Введение
Зарождающиеся дефекты подшипников качения роторных машин с высокой достоверностью обнаруживаются лишь по высокочастотной вибрации подшипников, свойства которой существенно меняются под действием даже незначительных колебательных сил. По мере роста дефектов и колебательных сил изменяется сначала среднечастотная вибрация подшипниковых узлов, а затем и низкочастотная вибрация машины в целом.
Как следствие, системы выходного контроля подшипников строятся из расчета на обнаружение прежде всего средних дефектов изготовления и контролируют среднечастотную вибрацию подшипника, а системы аварийной защиты рассчитываются на обнаружение сильных дефектов и контролируют низкочастотную вибрацию машины в целом. Что касается систем глубокой диагностики подшипников в процессе эксплуатации машин, то они в обязательном порядке используют методы анализа высокочастотной вибрации, а, при необходимости, контролируют и среднечастотную, и низкочастотную вибрацию подшипниковых узлов.
Среди различных методов контроля состояния подшипников качения по высокочастотной вибрации можно выделить три основных, различающихся по своей физической основе. Первый включает в себя контроль мощности высокочастотной вибрации подшипника, второй - анализ формы высокочастотной вибрации, возбуждаемой короткими ударными импульсами, а третий - спектральный анализ флуктуаций мощности высокочастотной вибрации.
Настоящая статья посвящена вопросам оптимизации совокупности этих методов в различных практических ситуациях и дополнительного использования результатов анализа среднечастотной и низкочастотной вибрации для повышения достоверности получаемых результатов.
Анализ основных методов
Простейшая методика периодического контроля состояния подшипников качения основана на методе "ударных импульсов", разработанном шведскими специалистами в 1968г. [1]. Сущность метода иллюстрирует форма высокочастотных сигналов вибрации, приведенная на рис.1.
На первой кривой (рис.1а) приведена форма высокочастотной (выше 20 кГц) вибрации бездефектного подшипника. На второй кривой (рис.1б) показана вибрация от одиночных ударных импульсов, появляющихся при контакте тел и дорожек качения в месте разрыва смазки, состояние которой ухудшилось вследствие ее старения. На третьей кривой (рис.1в) приведена вибрация при периодических ударных импульсах из-за раковины на наружном (неподвижном) кольце подшипника. Наконец, на четвертой (рис.1г) показана вибрация, возбуждаемая частыми непериодическими ударными импульсами при большом количестве дефектов на разных поверхностях качения. Практически первая и четвертая кривая отличаются только масштабом (мощностью) сигнала.
Рис. 1. Форма сигналов высокочастотной вибрации подшипников качения. а) бездефектный подшипник, б) зарождающийся дефект смазки, в) глубокая раковина на наружном кольце, г) множественные дефекты на поверхностях качения
Анализ формы сигнала высокочастотной вибрации, возбуждаемой ударным импульсом, показывает, что он весьма непродолжителен во времени (быстро затухает), а важнейшим показателем является отношение пикового значения к среднеквадратичному значению высокочастотной вибрации (величина пикфактора). Существует большое количество методик определения диагностического параметра дефектов (пикфактор, к-фактор, крест-фактор и т.п.), отличающихся разным способом определения пиковых и среднеквадратичных значений сигнала и разной степенью учета этих значений в окончательном диагностическом параметре, но все эти отличия не меняют физических основ метода.
У метода ударных импульсов есть свои преимущества и недостатки. Преимущества определяются прежде всего отсутствием требований к периодичности следования ударных импульсов. Это позволяет обнаруживать, с одной стороны, зарождающиеся дефекты смазки, при которых разрывы масляной пленки происходят редко и нерегулярно, а, с другой стороны, механические дефекты подшипника на нестабильных частотах вращения, причем за короткое время, определяемое 2-3 оборотами ротора.
Недостатков у этого метода значительно больше. Главным является тот факт, что далеко не все зарождающиеся дефекты подшипника качения приводят к появлению ударных импульсов, и достаточно часто дефектный подшипник обнаруживается лишь незадолго до отказа, когда в нем развивается цепочка связанных дефектов, один или несколько из которых становятся источником ударных импульсов. И даже в этом случае частота следования ударных импульсов может быть настолько большой, что не приведет к росту такого важного показателя, как пикфактор. Типичный пример приведен на рис.1г.
Еще один недостаток - отсутствие информации о виде дефекта, без которой практически невозможно давать долгосрочный прогноз состояния, так как минимальный временной интервал от зарождения дефекта до отказа нормально работающего подшипника в зависимости от вида дефекта может составлять от нескольких месяцев до нескольких лет.
Не менее важным недостатком можно считать сложность применения метода для контроля состояния низкооборотных подшипников (ниже 50-100 об/мин), когда в масляной пленке даже бездефектных подшипников появляются частые разрывы и, как следствие, возникают ударные импульсы.
Есть еще одна особенность метода ударных импульсов, усложняющая его применение. На рис.2 приведена типовая зависимость величины пикфактора от срока эксплуатации по мере роста величины и числа дефектов в подшипнике. Как видно из этой зависимости, максимальная величина пикфактора имеет весьма короткий промежуток времени, пока в подшипнике имеет место средний дефект, приводящий к возбуждению одиночных ударных импульсов в момент прохода каждым телом качения дефектной зоны наружного кольца подшипника. По мере развития дефекта, когда ударные импульсы начинают возбуждаться группами, величина пикфактора падает и метод теряет чувствительность. Поэтому при использовании метода ударных импульсов для контроля состояния подшипников качения измерения необходимо производить достаточно часто, не реже раза в неделю. Кроме этого контроль состояния подшипника методом ударных импульсов должен дополняться контролем мощности высокочастотной вибрации, чтобы не пропустить той стадии развития дефектов, когда количество ударных импульсов в единицу времени резко возрастает.
Рис. 2. Экспериментальная зависимость величины пикфактора от наработки подшипника с дефектом на поверхности качения
Таким образом, в практической диагностике метод ударных импульсов используется не автономно, а в совокупности с методом контроля мощности высокочастотной вибрации.
Более высокими возможностями обладает метод контроля состояния подшипников качения по спектру огибающей высокочастотной случайной вибрации, возбуждаемой силами трения в масляной пленке подшипника, а также ударными импульсами при ее разрывах. Этот метод предложен российскими специалистами в конце семидесятых годов [2]. Спектр огибающей дает информацию о периодических изменениях мощности высокочастотной вибрации в той полосе частот, которая предварительно выделяется из сигнала вибрации полосовым, например, третьоктавным, фильтром.
Для иллюстрации метода на рис.3 приведен спектр вибрации подшипникового узла в частотном диапазоне до 25,6 кГц, где показана полоса частот фильтра, использованного для выделения высокочастотной случайной составляющей с последующим формированием огибающей, а на рис.4 приведены формы высокочастотной вибрации и спектры ее огибающей для трех одинаковых подшипников, соответственно, не имеющего дефектов, с дефектом сепаратора и с раковиной на наружном кольце.
Рис. 3. Спектр вибрации подшипникового узла электрической машины с выделенной третьоктавной полосой частот, используемой для формирования огибающей высокочастотной вибрации
Рис. 4. Формы высокочастотной вибрации и спектры ее огибающей для трех одинаковых подшипников: а - бездефектный подшипник, б - дефект сепаратора, в - раковина на наружном кольце
Следует отметить, что в настоящее время существует два разных по своей физической основе метода вибрационной диагностики, получивших одинаковое название /метод огибающей/ из-за одинаковой последовательности операций преобразования, применяемых к различным, а именно периодическим и случайным компонентам сигнала. Но если первый метод, применяемый для разделения близких по частоте гармонических составляющих, используется все реже, то второй метод, применяемый для исследования колебаний мощности случайных составляющих, стал одним из основных в вибрационной диагностике вращающегося оборудования.
Существует два различных подхода к выбору полосы частот фильтра, выделяющего высокочастотную случайную вибрацию для последующего измерения спектра ее огибающей. Первый использует полосу частот, в которой под действием сил трения или ударных импульсов возникает сильная резонансная вибрация с собственными частотами колебаний тела качения или наружного (неподвижного) кольца подшипника [3]. Второй подход заключается в использовании более высокочастотной нерезонансной вибрации, возбуждаемой этими же силами[4,5]. Оба подхода дают близкие результаты, но лишь в том случае, когда в полосу частот фильтра не попадают гармонические составляющие вибрации, по мощности превышающие случайную вибрацию. В противном случае колебания мощности суммы гармонической и случайных составляющих уменьшаются и спектр огибающей начинает давать искаженную информацию о состоянии подшипника.
Для примера на рис.5 приведен спектр вибрации подшипникового узла электрической машины, на котором указаны полосы трех фильтров, использованных для построения спектра огибающей, и три спектра огибающей сигналов вибрации, выделенных этими фильтрами. В первую полосу частот попадает резонанс подшипникового узла, возбуждаемый ударными взаимодействиями тел с наружным кольцом подшипника, во вторую - резонанс тел качения, а в третьей полосе отсутствуют как резонансы подшипникового узла, так и гармонические составляющие вибрации различного происхождения.
Рис. 5. Спектр вибрации подшипникового узла электрической машины а) и спектры огибающей высокочастотной вибрации, выделенной тремя фильтрами с различными центральными частотами б), в) и г)
В подшипнике имеет место наиболее просто обнаруживаемый дефект - глубокая раковина на наружном кольце. Однако в первом спектре огибающей признаки этого дефекта почти не видны, так как из-за наличия одной сильной зубцовой электромагнитной составляющей мощность вибрации в выделенной полосе частот определяется этой составляющей и практически постоянна во времени. Во втором случае в выделенной полосе частот присутствуют кроме случайных составляющих две электромагнитные составляющие зубцовой природы и частота колебания мощности вибрации, в основном, определяется частотой биений этих составляющих, равной 100 Гц. И лишь в третьей полосе частот, где несмотря на более низкий уровень случайных составляющих вибрации подшипника, отсутствуют сильные гармонические составляющие вибрации, в спектре огибающей вибрации присутствуют признаки глубокой раковины на наружном кольце.
Следует отметить, что далеко не всегда в спектре вибрации подшипникового узла можно выделить полосу частот, в которой отсутствует гармонические составляющие. Тогда перед формированием огибающей приходится разделять сигнал на случайные и периодические компоненты с применением достаточно сложных алгоритмов цифровой обработки сигнала [6]. Несмотря на определенную сложность измерения спектра огибающей высокочастотной случайной вибрации по сравнению с измерениями, выполняемыми по методу "ударных импульсов", реализация всех возможностей метода огибающей позволяет решать много важных задач диагностики подшипников качения и других узлов роторных машин [7]. Во-первых, метод огибающей использует результаты измерения вибрации в более низкой области частот, чем метод ударных импульсов и, как следствие, точка контроля вибрации может быть несколько удалена от неподвижного кольца подшипника и выбирается, например, на корпусе подшипникового узла.
Во-вторых, спектральный анализ огибающей позволяет обнаруживать в подшипнике качения зарождающиеся дефекты не только поверхностей качения, но и скольжения, в частности сепаратора. Обнаружение и идентификация (определение вида) всех дефектов является основой долгосрочного прогноза состояния подшипника и перехода с интервалов между измерениями порядка нескольких дней на интервалы до нескольких (3 -6) месяцев.
В-третьих, появляется возможность диагностировать низкооборотные подшипники, в которых даже при нормальной работе возникают ударные импульсы. Диагностика в этом случае возможна потому, что в дефектных подшипниках периодически изменяется плотность ударных импульсов, а, следовательно, и мощность высокочастотной вибрации.
В-четвертых, те дефекты, которые приводят к разрыву масляной пленки и появлению ударных импульсов, могут обнаруживаться еще до того, как величина дефекта будет достаточна для разрыва масляной пленки и возникновения ударных импульсов.
Естественно, что метод огибающей имеет и свои недостатки. Первый заключается в том, что на этапе зарождения с высокой достоверностью обнаруживаются все дефекты подшипника качения, кроме одного - дефекта смазки, так как достаточно часто на начальном этапе развития дефектов смазки разрывы масляной пленки могут быть нерегулярными, а спектральный анализ огибающей нечувствителен к непериодическим изменениям мощности высокочастотной вибрации.
Вторым недостатком может считаться необходимость длительного накопления сигнала в течение 50-100 оборотов подшипника против 2-3 оборотов при использовании метода ударных импульсов, причем частота вращения за это время не должна меняться более, чем на 1-2%.
Третий недостаток - разная чувствительность метода к дефектам неподвижного кольца подшипника, тел качения, сепаратора и подвижного кольца, так как на пути распространения высокочастотной вибрации в зависимости от вида дефекта либо нет ни одной переходной поверхности со слоем смазки, либо такая поверхность одна (для дефектов тел качения), либо две (для дефектов вращающегося кольца и сепаратора). Как следствие, пороги опасных дефектов для разных групп дефектов будут различаться и зависеть, в частности, от скорости движения тел качения по дорожкам качения.
Четвертый недостаток, который является общим для всех чувствительных методов диагностики по высокочастотной вибрации, заключается в том, что при наличии нескольких сильных дефектов по мере их дальнейшего развития чувствительность метода падает. Для того, чтобы компенсировать этот недостаток, параллельно спектру огибающей высокочастотной вибрации в современных системах диагностики контроль за наличием сильных дефектов осуществляется по спектру низкочастотной и среднечастотной вибрации подшипникового узла, измеряемой в направлении действия статической нагрузки на подшипник.
Рассмотренные выше методы контроля состояния подшипников качения реализованы во многих системах диагностики подшипников качения. Так, первым производителем систем контроля подшипников качения методом ударных импульсов стала фирма SPM, которая выпускает их с начала семидесятых годов. Первым производителем систем диагностики подшипников качения методом огибающей стали предприятия, входящие в настоящее время в Ассоциацию "ВАСТ", одно из которых выпускает программное обеспечение "DREAM" для автоматической диагностики подшипников качения с 1990 года. В последние годы список производителей диагностических систем, применяющих эти методы на практике, быстро расширяется.
Расширение возможностей
Опыт эксплуатации систем диагностики подшипников качения по спектрам вибрации и ее огибающей показывает, что в типовых ситуациях, если измерения вибрации подшипниковых узлов проводятся периодически, при стабильной частоте вращения и стандартном режиме работы машины, достоверность диагноза и прогноза состояния подшипника оказывается достаточно высокой и, как правило, превышает величину порядка 95%.
В то же время в нестандартных ситуациях, когда, например, приходится ставить диагноз и прогноз или по одноразовым измерениям вибрации, или в случае отсутствия информации об условиях эксплуатации, или при нестандартных режимах работы машины во время диагностических измерений, встречаются случаи пропуска предаварийного состояния подшипников качения, в результате чего растет вероятность непрогнозируемого отказа оборудования при дальнейшей эксплуатации.
Основной причиной пропуска предаварийной ситуации при использовании спектральных методов вибрационной диагностики подшипника является их низкая чувствительность к зарождающимся дефектам смазки, например, к попаданию в смазку воды, что часто имеет место, например, на транспорте и приводит к ускоренному износу подшипников в период между диагностическими измерениями.
Вторая причина определяется тем, что в случае нестабильной частоты вращения подшипника качения в момент проведения диагностических измерений в спектре вибрации и ее огибающей "размываются" спектральные линии, что приводит к искажению результатов диагноза, в частности, к занижению величины обнаруживаемого дефекта.
Третья причина заключается в том, что на начальной стадии разрушения подшипника возможны случаи, когда подшипниковая вибрация, возбуждаемая, например, ударами при контакте дефектных участков поверхностей качения, перестает быть периодической даже при постоянной частоте вращения машины, и ее рост не может быть обнаружен спектральными методами анализа сигналов. При этом может расти интегральный (общий) уровень вибрации на высоких, средних или низких частотах, в зависимости от вида дефекта. Так, например, если при дефектах поверхностей качения может расти общий уровень вибрации в том числе и на низких частотах, то при дефектах сепаратора рост уровня вибрации наблюдается, прежде всего, на высоких частотах.
Анализ возможных технических решений, направленных на снижение вероятности пропуска предаварийных состояний подшипников качения по однократным измерениям вибрации показал, что оптимальным является объединение преимуществ каждого из основных методов вибрационной диагностики машин. Во-первых, необходимо использовать возможности метода "ударных импульсов" для обнаружения зарождающихся дефектов смазки. Для этого необходимо контролировать появление ударных импульсов по величине пикфактора и, сравнивая результаты измерения этой величины с данными измерений спектра огибающей высокочастотной вибрации, определять случай появления непериодических ударных импульсов из-за дефектов смазки.
Во-вторых, необходимо контролировать вибрационную энергию подшипника на высоких частотах, измеряя среднеквадратичное значение высокочастотной вибрации, чтобы не пропустить предаварийного состояния легких деталей подшипника, в частности его сепаратора.
В-третьих, необходимо контролировать низкочастотную вибрационную энергию подшипника и машины в целом, так как предаварийное состояние подшипника может случайным образом повлиять на уровень вибрации других узлов, например ротора, причем без существенного роста гармонических составляющих вибрации. При этом следует измерять виброускорение, а не виброскорость или вибросмещение, так как вклад подшипниковых составляющих в общий уровень виброускорения выше, чем в уровень виброскорости и, тем более, вибросмещения.
И, наконец, следует контролировать уровень отдельных гармонических составляющих вибрации машины на низких и средних частотах, так как при накоплении в подшипнике нескольких сильных дефектов может резко возрасти вибрация на заранее неизвестных комбинационных подшипниковых частотах, определяемых конкретной совокупностью и пространственным расположением дефектов.
Все указанные дополнительные виды измерений были включены в диагностическое программное обеспечение "DREAM", выпускаемое ассоциацией предприятий "ВАСТ". Для этого в сборщике данных - анализаторе СД-12 была предусмотрена возможность измерения величины пикфактора и среднеквадратичного значения высокочастотной вибрации, в частности, в полосе частот 10-25кГц, и передача этих данных в программу автоматического мониторинга. Была также предусмотрена возможность автоматической передачи спектров низкочастотной и среднечастотной вибрации, измеряемых для диагностики, дополнительно в программу мониторинга с автоматической установкой и корректировкой соответствующих порогов. Кроме того, по данным измерений этих спектров был предусмотрен автоматический расчет… уровня вибрации, который также передается в программу мониторинга.
В результате изменений и дополнений, введенных в программу мониторинга, являющуюся составной частью пакета программ "DREAM" для мониторинга и диагностики роторных машин, появилась возможность достоверной диагностики подшипников качения по однократным измерениям вибрации. Так, для диагностики и прогноза состояния подшипника качения машины, имеющей одну ось вращения, достаточно провести три измерения - спектра низкочастотной вибрации, спектра огибающей высокочастотной случайной вибрации и формы высокочастотного сигнала, причем из последней автоматически определяется всего два параметра -среднеквадратичное значение и пикфактор.
Пороговые значения для всех диагностических параметров в пакете программ Dream определяются автоматически любым из двух, выбираемым пользователем, способов - по данным измерений вибрации группы идентичных узлов (групповой порог) и по данным предыдущих периодических измерений (порог по истории).
Рис. 6. Спектр низкочастотной вибрации подшипникового узла с установленными пороговыми значениями
На рис.6 приведен рабочий экран программы "DREAM", в котором показан спектр низкочастотной вибрации подшипникового узла с установленными пороговыми значениями. Интегральный (общий) уровень низкочастотной вибрации приведен в первом канале спектра.
На рис.7 приведены результаты периодических измерений пикфактора и среднеквадратичного значения высокочастотной вибрации также с установленными пороговыми значениями.
Наконец, на рис.8 приведен экран… со спектром огибающей высокочастотной вибрации, в котором также указаны автоматически обнаруженные дефекты. На этом же экране приведены частоты найденных в спектре огибающей гармонических составляющих, результаты измерения уровня высокочастотной вибрации (рост на 26 дБ), виды выявленных дефектов с указанием вероятности их обнаружения и признаки одного из обнаруженных дефектов (по желанию на экран могут быть выведены признаки любого из имеющегося в диагностируемом подшипнике дефекта, что позволяет обучать не имеющего специальной подготовки пользователя).
Рис. 7. Характер изменения среднеквадратичного значения и пикфактора высокочастотной (в полосе частот 10-25 кГц) вибрации подшипника по мере развития дефектов
Рис. 8. Результаты диагностики подшипника качения по спектру огибающей высокочастотной вибрации
Рис. 9. Протокол состояния подшипника качения по данным мониторинга и диагностики
Сводный протокол состояния подшипникового узла, сформированный по данным сравнения диагностических параметров с порогами, автоматически определенными по данным измерений вибрации 10 идентичных узлов однотипных электродвигателей (рис.9), включает в себя параллельно результаты автоматических мониторинга и диагностики.
Опытная эксплуатация систем диагностики с введенными в программу мониторинга дополнениями показала, что достоверность получаемых результатов по однократным измерениям вибрации возросла и превысила величину порядка 90%.
Заключение
Исследования возможностей объединения основных из существующих методов диагностики подшипников качения по высокочастотной вибрации показали, что такая задача может быть успешно решена даже в существующих системах диагностики, обеспечивающих спектральный анализ вибрации и огибающей ее высокочастотных составляющих, выделяемых полосовыми фильтрами.
В то же время, для достижения высокой достоверности получаемых результатов диагностики в сложных условиях работы диагностируемых машин и (или) по одноразовым измерениям вибрации, в алгоритмы мониторинга и диагностики должны быть включены данные измерений спектров низкочастотной и среднечастотной вибрации, а также ее интегральные (общие) уровни.