Общие вопросы диагностики подшипников скольжения

 

Физические процессы, протекающие в подшипниках скольжения, достаточно сложны и зависят от соотношения многих внешних и внутренних факторов.

Все возникающие в процессе эксплуатации проблемы состояния подшипников скольжения могут быть объединены в основные три группы:

1) проблемы состояния рабочих поверхностей подшипника;

2) проблемы величины зазора между галтелью вала и антифрикционным вкладышем;

3) проблемы несущей способности слоя смазочного масла.

Прежде чем начать обсуждать вопросы диагностики состояния подшипников скольжения, необходимо сказать несколько слов об особенностях динамических процессов в них, существенно влияющих на особенности вибродиагностических процессов. Без знания этих особенностей невозможно составление корректных диагностических правил по таким подшипникам.

Несущая способность масляного клина подшипника скольжения, его основной эксплуатационный параметр состояния, является сложной нелинейной функцией от величины зазора между валом и антифрикционным вкладышем. Чем тоньше слой масла, тем выше несущая способность подшипника. С другой стороны, снижение слоя масла снижает устойчивость подшипника к динамическим нагрузкам, выше становится вероятность механического задевания вала о вкладыш.

Рабочий слой масла в подшипнике качения называют часто масляным клином потому, что в радиальном разрезе он очень похож на клин, изогнутый вокруг вала. Толщина клина (масла) является наибольшей в месте входа рабочей поверхности вращающегося вала в несущую зону подшипника и минимальна на выходе из нее. Чем больше нагрузка на подшипник, тем тоньше становится слой масла, несущего радиальную нагрузку.

Роторы агрегатов, опирающиеся на подшипники скольжения, при определенных условиях могут потерять устойчивость и перейти в режим автоколебаний в радиальном направлении. На рис. 5.20  показано поперечное сечение подшипника скольжения, в котором для наглядности показаны очень большие зазоры. Ротор, показанный на рисунке окружностью, выделенной более толстой линией, вращается в зазоре в направлении по часовой стрелке.

 

 

Рис. 5.20. Схема скольжения

 

При изменении нагрузки на подшипник положение центра вала будет смещаться относительно центра подшипника, будет изменяться рабочий зазор в подшипнике. При изменении нагрузки на подшипники от нуля до предельно допустимой центр ротора опишет линию нагрузки подшипника. На рис. 5.20 цифрами 1, 2 и 3 показаны характерные точки траектории перемещения центра вращения ротора при изменении нагрузки на подшипник. Точка 3 на рисунке соответствует полному отсутствию нагрузки на подшипник. Положение точки 1 соответствует такой максимальной нагрузке, когда резервы несущей способности подшипника исчерпаны полностью и начались задевания ротора о вкладыш.

Очень важным для понимания физики процессов в подшипнике является перегиб траектории в точке 2. Кривая траектории перемещения центра вала этой точкой перегиба 2 делится на два различных по свойствам участка, на которых может располагаться рабочая точка подшипника.

Участок от точки 1 до точки 2 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 определенное значение (на пример, на 20%) рабочая точка подшипника сместится по своей траектории настолько, чтобы несущая способность подшипника выросла также на 20%.

На участке от точки 2 до точки 3 картина динамических процессов во многом иная. Вследствие отрицательной кривизны траектории движения центра ротора здесь существует специфический эффект, который можно назвать «перерегулированием» в реакции подшипника на внешние возбуждения. 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 «улетит» по траектории дальше, чем нужно. Далее на ротор, «улетевший» за точку равновесия, снова будет действовать чрезмерный импульс от масляного слоя подшипника, который направлен в сторону точки установившегося режима, но и это усилие снова будет чрезмерным. В итоге ротор снова «улетит» за точку равновесия в начальную позицию, а вероятнее всего, и даже еще дальше. Результатом этого явления «сильного перерегулирования» станет бесконечное автоколебание ротора на масляном клине относительно точки равновесия.

Картина этого автоколебания, возникающая обычно при малой нагрузке на подшипник, очень своеобразна и чем-то напоминает попытку выспаться на «не полностью накачанном резиновом 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 со входа на выход. В конечном итоге такие колебания наводят специфическую, достаточно низкочастотную вибрацию как в вертикальном, так и в поперечном (радиальных) направлениях.

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, так как 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 маслянной 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 происходит все наоборот. Лучшим по качеству является состояние поверхности шейки вала. Масло тяготеет к вкладышу, имеющему поверхностные дефекты (налипает на поверхность вкладыша), и сильно тормозится.

В некоторых случаях уменьшение частоты вибрации маслянного клина говорит об увеличении зазоров в подшипнике.

При выполнении диагностики подшипника скольжения обязательно следует хорошо знать конструкцию подшипника или, как минимум, спектральную историю развития вибраций на данном подшипнике.

У гибких роторов спектральная картина и частота автоколебания может быть несколько иной, если рядом будет находиться первая критическая частота ротора, что часто бывает у турбогенераторов. В этом случае пик на частоте резонанса будет больше, чем на сепараторной частоте, что не нуждается в особых объяснениях.

Для разделения этих двух пиков, масляного и резонансного, впрочем как и вообще для диагностики подшипников скольжения, необходим спектроанализатор с хорошим спектральным разрешением. При использовании анализаторов с малым числом линий в спектре, меньше, чем 400 – 800, диагностика масляных вибраций напоминает что-то не совсем серьезное и корректное. Наверное, при большом практическом опыте можно и угадать, но серьезно диагностировать нельзя.

Для уменьшения вероятности возникновения автоколебаний масляного клина в подшипниках скольжения применяются различные меры, такие как использование подшипников скольжения:

1) с вкладышами специальной формы;

2) с секционированными вкладышами  с некруглой формой расточки – лимонной, трехцентровой и т. д.;

3) 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.

Проблема большого зазора. При монтаже подшипника скольжения всегда тщательно контролируются зазоры со всех сторон ротора, так как все они, а не только нижняя часть вкладыша, в той или иной мере участвуют в работе. Даже зазор в верхней части подшипника очень важен для стабилизации положения ротора в зазоре подшипника.

В процессе работы из-за износа зазоры постепенно увеличиваются и наступает такой момент, когда это начинает сказываться на состоянии агрегата и 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 окружности подшипника. Это может быть возбуждающая сила и другого проявления. Просто говоря, 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 – до 10 или даже 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 горизонтальными. В диагностике этого хорошо помогает круговой замер вибрации и построение «розы вибраций».

При увеличенных боковых зазорах может резко возрасти только поперечная составляющая вибрации, что также легко объяснимо – сдвинуть ротор «вбок» легче, чем приподнять его. Характерный спектр такого дефекта показан на рис. 5.21. По внешнему виду 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  – 15 – 20 гармоник. Также много, хотя и при меньшей амплитуде, дробных гармоник с кратностью 1/2 от оборотной частоты вращения вала.

 

 

5.21. Спектр вибрации агрегата с увеличенным зазором в подшипнике скольжения.

 

Глядя на этот характерный  спектр, следует признать, что этот дефект достаточно трудно спутать с другим дефектом.

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 вызовут удары в подшипнике, и частота этих ударов будет соответствовать лопаточной частоте.

И последнее замечание по зазорам в подшипниках скольжения. Большое число практических вибродиагностов все еще работают с виброперемещением, по которому диагностировать увеличение зазоров в подшипнике скольжения сложнее, чем по спектру виброскорости. Предпочтение в диагностике дефектов подшипников скольжения нужно отдавать виброскорости.

Вибрации масляного клина. Рассмотрим наиболее общие и часто встречающиеся в практике особенности диагностирования вибраций масляного клина в подшипниках скольжения. Как уже было сказано, очень характерно 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, а именно:

1) нагрузка от ротора на подшипник не соответствует расчетной несущей способности масляного клина, обычно при пониженном значении нагрузки;

2) в агрегате, как минимум, присутствует еще одна возмущающая вибрации сила, возникшая не как результат проблем подшипника, но способная возбудить колебания ротора в подшипнике;

3) произошло значительное изменение рабочих параметров масла по сравнению с расчетными, таких как вязкость, температура, давление, наличие посторонних примесей.

При проведении диагностирования роли масленого клина в возникновении вибраций в агрегате необходимо отслеживать частоту масляной вибрации:

1) она 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.

2) она располагается сравнительно ближе к величине 0,4 от частоты вращения вала, то тогда все наоборот. Лучшим является состояние поверхности шейки вала.

На рис. 5.22  приведен пример возникновения масляной вибрации на частоте близкой к 0,4 вращения вала.

 

Рис. 5.22. Спектр вибрации подшипника скольжения с масляной субгармоникой

 

Для разделения с резонансным пиком и для определения смещения масляной гармоники вверх или вниз по частоте необходим спектроанализатор с большим числом линий в спектре.

Неправильная установка подшипника. Под этим термином понимается неправильная установка баббитовых вкладышей, их перекос или излишняя подвижность внутри подшипниковой стойки.

В спектре вибрации этот дефект проявляется усилением первой и второй гармоник оборотной частоты ротора. Значительно возрастает осевая составляющая общей вибрации, часто до недопустимых значений. Рассмотрим диагностические особенности данного дефекта монтажа.

При перекосе вкладыша в подшипнике обычно вибрация на поверхности подшипника различна вдоль его осевого направления. Когда передняя, условно говоря, часть вкладыша перемещается, опять условно говоря, вверх, задняя часть может перемещаться с меньшей скоростью, оставаться на месте и даже перемещаться в обратном направлении, т. е. вниз. Основной причиной этого является, наряду с перекосом вкладыша, всегда имеющий место, обычно небольшой, изгиб шейки вала в районе подшипника. Эти два дефекта в совокупности и приводят к сложному характеру прецессии во времени различных точек подшипника.

Если вкладыши являются самоустанавливающимися, то они перемещаются в точку нового равновесного состояния и вибрации могут уменьшиться. Если такой возможности нет, вибрация останется большой. 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 «колебания есть возмущающая сила, умноженная на подвижность конструкции».

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 по двум особенностям.

Первая. В «розе вибраций», построенной в плоскости, перпендикулярной оси агрегата, при изгибе вала нет четко выраженного максимума. При перекосе вкладыша он всегда есть.

Вторая. В синхронизированных вибросигналах, 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 наверное 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 небольшого «затирания» и в основном диагностируемого на резонансной частоте конструкции подшипника скольжения.

Последней стадией большой подвижности вкладыша подшипника является спектральная картина ослабленной посадки элементов с большим количеством целых и дробных гармоник в спектре. Подробнее об этом можно прочитать в разделе 5.3.3, так как это уже будет интегральный дефект, общий для многих первопричин, а не только относящийся к подшипникам скольжения.

Возможно такая причина будет на спектре похожа на причину «увеличенный зазор в подшипнике скольжения». Разделить эти причины можно, если есть история развития вибраций на данном подшипнике за необходимый период времени. Это даст возможность выявить тренд развития неисправности с ее начальных стадий.

  Эллипсность шейки вала. В процессе работы шейка вала, являющаяся частью подшипника скольжения, может неравномерно износиться и ее поперечное сечение круга может стать эллиптической. При определенных условиях износа сечение шейки 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, так как 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.