Идентификация технического состояния методом акустической эмиссии

На этом принципе основана работа индикатора ударных импульсов – SPM -43А (Shock Pulse Meter).

Метод основан на измерении амплитуды ударных высокочастот­ных механических импульсов, возникающих во взаимодействующих деталях, например, в работающих под­шипниках вследствие механических ударов при точечном контакте тел качения (шарики, ролики) с беговыми дорожками. Волны напряжений, проходящие че­рез корпус подшипника, воспринимаются пьезоэлек­трическим преобразователем на частоте ~ 30 кГц. Импульсы возникающих волн напряжений преобразуются в анало­говый сигнал, амплитуды которых являются функцией скорости механических ударов.

Данный метод разработан шведской фирмой SKF для диагностирования не только подшипников, но и различных узлов и механизмов, в которых происходит соударение деталей, например, в форсунках и топливных насосах дизелей.

Сущность метода SPM показана на примере работы подшипника качения (рис.1). При вращении подшипников качения в результате ударов элементов качения о беговые дорожки возникают ударные импульсы, распространяющиеся как в самом подшипнике, так и в его корпусе в виде волны сжатия. При незначительных отклонениях формы и размеров деталей подшипника механические удары характеризуются низким уровнем. При наличии дефектов уровеньударных импульсов увеличивается, что характеризует изменение состояния

подшипника. Уровень ударных импульсов измеряется на корпусе подшипника с помощью щупа 1, на конце которого устанавливается пьезоэлектрический преобразователь - датчик ударных импульсов. Сигналы от датчика поступают в измерительный прибор 2, где они сравниваются с предварительно установленным вращением шкалы 3 значением ударных импульсов, соответствующих новому подшипнику. Звуковой сигнал прослушивается с помощью динамика 4, наушников 5, или светового индикатора, который устанавливается вместо наушников. Значение уровня ударных импульсов оценивается в децибелах по шкале 6 прибора.

Рис. 1 . Измеритель ударных импульсов SPM-43A

Рис. 2. Обозначение уровней ударных импульсов

При анализе уровня и характера ударных импульсов приняты следующие условные

обозначения (рис. 2). Величина dB _SV характеризует уровень ударных импуль-

сов в децибелах, представляющих собой абсолютное значение импульсов, исхо-

дящих от подшипника. Шкала dB _SV называется шкалой абсолютных значений

или ненормированной шкалой.

Величина dBi характеризует уровень ударных импульсов идеального, нового подшипника, то есть уровень естественного фонанового подшипника.

Значение dBi определяется опытным путем на основе замера импульсов у большого числа шариковых и роликовых подшипников. Уровень dBi зависит от частоты вращения и от внутреннего диаметра подшипника d. Значение dBi может быть определено по номограмме (рис. 3).

Величина dB_N- нормированная величинаударных импульсов. В процессе эксплуатации подшипника уровень ударных импульсов увеличивается и для оценки состояния подшипника используют шкалу нормированных значений, где за исходное (нулевое) значение принимают dBi :

dBi = dB _SV - dBi

На рис. 4 приведено типовое развитие уровня ударных импульсов при износе подшипника. Нормированные значения ударных импульсов приводятся на логарифмической шкале. Между значениями 0 и 60 дБ по шкале dB_Nуровень ударных импульсов увеличивается в 1000 раз.

Рис.3. Определение уровня естественного фона dBi нового подшипника

Рис.4. Характерное развитие износа подшипника

На рис.4 приведены характерные значения уровня ударных импульсов, где выделены уровни dB_С и dB_М. Под величиной dB_С принят уровень ударных импульсов, слышимый с помощью наушников как непрерывный звуковой сигнал на грани перехода в очень частые, следующие друг за другом звуковые сигналы (рис. 5), и представляющий собой собственный фон подшипника. При использовании светового индикатора звуковой сигнал будет параллельно дублироваться миганием (прерывистые звуковые сигналы) или непрерывным горением светодиода (непрерывный звуковой сигнал). Величина dB_М- это максимальное значение ударных импульсов, генерируемых в подшипнике.

Рис.5. Характер звукового сигнала при определении dB_С прибором SPM-43A

Измерения ударных импульсов должны производиться непосредственно на корпусе подшипника. При свободном доступе к корпусу подшипника измерения выполня­ются с помощью индикаторного щупа, как показано на рис.6. Индикаторный щуп необходимо располагать таким образом, чтобы сигнал от наружной обоймы подшипника к щупу проходил крат­чайшим путем по телу корпуса подшипника, не пересекая проклад­ки, демпферы и стыки деталей. Места измерений должны выбираться в зоне действия нагрузок на подшипник. Перед измерением ударных импульсов необходимо изучить чертеж конструкции механизма и убедиться в правильности выбора мест измерений, исходя из условий распространения ударных импульсов. Поверх­ность в месте измерения щупом должна быть ровной; если имеется толстый слой краски, то его следует удалить. По возможности из­мерения не должны производиться на тонкостенных частях под­шипникового щита.

Индикаторный щуп располагают перпендикулярно к контроли­руемой поверхности (целесообразно при этом соблюдать и перпен­дикулярность к валу) и прижимают с усилием около 20 Н (около 2 кгс).

Измерять ударные импульсы в радиально-упорных подшипни­ках целесообразно как в плоскости вращения, так и в осевом на­правлении.

Измерение ударных импульсов подшипника электродвигателя, закрытого кожухом вентилятора, можно проводить с помощью ин­дикаторного щупа на штатных болтах (предварительно поставив прокладки и подтянув их) крепления кожуха. За результат прини­мается полученное максимальное значение.

Когда нет свободного доступа к корпусу подшипника, а также не установлены стационарные датчики и измерительные болты, из­мерения могут выполняться индикаторным щупом в точке, наи­менее удаленной от подшипника. Причем на пути прохождения ударных импульсов от подшипника до точки измерения должно быть минимальное количество разъемов.

Рис.6 Измерение ударных импульсов подшипников качения:

1- индикаторный щуп прибора SPM; 2- корпус подшипника; 3- распространение волн напряжений; 4- подшипник качения с дефектом; 5- зона действия ударных импульсов.

Техническое состояние контролируемого подшипника определяется по уровню и соотноше­нию двух измеренных величин: фоновой dBC и максимальной dBM. Фоновая величина dBC характеризует общую шероховатость поверхности шариков (роликов) и дорожек качения и присуща всем подшипникам (в том числе и бездефектным). Фоновая величина повышается при недостаточной смазке подшипника.

Максимальная величина dBM характеризует наличие дефектов на шариках (роликах) и дорожках качения, а также загрязнение смазки.

При получении высоких значений ударных импульсов контро­лируемого подшипника необходимо убедиться в том, что эти значе­ния действительно вызваны дефектом, а не другим источником (по­вреждение передачи, трение вала о корпус или крышку корпуса подшипника, задевание крылатки вентилятора за кожух, кавита­ция насоса и пр.). Для этого производится измерение на деталях, смежных с корпусом подшипника. Если величины, измеренные на них, ниже, чем на корпусе подшипника, значит источник повышен­ного сигнала — подшипник. Для выявления причины следует про­извести смазку подшипника и через несколько часов работы меха­низма повторить измерение. Если же уровень сигнала на смежной детали окажется выше, то необходимо методом последовательных измерений (удаляясь от корпуса подшипника) найти источник сиг­нала.

Определение состояния подшипников по величинам dBM и dBC производится в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл.1. Нормы по величине соответствующие категориям состояния подшипника: I — хорошее <20 dBN; II — удовлетвори­тельное 20–40 dBN; III — неудовлетворительное (необходима за­мена подшипника) >40 dBN.

Нормы и значения, приводимые в табл.1, соответствуют изме­рениям, выполненным непосредственно на корпусе подшипника с помощью индикаторного щупа, стационарного датчика или дат­чика с быстроразъемной муфтой и измерительным болтом. Техни­ческое состояние подшипников, к корпусам которых нет свободного доступа (находящихся в демпферных стаканах, подшипниковых щитах с разъемом и т. п.), оценивается при измерении ударных импульсов индикаторным щупом двумя способами: по относитель­ному изменению значений dBM и dBC за период контроля или по приведенным выше нормам и значениям, указанным в табл. 1, на основе измеренных значений dBM и dBC с учетом поправки на демпфирование. Величина поправки (10–20 dB) зависит от степе­ни демпфирования сигнала для каждой конкретной конструкции механизма и определяется опытным путем.

Определение утечек воздуха или газа. С помощью прибора SРМ 43А можно установить наличие утечек воздуха или газа че­рез неплотности внутри клапана или наружные утечки.

Внутренний лимб устанавливается на отметке величины dBI = -20. Лимб основной шкалы перемещается на режим макси­мальной чувствительности, т. е. до dBN = 0. Щуп располагается в районе возможных утечек. На щупе нажимается кнопка макси­мальной чувствительности (-20dB). Срабатывание световой сигнализации свидетельствует о наличии утечек воздуха или газа.

Определение состояния подшипников качения по соотношению значений dBM и dBC

Таблица 1

Показания по шкале dBN , дБ	Возможные источники повышенного сигнала	Причины повышенного сигнала, выявленные после смазки подшипников
dBM	dBC	Корпус подшипника	Детали, смежные с корпусом подшипника	Показания снижаются и не повышаются	Показания падают, но через несколько часов увеличиваются	Показания не падают
> 35	10 - 15	Подшипник, смазка, незакрепленная крышка	Другие повреждения подшипника: механические удары других деталей (муфта, зубчатая передача, осевые удары)	Посторонние частицы в смазке	Повреждение подшипника. Необходим контроль за развитием повреждения	Значительное повреждение подшипника, помехи от незакрепленной крышки подшипника
Около	10 - 20	Подшипник, смазка	Кавитация в насосе, зубчатая передача, муфта	Недостаточная смазка	Недостаточная смазка, которая вызвала повреждение подшипника. Необходим контроль за развитием повреждения	Неправильная установка подшипника; кавитация в насосе; повреждение муфты зубчатой передачи
> 35	25 - 30	То же	То же	Отсутствие смазки	То же	Большие нагрузки на подшипник; кавитация в насосе; повреждение муфты зубчатой передачи

Около 30 (груп-пы сигна-лов через равные промежутки)	< 10	Вал, корпус и крышка подшипника	Вал, корпус и крышка других подшипников; зубчатая передача; муфта; крылатка вентилятора электродвигателя	______	______	Трение вала о крышку или корпус подшипника; повреждение муфты зубчатой передачи; задевание крылатки вентилятора электродвигателя за кожух
Около 30 (одиночные сигна-лы через равные промежутки време-ни)	< 10	Ударные нагрузки от рабочего цикла механизма	Ударные нагрузки на фундамент от других механизмов; механические удары от рабочего цикла механизма; крылатка вентилятора электродвигателя	______	______	Механические удары в подшипнике, вызванные ударными нагрузками; повреждение муфты зубчатой передачи; повреждение подшипника; задевание крылатки вентилятора электродвигателя о кожух
Около 0	Около 0	Необходимо поверить питание прибора, правильность выбора точки замера и установки датчика. Замер производится сразу после избыточной смазки подшипника. Кольца подшипника скользят в корпусе или на валу.

Определения состояния подшипников турбокомпрессоров. Замер ударных импульсов позволяет оценивать состояние подшипников качения турбокомпрессора. Особенность заключается в том, что подшипники качения ГТК распо­лагаются в демпферных устройствах. Поэтому к замеренному зна­чению dBN следует добавлять 10 — 12 дБ и сравнивать его с нормами хорошего, удовлетворительного и неудовлетворительного состояний. Место измерения импульсов выбирают таким образом, чтобы оно было ближайшим к демпфер­ному устройству подшипника и не имело на пути распространения сигнала перехода на другие детали и прокладок. Перио­дичность замера ударных импульсов на подшипниках ГТК при хорошем техническом состоянии — 1000 ч, при удовлетворитель­ном — 500 ч.

Определение состояния топливной аппаратуры дизелей.Периодичность контроля топливной аппаратуры совпадает с периодичностью контроля рабочего процесса. Щуп прибора устанавливается в верхней части корпуса насоса или форсунки. Величина dBI выбирается опытным путем (обычно dBI = 20) и при всех измерениях остается постоянной. Мерой неисправности является отклонение величины dBN, измеренной на насосе или форсунке, от среднего значения этой величины по всему двигателю более чем на ± 10 ед. По величине ударных импульсов определяются неисправность нагнетательного клапана ТНВД, а так же закоксованность отверстий распылителя форсунки и зависание иглы форсунки.

После остановки двигателя из-за прекращения топливоподачи (вследствие попадания воздуха или воды в систему, выработки топлива из расходной цистерны и др.) прокачку топливных насосов и подачу топлива насосами, включая момент начала подачи, следует контролировать прибором по появлению прерывистой сигнализации (при dBI == 20).

Определение состояния клапанов поршневых компрессоров. Щуп прибора устанавливается на крышке клапана. Величина dBI выбирается опытным путем (обычно dBI = 20) и при всех измерениях остается постоянной. Мерой неисправности является отклонение величины dBМ на ± 10 дБ от среднего значения, определенного для всасывающих и нагнетательных клапанов двух (трёх) компрессоров. Среднее значение рассчитывается на основе результатов измерений клапанов по соответствующим ступеням компрессоров.