Особенности диагностики тихоходных подшипников качения

Одной из серьезных проблем вибрационной диагностики является определение технического состояния подшипников качения, поддерживающих тихоходные валы. Такой тип оборудования, имеющий невысокую частоту вращения рабочего и промежуточных валов, встречается достаточно часто. Во многих случаях безаварийность его работы, почти полностью определяемая состоянием подшипников качения, влияет на весь технологический процесс установки, агрегата, цеха. В данном разделе делается попытка определить требования к анализаторам вибросигналов, способных решить эту проблему - диагностировать тихоходные подшипники.

При обкатывании телами качения механических дефектов на обоймах подшипника, как и при дефектах на самих телах качения, в подшипнике возникают специфические вибрационные процессы. Причиной возникновения колебаний является единичное импульсное возбуждение. Хорошо понятным аналогом этого импульсного возбуждения является удар при прохождении стыка двух рельс колесом вагона движущегося поезда. В этом аналоге колесо вагона является телом качения, а стык - дефектом на внешней обойме подшипника. Время действия возбуждающего усилия очень мало и составляет чаще всего доли или единицы миллисекунд.

Каждое импульсное усилие от дефекта возбуждает в элементах подшипника и в элементах механической конструкции агрегата свободные затухающие колебания на частотах собственного резонанса элементов. 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 практически мало зависят от частот вращения самих подшипников, т. к. свободные колебания механической конструкции от импульсного возбуждения определяются только резонансными свойствами самой конструкции. С какой бы частотой не наносились удары по подшипнику (рельсу, колоколу, конструкции), 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 регистрируемых свободных колебаний не опускаются ниже нескольких сотен герц. Частота следования импульсных ударов от дефектов в подшипнике может снижаться до единиц и долей герца, но нужно всегда помнить, что при помощи виброанализатора регистрируется частота свободных колебаний. Говоря аналогиями, мы должны регистрировать не частоту ударов по рельсу, а частоту свободных колебаний рельса, возникающих после удара по нему!

Требование № 1 к анализаторам вибросигналов

Из сказанного выше вытекает очень важное следствие. 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, примерно, значением в 100 герц, что допускает применение практически любых виброанализаторов и датчиков. Достаточно даже стандартного (для СКЗ) минимального значения частоты в 10 герц. Верхняя граница регистрируемых сигналов должна быть не менее 2 килогерц, хотя, чаще всего, может быть будет хватать и одного килогерца. Никаких низкочастотных датчиков с нижней частотой в доли герц не требуется. Виброанализатор с датчиками, работающими в диапазоне частот 5 - 5000 герц идеально подходит для диагностики низкооборотных агрегатов, имеющих в своем составе подшипники качения.

Вторым диагностическим параметром вибрации, возникающим от дефектов подшипника качения, является частота повторения ударов от дефектов подшипника качения. Наличие стационарного дефекта предполагает следование ударов через повторяющиеся промежутки времени. Длительность этих интервалов времени зависит от соотношения геометрических размеров подшипника. В среднем можно считать, что минимальное значение частоты следования ударов, возникающих при дефектах сепаратора подшипника, чуть больше 0,4 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 (так тоже бывает при измерениях) 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 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 формулирует некоторые необходимые параметры приборов регистрации вибрации. Для подшипников с высокой частотой вращения эта проблема не стоит, т. к. при частоте вращения 50 герц (3000 оборотов в минуту) регистрация процессов в течение 10 оборотов занимает 0,2 секунды. При частоте же вращения вала в 1 герц (60 оборотов в минуту) это время составит уже 10 секунд.

Требование № 2 к анализаторам вибросигналов

Для диагностики подшипников качения с малой частотой вращения подходят только те приборы, которые могут проводить регистрацию сигналов в течение длительного интервала времени. 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 требование гласит о необходимости увеличения длины выборки, что, при прочих равных условиях, достигается при уменьшении частоты регистрации сигналов. Единственный способ объединить первое и второе требования - использовать прибор с большой оперативной памятью, позволяющей регистрировать длинные выборки - сигналы с высокой частотой в течение длительного времени.

При создании каждого прибора разработчики закладывают в него регулируемую пользователем длину выборки, которая имеет некоторое фиксированное предельное значение. Это значение может быть равным, например, 2048 отсчетов, 4096, 8192 или даже 16384 отсчета (это реальные параметры наиболее широко распространенных приборов виброконтроля). Такие, на первый взгляд, "некруглые цифры" обусловлены применяемым в приборах алгоритмом БПФ (Быстрое Преобразование Фурье). Более понятным для пользователей приборов, не занимающихся теоретическими вопросами, является другой параметр, называемый максимальным количеством линий в спектре. Оно показывает, с каким максимальным частотным разрешением может быть получен спектр в данном приборе. Эта величина может равняться 800, 1600, 3200 и 6400, что полностью связано с выше приведенным максимальным количеством отсчетов в цифровой выборке. При 4096 отсчетах в спектре будет 1600 линий, при 8192 отсчетах в спектре будет 3200 линий и т. д.

Делая достаточно простые расчеты можно определить, до каких максимально низких частот вращения подшипников пригодны те или иные анализаторы. Расчет строится в виде зависимости максимально низкой частоты контролируемых подшипников от числа линий в спектре, предполагая непрерывную регистрацию в течение 10 оборотов вала. Максимальная частота вибросигналов в спектре принята равной двум килогерцам, что конечно несколько маловато, но в противном случае получаются еще более удручающие цифры. Ниже приводятся соотношения вида "Максимальное количество линий в спектре" - "минимальная частота вращения контролируемого подшипника". Вполне понятно, что расчет строился на основе максимального количества отсчетов в приборе:

  • При 800 линиях - 1200 оборотов вала в минуту
  • При 1600 линиях - 600 оборотов вала в минуту
  • При 3200 линиях - 300 оборотов вала в минуту
  • При 6400 линиях - 150 оборотов вала в минуту

Данные соотношения приведены в предположении, что мы хотим диагностировать все возможные дефекты подшипника, включая самый низкочастотный, связанный с сепаратором. Именно в этом случае имеют место наиболее жесткие требования к анализатору. Если исключить из предполагаемого диагноза проблемы сепаратора, то приведенные выше данные станут более "приятными". Ниже приведены такие данные, полученные из условия, что мы должны непрерывно зарегистрировать только два оборота контролируемого вала.

  • При 800 линиях - 240 оборотов вала в минуту
  • При 1600 линиях - 120 оборотов вала в минуту
  • При 3200 линиях - 60 оборотов вала в минуту
  • При 6400 линиях - 30 оборотов вала в минуту

Еще раз хочется подчеркнуть, что в таком режиме мы не можем диагностировать дефекты сепаратора подшипника, значение которого для тихоходных подшипников достаточно велико.

В литературе имеются утверждения, что положительные результаты диагностики тихоходных подшипников тем или иным прибором были получены и при более низких значениях частот вращения. Хочется в этом случае предложить нашим оппонентам попытаться сделать более простую работу, например, составить расписание движения автобусов, которые проходят рядом с Вашим домом примерно через один час, выйдя один раз на остановку всего на 15 минут. Тут уже ничего точного не будет, наукой, научной диагностикой, говоря совсем просто, здесь уже и "не пахнет".

Данная связь параметров прибора с диапазоном частот вращения контролируемого оборудования достаточно хорошо осознается разработчиками практически всех "иностранных компаний", у которых 3200 линий в спектре давно уже минимально возможное значение. Много выпускается приборов с 6400 и даже с 12800 линиями.

У приборов отечественной разработки ситуация несколько иная. Наибольший парк составляют приборы с 1600 линиями в спектре. Причем компании-изготовители таких приборов, оснастив их низкочастотными датчиками, предлагают пользователям заняться диагностикой тихоходного оборудования. Обоснованием такой рекомендации служит простой постулат: если датчик имеет граничную частоту в 0,4 герца, то с его помощью можно диагностировать подшипники с частотой вращения 0,4 герца, или 20 оборотов в минуту. При этом то, что максимальная длительность выборки в приборе составляет всего 4096 отсчетов (1600 линий в спектре), в этой рекомендации никак не рассматривается. Прибор оказывается ни при чем, главное в другом - есть низкочастотный датчик - успех гарантирован. Хотя мы уже показали выше, что прибор с 1600 линиями в спектре пригоден только для диагностики подшипников качения с частотой вращения не ниже 600 оборотов в минуту. Минимальный диапазон рабочих частот контролируемых подшипников оказывается заниженным с реальных 600 оборотов в минуту до 20, т. е. в 30 (!) раз. Примером такого некорректного подхода к диагностике тихоходного оборудования является рекламная информация по прибору "АГАТ" компании "ДИАМЕХ", в которой прибор предлагается для диагностики тихоходных подшипников качения. Здесь же приводится информация о спектральном разрешении прибора, равная 800 линий. Как показано выше, при таком разрешении минимальная частота вращения контролируемого ротора равняется 1200 оборотов в минуту.

В наиболее лучшем положении находятся те изготовители приборов, которые используют в качестве регистратора компьютер. У них нет "физических" ограничений с памятью (кроме искусственно созданных ими самими), поэтому такие приборы пригодны для диагностики достаточно тихоходных подшипников. Это приборы компаний "ИНКОТЕС", "МЕРА", "Л-КАРД", "Вибро-Центр" и т. д. Недостаток этих приборов понятен - они громоздки и не очень удобны для работы в полевых условиях, когда необходимо проводить диагностику многих подшипников в течение короткого времени.

Из переносных приборов следует отметить приборы СК-2300 (виброанализатор), и СК-1100 (малогабаритный сборщик) разработки компании "ОРГТЕХДИАГНОСТИКА". Если первый прибор имеет хорошее разрешение в 3200 линий, то во втором, являющемся сборщиком вибросигналов, длительность непрерывной выборки может составить до 64 тысяч отсчетов, чего достаточно практически для всех случаев диагностики подшипников качения. Недостаток малогабаритных сборщиков (а может это и достоинство?) заключается в том, что обработку информации необходимо проводить на компьютере.

Переносные приборы с хорошим частотным разрешением выпускает и наша компания. Это двухканальный прибор "Диана-2М" (3200 линий в спектре) и восьмиканальный "Диана-8" (6400 линий в спектре). Мы производим малогабаритный сборщик вибросигналов "Диана-С", позволяющий регистрировать очень длинные выборки до 200 тысяч отсчетов. Говоря образно, этот прибор максимально ориентирован на диагностику тихоходных подшипников.

Весьма эффективны для диагностики подшипников качения, условно говоря, простые приборы, базирующиеся на использовании не сложных алгоритмов типа "спектр огибающей вибросигнала", а простых признаков дефектов, например, "пик-фактор", "эксцесс" и т. д. Однако при выборе этих приборов, оценке их применимости для тихоходных подшипников следует четко понимать следующее. Если выбираемый Вами прибор не использует внутри себя сложную цифровую обработку сигналов (расчет на основе спектров и т. д.), то все вышеперечисленные требования его не касаются. Обычно это самые простые и дешевые приборы. Если же интересующие Вас функции реализованы на основе какого-либо анализатора вибросигналов, и, как говорят разработчики, даны Вам для расширения функций прибора, то все вышеперечисленные проблемы с длиной выборки и частотным разрешением остаются.