В таблице 1. по данным АО ВАСТ приведен перечень типовых диагностических признаков дефектов, обнаруживаемых и идентифицируемых при диагностике подшипников качения по однократным измерениям спектра огибающей вибрации. Эти признаки можно использовать для распознавания дефекта в случае, если этот дефект единичен, т.е., при условии отсутствия в данное время развитых дефектов в других узлах диагностируемого объекта, например дефектов вала соединительной муфты, зубчатой передачи и т.д.

Рис. 1.4 Спектр огибающей вибрации при обкатывании наружного (неподвижного) кольца подшипника

1.11.1 Бой вала или обкатывание наружного (неподвижного) кольца подшипника не является дефектом собственно подшипника, а свидетельствует лишь о режиме его работы с повышенной вращающейся нагрузкой на подшипник, снижающем его ресурс. В машинах с горизонтальным валом этот дефект указывает либо на сильную неуравновешенность ротора, либо на бой вала. В машинах с вертикальным валом обкатывание является естественным режимом работы подшипника, не снижающим его ресурс. Признаком этого режима работы подшипника является появление в спектре огибающей вибрации небольшого (до трех-четырех) числа гармонических составляющих вибрации с частотами kfвр, из которых максимальные амплитуды приходятся на 1-3 гармонику, см. рис. 1.4.

1.11.2 Неоднородный радиальный натяг подшипника является обычно дефектом его сборки, в частности, следствием посадки подшипника на вал, диаметр которого больше допустимого, перекоса вращающегося кольца, повышенной осевой нагрузки на подшипник. Признаком этого дефекта является рост гармонических составляющих в спектре огибающей вибрации на четных и, прежде всего, на второй гармонике частоты вращения вала (см. рис.1.5). Проявляется этот дефект обычно сразу после установки нового подшипника, сопровождается ростом вращающейся нагрузки в двух противоположных точках внутреннего кольца подшипника и приводит к ускоренному износу из-за перегрузок, действующих на поверхности качения. По мере износа эти перегрузки снижаются, и признаки неоднородного натяга могут исчезнуть, однако ускоренный износ подшипника продолжится.

Рис. 1.5 Спектр огибающей вибрации при неоднородном радиальном натяге подшипника.

1.11.3 Перекос наружного кольца подшипника возникает обычно при монтаже подшипника из-за дефектов посадочного места. Он проявляется сразу после монтажа, и признаком его является рост составляющих спектра огибающей на частотах kfн, преимущественно при четных k и, особенно, на второй гармонике 2fн (рис. 1.6). Причиной этого роста является повышенная статическая нагрузка на поверхности трения в двух противоположных точках наружного кольца. В результате ускоренного износа признаки перекоса могут исчезнуть, однако ускоренный износ наружного кольца продолжится.

1.11.4 Износ наружного кольца подшипника практически всегда происходит локально, изменяя коэффициент трения качения на отдельных участках поверхности наружного кольца. В результате появляется плавная модуляция высокочастотной вибрации частотой fн и в спектре огибающей вибрации растут гармонические составляющие на частотах kfн, причем наибольший рост происходит на первой гармонике fн, а амплитуда кратных гармоник в спектре огибающей быстро падает, как это показано на рис.1.7.

Рис. 1.6 Спектр огибающей при перекосе наружного кольца.

Рис. 1.7 Спектр огибающей вибрации при износе наружного кольца подшипника.

1.11.5 Раковины (трещины) на наружном кольце подшипника приводят к появлению коротких ударных импульсов при контакте каждого тела качения с раковиной (трещиной). В результате появляется ряд гармоник с частотами kfн в спектре огибающей высокочастотной вибрации, причем число этих гармоник достаточно велико, а их амплитуда слабо снижается с ростом k, см. рис. 1.8.

Рис. 1.8 Спектр огибающей вибрации при раковине на наружном кольце.

Разделить признаки раковины и трещины по результатам анализа спектра огибающей удается крайне редко и, в основном, за счет более быстрого развития дефекта в случае, если в подшипнике есть трещина. Признаки раковины могут со временем переходить в признаки износа наружного кольца, а признаки трещины стабильны и, более того, растут при каждом последующем измерении.

1.11.6 Износ внутреннего кольца подшипника, как правило, происходит локально, но зона повышенного коэффициента трения захватывает область, превышающую расстояние между точками контакта ближайших двух тел качения, и модуляция сил трения происходит с частотой fвр сильнее, чем с частотой fв. Поэтому при диагностике внутреннего кольца диагностическим признаком является появление в спектре огибающей ряда гармоник с частотами kfвр. Ряд гармоник с частотами kfв, хотя и может возникать при износе внутреннего кольца, лучше всего использовать в качестве диагностического признака появления раковины (трещины) на внутреннем кольце. Достаточно часто при износе внутреннего кольца растет и высокочастотная вибрация подшипника, что является дополнительным признаком дефекта. Следует отметить, что рост в спектре огибающей вибрации гармоник kfвр является признаком дефектов и других узлов машины, таких как соединительные муфты, зубчатые передачи, ротор, и другие, поэтому при обнаружении этого признака необходимо убедиться, что в машине нет дефектов других узлов. Если это невозможно, лучше всего переходить на периодическое измерение спектра огибающей вибрации и контролировать развитие дефекта до тех пор, пока в подшипнике не появятся либо рост высокочастотной вибрации, либо другие виды дефекта.

1.11.7 Раковины (трещины) на внутреннем кольце подшипника приводят к появлению коротких ударных импульсов при контакте каждого тела качения с раковиной (трещиной). В результате в спектре огибающей вибрации появляется ряд гармоник с частотами kfв, причем из-за того, что при слабом радиальном натяге в подшипнике величина удара зависит от нагрузки, т.е. от угла поворота внутреннего кольца, у ряда гармоник в спектре огибающей появляются боковые составляющие, отличающиеся на +k1fвр, см. рис. 1.9.

Рис. 1.9 Спектр огибающей вибрации при наличии раковины на внутреннем кольце.

Различить признаки раковины и трещины на внутреннем кольце не всегда уда­ется. Косвенным признаком трещины можно считать одновременное появление большого числа гармоник kfв+k1fвр с большим числом гармоник kfвр, возникающих при увеличения радиуса внутреннего кольца в зоне его разрыва (рис. 1.10).

Однако, появление ряда гармоник с частотами kfвр может быть и признаком повышенного износа в зоне раковины при отсутствии трещины. Чаще всего трещину выделяют по скорости развития дефекта, так как раковина может иметь стабильную величину несколько дней, а при трещине признаки дефекта монотонно растут.

Рис. 1.10 Спектр огибающей вибрации при наличии трещины на внутреннем кольце.

Рис. 1.11 Спектр огибающей вибрации при износе тел качения и сепаратора.

1.11.8 Износ тел качения и сепаратора в подшипнике относится к наиболее опасным дефектам, так как развивается достаточно быстро. По спектру огибающей вибрации обнаруживается в первую очередь дефект, представляющий собой выкрашивание поверхности одного (группы) тела качения. Косвенно это указывает и на ускоренный износ того участка сепаратора, который контактирует с дефектным телом качения.

Именно этот признак является общим для рассмотренных двух дефектов подшипника. Для непосредственного измерения величины износа сепаратора можно применять другие методы, например, метод измерения флуктуаций интервалов между ударными импульсами в подшипнике, однако, эти удары появляются далеко не при всех видах дефектов. Признаком износа тела качения является появление в спектре огибающей вибрации гармонической составляющей с частотой fс (при статической нагрузке на подшипник) или fвр-fс (при вращающейся нагрузке). Составляющие с кратными гармониками по мере роста кратности быстро уменьшаются по амплитуде, см. рис.1.11.

Рис. 1.12 Спектры огибающей вибрации при раковинах, сколах на телах качения.

1.11.9 Раковины, сколы на телах качения в подшипнике также относятся к числу наиболее опасных и наиболее быстро развивающихся дефектов. Этот дефект сопровождается появлением и ростом ударных импульсов, действующих между телом качения и каждой из поверхностей колец подшипника, поэтому основная частота ударов равна 2fтк. Но, поскольку амплитуда ударных импульсов при контакте с наружным и внутренним кольцом может различаться, а также может зависеть от угла поворота сепаратора (от нагрузки), спектр огибающей вибрации содержит ряд составляющих с частотами k1fтк+k2fc, причём амплитуды составляющих с четными k1 больше, чем с нечетными, см. рис.1.12.

Более того, из-за смещения (биения) направления оси вращения (прецессии) тел качения, а также из-за износа сепаратора эти составляющие могут иметь случайную амплитудную и частотную модуляцию, тогда спектр становится таким, как это показано на том же рисунке.

1.11.10 Сложный (составной) дефект подшипника включает в себя диагностические признаки появления двух или более развитых дефектов для того случая, когда их признаки рассматриваются не независимо, а приводят к появлению в спектре гармоник с различными комбинационными частотами. Такие признаки обычно появляются при раковинах на наружном кольце, сильном износе последнего и вращающейся нагрузке (бой вала) на подшипник, при автоколебаниях ротора с одновременным сильным износом колец, при наличии раковин на наружном и внутреннем кольцах и дополнительной сильной осевой нагрузке на подшипник. В эту группу дефектов сведены признаки сложных дефектов, которые появляются достаточно редко, но их появление дает дополнительную информацию о том, что количество развитых дефектов в подшипнике превышает один.

1.11.11 Проскальзывание кольца в посадочном месте подшипника является достаточно редким дефектом и может обнаруживаться лишь в том случае, если проскальзывание происходит в момент измерения вибрации. Фактически это означает, что обнаруживается случай, когда подшипник заклинило и сепаратор не вращается относительно колец подшипника. Естественно, что процесс этот сопровождается ростом высокочастотной вибрации и ударами с частотами kfвр, причем удары с другими частотами отсутствуют, см. рис.1.13.

Дефект является крайне опасным и требует немедленной остановки и замены подшипника. К сожалению, этот вид дефекта крайне трудно отделить от дефектов других узлов машины, таких как муфты, зубчатые и другие передачи, поэтому необходимо перед принятием решения, убедиться в том, что вибрация или температура подшипникового узла резко возросла, что дополнительно свидетельствует о дефектах именно в подшипниковом узле машины.

1.11.12 Дефекты смазки подшипника приводят к росту высокочастотной вибрации подшипника, что и является основным диагностическим признаком этого дефекта. Как правило, если этот дефект оказывается единственным, в спектре огибающей вибрации отсутствуют средние и сильные дефекты других типов. Но чаще происходит наоборот, и дефекты смазки являются следствием дефектов поверхностей трения и связаны с попаданием в смазку продуктов износа, что является дополнительным признаком необходимости остановки машины и проверки состояния подшипника. Есть еще одна ситуация, при которой однозначно принимается решение о дефекте смазки. Это - обнаружение предаварийной ситуации в подшипнике, когда поверхности качения и сепаратора настолько изношены, что число ударных импульсов очень велико, и они накладываются друг на друга, нарушается периодичность их следования и теряется возможность их обнаружения спектральными методами анализа вибрации и ее огибающей. И в этом случае необходимо срочно заменять подшипник. Частоты составляющих спектра вибрации и его огибающей, используемые для обнаружения и идентификации дефектов линии вала в подшипниках качения по периодическим измерениям вибрации.

Рис. 1.13 Спектр огибающей вибрации при проскальзывании наружного кольца.

1.11.13 Бой вала встречается достаточно часто и не только имеет свои характерные признаки, но и изменяет диагностические признаки многих видов дефектов. Именно поэтому он обнаруживается по разнообразным диагностическим признакам, но основными из них являются:

· рост низкочастотной вибрации машины на гармониках частоты вращения ротора при достаточно большом (более 3-5) числе гармоник;

· появление модуляции высокочастотной вибрации подшипника частотой вращения вала, но без признаков действия ударных импульсов в подшипниках или значительного роста уровня высокочастотной вибрации;

· появление модуляции нагрузок на дефектные элементы трения, а, следовательно, модуляции многих гармонических составляющих спектра огибающей вибрации частотой вращения вала.

Таблица 2

где:   fвр      - частота вращения вала;

           fв        - частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу;

           fн       - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу;

           fтк      - частота вращения тел качения;

           fс        - частота вращения сепаратора;

           ВЧ     - высокочастотная область спектра вибрации;

           УНЧ  - низкочастотная область спектра вибрации (< 0,5 fвр);

           k=1,2,3,4,....