Методи діагностики дефектів підшипників

Підшипники кочення авіаційного ГТД є високонавантаженими елементами двигуна і багато в чому визначають його надійність і ресурс, тому в експлуатації необхідно постійно контролювати стан підшипникових вузлів.

Оцінка технічного стану і пошук дефектів підшипників кочення може проводитися декількома методами.

За часом вибіга ротора при виключенні двигуна. Метод дозволяє оцінити технічний стан підшипникових опор на стадіях, коли дефекти призводять або вже призвели до деградації стану підшипників.

За СКЗ віброшвидкості. Метод дозволяє виявляти дефекти підшипників на найостанніших стадіях їх розвитку, приблизно з середини третього етапу розвитку дефекту, коли загальний рівень вібрації значно підвищиться. Метод потребує мінімальних технічних витрат і не вимагає спеціального навчання персоналу.

За спектром вібросигнала. Даний метод застосовується на практиці досить часто, оскільки поряд з діагностикою підшипників дозволяє виявляти велику кількість інших дефектів устаткування. Він здатен діагностувати дефекти підшипників приблизно з середини другого етапу розвитку дефектів, коли енергія резонансних коливань зростає настільки, що стає помітною в загальній картині частотного розподілу всієї потужності вібросигнала. Для реалізації даного методу необхідним є хороший спектроаналізатор і підготовлений персонал. Недолік методу – неможливість коректної обробки характерних для роботи підшипника кочення неперіодичних сигналів, ударів і широкосмугових шумів, оскільки в спектральному розкладенні вони виглядають практично однаково.

За співвідношенням «пік / фон вібросигнала». Цей метод розроблявся декількома фірмами і має декілька різних практичних модифікацій, які приблизно однакові за ефективністю:

HFD (High Freguency Detection – метод виявлення високочастотного сигналу);

SPM (Shock Pulse Measurement – метод виміру ударних імпульсів);

SE (Spike Energy – метод виміру енергії імпульсу).

Кращі різновиди даного методу дозволяють виявляти дефекти підшипників кочення на досить ранніх стадіях - приблизно з кінця першого етапу розвитку. Прилади, що реалізують даний метод діагностики досить прості і дешеві.

За спектром огинаючої сигнала. Даний метод дозволяє виявляти дефекти підшипників на найранніших стадіях - приблизно з першої третини першого етапу. Цей метод в даний час вважається класичним методом для аналізу вібросигналів підшипників кочення.

Теоретично даний метод діагностики дефектів підшипників кочення може базуватися і на аналізі акустичних сигналів, і на аналізі вібросигналів:

SEE (Spectral Energy Emitted – аналіз випромінюваної спектральної енергії) – використовує спеціальний датчик акустичної емісії. Далі відфільтрований сигнал подається на аналізатор спектру.

Всі перераховані методи розрізняються не лише теоретичними засновками, але і типом використовуваного устаткування, його вартістю, необхідною підготовкою персоналу і своєю ефективністю. Що ранніше і вірогідніше необхідно виявляти дефекти підшипників, то дорожче це коштує.

Найефективнішим методом виявлення дефектів на ранніх стадіях є метод діагностики за спектрами огинаючої. Він має суттєві переваги для практичного застосування при діагностиці дефектів підшипників, оскільки він менше за інші методи схильний до перешкод і в результаті відзначається великою вірогідністю.

Зокрема, діагностика стану підшипників є лише частиною загального діагнозу. Повний аналіз стану устаткування зазвичай проводиться за спектрами вібросигналів, тому при виборі методу діагностики підшипників кочення перевагу слід надавати діагностиці за спектрами огинаючої. З таким підходом повний набір технічних засобів для діагностики стану устаткування буде мінімальним за об'ємом і вартістю.

У випадку, якщо стандартна спектральна діагностика двигуна проводиться не постійно, а епізодично, то для ранньої діагностики стану підшипників кочення вельми ефективне вживання методів, що засновані на порівнянні рівнів фону і піку вібросигнала. Ці методи мають достатню для стандартної практики роботи вірогідність. Великою перевагою цих методів є те, що для своєї реалізації вони не вимагають коштовних і спеціалізованих віброметрів.

8.9.1. Діагностика за загальним рівнем вібрації

Даний спосіб діагностики дефектів в підшипниках є досить поширеним і найпростішим способом оцінки загального технічного стану устаткування за загальним рівнем вібросигнала. Для проведення такої діагностики дефектів підшипників кочення цілком досить використання простого віброметра.

Така діагностика дефектів підшипників кочення дозволяє визначати дефекти лише на найпізнішій стадії їх розвитку, коли вони призводять або вже призвели до деградації стану підшипників, підвищення загального рівня вібрації (передаварійна діагностика дефектів).

Критерії ступеня розвитку дефекту в даному методі орієнтовані на відповідні нормативні рівні вібрації, що існують прийняті для даного двигуна. Дефектним в цьому методі діагностики вважається такий підшипник кочення, вібрації якого перевищили спільну норму для агрегату. При такому підвищенні значення рівня вібрації обслуговуючому персоналу необхідно приймати рішення про можливість подальшої роботи агрегату, або про зупинку устаткування і заміну підшипника.

Перші ознаки дефекту підшипника даним методом діагностики виявляються при обстеженні устаткування персоналом досить пізно, приблизно за декілька місяців, тижнів або навіть днів до моменту повного руйнування підшипника.

Не зважаючи на це такий метод діагностики стану підшипників кочення досить широко використовується в практиці і дає непагані результати в тих випадках, коли:

основним завданням проведення діагностичного обстеження устаткування є лише запобігання аваріям і їх наслідкам, нехай навіть це буде відомо на досить пізньому етапі;

останов устаткування і заміну підшипника можна виконати в термін час, що залишився до аварії, без будь-якого збитку для роботи установки і підприємства, без порушення спільного технологічного процесу;

циклічність проведення ремонтних робіт на устаткуванні така, що термін служби підшипника, що залишився з діагностованим дефектом перевищує час напрацювання до виводу устаткування в ремонт за інших умов.

Перевагою методу діагностики дефектів підшипників кочення за спільним рівнем вібрації є так само те, що для його вживання не потрібне практично жодного додаткового навчання обслуговуючого персоналу і вартість технічного устаткування, що необхідне для його впровадження, мінімальна.

Досить високу ефективність може мати діагноста дефектів підшипників кочення найбільш простим способом – «на слух». Для цього необхідна наявність якого-небудь пристрою для прослуховування підшипників типа стетоскопа або віброметра з навушниками. Якщо прикласти його до дефектного підшипника, то можна почути високий неголосний дзвін.

Структура приладу для аналізу загального рівня вібрації наведена на мал. 8.15.

Рис. 8.15. Структура приладу для аналізу загального рівня вібрації

8.9.2. Діагностика за спектрами вібросигналів

Вірогідність більшості практичних діагнозів за станом підшипників кочення, що отримані при використанні класичних спектрів вібросигналів, є низькою. Це пояснюється особливостями спектральної вібродіагностіки. Помилки ранніх діагнозів заздалегідь прогнозовані і полягають в тому що класичний спектр є за своїм визначенням,розподілом потужності первинного часового вібросигнала в частотній області. Тому появу виражених вузьких піків на спектрі в зоні характерних частот того або іншого елементу підшипника кочення, що має не лише велику амплітуду але і істотну потужність вібрації, слід чекати лише при розвитку дефекту до того рівня, що його потужність буде сумірна потужності піків, які чітко діагностуються на спектрі (для наявності в спектрі дефект має бути досить розвиненим).

Спектральна діагностика може упевнено діагностувати дефекти підшипників кочення лише з кінця першого етапу, а частіше з другого етапу їх розвитку. До того ж навіть і на другому етапі розвитку дефектів їх діагноста за класичними спектрами вібросигналів є складною і має ряд специфічних особливостей.

Вимоги до вживаних спектроаналізаторів. Прилад повинен обов'язково мати високу роздільну здатність, що складає не менше ніж 3200 ліній в спектрі. Інакше розподіл потужності вузького ударного піку дефекту по досить широкій спектральній смузі призведе до різкого заниження рівня характерної гармоніки і до неможливості її використання в діагностиці.

Варіант структури спектроаналізатора наведено на мал. 8.16.

Рис. 8.16. Структура спектроаналізатора

Прилад обов'язково повинен мати можливість реєструвати часові сигнали.

Особливості прояву дефектівпідшипників на спектрах вібросигналов:

– наявність на часовому вібросигналі явно визначаємих періодичних ударних процесів;

– наявність в спектрі вібросигнала великої кількості несинхронних компонент, або гармонік з дробовими номерами відносно базової частоти обертання ротора. Частоти цих гармонік визначаються підшипниковими співвідношеннями;

– наявність в спектрі широкосмугових енергетичних горбів поблизу підшипникових частот і частот власних резонансів елементів механічної конструкції.

Вірогідність появи на часовому вібросигналі дефектного підшипника ударних періодичних імпульсів, що мають вельми характерний вигляд, наближається до 100 %. Для опису цих зовнішніх особливостей навіть придуманий спеціальний термін – «рибка». Наявність такої форми в часовому вібросигналі є надійною діагностичною ознакою для виявлення дефектів підшипників.

Частота слідкування «рибок» у часовому сигналі повинна досить точно відповідати частоті, що характеризує дефект того або іншого елементу підшипника. Інтенсивність «рибок», ступінь їх виявленості, перевищення над фоном вібрації залежить від ступеня розвитку дефекту. Приклад вібросигнала з двома «рибками» наведено на мал. 8.17.

У реальних вібросигналах «рибки» найчастіше є більш «кудлатими». Вони ідуть слідом одна за одною, а часто можуть навіть нашаровуватись. Все це залежить від частоти слідкування ударів від дефектів і від власних резонансних властивостей механічної конструкції або її окремих елементів.

Безпосередньо при діагностиці дефектів підшипників кочення за допомогою спектрів вібросигналів можна виявити три типи спектрів вібросигналів, що найчастіше зустрічаються, і відповідають різним етапам розвитку дефектів.

Стадія 1. Перші ознаки дефектів на спектрі вібросигналів виникають тоді, коли дефект підшипника розвинеться до такого ступеня, що енергія, яка виділяється ним, стане сумірна загальній енергії вібрації підшипника. Щодо етапів розвитку дефектів це зазвичай кінець першого етапу – початок другого. По термінах це приблизно декілька місяців з моменту початку розвитку дефекту. Вигляд спектру першої стадії наведено на мал. 8.18.

У цьому спектрі поряд з першими механічними гармоніками частоти обертання ротора з'являється пік на характерній частоті дефекту того або іншого елементу підшипника. На цій стадії характерна гармоніка вже добре помітна на спектрі і дозволяє досить точно виявляти дефектний елемент.

За амплітудою характерна гармоніка вже сумірна амплітуді першої або другої гармонік оборотної частоти ротора, але за потужністю ще набагато поступається їм. На спектрі це виявляється тим, що пік підшипникової гармоніки є дуже вузьким. Дефект з'явився, але ще не є сильно розвиненим.

Ця стадія завершується тоді, коли амплітуда характерної гармоніки вже не зростає, а поряд з нею дуже близько з'являється перша пара бічних гармонік зліва і справа. Це означає, що почався етап розширення зони дефекту в підшипнику.

Стадія 2. На цій стадії значно збільшується вклад в загальну вібрацію складової від дефекту підшипника. Підшипникова гармоніка збільшує свою потужність до такого значення, що стає сумірна з основними механічними гармоніками – першою і другою. Наявність у вібросигналі, як мінімум, двох гармонік, які приблизно однакові за потужністю – синхронної і несинхронної, збурює в агрегаті биття. Частоти биття виявляються на спектрі у вигляді бічних смуг поблизу характерної підшипникової гармоніки. У міру зростання потужності підшипникової гармоніки з розширенням зони дефекту число бічних смуг і їх потужність поступово зростає.

Подальший розвиток дефекту призводить до появи гармонік від характерної підшипникової частоти. Зазвичай з'являються гармоніки з номерами два і три основної частоти підшипникового дефекту. Поряд з кожною такою гармонікою зліва і справа теж матимуть місце бічні частоти, число пар яких може бути достатньо великим. Що глибше розвинен дефект, то більше бічних гармонік і в гармонік частоти дефекту.

fП

2fП

f1

Приклад спектру вібросигнала підшипника з розвиненим дефектом показано на мал. 8.19. На цьому спектрі є перша і друга гармоніки характерної частоти підшипникового дефекту. Довкола кожної гармоніки зліва і справа розташовано по дві пари бічних гармонік.

Ізнос підшипника з таким спектром вже очевидний і може поширюватися майже по всій робочій поверхні підшипника, він вже став груповим і захопив декілька елементів підшипника. Підшипник потребує заміни, або до такої процедури потрібно інтенсивно готуватися.

f1

Стадія 3. Це остання стадія розвитку дефектів підшипника. У кінці цієї стадії підшипник вже повністю деградував і перестав виконувати свої прямі функції – забезпечувати обертання валів з мінімальними витратами на тертя. Витрати на тертя великі і обертання ротора утруднене.

Стан підшипника досягає такої стадії, коли характерна частота дефекту стає нестабільной, так само поводяться бічні гармоніки. Накладення багатьох сімейств гармонік кожне з яких складається з основної частоти і бічних гармонік створює досить складну картину. Якщо в цих сімействах основні гармоніки розрізняються за частотою несуттєво, то сума всіх частот в спектрі має вигляд енергетичного горба, що захоплює такий діапазон частот, куди входять всі гармоніки всіх сімейств від всіх вже існуючих дефектів підшипника кочення.

На загальному фоні енергетичного горба можуть підноситися окремі гармоніки, але зазвичай всі вони носять випадковий характер і вже практично нічого не відбивають. Вони просто збільшують потужність, яка зосереджена в цьому частотному діапазоні енергетичного горба.

Практично вся потужність вібросигнала зосереджена не в зоні механічних гармонік (1 – 8), а в зоні характерних гармонік, що відповідають наявним дефектам підшипника кочення. На цьому етапі таких дефектів вже багато (підшипника вже практично немає). Для ілюстрації цієї стадії на мал. 8.20 наведено спектр вібросигнала. На ньому добре видно всі перераховані особливості діагностування третьої стадії розвитку дефекту.

Зокрема, в діапазоні гармонік, що властиві механічному послабленню і збільшеному зазору в підшипнику, з'являється набір цілих гармонік оборотної частоти. Усі вони за своїми параметрами відповідають вищеназваним механічним причинам. Причина виникнення таких гармонік – великі зазори у підшипнику.

Підшипник потребує швидкої заміни, оскільки можливість аварійної ситуації дуже велика.

При роботі підшипника з внутрішніми дефектами в часовому вібросигналі з'являються характерні складові з власними частотами, за якими можна досить коректно виявити місце знаходження дефекту. Основні частоти дефектів підшипників розраховуються за формулами, що описують кінематику взаємодії елементів підшипників (частоти проходження тіл кочення, сепаратора і т. п.). Чисельні значення частот залежать від співвідношення геометричних розмірів підшипника і частоти обертання ротора механізму. Розвиток дефекту призводить до появи другої і третьої гармонік від характерної підшипникової частоти, поряд з якими зліва і справа теж з'являються бічні частоти, число пар яких може бути досить великим. Що розвиненіший дефект, то більше у гармонік частоти дефекту бічних складових.

Прояви дефектів підшипників на спектрах вібросигналів мають ряд особливостей: наявність на часовому вібросигналі наявних періодичних ударних процесів; наявність в спектрі вібросигнала великої кількості несинхронних компонент (гармонік з дробовими номерами), частоти яких визначаються підшипниковими співвідношеннями; наявність в спектрі широкосмугових енергетичних горбів поблизу підшипникових частот і частот власних резонансів елементів механічної конструкції.

Для забезпечення вірогідності розпізнавання дефектів підшипників кочення на початкових етапах, коли спектральні складові піддаються відокремленню, можливе використання векторних діагностичних моделей, що мають вигляд багатовимірних векторів, які включають не лише три ортогональні гармоніки оборотної частоти, але і вищі гармоніки підшипникових частот. Аналіз таких багатовимірних векторів в просторі станів дозволяє диференціювати дефекти підшипників від дисбалансів ротора, розцентрування і т. п.

Для підшипників авіаційних ГТД, які виконані з високою точністю, в спектрах коливань відокремлюються ряд високочастотних складових. Причинами їх можуть бути вигибні деформації кілець підшипника силами, що діють на них від тіл кочення, коливання жорсткості підшипника під дією навантаження при його обертанні і резонансні коливання зовнішнього кільця. У спектрах вібрації ці спектральні складові виглядають як коливання при хвилястості бігової доріжки підшипникового кільця.

Одним з джерел підвищених вібрацій в підшипниках авіаційного ГТД можуть бути нерівномірності газового потоку в тракті двигуна, що обумовлені обмеженим числом робочих лопаток ротора. Ці коливання передаються на опору ротора, викликають резонансні коливання підшипникового кільця. Проаналізуємо конкретний приклад – при роботі двигуна було зафіксовано підвищений рівень коливань кулькового підшипника 6-126122Р1 (передня опора ротора компресора ГТД) в діапазоні від 4,5 до 7 кГц. Робочий діапазон частот обертання ротора досліджуваного ГТД складає від 10000 об/мін на режимі малого газу (167 Гц) до 15700 об/мін на максимальному режимі (262 Гц). Кількість тіл кочення в підшипнику – 19. Частота проходження тіл кочення по зовнішньому кільцю по першій формі складає в робочому діапазоні від 1287 Гц до 2105 Гц.

Для визначення можливих джерел вібрації було виконано чисельне моделювання коливань зовнішнього кільця кулькового підшипника, яке дозволило побудувати частотну діаграму власних коливань кільця. На мал. 8.21 наведена твердотіла модель обойми з розбиттям на кінцеві елементи, на мал. 8.22 – одна з форм коливань.

Число робочих лопаток першого ступеня осьового компресора досліджуваного двигуна – 27, частота, що збуджується в робочому діапазоні нерівномірністью потоку складає від 4509 Гц до 7074 Гц. На діаграмі мал. 8.23 наведено частоти коливань зовнішнього кільця підшипника для різних вигибних форм в холодному стані (суцільна лінія) і при робочих температурах підшипника (пунктирна лінія). Коливання за першою формою відповідають пересувнню кільця в радіальному напрямку за іншими формами – вигину кільця з різним числом хвиль.

На діаграмі нанесено також частоти коливань збурюючих сил від проходження тіл кочення і від нерівномірності газового потоку.

З діаграми видно, що в робочому діапазоні частот обертання ротора можливі резонансні коливання кільця підшипника до четвертої форми вигибних коливань, які збурюються нерівномірністю газового потоку в тракті двигуна. Характер коливань аналогічний коливанням при хвилястості бігової доріжки підшипникового кільця.

Формули для розрахунку підшипникових частот зручні для використання в діагностиці, але достовірність діагностики з їх використанням може бути невисокою. Досить часто навіть за наявності в підшипнику явного дефекту у вібросигналі характерні частоти можуть бути відсутніми, мати зрушення за частотою, або мати дуже малий рівень.

Для того, щоб за наявності дефекту в часовому вібросигналі і на отриманому в результаті його обробки спектрі були вірогідно виявлені гармоніки з цими характерними частотами необхідне виконання ряду вимог:

– підшипник має бути навантажений достатнім зусиллям, яке близьке до номінального;

– дефектна зона повинна періодично проходити через зону навантаження підшипника;

– у механізмі не повинно бути інших джерел вібросигналів з частотою, яка дорівнює частоті дефектів;

– вібродатчик має бути розташовано досить близько до навантаженої зони підшипника;

– частотні параметри датчика повинні відповідати робочим параметрам механізму;

– реєстратор вібросигналів повинен забезпечувати здобуття спектру вібросигнала з кількістю спектральних ліній не менше 1600 – 3200.

Ці вимоги відносяться до всіх методів діагностики підшипників кочення за спектрами вібрації і згинаючої, які базуються на використанні формул розрахунку підшипникових частот. Лише при виконанні цих умов роботи підшипника і установки датчика можна досить упевнено і на ранніх стадіях діагностувати дефекти підшипника. Інакше висока вірогідність або невиявлення дефектів, або помилкового визначення дефектів при їх дійсній відсутності.

Складним так само є питання визначення рівня розвитку зареєстрованого дефекту за амплітудами або іншими параметрами гармонік, які характерні для підшипникових частот. У великій мірі прояв дефекту залежить від типа використовуваної апаратури і місця установки вібродатчика. Інакше кажучи рівень дефекту підшипника в кожному механізмі свій, унікальний. На величині порогу кожного дефекту так само позначається виддалення дефектного елементу від вібродатчика – дефект внутрішньої обойми менш помітний, ніж дефект зовнішньої обойми.

Визначення дійсного ступеня розвитку кожного дефекту підшипника значно збільшує трудомісткість використання таких методів діагностики.

До того ж:

– всі підшипникові частоти зазвичай модулюються частотою обертання ротора, що призводить до виникнення довкола них характерних бічних гармонік. У міру поглиблення дефекту число бічних гармонік зростає. Додаткова потужність вібрації від дефекту виявляється зосередженою не в основній гармоніці дефекту, а довкола неї, до того ж в досить широкому діапазоні частот;

– досить часто реальні частоти характерних гармонік від окремих елементів підшипника не відповідають розрахованим значенням і в міру поглиблення дефектів ця відзнака зростає;

– найчастіше при значних ступенях розвитку дефектів на спектрі виникають енергетичні горби – ділянки із загальним підніманням рівня, що мають велику кількість випадкових піків. Такі горби можуть виникнути як поблизу характерної частоти так і поблизу частоти резонансу конструкції або її окремого елементу. Часто енергетичний горб буває в двох місцях спектру – і на характерній частоті, і на резонансній. Досить часто при розвиненому дефекті характерна частота, довкола якої з'явився енергетичний горб, на спектрі відсутня. Інколи число горбів може бути три або навіть більше.

Структура приладу для аналізу спектру вібросигнала наведена на мал. 8.24

Рис. 8.24. Структура приладу для аналізу спектру

8.9.3. Діагностика з використанням пік-фактора

У 1968 році шведські фахівці запропонували метод аналізу високочастотної вібрації, що чутливий до появи мікроударів при контакті елементів тертя в підшипниках кочення. Згодом він отримав назву "метод ударних імпульсів" (також використовуються назви пік-фактор або крест-фактор). Для виконання такого виду аналізу високочастотної вібрації були створені спеціалізовані вимірювальні прилади, які через їх невелику вартість і в даний час є найбільш розповсюдженими засобами для контролю стану підшипників кочення.

Суть методу ударних імпульсів полягає в тому що наявність дефектів, що навіть зароджуються в підшипнику, приводить до появи високочастотних імпульсів і, отже, до збільшення пікових рівнів у високочастотному сигналі вібрації. Але середньоквадратичні рівні Xскз в загальному випадку можуть навіть залишатися незмінними. Середньоквадратичний рівень сигналу визначається наступною формулою:

. (4.1)

Відношення пікового і середньоквадратичного значень, яке називається пік-фактором, є діагностичною ознакою. В разі відсутності ударних імпульсів величина пік-фактора високочастотної вібрації підшипника кочення менше п'яти а за наявності ударних імпульсів цей показник може бути вище десяти. Принцип дії методу ударних імпульсів можна проілюструвати на прикладі високочастотних часових сигналів вібрації (мал. 8.25) справного підшипника кочення (а) і підшипника з раковиною на поверхні кочення (б).

Метод ударних імпульсів і досить прості прилади, що реалізовують його і вимірюють пік-фактор вібрації в діапазоні частот вище 25 кгц, широко використовуються для контролю стану підшипників кочення. Цей метод є чутливим навіть до дефектів, що зароджуються, проте не всі дефекти в підшипниках кочення супроводяться появою ударних імпульсів. Так, дефекти, які не призводять до продавлювання шара мастила, наприклад дефекти монтажу, не можуть бути виявлені методом ударних імпульсів. Але добре відомо що ці дефекти в значній мірі впливають на ресурс підшипників кочення. З причини того, що ударні імпульси можуть з'являтися при різних видах дефектів, а також при зміні якості мастила, цей метод не дає можливості ідентифікувати вид дефекту.

а

б

Рис. 8.25. Часові сигнали високочастотної вібрації підшипника кочення: а)  справний підшипник; б)  підшипник з раковиною на поверхні кочення

До того ж, метод ударних імпульсів не дозволяє здійснювати довгостроковий прогноз з причини неможливості визначати вид дефекту, а, як відомо, різні дефекти мають різні швидкості розвитку. І ще одна істотна особливість методу ударних імпульсів - це наявність ударних імпульсів у високочастотній вібрації справних низькооборотних підшипників з частотою обертання нижче 50 - 100 обертів за хвилину, що принципово утруднює використання цього методу і знижує його вірогідність. Тобто метод ударних імпульсів дозволяє контролювати стан підшипників кочення, але не діагностувати його.

Структуру приладу для виміру пік-фактора наведено на мал. 8.26.

Рис. 8.26. Структура приладу для виміру пік-фактора

У вимірнику пік-фактора для простоти реалізації зазвичай використовується механічний резонатор у вигляді металевого стрижня з резонансом на частотах вище 25 кгц. Настільки висока частота резонансу, з одного боку, знижує габарити резонатора, а з іншого боку дозволяє отримати вище значення пік-фактора за рахунок того, що на високих частотах стабільна в часі вібрація, що є перешкодою і збурюється силами тертя в контрольованих вузлах машини, мінімальна.

8.9.4. Діагностика підшипників за спектром огинаючої

У 1978 році фахівцями м. Санкт-Петербурга було запропоновано метод діагностики, який по аналогії з вже існуючими методами отримав назву "метод огинаючої". Цей метод, в якому аналізується не сама високочастотна вібрація, а низькочастотні коливання її потужності, дозволив зняти практично всі обмеження, які характерні для методу ударних імпульсів, значно розширив область використання методів діагностики машин за високочастотною вібрацією, підвищив вірогідність результатів діагностики і, що особливо важливо, якість довгострокового прогнозу стану устаткування, що діагностується.

Суть методу огинаючої полягає в наступному. Сили тертя, що збурюють високочастотну випадкову вібрацію, стаціонарні лише за відсутності дефектів. У бездефектних вузлах тертя високочастотна вібрація стаціонарна і випадкова. Її потужність постійна в часі. При появі дефектів (див. ріс.8.27), що призводять навіть до часткового "продавлювання" масла, періодично змінюються в часі сили тертя, або виникають удари, що збурюють високочастотну вібрацію. Так само удари можуть з'явитися, якщо масло не дуже якісне і його шар легко "рветься".

Рис.8.27.Високочастотний випадковий амплітудно-модульований сигнал

За наявності дефектів величина сил тертя і потужність вібрації змінюється в часі, тобто з'являється модуляція потужності високочастотної вібрації (рис. 8.27).

Глибину модуляції m випадкового амплітудно-модульованого сигналу вібрації x(t) можна визначити у відсотках з використанням середнього значення огинаючої ,

,

де , - максимальне і мінімальне значення огинаючої сигналу.

Кожному виду дефекта відповідає своя частота модуляції. Що більше ступінь розвитку дефекту, то більше стає глибина модуляції. Отже, частота модуляції визначає вид дефекту, а глибина модуляції - ступінь його розвитку. Як приклад на рис.8.28 (зліва) наведено часові сигнали вібрації підшипника: справного а), з ізносом б) і з раковиною на поверхні тертя в). Тобто якнайповніша інформація міститься в огинаючій високочастотного сигналу. Спектри огинаючої вібрації підшипника справного а), із зносом б) і з раковиною на поверхні тертя в) наведено на правому боці малюнка 8.28.

Временные сигналы высокочастотной вибрации	Спектры огибающей высокочастотной вибрации

Ріс.8.28. Часові сигнали високочастотної вібрації підшипника кочення і спектри огинаючої

а) справний підшипник, би) підшипник з ізносом поверхні тертя, в) підшипник з раковиною на поверхні кочення

Як видно з малюнка, в спектрі огинаючої випадкової вібрації бездефектного підшипника відсутні гармонійні складові. У спектрі огинаючої вібрації підшипника з ізносом наявна одна сильна гармонійна складова і вказує на плавну і періодичну зміну потужності сигналу вібрації. У підшипнику з ударними імпульсами потужність високочастотної вібрації змінюється стрибками і в спектрі її огинаючої присутній вже ряд кратних за частотою гармонійних складових.

За спектром огинаючої високочастотної вібрації можна спостерігати розвиток одночасно всіх наявних дефектів за величинами перевищення гармонійних складових на певних частотах над фоном. Таким чином, з'являється можливість визначення парціальних глибин модуляції, тобто глибин модуляції для кожного з наявних дефектів. Це дозволяє визначати ступінь розвитку всіх дефектів і ідентифікувати їх вигляд. Отже, є можливість прогнозувати стан вузла, що діагностується, оскільки кожен вид дефекту має свою швидкість розвитку.

Глибина модуляції m пов'язана з різницею рівнів гармонійної і випадкової складових спектру огинаючої (см. рис.8.28) залежністю

,

де: f_A - ширина смуги спектру огинаючої;
f_ф - ширина смуги фільтру, що виділяє високочастотну вібрацію.

Значне підвищення якості отримуваних результатів діагностики визначається не лише використанням нового методу аналізу вібрації, але і підвищенням об'єму накопичуваної інформації. Зокрема, метод ударних імпульсів вимагає виміру вібрації за 2-3 оберти ротора вузла, що діагностується, а для використання методу огинаючої необхідно проводити виміри протягом 50-100 обертів, тобто час виміру вібрації у низкооборотних машинах може складати декілька хвилин.

На результати діагностики підшипників кочення за спектром огинаючої вібрації суттєво впливає якість мастила. Так, наприклад, через погане мастило можуть відбуватися розриви масляної плівки, які за своїми ознаками схожі на ознаки раковин на доріжках або тілах кочення. Тому в тих випадках, коли діагностика підшипників проводиться за однократним виміром, доцільно контролювати і спектр вібрації підшипникового вузла з використанням еталону за групою однакових машин. В цьому випадку по сукупності результатів вимірів спектру вібрації і спектру огинаючої вдається простими методами виключити можливі помилки в ідентифікації дефектів при однократних вимірах вібрації будь-якого підшипника кочення на будь-якому етапі його життєвого циклу.

Зараз випускаються стандартні вимірювальні і аналізуючі прилади, що мають у складі типові функції для спектрального аналізу огинаючої випадкової вібрації з попереднім виділенням випадкових компонент з вимірюваного сигналу. Структуру приладу для аналізу спектру огинаючої наведено на мал. 8.29.

Рис. 8.29. Структура приладу для аналізу спектру огинаючої