Проблемы подшипников скольжения

      Подшипники скольжения являются неотъемлемой частью многих крупных и очень ответственных агрегатов, широко применяются в энергетическом оборудовании, мощных насосах, компрессорах, электродвигателях и т. д.

      При кажущейся внешней простоте конструкции, а подшипник скольжения состоит всего из трех элементов - из антифрикционного вкладыша, части поверхности вала и слоя масла между ними, на самом деле это сложный и ответственный узел, в котором возможно возникновение опасных дефектов. С целью обеспечения высокой надежности работы оборудования состояние подшипников скольжения нуждается в постоянном контроле со стороны обслуживающего и диагностического персонала.

      Вибродиагностические методы контроля и оценки технического состояния подшипников скольжения являются в настоящее время широко распространенным способом, позволяющем контролировать состояние подшипников в процессе работы, не прибегая к разборке агрегатов.

Общие вопросы диагностики подшипников

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

      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 маслянного 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 об вкладыш.

      Рабочий слой масла в подшипнике качения называют часто маслянным 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 становиться 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. Наиболее часто это происходит при значительном уменьшении нагрузки вала ротора на подшипник, что может являться следствием многих причин.

      Попробуем немного пояснить причину возникновения этих автоколебаний, естественно стараясь, по возможности, не вдаваться при этом далеко в сложные формулы и описания.

      На схематическом рисунке показано поперечное сечение подшипника скольжения, для наглядности в котором показаны очень большие зазоры. Ротор, показанный на рисунке окружностью, выделенной более толстой линией, вращается в зазоре в направлении по часовой стрелке.

      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 рисунке 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 “N” процентов рабочая точка подшипника сместится по своей траектории настолько, чтобы несущая способность подшипника выросла также на “N” процентов.

      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 маслянного слоя подшипника, направленный 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 маслянном 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 маслянного 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 маслянных 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, т. к. имеет место вытекание масла в боковые зазоры подшипника.

      Численное значение частоты маслянных 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 маслянной вибрации снижается и стремится ближе к величине 0,4 от частоты вращения вала, то тогда все наоборот. Лучшим по качеству является состояние поверхности шейки вала. Масло тяготеет к вкладышу, имеющему поверхностные дефекты, и сильно тормозиться.В некоторых случаях уменьшение частоты вибрации маслянного клина говорит об увеличении зазоров в подшипнике.

      Эти логические рассуждения о влиянии состояния подшипника на изменение частоты маслянной вибрации справедливы достаточно часто, но не всегда. Они приведены здесь для примера и, мы надеемся на это, принесут пользу читателям при более глубоком изучении вопроса и анализе опыта уже имеющейся практической работы.

      При выполнении диагностики подшипника скольжения обязательно следует хорошо знать конструкцию подшипника или, как минимум, спектральную историю развития вибраций на данном подшипнике. Очень нужен в этом вопросе практический навык вибродиагноста.

      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, маслянного 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 маслянных 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 маслянного клина в подшипниках скольжения применяются различные меры, такие как использование подшипников скольжения с вкладышами специальной формы и с секционированными вкладышами, такими как:
- с некруглой формой расточки - лимонной, трехцентровой и т. д.;
- с подвижными секционированными и независимыми рабочими поверхностями - кольцами, вкладышами и т. д.

      При наличии секционирования вкладышей в спектре могут появиться вибрации от маслянной 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 маслянный 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.