Основными элементами наиболее типичного механизма являются: подшипники, зубчатые передачи, валы, соединительные элементы, корпусные детали. Рассмотрим возможные повреждения данных узлов в процессе эксплуатации.

В каждой машине действуют динамические силы. Эти силы — источник шума и вибрации, повреждений узлов механизма.

Основные динамические силы, действующие в машинах роторного типа. Силы механической природы: центробежные силы, определяемые неуравновешенностью вращающихся узлов; кинематические силы, определяемые неровностью взаимодействующих поверхностей и, прежде всего, поверхностей трения в подшипниках; параметрические силы, определяемые, прежде всего, переменной составляющей жесткости вращающихся узлов или опор вращения; силы трения, которые далеко не всегда можно считать механическими, но почти всегда они являются результатом суммарного действия множества микроударов с деформацией (упругой) контактирующих микронеровностей на поверхностях трения; силы ударного вида, возникающие при взаимодействии отдельных элементов трения, сопровождающемся их упругой деформацией.

Силы электромагнитного происхождения в электрических машинах:

— магнитные силы, определяемые изменениями магнитной энергии в определенном ограниченном пространстве, как правило, в ограниченном по протяженности участке воздушного зазора;

— электродинамические силы, определяемые взаимодействием магнитного поля с электрическим током;

— магнитострикционные силы, определяемые эффектом магнитострикции, т.е. изменением линейных размеров магнитного материала под действием магнитного поля.

Силы аэродинамического происхождения:

— подъемные силы, т.е. силы давления на тело, например, лопасть рабочего колеса, движущееся в потоке, либо обтекаемое потоком;

— силы трения на границе потока и неподвижных частей машины (внутренней стенки трубопровода и т.п.);

— пульсации давления в потоке, определяемые его турбулентностью, срывом вихрей и т.п.

Силы гидродинамического происхождения, в основном, имеют ту же природу, что и в газовой среде, но к ним добавляются еще и пульсации давления из-за кавитации, которая при определенных условиях может возникать в потоке жидкости.

Расчеты показывают, что в существующих корпусах свыше 50% всей нагрузки на подшипник воспринимает один шарик или ролик, расположенный в данный момент на линии действия нагрузки. Такое резко неравномерное распределение нагрузки на тела качения приводит к чрезмерному повышению контактных напряжений и преждевременному выходу подшипника из строя. На долговечность подшипников влияет усталостное выкрашивание рабочих элементов подшипников, которое зависит главным образом от величины контактных напряжений. Одной из причин неудовлетворительного распределения нагрузки между телами качения является наличие посадочного зазора между отверстием корпуса и наружным кольцом подшипника и радиального зазора в подшипнике.

Подшипники качения выходят из строя вследствие чрезмерного нагрева, потери точности вращения, абразивного и коррозионного износа, разрыва сепаратора, загрязнения и заклинивания, проворачивания колец на валу и в корпусе, появления трещин на деталях. Большинство этих факторов, влияние которых в сборочных единицах машин имеет различный характер, не поддается математическому расчету, однако требует учета при эксплуатации узла.

Отказы подшипников качения происходят в результате: повреждений внутренней и внешней дорожек качения, повреждений элементов качения, повреждений или разрушения сепаратора, ослабления посадки подшипника на валу и в корпусе, увеличенного внутреннего зазора, перекоса подшипника и проблем со смазкой. На самом деле можно найти много причин, вызывающих повреждения подшипников качения. Примерно 43% подшипников выходят из строя вследствие неправильного режима смазки, т.е. ее избытка или недостатка, а также в результате загрязнения смазки. 27% связаны с неправильной установкой подшипника, перекосами, дефектами монтажа, неправильной сборкой. Следующие 24% включают: неправильное применение подшипников и повышенную вибрацию. Только 9% подшипников выходят из строя вследствие естественного износа.

Если проанализировать формулы, определяющие срок службы подшипника в зависимости от нагрузки, то очевидно, что срок службы подшипника резко сокращается при превышении нагрузки, установленной техническими условиями. Другим фактором, определяющим срок службы, является частота вращения. На срок жизни подшипника может повлиять и вибрация, повышение вибрации машины от 5 до 10 мм/с может сократить срок службы подшипника почти на 70 %.

В подшипниках с недостаточным зазором тела качения остаются защемленными, теряется возможность самоцентровки. Недостаточный радиальный зазор, повышенная жесткость подшипника при наличии отклонений в кольцах и деталях качения от правильной геометрической формы, является причиной перегрузки деталей подшипника и снижением его долговечности. Повышенный радиальный зазор неблагоприятен в отношении равномерности распределения нагрузки по телам качения.

Недостаток смазки и большие давления приводят к проскальзыванию контактирующих поверхностей, вызывая появление касательных нагрузок, достигающих больших значений, что приводит к пластическому смещению целых участков поверхности с разрывами и надирами.

"Масляное голодание" приводит к оплыванию и изнашиванию тел качения, наволакиванию материала на поверхности беговых дорожек, изнашиванию сепаратора. Быстрый выход из строя подшипников в режиме "масляного голодания" особенно характерен для высоко скоростных, тяжелонагруженых опор.

При плохих уплотнениях в условиях сильного загрязнения на-блюдается интенсивный абразивный износ, сопряженный с ростом радиальных, в меньшей степени осевых зазоров.

Повреждения подщипников качения, идентифицируемые с применением методов виброметрии, можно разделить на три группы.

Первая — дефекты монтажа подшипника: перекосы колец подшипника, неоднородный радиальный (осевой) натяг подшипника.

Вторая группа — овреждения во время эксплуатации подшипника: износ наружного кольца, раковины, трещины на наружном кольце, износ внутреннего кольца, раковины, трещины на внутреннем кольце, износ тел качения, раковины, сколы трещины на телах качения, износ сепаратора, старение (недостаток) смазки.

Третья группа — повреждения соседних элементов, создающих динамические нагрузки на подшипники: повреждения соединительных муфт, повреждения и дефекты зубчатых передач.

Типичные повреждения рабочих поверхностей зубчатых передач определяются конструкцией и особенностями эксплуатации. Силы, действующие на зубья, вызывают их изгиб, сжатие и тангенциальные деформации за счет трения в зоне контакта. Циклическое изменение этих сил, а также изгибающие и контактные напряжения, вызванные этими силами, являются причиной поломки зубьев и усталостного выкрашивания их рабочей поверхности. Трение, возникающее в зоне контакта зубьев, вызывает их износ и заедание.

Виды повреждений зубчатых передач: изменение геометрии рабочих поверхностей в результате механического, абразивного, усталостного изнашивания и схватывания сопряженных поверхностей, вследствие чего развиваются повреждения — абразивное изнашивание, усталостное выкрашивание, заедание, задиры, сколы, трещины.

Поломка зубьев — наиболее опасный вид разрушения. Она про-исходит из-за возникающих в зубьях повторно-переменных напряжений при деформации изгиба. Поломка зубьев может происходить в результате больших перегрузок ударного и статического характера, а также усталостного разрушения от действия переменных напряжений в течение длительного срока службы. Трещины усталости возникают у основания зуба из-за неучтенных расчетом перегрузок. Перенапряжение зубьев может вызывать концентрацию нагрузки по длине зуба вследствие неправильного монтажа (чаще всего непараллельности валов), а также из-за грубой обработки поверхности впадин зубьев, заклинивания зубьев при нагреве передачи и недостаточной величине боковых зазоров. Чаще всего наблюдаются отколы углов зубьев, связанные с концентрацией нагрузки.

Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев — наиболее распространенный эксплуатационный вид повреждения закрытых передач. Возникает оно в результате действия повторно-переменных контактных напряжений в поверхностных слоях материала. В зубчатых передачах, работающих при высоких контактных напряжениях, главным образом на ножках и у полюсной линии, появляются веерообразные микротрещины, которые, развиваясь вглубь по кругу, замыкаются, что и приводит к явлению выкрашивания. Стимулирует выкрашивание смазка, попадающая в трещины. Вследствие клиновидности трещины давление смазки возрастает по глубине и достигает максимального значения у вершины трещины. Прогрессирующий износ вызывает искажение профиля и приводит к снижению ресурса зубчатой передачи.

Абразивный износ зубьев — основной вид разрушения отрытых передач. Вид поверхности — ряд мелких параллельных полос, перпендикулярных оси колеса. Износ поверхностного слоя, имеющего наибольшую твердость, приводит к значительному увеличению скорости изнашивания. В процессе износа уменьшается размер зуба по толщине, увеличиваются зазоры в зацеплении, нарушается эвольвентность рабочего участка профиля зуба.

Пластические сдвиги наблюдаются у тяжелонагруженых зубчатых колес, выполненных из мягкой стали. На поверхности таких зубьев при перегрузке появляются пластические деформации с последующим сдвигом. Задир зубьев возникает при нарушении сплошности масляной пленки, в случае появления металлического контакта между рабочими поверхностями зубьев, сопровождается нагревом металла вплоть до сваривания микрообъемов металла. Это приводит к появлению борозд, расположенных на рабочей поверхности зубьев, перпендикулярно оси колеса. При загрязненной смазке твердые частицы, попадая в зону контакта сопряженных поверхностей, под давлением внедряются в тело зубьев и вызывают дополнительное истирание поверхности.

В начальный период из-за неточностей изготовления, монтажа нагрузка на их отдельных участках распределяется неравномерно. Это приводит к местному разрушению масляной пленки, смятию и истиранию неровностей на наиболее нагруженных участках, на поверхности зубьев появляются натиры с металлическим блеском.

Наибольший износ рабочих поверхностей наблюдается на ножках зубьев, где имеет место максимальное скольжение. Самый быстроразвивающийся вид повреждения — разрушение начинается с образования трещины и заканчивается сколом или поломкой зубьев. Трещины начинают появляться в основании зубьев на стороне растянутых волокон и располагаются перпендикулярно рабочим поверхностям зубьев. Возникновение трещин приводит с течением времени к разрушению зубьев и часто к повреждению других деталей механизма из-за попадания в них кусков зубьев.

Малые зазоры в зубчатых передачах приводят к повышению вибрации и шума. В этом случае происходит подрезание ножки зуба ведущего колеса и на головках зубьев появляются острые кромки.

Уменьшение шероховатости рабочих поверхностей зубьев значительно снижает мгновенную температуру в зоне контакта, повышает долговечность и улучшает условия работы зубчатой передачи.

В червячных передачах витки червяка изнашиваются значительно больше, чем зубья червячного колеса. В цилиндрических передачах наблюдается более интенсивный износ зубьев шестерен, нежели зубьев колес.

Измерение виброакустических характеристик на подшипниковых опорах механизмов позволяет определить техническое состояние оборудования, и распознать следующие дефекты и повреждения:

1. Дисбаланс валов.

2. Расцентровка или несоосность сочлененных валов.

3. Повреждения подшипников скольжения:

3. 1. Эллипсность цапф;

3. 2. Вибрация валов при срыве масляного потока;

3. 3. Неправильная установка вкладышей;

3. 4. Износ вкладышей.

4. Повреждения подшипников качения:

4. 1. Износ внешней обоймы;

4. 2. Повреждения внешней обоймы (трещины, раковины);

4. 3. Износ внутренней обоймы;

4. 4. Повреждения внутренней обоймы;

4. 5. Износ сепаратора;

4. 6. Износ тел качения;

4. 7. Повреждения на телах качения;

4. 8. Неравномерный радиальный натяг;

4. 9. Загустевание или недостаточность смазки;

4.10. Обкатывание наружной обоймы;

4.11. Перекос наружной обоймы.

5. Повреждения зацепления зубчатых передач:

5.1. Повреждения зубьев на ведущем валу;

5.2. Повреждения зубьев на ведомом валу.

6. Незакрепленность агрегатов на фундаментах.

7. Повреждения муфт.

8. Повреждения рабочих колес.

9. Повреждения электромагнитной системы электрических машин.

9.1. Повреждения обмоток статора;

9.2. Распушение пакетов активной стали сердечников статора;

9.3. Замыкание в активной стали сердечников статора;

9.4. Статический и динамический эксцентриситеты зазора между ротором и статором;

9.5. Дефекты обмотки ротора.