Обзор вибрационных методов и технических средств, предназначенных для диагностики подшипников качения

Вибрационная диагностика подшипников качения является одной из наиболее важных практических функций службы диагностики. По этой причине правильный выбор оборудования для этой цели во многом определяет эффективность и значимость диагностической службы предприятия. В данном обзоре мы кратко рассмотрим достоинства и недостатки различных методов контроля подшипников качения, а также технические средства, реализующие эти методы диагностики. Мы надеемся, что такой подход позволит пользователям более осознанно выбирать необходимые технические средства диагностики подшипников качения, соответствующие существующим практическим задачам.

Диагностика подшипников качения по спектру огибающей вибросигнала

Это один из наиболее сложных методов диагностики подшипников, если сравнивать их между собой с точки зрения трудоемкости математической обработки и физической интерпретации получаемых результатов.

Метод базируется на двух достаточно простых предпосылках. Во-первых, в зависимости от того, на каком элементе подшипника качения появился дефект (внутренняя и внешняя обойма, тела качения, сепаратор), частота следования ударов в сигнале (периодичность "обкатывания" дефекта при работе подшипника), будет изменяться. Эта частота однозначно связана с геометрическими размерами подшипника и частотой вращения поддерживаемого ротора. Во-вторых, после каждого удара в подшипнике будут возникать свободные затухающие колебания, длящиеся достаточно длительное время. Эти колебания должны быть широкополосными, занимать широкий диапазон частот, что необходимо для отстройки метода от помех при помощи перестраиваемых полосовых фильтров.

Реально, обработка вибросигналов производится следующим образом. При помощи полосового фильтра (аналогового или цифрового) из всего сигнала выделяется узкий диапазон частот. При этом вопрос о конкретном выборе нужной полосы частот отдается "на откуп" пользователю, что сразу же затрудняет работу даже специалисту средней квалификации, не говоря уже о начинающих. Полученный сигнал детектируется цифровым детектором (строится огибающая сигнала), а от нее берется обычный спектр.

Результирующий диагноз о состоянии подшипника делается на основании анализа соотношения амплитуд "подшипниковых" гармоник в спектре огибающей сигнала. Важно четко понимать то, что полученный спектр строится не по всему сигналу, а только по его узкополосной выборке. Поэтому амплитуды гармоник приводятся не в "точных" значения виброускорения, а в единицах относительной модуляции сигнала. Это также существенно усложняет интерпретацию результатов и итоговую диагностику.

Кроме вышеперечисленных недостатков у данного метода есть еще один весьма существенный недостаток, затрудняющий корректное определение остаточного ресурса подшипника. Если дефект возникает на обойме подшипника, а это случается наиболее часто, то на первом этапе его развития наблюдается пропорциональный рост вибрационных признаков. На некотором этапе развития дефекта начинается такой процесс, когда по спектру огибающей сигнала признаки развития дефекта (уровень модуляции сигнала подшипниковыми гармониками) начинает снижаться. Дефект разрастается, а диагностика дает улучшение состояния подшипника. Через некоторое время это "улучшение состояния подшипника" прекращается и восстанавливается пропорциональность между степенью развития дефекта и его признаками в спектре огибающей. Наиболее неприятным здесь является то, что эта "аномальная зона диагностики" может занимать до половины общего времени от момента возникновения дефекта до выхода подшипника из строя. Физическая картина этого явления достаточно проста. На первом этапе развития дефекта обоймы вся энергия удара возникает в зоне контакта одного тела качения с зоной дефекта. По мере разрастания зоны возникает такая ситуация, что тело качения проходит зону дефекта, но сила удара уменьшается за счет того, что в это время ротор опирается на два других тела качения, расположенные с двух сторон зоны дефекта. Поскольку они обкатывают обойму вне зоны дефекта, сила удара уменьшается и может, что наблюдается на практике, снизится в два - три раза. Результат этого понятен - система диагностики дает пропорциональное улучшение состояния подшипника качения.

Все вышеперечисленные сложности применения данного метода диагностики (плюс большие сложности, возникающие при задании порогов состояния подшипника по уровню модуляции) существенно ограничивают сферу применения спектра огибающей вибросигнала. Его основное назначение - контроль состояния наиболее ответственных и дорогих подшипников. Только для них можно провести весь комплекс мероприятий, связанных с периодическим, достаточно частым контролем, а также с определением корректных норм и порогов состояния. Для массового обследования большого количества подшипников метод малопригоден, т. к. позволяет уверенно выявлять дефекты подшипников только на достаточно поздних этапах их развития. На начальных и "средних" фазах развития дефектов достоверность получаемых диагнозов уменьшается до 30 - 50 %, чего явно недостаточно.

Для реализации диагностики подшипников качения по спектру огибающей может быть применен анализатор вибросигналов, в котором реализованы функции полосовой фильтрации, детектирования и получения спектра огибающей вибросигнала. Таких приборов на нашем рынке представлено достаточно много. Это и приборы "СД-11", "СД-12" компании "ВАСТ", приборы "ТОПАЗ" и "АГАТ" компании "ДИАМЕХ", это и приборы производства нашей компании "Диана-2" и "Диана-8" и еще ряд приборов. Больших принципиальных различий между этими приборами нет, для диагностики подшипников качения они все пригодны. Некоторые особенности этих приборов влияют на их использование для диагностики тихоходных подшипников, но это вопрос более подробно рассмотрен в другом разделе данного обзора.

Методическими вопросами практического применения метода диагностики подшипников качения по спектру огибающей занимаются не все наши отечественные компании. Наиболее активно внедрением этого метода занимается компания "ВАСТ", успешно применяют его компании "ПРОМСЕРВИС", "ДИНАМИКА". Некоторые разработки этого метода ведутся нашими сотрудниками, в основном это касается созданием станков входного контроля подшипников качения. В них этот метод используется в качестве вспомогательного, уточняющего диагноз, полученный другими методами вибрационного контроля.

Диагностика подшипников качения по спектру вибросигнала

В этом методе предполагается использовать для диагностики дефектов подшипников "обычные" спектры вибросигналов. Выполнено достаточно много практических исследований, которые вполне убедительно (внешне) показали возможность применения такого подхода. При внимательном рассмотрении представленных результатов достаточно хорошо видно, что достоверная диагностика этим методом получается в том случае, когда дефект достаточно сильно развит. В основном это происходит тогда, когда остаточный ресурс подшипника составляет 20 - 40 %, а оставшийся срок службы редко превышает несколько недель или месяцев.

Практическое применение данного метода является еще более сложным, чем использование метода диагностики по спектру огибающей. Проблема заключается в том, что в "классическом" спектре вибрации дефектного подшипника очень трудно определить амплитуду "подшипниковых гармоник", обычно в спектре вибросигнала их просто нет. Именно процедуры полосовой фильтрации, детектирования и получения спектра огибающей предназначены для выявления в сигнале подшипниковых гармоник. В "классическом" спектре появление и развитие дефектов подшипников приводит к появлению некоторых достаточно высокочастотных зон (одной или нескольких), в которых спектр "приподнимается". В этих зонах есть хаотически расположенные пики, частотам которых не удается придать осознанный физический смысл. Расположение этих "зон поднятия спектра" не поддается точному описанию, подшипники одной марки дают поднятия в разных зонах, особенно хорошо это видно в оборудовании различной конструкции, или даже одной конструкции, но в разных условиях настройки и даже разных режимах работы. Поиск и идентификация этих зон - абсолютно творческий процесс, который не удается формализовать.

Причина такого проявления дефектов подшипников в спектре становится понятной, если определиться с тем, какие гармоники в нем отображается. Основной вес в спектре имеют гармоники тех частот, на которых вибрируют элементы конструкции оборудования после ударов в подшипнике - свободные резонансные частоты. Очень важно понимать, что в "обычном" спектре видны не частоты следования ударов в подшипнике, а колебания после этих ударов. Не нужно дополнительно пояснять, что эти частоты зависят от очень большого количества параметров, в перечне которых если и можно поместить дефекты подшипников качения, то только в самом окончании, и то только как просто возбуждающие вибрации удары. Почему в спектре не видны подшипниковые гармоники, читатель может определиться сам, если учтет, что исходный сигнал симметричен относительно оси времени.

Для диагностики дефектов подшипников по "классическому" спектру может быть применен любой анализатор сигналов, работающий в диапазоне до 5000 герц. Это связано с тем, что зоны поднятия спектра могут находиться в диапазоне часто от 500 до 5000 герц. Других требований к анализатору вибросигналов не предъявляется. Теоретическими и методическими вопросами этого метода серьезно никто не занимается.

Сравнение мощности сигнала в двух частотных диапазонах

Этот метод сравнительно недавно начал применяться на практике, есть даже некоторая печатная информация и несколько сообщений на конференциях об особенностях его применения. По мере разработки этого метода он, очевидно, займет свое прикладное место.

Физический смысл метода достаточно прост. Рассчитывается мощность вибросигнала в двух фиксированных диапазонах частот, например, до 1000 герц и выше 14000 герц. Критерием технического состояния подшипника качения является соотношение этих рассчитанных мощностей (СКЗ). Вполне очевидно, что при появлении дефектов будет возрастать высокочастотная составляющая мощности, и чем больше (до определенного соотношения, но это уже предмет более серьезного рассмотрения) относительная мощность высокочастотных колебаний, тем сильнее развит дефект подшипника. Низкочастотный диапазон обычно рассматривается стандартный, от 10 до 1000 герц. Выбор высокочастотного диапазона, в котором рассчитывается мощность, авторами рассматривается по разному, но диапазон частот от 14 до 28 Кгц предлагается чаще всего.

Метод представляется авторами как полностью готовый к применению, но на самом деле пока это невозможно по двум причинам.

Первая причина связана с методикой проведения измерений - не следует считать, что метод легко реализуем на практике. Специалистам хорошо известно, что магнитное крепление датчика позволяет пропускать через себя частоты до 7 кГц, и то в идеале, при установке магнита на шлифованную поверхность. Реально все обстоит гораздо хуже, даже тонкий слой краски, небольшая неровность, искажают мощность высоких частот в несколько раз. Реально, при помощи магнитного крепления (про щуп даже не идет речь, там "проходит" всего 2 кГц) частоты выше 5 кГц с приемлемой точностью измерить нельзя. Даже частоты в 10 кГц, как учат учебники, можно измерить только с применением шпильки и пчелиного воска, используемого в качестве заполнителя неровностей. Как измерить частоту в 20 кГц - это вообще проблема. В наших экспериментах мы получали те значения, которые "хотели получить". Следовательно, метод может быть применен только там, где на контролируемых подшипниках проведена соответствующая, достаточно тщательная подготовка мест установки вибродатчиков.

Вторая причина носит технический характер, в настоящее время практически отсутствуют приборы для широкого практического применения этого метода. Компания "ДИАМЕХ", активно внедряющая этот метод, утверждает, что можно использовать универсальный прибор "КВАРЦ", в программное обеспечение которого уже введены соответствующие изменения. Это заявление носит спорный характер. Если максимальная частота регистрации, необходимая для данного метода, составляет 30 кГц, то время непрерывной регистрации сигнала составит 0,05 секунды (все теоретические выкладки мы здесь пропускаем). Если считать, что за это время ротор (подшипник) должен совершить два оборота, то получим, что минимальная частота вращения подшипника, при которой возможна достоверная диагностика, составит 2400 оборотов в минуту. Реально, с прибором "КВАРЦ" можно, данным методом, диагностировать подшипники с частотой вращения 3000 оборотов в минуту, и только. Более подробно объяснение этого приведено в разделе "диагностика тихоходных подшипников".

Если использовать анализаторы вибросигналов с максимальным количеством линий в спектре 3200 ("СК-2300", "Диана-2М"), то можно диагностировать подшипники до 1500 оборотов в минуту. Если взять прибор с 6400 линиями в спектре ("Диана-8"), то можно диагностировать подшипники до 600 оборотов в минуту. Максимальный эффект может быть получен при использовании малогабаритных приборов "СК-1100" и "Диана-С", последний из которых, практически, пригоден для диагностики подшипников с любой частотой вращения. Естественно, что все эти заключения относятся к случаю применения метода диагностики подшипников качения сравнением СКЗ в двух частотных диапазонах.

Диагностика подшипников по соотношению СКЗ и пиков в вибросигнале

Этот метод имеет несколько модификаций и наименований, в зависимости от того, какая компания его доводила до практического внедрения. Мы привыкли называть его "методом диагностики с использованием пик - фактора", как это делает компания "Брюль и Къер".

Физическая основа метода проста - проводится сравнение СКЗ вибросигнала со значением амплитуд пиков. Чем больше пиковое значение превышает величину СКЗ, т. е. чем больше относительная амплитуда пиков вибрации - ударов, тем сильнее в подшипнике развит дефект, тем он опаснее. Метод достаточно прост, но при правильной реализации технических средств он является очень чувствительным, превышающим по своим параметрам все выше описанные методы.

Обычно этот метод реализуется в виброметрах, наиболее дешевых средствах виброконтроля. В отечественных приборах он реализован только в виброметре "Vibro Vision", нашего производства, в приборе "ПИОН" производства компании "ТИК". Цена этих приборов составляет менее $500. Возможно, что метод реализован и в других приборах, просто мы не обладаем такой информацией. Компании-разработчики могут прислать нам свою информацию, и мы вставим ее в наш обзор. Такие свойства имеются в некоторых анализаторах вибросигналов, например "КВАРЦ", "Диана-2М" и т. д. Но эти приборы уже находятся в другой ценовой нише и требуют для своего применения подготовленных специалистов.

Акустическая диагностика подшипников качения

В данный термин вкладывается двойной смысл. С одной стороны, это следует понимать как диагностику с использованием свойств человеческого уха. Такая диагностика применяется на практике и часто очень эффективна, но, поскольку она не требует технических средств, рассматривать ее мы не будем. С другой стороны, имеется несколько импортных приборов ультразвукового контроля подшипников качения, с помощью которых получаются неплохие результаты. Российские же компании не выпускают таких приборов, поэтому и этот вопрос мы рассматривать не будем, нечего сравнивать и не из чего выделять лучшее.

Диагностика подшипников по "интенсивности" вибрационных колебаний

Исторически этот метод применяют заводы - изготовители подшипников. Метод имеет две разновидности. В первой просто определяется интенсивность вибрации подшипника на испытательном стенде (измеряется обычно в децибелах). Чем выше вибрация, тем подшипник хуже. Во второй модификации метода весь диапазон частот разделяется на три, в каждом из которых рассчитывается интенсивность вибрации. Критерий технического состояния тот же - чем выше интенсивность вибрации, особенно в высокочастотной зоне, тем подшипник хуже. Сразу же отвечаем на вопрос, где взять эти критерии - взять их негде. Нужно нарабатывать их самим на каждый тип подшипника.

Метод диагностики подшипников качения несколько устаревший, но очень понятный по своей трактовке получаемых результатов. Развитием этого метода является тот, который мы описали в нашем обзоре третьим. Для данного метода технически пригодны любые анализаторы вибросигналов, работающие в диапазоне до 5 - 10 кГц.