходный, «первоначальный» вибрационный сигнал, который генерируется процессом  зубозацепления, а только та его часть, которая смогла передаться по сложным путям внутри редуктора до вибродатчика. Параметры этого пути в каждом редукторе или мультипликаторе различны.

Пути передачи вибросигналов от зоны зубозацепления к вибродатчику имеют большой разброс, как по своей длительности, так и по степени затухания вибросигнала в каждом типе редуктора и сильно зависят от места установки вибродатчика. Кроме того, разным типам формы зубчатых пар соответствуют свои, соответствующие бездефектному состоянию, уровни вибрации. В итоге в разных редукторах, даже близких по мощности, всегда различны уровни допустимой вибрации, служащие для оценки состояния зубчатой пары, для формирования порогов «тревожного» и «аварийного» состояний.

Говоря очень упрощенно, следует с сожалением отметить, что практически приемлемых норм на предельный уровень вибрации зубчатых пар, редукторов и мультипликаторов нет. Первая задача практических диагностов, контролирующих такое оборудование, заключается в наборе их из практики.

В практике «массовой» эксплуатации редукторов и мультипликаторов следует ориентироваться, в основном, на нормы по СКЗ виброскорости. Это будет уровень, рассчитанный на контроль общих проблем оборудования, таких как небаланс, расцентровки, износ подшипников и т. д. Создание универсальных норм на спектральный состав вибросигналов от зубозацепления, на амплитуду основной и боковых гармоник частоты зубозацепления, очень сложно.

Дефекты зубозацепления, вследствие удаления зоны дефекта от датчика вибрации, проявляются в СКЗ виброскорости на своей финальной, конечной, обычно уже необратимой фазе развития. Поэтому, при помощи использования этих норм, хотя обычно и удается избежать аварий с большими последствиями, но «временной зазор» до остановки оборудования на ремонт мал, и не всегда достаточен для нормальной подготовки к ремонтным работам.

Требования к местам установки вибродатчиков

Места для установки вибродатчиков следует выбирать так, чтобы датчик находился как можно ближе к зоне зубозацепления. Желательно знать внутреннюю конструкцию редуктора и устанавливать датчик в таком месте, где затухание зубцовых вибраций будет минимальным. На пути прохождения регистрируемых вибросигналов от зоны зубозацепления до вибродатчика должно быть как можно меньше границ раздела разных сред и особенно зазоров. Использование для установки вибродатчиков щупов нежелательно, необходимо, в худшем случае, использование для установки датчиков на редукторе сильных, редкоземельных, постоянных магнитов.

Вибродатчик необходимо устанавливать или в направлении линии, соединяющей центры валов редуктора, или перпендикулярно ей. Все зависит от конкретного типа редуктора, т. к. нужно выбрать направление действия максимальных усилий зубозацепления.

Методы диагностики, применимые к зубчатым парам

Диагностирование зубчатых передач является достаточно сложным, трудоемким, обычно весьма длительным, по времени, процессом. Диагностический математический аппарат, который должен использовать диагност для оценки состояния зубчатых пар, достаточно сложен и включает в себя практически весь арсенал спектральных методов анализа вибросигналов.

Кратко рассмотрим возможное назначение этих методов применительно к проблемам зубчатых пар.

  • Временной сигнал вибрации на зубчатых парах обычно является по своей форме очень сложным, "зашумленным" большим количеством колебаний разной частоты и амплитуды. По форме временного вибросигнала можно, но достаточно сложно, выявлять такие «крупные» дефекты, как трещина в одном или нескольких зубцах, достаточно хорошо диагностируется отсутствие зуба. Все остальные, более «мелкие» дефекты состояния зубчатых пар, по временному сигналу вибрации диагностируются трудно.
  • Спектр вибросигнала является наиболее простым и распространенным диагностическим аппаратом, позволяющим определять все основные дефекты зубозацепления. Большинство используемых систем диагностики редукторов и мультипликаторов базируется на использовании этого метода. Применение диагностики по спектрам вибросигналов требует обязательного знания внутренних конструктивных особенностей редукторов.
  • Кепстр вибросигнала применим на первых фазах проводимой диагностики, позволяет дифференцировать наиболее дефектные зубчатые пары в сложных редукторах, сравнивать их между собой по уровню износа, и по вероятности наличия дефекта. При использовании такого анализа можно одновременно диагностировать несколько зубчатых пар при помощи информации, снимаемой с одного вибродатчика.
  • Спектр огибающей вибрационного сигнала позволяет выявлять многие дефекты в редукторах. Диагностика по спектру огибающей сигнала достаточно сложна для физического толкования дефектов зубозацепления. Поэтому она обычно требует хорошей теоретической подготовки вибродиагноста или наличия в его техническом арсенале специализированной компьютерной экспертной системы, решающей эти проблемы.
  • Модальный анализ тоже может быть использован при диагностике состояния зубчатых пар, но он является самым сложным с точки зрения интерпретации физических процессов и требует достаточно хорошей математической подготовки диагноста.

Наилучшие же результаты при оценке состояния и диагностике причин повышенной вибрации сложных редукторов и мультипликаторов методами вибрационной диагностики достигаются при комплексном использовании всех вышеперечисленных методов. При комплексном походе возможности разных методов дополняют друг друга.

Еще раз хочется напомнить, что очень большое влияние на точность оценки текущего технического состояния и на достоверность диагностики дефектов состояния зубчатых пар оказывает личный практический опыт вибродиагноста, его знание внутреннего устройства контролируемого оборудования.

3.2.5.2. Диагностические особенности дефектов редукторов

Исходя из особенностей работы зубчатой пары, наиболее информативной составляющей в спектре вибрационного сигнала является гармоника с частотой FZ, частота которой равна произведению оборотной частоты вала зубчатой пары на количество зубцов в шестерне, расположенной на этом валу редуктора. Амплитуда этой гармоники обычно очень чувствительна к нагрузке, передаваемой через редуктор.

Диагноста не должна пугать возможная высокая амплитуда этой гармоники, особенно по итогам проведения самого первого замера вибрации на данном редукторе. Допустимое значение этого параметра сложно поддается нормированию. Амплитуда гармоники зубозацепления FZ на спектре вибрационного сигнала зависит от достаточно многих параметров, основными из которых можно считать:

  • Качество изготовления зубчатой пары, ее закалка, шлифовка рабочих поверхностей.
  • Качество, достаточность и чистота смазочного масла.
  • Величина загрузки зубчатой пары нагрузочным моментом, передаваемым от двигателя в исполнительный механизм.

По этой причине практически всегда первый замер вибрации на подшипниках редуктора или мультипликатора является не диагностическим, а оценочным, особенно если это касается пика гармоники частоты зубозацепления.

Основное внимание при «первом» измерении вибрации и диагностике состояния зубчатой пары, проводимой при определенном уровне загрузки, должно быть уделено не самому пику FZ, а другим, более важным особенностям и параметрам спектра. Именно эти, весьма разнообразные особенности спектра вибросигнала, характерные для некоторых дефектов, характеризуют состояние редуктора. Часто это даже просто внешние не очень заметные особенности формы спектра, которые даже при малых амплитудах, могут говорить об очень грозных дефектах зубчатых пар.

Наиболее серьезное внимание при анализе спектров вибросигналов должно быть уделено:

  • Наличию в спектре вибрации, вблизи основной гармоники зубозацепления, «боковых гармоник» от основной частоты зубозацепления FZ, расположенных слева и справа от главного пика;
  • Относительной величине амплитуды этих боковых гармоник частоты зубозацепления, измеренной по отношению к амплитуде пика основной частоты зубозацепления;
  • Величине частотного шага чередования боковых гармоник частоты зубозацепления, показывающего, на сколько эти «боковые гармоники» сдвинуты относительно друг друга, и относительно основной гармоники.
  • Наличию в спектре характерного горба «белого шума» вблизи частоты зубозацепления. Если имеют место несколько гармоник частоты зубозацепления, то горбы могут быть и возле них. Диагностический интерес представляет усредненный уровень этих горбов относительно самой гармоники частоты зубозацепления, и ее гармоник, а также взаимные соотношения между ними.
  • Возникновению в спектре вибрационного сигнала пиков и горбов «белого шума», расположенных в зонах, на первый взгляд не связанных с частотой зубозацепления, не имеющих простого обоснования возникших колебаний.

Попробуем пояснить еще раз причины возникновения пиков и горбов «белого шума» в разных зонах спектра вибрационного сигнала, на первый взгляд никак не связанных с основной частотой зубозацепления и ее гармониками.

Необходимо хорошо понимать, что практически любой дефект зубчатой пары, любой износ, приводят к тому, что теряется «плавность» работы зубчатой пары. Вместо равномерного обкатывания зубцов наблюдается динамический процесс. Он сопровождается периодическими знакопеременными нагрузками, обусловленными нарушением рабочих поверхностей зубчатой пары.

При достаточно серьезных, а иногда даже и при слабых ударах в зубчатой паре, на зубчатые колеса и на конструкцию редуктора воздействует ударный импульс силы. Этот импульс возбуждает в конструкции механические колебания, которые, в общем случае, затухают по экспоненциальному закону. Частота, с которой будут колебаться элементы конструкции, т. е. частота «внутреннего заполнения» таких затухающих колебаний, определяется собственным механическим резонансом колеблющегося элемента зубчатой пары. Обычно эта частота не является строго фиксированной, а представляет собой совокупность близко расположенных частот, соотношение амплитуд которых достаточно случайно.

Образно говоря, внутренняя конструкция редуктора является резонансным контуром, в котором затухающие вибрационные колебания возбуждаются динамическими ударами, обусловленными процессом передачи вращающего момента через зубчатые пары. Если теперь зарегистрировать спектр колебаний конструкции с таким резонансным контуром, то на нем, наряду с пиком на частоте зубозацепления, будет пик или горб с «белым шумом», расположенный на частоте собственного резонанса элемента конструкции. Часто на спектре вибросигнала от зубчатой пары этот резонансный пик по своей амплитуде, а тем более и по мощности, оказывается даже значимее самого пика гармоники частоты зубозацепления. Часто на спектре бывает несколько таких резонансных пиков от частот разных элементов редуктора.

Этот резонансный гармонический пик (горб), возбужденный на частоте собственного резонанса внутренних элементов редуктора, удобно использовать для оценки состояния и диагностики дефектов редукторов. В практике встречается много случаев, когда по ряду специфических особенностей, не удается зарегистрировать саму частоту зубозацепления, а приходится пользоваться гармониками в резонансных зонах.

Обычно это относится к скоростным мультипликаторам, в которых частота зубозацепления высока, и вибрационный сигнал быстро затухает в конструкции на пути в датчику вибрации. Достаточно удобно, а иногда и единственно возможно, таким подходом к диагностике пользоваться для диагностики и очень тихоходных редукторов, где тоже часто бывают проблемы с регистрацией частоты зубозацепления, но уже обусловленные большими габаритами зубчатых пар.

Рассмотрев общие особенности проявления дефектов в редукторах и мультипликаторах, приступим к рассмотрению некоторых частных случаев. При этом будем отдавать основное предпочтение дефектам, наиболее часто встречающимся в практике.

3.2.5.3. Наиболее распространенный дефект - износ зубчатой пары

Наиболее известным диагностическим и, наверное, самым первым признаком появления общего износа зубчатых пар, является появление в спектре вибросигнала вокруг оборотной гармоники зубозацепления сначала одной пары, а затем и целого ряда мелких боковых гармоник, интервалы между которыми в значительной степени заполняются «белым шумом». Как уже говорилось выше, эти боковые гармоники обычно расположены симметрично основной гармоники зубозацепления.

По мере того, как процессы износа в зубчатой паре будут все более прогрессировать, все более явно выраженными будут становиться пики боковых гармоник частоты зубозацепления. При дальнейшем износе будет расти амплитуда «белого шума», которая, по мере развития этого дефекта, может, по амплитуде, сравниться с основной гармоникой зубозацепления и с боковыми гармониками.

Процесс роста амплитуды боковых гармоник и «белого шума» практически пропорционален степени развития дефекта, но и, что несколько усложняет диагностику, уровню нагрузки, передаваемой через редуктор. Как уже было сказано выше, боковые гармоники возникают при появлении небольших локальных дефектов на поверхностях зубозацепления шестерен зубчатой пары. Уровень «белого шума» больше связан с общим износом поверхностей зубчатой пары.

Общее число боковых гармоник, в зависимости от формы проявления дефекта в зубчатой паре, может достигать четырех - шести, и даже более, причем по мере удаления от центрального пика гармоники зубозацепления амплитуда боковых гармоник будет примерно монотонно убывать.

Для иллюстрации этих рассуждений рассмотрим два условных спектра вибросигналов. Эти спектры соответствуют случаю наличия двух «рафинированных» дефектов в повышающей зубчатой паре, выполненной в виде мультипликатора. Примем следующие основные параметры мультипликатора:

  • частота вращения входного вала - 10 Гц;
  • частота вращения выходного вала - 30 Гц;
  • число зубцов входного вала - 36;
  • число зубцов выходного вала - 12.

Первый диагностический спектр, показанный на рисунке 3.2.5.2., соответствует начальной фазе появления и развития наиболее распространенного дефекта зубозацепления - износа зубчатого колеса, с локализацией на входном валу мультипликатора. Этот дефект проявляется на спектре вибросигнала в виде появления трех боковых гармоник FБГ, особо обращаем внимание читателя, что в данном случае они не являются парными, это часто бывает на практике. Боковые гармоники сдвинуты от основной частоты зубозацепления FZ, равной 360 Гц (10 * 36 = 360) на интервал, равный оборотной частоте вращения входного вала мультипликатора.

Три эти боковые гармоники хорошо видны на приведенном спектре вибросигнала, верхний рисунок, в виде явно выраженных пиков. Четвертая боковая гармоника на частоте 380 Гц носит характер не явно выраженный, хотя, при желании, ее тоже можно дифференцировать в общем шуме.

На нижнем спектре, приведенном на рисунке 3.2.5.2., показан аналогичный дефект зубчатой пары, но расположенный уже на выходном, более быстроходном валу мультипликатора. Как видно из спектральной картины приведенного примера, этот дефект является значительно более сильно развитым.

На приведенном рисунке хорошо видно, что при сохранении общей картины проявления дефекта типа «износ зубчатой пары», при изменении места локализации дефекта, изменяется частотный шаг между боковыми гармониками и частотой зубозацепления. Если в первом случае он равнялся 10 Гц, то во втором случае он составляет уже 30 Гц. В этом заключается основной признак вала с повышенным износом рабочей шестерни – частотный шаг между боковыми гармониками на спектре равняется оборотной частоте соответствующего вала редуктора или мультипликатора.

На этих двух рисунках приведены достаточно идеализированные спектры вибрации, содержащие дефект только на одном валу. На практике чаще всего этот дефект имеет место на двух валах, поэтому в спектре вибросигнала присутствуют боковые гармоники как от одного вала, так и от другого. В этом случае вид спектра еще более усложняется не только самими боковыми гармониками, но и частотами «взаимных биений» двух семейств гармоник, входного и выходного валов. Эти частоты образуются как суммы и разности тех или иных гармоник. Это выражается в присутствии новых боковых гармоник, удаленных от пика гармоники частоты зубозацепления на величину dF, равную сумме или разности частот вращения входного и выходного вала. В приведенном примере это частоты кратны 20 и 40 Гц.

При одновременном наличии на спектре вибрации боковых гармоник сразу от двух валов  наиболее дефектным следует признавать тот вал, боковые гармоники которого больше по своей амплитуде и мощности. При использовании кепстрального анализа, этому соответствует большая амплитуда гармоники с периодом времени, соответствующим времени одного оборота наиболее дефектного вала.

Приведенные выше два спектра вибрации зубозацепления соответствуют двум стадиям развития дефектов. В первом случае мы имеем дело с примерно начальной стадией общего износа рабочей поверхности зубозацепления входного вала. Второй спектр соответствует более сильной степени износа выходного вала. В обоих случаях непосредственно сам дефект распределен не равномерно по всей окружности шестерен, а сосредоточен только в районе нескольких сильно изношенных зубцов, имеет узкую локализацию в определенных зонах. Признаком этого является наличие явно выраженных боковых гармоник, а не наличие общего монотонного поднятия на спектре.

Еще раз следует сказать, что очень часто дефект зубчатой передачи лучше всего диагностировать не по величине основного пика частоты зубозацепления, а именно по боковым гармоникам и «белому шуму», а еще лучше по соотношению их с основной гармоникой. Это объясняется тем, что пик частоты зубозацепления сильно зависит от нагрузки, передаваемой зубчатой парой, а амплитуды боковых гармоник и уровня «белого шума» немного меньше зависит от нагрузки. Соотношение же амплитуд диагностических боковых гармоник и «белого шума», с величиной основной гармоники зубозацепления, зависит от нагрузки редуктора в еще меньшей степени.

3.2.5.4. Эксцентриситет шестерни

Сравнительно частой причиной повышенной вибрации зубчатых пар является дефект, который, условно говоря, можно назвать «эксцентриситет шестерни». Под таким дефектом следует понимать неправильную посадку зубчатого венца на вал, или изгиб вала шестерни, или непараллельность валов зубчатой пары, или же какой-либо другой дефект, приводящий к эксцентриситету зубчатого венца шестерни относительно истинного центра вращения зубчатого вала.

Похожую спектральную картину распределения гармоник в спектре может дать и значительное увеличение зазоров в опорных подшипниках зубчатого вала, когда за счет усилий зубозацепления или иных причин происходит значительное смещение и вибрация вала относительно идеальной, расчетной оси вращения. Т. е. в конечном итоге и этот дефект можно, условно конечно, принять за эксцентриситет шестерни.

На спектре вибрации такой дефект, вне зависимости от первопричины его возникновения, проявляется в виде совокупности достаточно большого количества боковых гармоник вблизи частоты зубозацепления, всегда более четырех. Достаточно часто общее количество боковых гармоник может быть очень большим, до нескольких десятков, причем амплитуда этих боковых гармоник может изменяться по неподдающемуся анализу закону. Все боковые полосы разделены друг от друга, и от частоты зубозацепления, на частотный шаг, равный оборотной частоте вала с дефектной, эксцентричной шестерней. Эту особенность мы только что рассматривали выше.

Часто на спектре виброскорости при таком дефекте создается впечатление, что вершины амплитуд боковых гармоник «модулированы» каким - то колебанием другой частоты, причина которой неизвестна. Вершины боковых гармоник образуют что - то вроде колебаний поверхности моря. Как мы уже говорили, искать закономерность изменения амплитуд очень сложно, а точнее говоря невозможно.

Причина такого возникновения такого спектра вибросигнала достаточно проста и понятна – все определяется стандартной спектральной картиной проявления дефекта, который мы называем «механическим ослаблением». Именно этот дефект многократно увеличивает количество гармоник на спектре вибрационного сигнала. Происходит «перемножение» дефектов друг на друга, дефект зубчатой пары умножается наличием механических ослаблений в опорных подшипниках редуктора, взаимная модуляция, что и приводит к очень большому усложнению спектра.

В таких условиях иногда достаточно трудно выявить первопричину вибрации, определить основной, наиболее опасный дефект зубчатой пары. Приходится идти по пути выявления максимальных для каждого дефекта гармоник, принимать решение на основе их анализа. Эффективно применение кепстрального анализа.

Рис. 3.2.5.3. Спектр вибрационного сигнала зубчатой пары при наличии увеличенного зазора в опорном подшипнике скольжения Для примера, на рисунке 3.2.5.3. показан спектр вибрационного сигнала, зарегистрированный на опорных подшипниках выше описанной условной зубчатой пары. В этой зубчатой паре, кроме износа, как мы уже говорили, имеется еще и дефект подшипника скольжения - у него за счет износа увеличен зазор.

Приведенный на рисунке спектр является «очень коварным», если так можно говорить, для практического диагноста. В этой спектральной картине вибрации зубчатой пары  можно при желании найти практически любой возможный механический дефект и, наверное, весьма убедительно доказать его явное наличие.

На самом деле здесь имеет место только один дефект подшипника входного вала - шестеренный эксцентриситет. Спектр вибрации за счет увеличенной подвижности входного вала, относительно идеальной оси вращения, за счет частых и непериодических ударов, приобретает столь замысловатую картину, что диагностика превращается в настоящее искусство. Нужен хороший практический опыт диагноста, чтобы правильно идентифицировать дефект, и, что является в этом случае еще более важным, нужна большая осторожность в диагнозах.

Следует отметить самое главное, понятное, и очевидное по итогам диагностики заключение, сделанное на основе анализа такого спектра:

  • Четко видно, что дефект расположен на входном валу, так как шаг по частоте боковых гармоник равен частоте входного вала мультипликатора - 10 Гц.
  • Диагностируемый дефект зубчатой пары вступил в стадию сильного развития - амплитуды боковых гармоник достаточно велики.
  • Мультипликатор нуждается в остановке, а его входной вал и все что к нему относиться требуют тщательного осмотра, ревизии, и вероятнее всего в ремонте, или даже в замене.

Если практический диагност сделает заключение о необходимости остановки мультипликатора по текущему техническому состоянию, то он будет абсолютно прав. Здесь, как и во всей вибрационной диагностике состояния вращающегося оборудования, основным вопросом является возможность дальнейшей эксплуатации, а не скрупулезность поставленного диагноза, которая, мы еще раз повторим это, и невозможна из-за неоднозначности имеющейся спектральной картины.

3.2.5.5. Расцентровка с зубчатой передачей

Особенности работы зубчатых пар редукторов и мультипликаторов накладывают специфические признаки на вибрационное проявление ряда других дефектов, достаточно часто встречающихся на практике. Для примера рассмотрим влияние проблем зубчатой пары редуктора на диагностику такого дефекта, как расцентровка.

При расцентровке редуктора или мультипликатора, например, с приводным двигателем, или с исполнительным механизмом, изменяется спектральная картина не только первых трех оборотных гармоник частоты вращения входного вала зубчатой пары, которые обычно являются наиболее характерными признаками расцентровки, но и появляются специфические гармоники от частоты зубозацепления FZ.

Рис. 3.2.5.4. Спектр вибрационного сигнала при комплексном дефекте зубчатой пары редуктора и расцентровкой редуктора относительно приводного электродвигателя Практически так же, как и при обычной расцентровке, на спектре возрастают вторая, а иногда и третья гармоники оборотной частоты вращения вала (приводного двигателя и входного вала редуктора), на спектре вибросигнала зубчатой пары появляется вторая, а иногда и третья, гармоники частоты зубозацепления- 2хFZ и 3хFZ.

При использовании в диагностических правилах информации об этих гармониках частоты зубозацепления, существенно повышается достоверность диагностики расцентровки.

На рисунке 3.2.5.4. показан спектр вибрации зубчатой передачи (редуктора) с расцентровкой с присоединенным к редуктору механизмом. На нем хорошо видна характерная вторая и третья гармоники оборотной частоты вала, являющаяся «стандартным диагностическим признаком» расцентровки валов двух механизмов.

На приведенном спектре также хорошо видны первая и вторая гармоники частоты зубозацепления, окруженные боковыми гармониками частоты входного вала. Происходит наложение двух дефектов, на картину расцентровки накладывается вторая гармоника зубозацепления. После устранения расцентровки вторая гармоника частоты зубозацепления также исчезает, как и вторая гармоника оборотной частоты вала.

На приведенном рисунке 3.2.5.4. спектре вторая гармоника частоты зубозацепления больше первой, что бывает в практике достаточно часто. Бывают случаи, когда в спектрах вибросигналов присутствует и третья гармоника зубозацепления, причем именно она может являться самой большой по амплитуде.

Данный дефект описан здесь потому, что он носит, в основном, методический характер, т. к. демонстрирует, что не только оборотная частота ротора модулирует боковые полосы вблизи частоты зубозацепления. «Механические гармоники» от расцентровки также могут модулировать частоту зубозацепления, приводя к появлению гармоник с более высоким номером.

3.2.5.6. Треснутый ( сломанный ) зуб

Это серьезный дефект зубчатой передачи. На спектре вибрации  зубчатой пары с треснутым зубом, иногда даже и при наличии выломанного зуба, будет очень много разных гармоник. В чистом виде сам такой дефект определить по спектру вибросигнала достаточно трудно, т. к. спектр будет перегружен несинхронными гармониками, и гармониками, свойственными механическому ослаблению. По спектру вибрационного сигнала хорошо видно, что состояние редуктора неудовлетворительное, но саму причину ухудшения состояния дифференцировать достаточно сложно.

Рис. 3.2.5.5. Временной сигнал вибрации зубчатой пары с развитым дефектом одного зуба шестерни входного вала Состояние же зубчатой пары с таким дефектом является очень тревожным, можно сказать очень опасным. Диагностика облегчается тем, что такой дефект уже приводит к значительному увеличению общего уровня вибрации на редукторе. При невысоких скоростях вращения валов удары о дефектный зуб будут слышны очень явственно и без приборов, и могут быть выявлены при помощи прослушивания.

Помощь в диагностике такого дефекта может оказать анализ формы временного вибросигнала. В редукторе с подозрением на такой дефект необходимо зарегистрировать и просмотреть форму временного сигнала вибрации зубчатой пары. Если действительно будет иметь место такой дефект, то временной сигнал, в размерности виброскорости, будет иметь примерно такой вид, как это показано на рис. 3.2.5.5.

На временном сигнале хорошо видны периодические удары, следующие с интервалом времени в 0,1 сек, т. е. с частотой вращения входного вала редуктора, которая равна 10 Гц (F=1/Т ).

При таком виде временного сигнала следует очевидно предполагать значительный дефект одного из зубцов входного вала редуктора. Это как, минимум, трещина или скол на рабочей поверхности зуба. Редуктор нуждается в срочной останове и разборке для проверки его технического состояния.

При рассмотрении только спектра вибросигнала поставить такой диагноз более сложно.