English
3.1.2. Диагностика дефектов подшипников скольжения
Русов В.А.
"Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам" 2012 г.
3.1. Диагностика дефектов уровня «подшипник»
Подшипники скольжения являются неотъемлемой частью многих крупных, и очень ответственных агрегатов, широко применяются в энергетическом оборудовании, мощных насосах, компрессорах, электродвигателях и т. д.
При кажущейся внешней простоте конструкции, а подшипник скольжения состоит всего из трех элементов - из антифрикционного вкладыша, части поверхности вала – подшипниковой шейки, и слоя масла между ними, на самом деле это сложный и ответственный узел, в котором возможно возникновение опасных дефектов.
С целью обеспечения высокой надежности работы оборудования с подшипниками скольжения, а это обычно самое ответственное и дорогое оборудование, необходимо обеспечивать необходимый уровень мониторинга технического состояния и диагностики возникающих дефектов. Это одна из основных оперативных задач, которые приходится постоянно решать сотрудникам обслуживающего и диагностического персонала предприятия.
Вибрационные методы диагностики и оценки технического состояния подшипников скольжения являются в настоящее время наиболее эффективными и широко распространенными. Они позволяют контролировать техническое состояние подшипников в процессе работы, не прибегая к разборке агрегатов.
3.1.2.1. Общие вопросы диагностики подшипников скольжения
Физические процессы, протекающие в подшипниках скольжения, достаточно сложны, зависят от особенностей конструкции подшипника, а также от соотношения многих внешних и внутренних факторов, определяющих условия работы подшипника.
Все возникающие в процессе эксплуатации подшипников скольжения проблемы состояния, могут быть объединены в три основные группы. Это:
- Проблемы общего технического состояния рабочих поверхностей подшипника скольжения.
- Проблемы, связанные с увеличением или уменьшением величины зазора между галтелью вала и антифрикционным вкладышем.
- Проблемы несущей способности масляного клина, выполняющего функции опорного элемента подшипника скольжения.
Прежде, чем начать обсуждать вопросы оценки технического состояния, и диагностики дефектов подшипников скольжения, необходимо сказать несколько слов об особенностях динамических процессов в них. Это нужно сделать потому, что именно они оказывают основное влияние на особенности протекания вибрационных процессов, сопровождающих работу подшипника скольжения. Без знания этих особенностей невозможно составление корректных диагностических алгоритмов и правил, на основании которых необходимо проводить работы с такими подшипниками.
В первую очередь необходимо определиться с особенностями возникновения и работы масляного клина, поддерживающего вращающийся ротор контролируемого механизма. Несущая способность масляного клина подшипника скольжения, его основной эксплуатационный параметр, является сложной нелинейной функцией от величины зазора между валом и антифрикционным вкладышем. С одной стороны, чем тоньше слой масла между валом и вкладышем, тем выше несущая способность подшипника. Но с другой стороны, чрезмерное уменьшение толщины слоя масла снижает устойчивость подшипника к динамическим нагрузкам, что увеличивает вероятность возникновения механического задевания шейки вала об вкладыш.
Рабочий слой масла в подшипнике качения вполне обоснованно называют масляным клином потому, что на радиальном разрезе подшипника несущий слой масла очень похож на клин, изогнутый вокруг шейки ротора. Толщина рабочего слоя масла в подшипнике является максимальной в месте входа рабочей поверхности вращающегося вала в несущую зону подшипника и минимальна на выходе из нее. Чем больше величина вертикальной нагрузки на подшипник скольжения, тем тоньше становиться рабочий слой масла, несущего радиальную нагрузку, и наоборот.
Такая особенность работы подшипников скольжения может привести к тому, что роторы агрегатов, опирающиеся на такие подшипники, при определенных конструктивных и эксплуатационных условиях, могут потерять устойчивость и перейти в режим автоколебаний в радиальном направлении. Наиболее часто это может произойти при значительном уменьшении нагрузки вала ротора на подшипник, что может являться следствием многих причин. Уменьшение (!) нагрузки на подшипник может перевести его в режим колебаний толщины масляного клина.
Поскольку
этот эффект тоже оказывает влияние на проведение диагностики технического
состояния подшипников скольжения, попробуем немного пояснить причину
возникновения этих автоколебаний, естественно стараясь, по возможности, не
вдаваться при этом далеко в сложные формулы и описания.
На схематическом рисунке 3.1.2.1. представлено поперечное сечение подшипника скольжения, в котором для наглядности показан увеличенный рабочий зазор. Ротор механизма, показанный на рисунке окружностью вращается в зазоре подшипника скольжения в направлении «по часовой стрелке».
Рассмотрим, как нагрузка на подшипник изменять положение ротора в зазоре подшипника. Неподвижный ротор (как и максимально нагруженный ротор) будет находиться в нижнем положении зазора подшипника, а вращающийся абсолютно ненагруженный ротор, теоретически, должен находиться в центре зазора подшипника. Это две крайние точки положения ротора. При изменении нагрузки положение центра вала будет смещаться относительно центра подшипника, будет изменяться рабочий зазор в подшипнике.
При изменении нагрузки на подшипник от нуля, и до предельно допустимой, центр (вращения) ротора опишет траекторию, которую иногда называют линией нагрузки подшипника. Линия нагрузки похожа на дугу, опирающуюся на две крайние точки, выгнутую на нашем рисунке влево. Если изменить направление вращения ротора, то дуга выгнется вправо.
Участок от нижней точки дуги до точки перегиба есть участок устойчивой работы подшипника, когда ответная силовая реакция подшипника на возмущающий импульс нагрузки однозначно соответствует величине возмущающего импульса. Например, при увеличении нагрузки на ротор на «N» процентов рабочая точка подшипника сместится по своей траектории настолько, чтобы несущая способность подшипника выросла также пропорционально. Подшипник адекватно реагирует на все возмущающие воздействия, которые сопровождают работу контролируемого механизма.
На участке от точки перегиба до центра зазора подшипника картина динамических процессов несколько иная. Здесь, при увеличении нагрузки, происходит не только радиальное смещение ротора, но и значительное смещение ротора «вниз», к точке, в которой будет находиться ротор, если его вращение остановить. Вследствие такой траектории движения центра ротора, здесь существует специфический эффект, который можно назвать «перерегулированием» в реакции подшипника на внешние возбуждения. Здесь на единичное увеличение нагрузки на подшипник ротор переместится по траектории на существенно большее расстояние, причем основной составляющей будет угловое, а не радиальное перемещение ротора.
Смысл этой фразы в том, что в ответ на возмущающий импульс, например единичной силы, ответная реакция подшипника может равняться не единице, а, например, двум. Ротор вернется обратно, но «переместится» по траектории дальше, чем нужно. Далее на ротор, «зашедший» за точку равновесия, будет воздействовать импульс от масляного слоя подшипника, но направленный в радиальном направлении. Ротор «приподнимется», и сместится в направлении стандартной траектории, на которую он попадет несколько выше точки установившегося равновесия, соответствующего данной нагрузке на подшипник, и все повториться снова. Результатом этого явления «перерегулирования» может стать бесконечное автоколебание ротора на масляном клине, относительно точки статического равновесия.
Картина этого автоколебания, возникающая обычно при малой нагрузке на подшипник, и вблизи точки перегиба траектории ротора, очень своеобразна и чем - то напоминает попытку выспаться на «не полностью накачанном надувном матраце» человеку с небольшой массой. Происходит «переваливание» человека с одной части матраца на другую. В форме масляного клина появляются, если смотреть в разрезе, своеобразные «волны», перемещающиеся с входа на выход. В конечном итоге такие колебания наводят специфические, достаточно низкочастотные вибрации как в вертикальном, так и в поперечном радиальных направлениях.
Приведенная интерпретация причин возникновения вибрации в масляном клине подшипника скольжения достаточно наивна, и не является физически строгой. Но поскольку она позволяет лучше понять процессы в подшипнике, ее использование, на наш взгляд, вполне оправданно.
Интересным для диагностики является то, что частота этого автоколебания примерно одинакова у всех роторов и обычно составляет примерно 0,42 - 0,48 от оборотной частоты ротора. Именно такое же значение имеет частота, свойственная дефектам сепаратора у подшипников качения. Такое сходство говорит о том, что скорость движения слоя масла, точнее говоря масляных волн, в зазоре подшипника скольжения, практически равна скорости перемещения сепаратора в подшипниках качения. Эта частота есть показатель относительной скорости перемещения масла в зазоре между неподвижным вкладышем и вращающимся ротором. Средняя скорость движения масла в зазоре подшипника, в идеальном случае, должна равняться половине частоты вращения вала. На практике она всегда немного меньше, т. к. имеет место вытекание масла в боковые зазоры подшипника.
Численное значение частоты масляных вибраций в одном и том же подшипнике может меняться в указанном диапазоне 0,42 - 0,48 в процессе изменения состояния элементов подшипника.
Это дает возможность по величине этой частоты косвенно судить об относительном состоянии каждой из рабочих поверхностей подшипника. Если частота масляной вибрации, с течением времени, смещается ближе к 0,5 от оборотной частоты, то, наверное, можно говорить о хорошем состоянии внешней поверхности вкладыша и о худшем состоянии поверхности шейки вала. Масло в большей степени тяготеет к шейке вала и перемещается быстрее обычного.
Если частота масляной вибрации снижается и стремится ближе к величине 0,4 от частоты вращения вала, то тогда все наоборот. Лучшим по качеству является состояние поверхности шейки вала. Масло тяготеет к вкладышу, имеющему поверхностные дефекты, и сильно тормозиться.
В некоторых случаях уменьшение частоты вибрации масляного клина говорит об увеличении зазоров в подшипнике, в основном боковых.
Эти рассуждения о влиянии состояния подшипника на изменение частоты масляной вибрации справедливы достаточно часто, но не всегда. Они приведены здесь для примера, и мы надеемся, принесут пользу читателям при более глубоком изучении вопроса и анализе опыта уже имеющейся практической работы.
При выполнении диагностики подшипника скольжения обязательно следует хорошо знать конструкцию подшипника или, как минимум, спектральную историю развития вибраций на данном подшипнике. Очень нужен здесь практический навык специалиста по вибрационной диагностике.
Для уменьшения вероятности возникновения автоколебаний масляного клина в подшипниках скольжения применяются различные меры, такие как использование подшипников скольжения с вкладышами специальной формы и с секционированными вкладышами, такими как:
- с некруглой формой расточки - лимонной, трехцентровой и т. д.;
- с подвижными секционированными и независимыми рабочими поверхностями - кольцами, вкладышами и т. д.
При наличии секционирования вкладышей в спектре могут появиться вибрации от масляной гармоники, пропорциональные числу сегментов. Диагностирование таких подшипников, конечно, имеет свои отличия, но они не очень значительны. Необходимо просто хорошо изучить конструкцию такого подшипника и у Вас будет достаточно предварительного материала для постановки верного диагноза при помощи спектров вибросигналов.
В общем случае ротор «соприкасается» через масляный клин с вкладышем подшипника не по всей окружности, а на некоторой, не очень большой, дуге в нижней части вкладыша. В результате основные динамические нагрузки действуют на этом участке. Если построить «розу вибраций», то этот контактный участок будет виден достаточно хорошо. Об этом следует помнить при диагностике и этим следует пользоваться при составлении собственных диагностических правил, повышая тем самым информативность диагнозов.
3.1.2.2. Увеличенный зазор в подшипнике скольжения
При монтаже подшипника скольжения всегда тщательно контролируются зазоры со всех сторон вкладыша и галтели ротора, т. к. все они, а не только нижняя часть вкладыша, в той или иной мере участвуют в работе подшипника. Даже зазор в верхней части подшипника важен для стабилизации положения ротора в зазоре подшипника.
В процессе работы из-за естественного износа рабочие зазоры постепенно возрастают, и наступает такой момент, когда это начинает сказываться на состоянии агрегата и, соответственно проявляться в спектре вибрации. Достаточно часто при этом в агрегате должен присутствовать еще один, какой - либо, дефект другой природы возникновения, например небаланс или расцентровка. Этот дефект возбуждает вибрации, которые должны привести к обкатыванию ротора по внутренней окружности подшипника. Не редки случаи, когда зазор увеличен, а в вибрационных сигналах это не проявляется, нет возмущающего воздействия, приводящего к повышению вибрации.
Это может быть возбуждающая сила и другой природы возникновения, например, технологической. Говоря просто, должна быть внешняя сила, которая в определенные фазы вращения будет приподнимать ротор и прижимать его к боковым поверхностям и даже к верхнему вкладышу подшипника, или хотя бы на какую - то долю момента времени разгружать подшипник скольжения.
Спектральная картина последней стадии увеличенного зазора в подшипнике скольжения имеет стандартный вид, свойственный механическому ослаблению. На спектре появляется целая гамма оборотных гармоник с номерами до 8-10, а иногда даже и до 20. Поскольку при увеличении зазора ротор обычно имеет перемещения в вертикальном направлении, дефект проявляется в большей степени в виде повышенных вертикальных вибраций, более значительных по сравнению с поперечными колебаниями. В диагностике этой особенности увеличенного зазора в подшипнике скольжения хорошо помогает проведение кругового замера вибрации, и построение «розы вибраций».
В
некоторых случаях все происходит с точностью до наоборот. Например, при увеличенных
боковых зазорах в подшипнике скольжения может резко возрасти именно поперечная
составляющая вибрации, что так же легко объяснимо - сдвинуть ротор «вбок»
легче, чем приподнять его.
Характерный спектр такого дефекта показан на рис. 3.1.2.2. По внешнему виду этого спектра хорошо видно, что он не имеет существенных отличий от стандартного спектра при дефекте «ослабление механической посадки элемента на вращающемся роторе». Тот же лес целых гармоник оборотной частоты, достигающее число 15 - 20. То же большое количество, хотя и при много меньшей амплитуде, дробных гармоник с кратностью 1/2 от оборотной частоты вращения вала. Глядя на этот спектр следует признать, что этот дефект подшипника скольжения трудно спутать с дефектами другого типа.
Очень своеобразно увеличенный зазор может проявиться в механизмах с наличием собственных частот вибрации, отличных от оборотной. Наиболее наглядно это видно в насосах и редукторах. В этих механизмах, при увеличении зазоров в подшипниках скольжения, очень значительно могут возрасти лопаточная, или зубцовая гармоники. Причина этого достаточно легко объяснима, если представить, например, рабочее колесо насоса как рычаг, один конец которого есть точка "касания лопатки с выступающим элементом улитки", а второй конец закреплен в подшипнике. Увеличение зазора в подшипнике приведет к тому, что удары в первом узле крепления рычага приведут к ударам в подшипнике, и частота этих ударов будет соответствовать лопаточной частоте.
Последнее замечание по диагностике увеличенных зазоров в подшипниках скольжения. Большое число практических специалистов все еще работают с виброперемещением, по спектру которого диагностировать увеличение зазоров в подшипнике скольжения сложнее, чем по спектру виброскорости. Предпочтение в диагностике дефектов подшипников скольжения нужно отдавать использованию виброскорости.
3.1.2.3. Вибрации масляного клина в подшипнике скольжения
Рассмотрим наиболее общие и часто встречающиеся в практике особенности диагностирования вибраций масляного клина в подшипниках скольжения, описанию причин возникновения которой мы уже сделали выше.
Как уже было сказано, очень характерно, что этот дефект проявляется в спектре вибросигнала в виде увеличения амплитуды субгармоники с частотой 0,42 - 0,48 от оборотной частоты вала. Если амплитуда этой субгармоники превышает 50 % от величины первой оборотной гармоники частоты вращения вала, то следует говорить о серьезном характере данного дефекта и об опасном влиянии его на общее состояние агрегата. Цифра приведена при диагностике состояния подшипника по величине виброскорости.
Вибрации масляного клина проявляются обычно там, где имеется значительное отклонение от нормальной кондиции одного из следующих основных параметров:
- Нагрузка от ротора на подшипник не соответствует расчетной несущей способности масляного клина, наиболее «опасно» сниженное значение нагрузки.
- В контролируемом агрегате, как минимум, присутствует еще одна возмущающая динамическая сила, возникшая не как результат проблем контролируемого подшипника, но способная возбудить колебания ротора в подшипнике.
- Произошло значительное изменение рабочих параметров масла, по сравнению с расчетными значениями, влияющих на несущую способность масляного клина. Это может быть изменение вязкости, температуры, давления, появление в масле посторонних примесей.
Повторим так же диагностические особенности изменения параметров субгармоники с частотой масляной вибрации, перечисленные выше:
- Если частота масляной вибрации смещается ближе к значению 0,5 (от оборотной частоты), то, наверное, можно говорить о хорошем состоянии внешней поверхности антифрикционного вкладыша или о плохом состоянии поверхности шейки вала. Дефект сосредоточен на поверхности шейки вала.
- Если частота масляной вибрации располагается сравнительно ближе к величине 0,4 от частоты вращения вала, то тогда все наоборот. Лучшим является состояние рабочей поверхности шейки вала.
В заключение хочется повторить еще раз, что, чем выше практический опыт специалиста по вибрационной диагностике, тем больше у него шансов на успех при диагностике состояния подшипников скольжения.
3.1.2.4. Неправильный монтаж подшипника скольжения
Под этим термином понимается такое дефектное состояние подшипника скольжения, когда повышенная вибрация обусловлена неправильной установкой антифрикционных (баббитовых) вкладышей, их пространственным перекосом, или подвижностью внутри подшипниковой стойки. В спектре вибрационного сигнала этот дефект проявляется усилением первой и второй гармоник оборотной частоты ротора. Значительно возрастает осевая составляющая общей вибрации, часто до недопустимых значений.
Рассмотрим основные диагностические особенности данного монтажного дефекта подшипника скольжения.
Как правило, при перекосе вкладыша в подшипниковой опоре уровень вибрационного сигнала в различных измерительных проекциях значительно различается. Кроме того, в зависимости от места измерения уровень вибрации одного и того же подшипника может различаться. Когда внутренняя часть вкладыша подшипника, расположенная со стороны ротора, перемещается, условно говоря «вверх», внешняя часть вкладыша, со стороны муфты, может перемещаться с меньшей скоростью, или оставаться на месте, или даже перемещаться в обратном направлении, т. е. «вниз». Понятно, что вибрационные сигналы на двух сторонах подшипниковой опоры, имея в виду продольную координату, могут не только отличаться по общему уровню, но и иметь фазовый сдвиг друг от друга.
Основных причин возникновения такой вибрационной картины две. С одной стороны должен иметь место перекос вкладыша в подшипниковой опоре, а с другой стороны необходимо наличие изгиба шейки вала в районе подшипника. Не нужно представлять это как реальный изгиб вала, здесь речь идет скорее о неравномерном износе шейка вала, или, что бывает чаще, о технологическом прогибе ротора, приводящем к появлению эффекта изгиба в районе шейки вала.
Эти два дефекта, в совокупности, и приводят к сложному характеру прецессии во времени различных точек подшипника. Под изгибом шейки (галтели) вала здесь мы понимаем не идеальность поверхности галтели относительно геометрической оси вала.
Если вкладыши являются самоустанавливающимися, то они перемещаются в точку нового равновесного состояния и вибрации могут уменьшиться. Если такой возможности свободного смещения у них нет, то вибрация так и останется повышенной. Максимальное значение она обычно имеет в осевом направлении. Это происходит не потому, что наибольшие силы действуют вдоль оси агрегата, просто конструктивная податливость подшипниковой стойки в данном направлении наибольшая. Как уже было сказано выше «колебания есть возмущающая сила, умноженная на податливость опоры в соответствующем направлении».
Сравнение вибраций в вертикальном и поперечном направлениях, особенно построение «розы вибраций» в этой плоскости позволяет достаточно корректно выявить ось перекоса вкладыша.
Частотный состав вибраций при таком дефекте прост и обычно ограничивается первой гармоникой. При сегментных вкладышах возможно появление гармоники с частотой, равной произведению оборотной частоты на число сегментов.
Необходимо отделять эту причину повышенной вибрации от дефекта типа «изгиб вала», который в спектре дает примерно одинаковую картину. Разделить их можно, используя две особенности, хотя достаточно часто это есть одно и тоже.
Первая диагностическая особенность. В «розе вибраций», построенной в плоскости, перпендикулярной оси агрегата, при изгибе вала нет четко выраженного максимума. При перекосе вкладыша он всегда есть.
Второй способ немного сложнее, и требует для диагностики синхронно зарегистрированных, или синхронизированных вибрационных сигналов. При их наличии дальнейшее уже достаточно просто. Если фаза первой гармоники всех вибраций, включая осевую, является достаточно устойчивой, то можно с большой достоверностью предполагать изгиб вала. Это хорошо согласуется с физической картиной вращения изогнутого вала. Если же фаза первой гармоники, хотя бы в одной из радиальных проекций, обычно в поперечной, является неустойчивой, то нужно говорить о перекосе вкладыша подшипника скольжения.
При излишней подвижности вкладыша подшипника скольжения в опоре наряду с эффектом перекоса на спектре возникает «резонансное поднятие» в диапазоне средних и высоких частот в виде небольшого «купола» с небольшой мощностью, создающее картину «затирания» и в основном диагностируемого на резонансной частоте конструкции подшипника скольжения.
Последней стадией развития «большой подвижности вкладыша подшипника скольжения» характеризуется спектральной картиной ослабленной посадки элементов с большим количеством целых и дробных гармоник в спектре. Подробнее об этом можно прочитать в разделе «механические ослабления», т. к. это уже будет интегральный дефект, общий для многих первопричин, а не только относящийся к подшипникам скольжения.
Возможно, что такая причина будет на спектре похожа на причину «увеличенный зазор в подшипнике скольжения». Разделить эти причины можно, если конечно есть история развития вибраций на данном подшипнике за необходимый период времени. Это даст возможность проанализировать тренд развития выявленной неисправности, начиная с самых начальных стадий.
3.1.2.5. Эллипсность шейки вала
В процессе работы шейка вала, являющаяся частью подшипника скольжения, может неравномерно износиться, и ее поперечное сечение, первоначально являющееся кругом, может приобрести признаки эллипса. При определенных условиях износа сечение шейка вала может иметь в себе некоторую трехгранность, четырехгранность и т. д.
При работе такого подшипника толщина масляного клина будет модулироваться нелинейностью кривизны шейки вала. В итоге радиальные, в основном вертикальные, вибрации будут иметь в своем составе гармоники, пропорциональные произведению оборотной частоты вала на «порядок эллипсности» шейки вала. При эллипсе это будет вторая гармоника оборотной, при трехгранности - третья и т. д.
При эллипсности происходит некоторое увеличение частоты вибрации масляного клина, т. к. масло в большей мере увлекается в своем движении ротором. Она может доходить до 0,45 - 0,46 от оборотной частоты ротора.
Следует сказать несколько слов о том, что особенно трудно выявлять эллипсность шейки вала в электрических машинах с частотой вращения 3000 об/мин, в которых практически всегда есть гармоника электромагнитной силы, по частоте равная второй гармонике оборотной частоты ротора. Кроме того, у турбогенераторов, в силу особенностей конструкции, всегда имеет место вторая гармоника оборотной частоты, вызванная неодинаковой жесткостью ротора в поперечном сечении.