Одна из целей настоящей статьи - показать возможность обнаружения дефектов подшипников качения посредством анализа сигнала вибрации в частотной и временной областях. Вторая - показать возможность определения степени развития дефектов подшипников, с тем чтобы иметь возможность оценить остаточный ресурс подшипника

    Спектр и форма сигнала вибрации содержат информацию о характерных дефектах подшипников качения, эта информация имеет специфические особенности в зависимости от вида дефекта. Одной из таких характерных особенностей является наличие несинхронных пиков, т.е. пиков, не являющимися целократными гармониками частоты вращения вала машины. Спектр вибрации может содержать как дискретные пики, так и широкополосные частотные области высокого уровня. Во временном сигнале вибрации могут наблюдаться ударные импульсы, обусловленные прохождением (перекатыванием-прим. ред.) элементов качения через дефекты дорожек или контактом дорожек с дефектными участками элементов качения.
    Важным моментом является то, что колебания, связанные с дефектом подшипника качения имеют много меньшую амплитуду, чем колебания, связанные с многими другими повреждениями, такими как дисбаланс, несоосность или дефекты зубчатой передачи. Большое разнообразие конструкций подшипника и условий их использования, рабочих скоростей и нагрузок сильно затрудняет использование единого (универсального) уровня допустимой вибрации, который бы удовлетворительно работал во всех или хотя бы в большинстве случаев.

    Во временном сигнале вибрации и в его спектре присутствуют характерные признаки дефектов подшипников качения, которые сильно зависят от вида дефекта. Одним из таких признаков является присутствие в спектре несинхронных пиков, т.е. пиков, которые не являются целочисленными гармониками частоты вращения. Более того, при развитых дефектах можно наблюдать гармоники этих несинхронных пиков. Спектр может содержать как дискретные (узкополосные) пики, так и размытые "холмы", в которых сосредоточена вибрационная энергия. Во временном сигнале наблюдаются ударные импульсы, возникающие в зонах контакта тел качения с дефектами дорожек или дорожек с дефектами тел качения.

    Важным моментом здесь является то, что амплитуда колебаний, связанных с дефектами подшипников качения много меньше той, что вызвана различными другими дефектами, такими как дисбаланс, несоосность или повреждения зубчатых передач. Указанные дефекты вызывают колебания с амплитудами разных порядков, поэтому целесообразно сравнивать полученные данные с имеющимися эталонными значениями для различных дефектов, вместо того, чтобы пользоваться единым общим уровнем, принятым за уровень предупреждения о возможных дефектах подшипников. Поскольку на практике приходится иметь дело с самыми разными конструкциями и способами применения подшипников, разными частотами вращения и условиями их нагружения, - очень трудно установить один уровень предупреждения, который бы хорошо работал во всех, или хотя бы многих, ситуациях. И когда мы говорим о степени развития дефектов, то в первую очередь связываем это с характерными особенностями спектров. Распознавание образов является ключевым моментом для определения стадии развития дефекта.

     Подшипники качения имеют свои характерные частоты проявления дефектов, которые определяются их геометрическими размерами. Эти частоты можно рассчитать для внутренней и внешней дорожек, сепаратора и шариковых или роликовых элементов.
    Для расчета характерных частот необходимо знать число элементов качения, их диаметр, диаметр сепаратора и угол контакта (выделение ред.). Если эти параметры известны, можно определить все характерные частоты, генерируемые каждым отдельным элементом подшипника.
    В отличие от повреждений других видов, характерные подшипниковые частоты будут появляться в спектре только в том случае, если есть дефекты конкретных элементов подшипников. Кроме того, в спектре возможно появление сразу нескольких частотных составляющих, характерных для данного конкретного подшипника. Например, если на внешней дорожке присутствует какой-нибудь дефект, через некоторое время этот дефект вызовет износ и деградацию элементов качения, а затем передастся и внутренней дорожке подшипника.
    Характерные частоты часто определяют через коэффициенты, на которые следует умножить частоту вращения вала; эти коэффициенты кратны количеству ударов за один оборот вала, возникающих вследствие наличия определенного дефекта. Для определения характерных частот существуют стандартные формулы. Например, рассчитанный коэффициент для дефекта внешней дорожки может быть равен 5,22, и обычно в спектре вибрации вы можете наблюдать гармоники этой составляющей, которые соответствуют коэффициентам 5,22, 10,44, 15,66, 20,88 и выше. Этот несинхронный пик и его гармоники можно наблюдать, если в подшипнике есть дефектные элементы.
    Дефекты подшипников, которые мы можем распознать с помощью вибрационного анализа, включают в себя: дефекты внутренней и внешней дорожек качения, дефекты элементов качения, дефекты сепаратора, ослабление посадки подшипника, увеличенный внутренний зазор, проворачивание внутреннего кольца на валу, перекос подшипника и дефекты смазки.
    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 (как правило, более вероятной причиной будет избыточная смазка). Еще 27% связаны с неправильной установкой подшипника, например, когда подшипник пытаются поставить на место с помощью молотка или сварки. Следующие 24% включают: неправильное применение подшипников, дефекты сборки и повышенную вибрацию. Только 9% подшипников выходят из строя вследствие естественного износа.
     Если мы взглянем на различные формулы, определяющие срок службы подшипника в зависимости от нагрузки, то увидим, что эта зависимость имеет кубический вид, т.е. подшипники очень быстро будут выходить из строя, если нагрузка на них будет превышать, установленную техническими условиями. Другим фактором, определяющим срок службы, является частота вращения. На срок жизни подшипника может повлиять и вибрация, из формул следует, что повышение вибрации машины от 5 до 10 мм/с может сократить срок службы подшипника почти на 70 %.
     Если тип подшипника вам неизвестен, существуют формулы, позволяющие приблизительно определить значения характерных частот. Так, частота вращения сепаратора составляет примерно 40 % частоты вращения вала. Частота перекатывания элементов качения по внешнему кольцу (международное обозначение-BPFO) будет примерно равна 0,4 от произведения числа элементов качения на частоту вращения. Частота перекатывания шариков по внутреннему кольцу (международное обозначение-BPFI) будет примерно 0,6 от произведения числа элементов качения на частоту вращения, т.е. отношение BPFI/BPFO составляет около 1,5. Единственным исключением, когда указанными формулами нельзя пользоваться, является случай, когда угол контакта равен 90°, например в некоторых типах упорных подшипников, когда частоты для внутренней и внешней дорожки совпадают, однако такая ситуация встречается крайне редко.
    Самой высокой характерной частотой является частота перекатывания по внутренней дорожки, которая примерно на 40-60 % превышает характерную частоту для внешней дорожки, и оба этих пика будут несинхронными. Так для подшипника модели SKF 22228, имеющего 19 шариков, и частоту вращения вала 29,6Гц приблизительное значение BPFI, согласно формуле, будет 337,44 Гц. На самом деле истинное значение этой частоты для подшипника данной модели будет равно 320 Гц, так что ошибка оценивания составила всего около 5 %. Если вы встретите несинхронный пик в окрестности частоты 340 Гц на расстоянии примерно 17 Гц от нее, вы можете с достаточной уверенностью заключить, что этот пик связан с дефектом внутренней дорожки подшипника.

    Те же формулы для подшипника с 19 шариками дают оценку BRFO равную 224,96 Гц. Истинное расчетное значение этой частоты будет 243,31 Гц, что соответствует погрешности только 8 %. Для частоты 230 Гц эта погрешность соответствует 18 Гц, поэтому, встретив пик в этом диапазоне, вы можете с большой вероятностью связать его с дефектом внешней дорожки.
     В этом месте некоторые из вас скажут: "Кого волнует, на внутренней дорожке находится дефект или на внешней!" Есть такие люди, которые готовы производить замену подшипника немедленно, как только сам факт повреждения установлен. Если это относится и к вам, то и в самом деле беспокоиться не о чем. Но если вам нужны более детальные исследования, для того, чтобы оценить, как долго еще прослужит этот подшипник, тогда вопрос о месте повреждения и степени его развития становится актуальным. Здесь уже важно знать - внутренняя дорожка или внешняя, - поскольку подшипник с дефектом на внешней дорожке может прослужить дольше, чем с дефектом на внутренней. Именно появления частотной составляющей, характерной для дефекта внутренней дорожки, требует особого внимания.
    Для того, чтобы понять это, следует обратиться к самой конструкции подшипника и способу распространения вибрации. Если датчик вибрации установлен в зоне нагрузки на подшипник, где и имеет место большинство повреждений внешней дорожки, путь распространения вибрации проходит через внешнюю дорожку, корпус подшипника и далее до датчика вибрации. По такому пути колебания, вызванные дефектом внешней дорожки, передаются с малыми потерями, что позволяет уверено выявлять такие дефекты, несмотря на то, что, амплитуда вибрации на высоких частотах может быть относительно невелика.
    В большинстве случаев способ использования подшипников таков, что внутренняя дорожка вращается, а внешняя остается неподвижной. Если дефект находится на внутренней дорожке, он постоянно перемещается вместе с ней и поэтому не всегда находится в зоне нагрузки, а временами и далеко уходит от того места, где расположен датчик вибрации. Энергия вибрации передается от внутренней дорожки к датчику через элементы качения, сепаратор, внешнюю дорожку и корпус подшипника. Этот путь распространения вибрации гораздо хуже с точки зрения потерь энергии. Добавим к этому, что дефект перемещается и часто находится вне зоны нагрузки, где удары значительно ослабевают. К тому же необходимо быть уверенным, что выборки сигналов, по которым производится усреднение, достаточно длинные и охватывают, по крайней мере, один полный оборот вала. В противном случае, может оказаться так, что в выборки не будут попадать самые мощные участки сигнала, когда дефект внутренней дорожки проходит зону нагрузки.
    Если в спектре вибрации вы наблюдаете характерные частоты как для внутренней, так и для внешней дорожки, и обе они имеют одинаковую амплитуду, какая из дорожек имеет более развитый дефект? Ответ очевиден - внутренняя. И если вы обнаружили дефекты на обеих дорожках, смело можно предположить, что дефекты имеются также и на элементах качения. Они могут не всегда проявляться на соответствующих частотах, но могут вызвать появление боковых полос у частот, характерных для дефектов дорожек. Если все указывает на повреждение нескольких элементов подшипника, это должно рассматриваться как экстренный случай, поскольку дефекты элементов качения легко могут вызвать повреждения сепаратора, что приведет к полному разрушению подшипника.
    Вопрос о предполагаемом сроке службы подшипника решается на основе рассмотрения нескольких аспектов. Один из них - "история" подшипника и его текущее состояние. Как многочисленны и насколько развиты имеющиеся дефекты? Некоторые могут удивиться - как это можно определить, однако существует несколько общих ситуаций для валов, имеющих частоту вращения 300 об/мин и ниже. Обычно такие валы устанавливают на больших подшипниках с большим числом элементов качения. Для машин целлюлозно-бумажной промышленности, текстильных и вальцовочных машин наблюдается следующая особенность: каждой гармонике характерной частоты внешней дорожки, присутствующей в спектре, можно с большой вероятностью поставить в соответствие выкрашивание размером примерно в один дюйм.(2,54 см) Например, однажды я предсказал, что в подшипнике имеет место выкрашивание, по крайней мере, в 48,3 см, и когда этот подшипник был разобран, оказалось, что оно равно 53,3 - 55,9 см. Я мог поставить такой диагноз, потому что знал, что число гармоник в спектре связано с числом или размерами дефектов. Для подшипников меньших размеров каждой гармонике частоты BPFO можно поставить в соответствие выкрашивание в 0,64 см.
    Имеют ли место нарушения внутренней геометрии подшипника? Как выяснить это? Вы можете судить об этом по характерным особенностям в спектре и форме сигнала вибрации. В спектре будет наблюдаться размытие пиков и появление большой широкополосной области высокого уровня.
    Каковы темпы развития повреждения? Чтобы ответить на этот вопрос, я собираю кипу спектральных диаграмм, соответствующих данным конкретным измерениям для данного конкретного подшипника, просматривая время от времени эти спектры я могу видеть, как быстро процесс развития повреждений проходит через различные стадии.
     Что является причиной повреждений? Изменение внутреннего зазора, отсутствие смазки или повышенная вибрация? Если это отсутствие смазки, оно должно сопровождаться очень быстрыми изменениями в сигнале вибрации, повышенным нагревом подшипника и угрозой скорого выхода подшипника из строя. Если имеет место повышенная вибрация, определяемая действием каких-либо иных источников, вы можете попытаться уменьшить дисбаланс и перекосы в машине, прежде чем подшипник попадет в зону ускоренного разрушения. Особенно это касается перекосов. Некоторые из случаев, которые я собираюсь рассмотреть в дальнейшем, связаны с новыми подшипниками, в которых, однако, наблюдался перекос. Перекос приводил к повышению нагрузки на подшипники, а та в свою очередь - к интенсивному ускоренному износу.
    Как долго подшипнику осталось работать по сравнению с тем временем, что он уже был в эксплуатации? Когда появился первый дефект? Ответы на эти вопросы зависят от частоты вращения машины. Если она равна 3600 об/мин и выше- развитие дефекта пройдет все стадии до разрушения достаточно быстро. Если же она равна 300 об/мин и ниже, это может занять и несколько месяцев, особенно, если дефект наблюдается на внешней дорожке. Выкрашивание и расслоение металлической поверхности дорожек могут наблюдаться в течение длительного периода времени и быть вполне допустимыми, т.к. частота вращения вала низкая.
     Я призываю вас хранить "трофеи"- разобранные старые подшипники с различными видами дефектов и данные, которые были получены для этих подшипников до их замены. Такие "трофеи" помимо всего прочего являются прекрасным средством для успешного продвижения вашей программы обслуживания. Это очень полезно, когда кто-либо заходит в ваш кабинет и видит у вас за спиной выставку образцов подшипников с впечатляющими дефектами, подтверждающими необходимость проведения диагностических работ.
     Собирание "историй" эксплуатации подшипников поможет вам также отточить ваше искусство в определении степени развития дефектов. Например, вы определили, в чем состоят проблемы, связанные с подшипником, и предсказали, что он будет работать еще, по крайней мере, три недели. Но этого не произошло. Здесь самое время сопоставить данные с типом повреждения. В следующий раз, получив для подшипника схожие данные, вы уже не захотите ждать и сразу удалите этот подшипник. С другой стороны, если вы решили удалить подшипник, чтобы определить минимально допустимое выкрашивание, вам следует осознавать, что такой подшипник мог бы еще работать длительное время. Нет 2-х одинаковых машин, но вы можете стать экспертом во всем, что касается подшипников и способов их применения для тех конкретных машин, которые используются на вашем производстве.
     Если дефект присутствует на внутренней дорожке, в спектре появится составляющая BPFI. Вряд ли вы увидите пик на этой частоте на ранней стадии зарождения дефекта, но возможно - вблизи какой-нибудь гармоники BPFI (номер этой гармоники будет соответствовать числу элементов качения в подшипнике). Следовательно, если в вашей базе данных не предусмотрен сбор информации в этом диапазоне частот, вы не будете иметь возможность идентифицировать данный дефект.
    Например, допустим у нас имеется подшипник с 19 элементами качения. Характерная частота внутренней дорожки должна примерно в 11,42 раза превышать частоту вращения вала. В начальной стадии развития дефекта трудно выделить составляющую эту спектральную составляющую на фоне шума. Но я смогу увидеть ее гармоники на более высоких частотах, возможно самую высокую- 19-ю кратность, соответствующую числу элементов качения. Таким образом, в этом примере нам необходимо контролировать вибрацию в частотном диапазоне, верхняя граница которого превышает частоту вращения вала более чем в 200 раз (11,42х19). Большинство из вас никогда не проводило контроль на столь высоких частотах. В действительности, многие ограничиваются диапазоном частот, ограниченным 50-й гармоникой частоты вращения.
    На ранних стадиях развития дефекта вы будете наблюдать его на частотах в 16-19 раз превышающих расчетные значения характерных частот для внутренней или внешней дорожки. По мере роста дефекта амплитуды гармоник будут немного подрастать, и вы сможете увидеть появление пиков на более низких частотах. В некоторых случаях возможно появление пиков на 6-й, 5-й и 4-й и даже более низких гармониках BPFI или BPFO. На следующей стадии развития дефекта появляются пики на самих характерных частотах дорожек, однако нередки случаи, когда эти пики трудно разглядеть даже для сильно развитых дефектов. Поэтому важно понять, что наблюдение необходимо вести на высоких частотах для сигналов малой амплитуды.
    Почему с высокими частотами связаны малые амплитуды? Большинство систем с высокими амплитудами на высоких частотах выходят из строя очень быстро. Вот почему составляющие, о которых мы говорим, имеют амплитуды очень маленькие по сравнению с составляющими спектра на низких частотах, таких как частота вращения вала. Например в системе может быть большой дисбаланс, соответствующий виброскорости от 10 до 25,4 мм/с. Для сравнения, сильно развитый дефект подшипника может вызвать колебания со скоростью 0,5 - 1 мм/с. На практике мне приходилось встречать повреждения подшипников, когда самый высокий пик из обусловленных этим повреждением составлял всего 0,15 мм/с.
    Важно понимать, что мы говорим об относительно низких амплитудах. Конечно, мне попадались подшипники, создававшие вибрацию 5 мм/с и выше, но это не типично. Как правило вы будете наблюдать пики с уровнями 0,5, 1 и 0,15 мм/с, а часто и более низкие.
    Одна из особенностей составляющих, связанных с внутренней дорожкой, состоит в том, что они постоянно изменяются. Появляется все больше гармоник характерной частоты, амплитуды их немного возрастают и они становятся ближе к BPFI. Появляются боковые полосы, пики, расположенные по обе стороны гармоники на одинаковом расстоянии, равном частоте вращения вала. Для внешней дорожки появление таких модуляционных частот нехарактерно прежде всего потому, что в большинстве случаев внешняя дорожка неподвижна, в то время как внутренняя вращается вместе с валом. То же самое справедливо для частоты контактирования шариков с дорожками качения (BSF). Если в подшипнике присутствует дефект шарика или ролика, он обычно сопровождается дефектом дорожки, и его часто можно наблюдать в виде боковых полос BPFI или BPFO, отстоящих от них на величину BSF. Только в редких случаях мне удавалось наблюдать саму составляющую BSF, как правило я видел одну сильную гармонику этой частоты, которая обычно указывает на количество шариков или роликов со следами износа.
    Другой вид дефектов связан с сепаратором. Дефекты сепаратора проявляются на частоте вращения сепаратора (FTF) и сопровождаются, как правило, другими повреждениями в подшипнике. Эта составляющая единственная из всех подшипниковых составляющих, которая является субгармоникой, поскольку ее частота ниже частоты вращения вала.
     Эту составляющую очень трудно обнаружить в спектре вибрации, поскольку в тот момент, когда она появляется, подшипник находится уже в очень плохом состоянии. Часто его работа при этом будет сопровождаться акустическим шумом, и до разрушения подшипника останется очень немного времени. Если вы измеряете вибрацию достаточно часто, чтобы поймать момент начала проявления в спектре дефекта сепаратора, в этом случае вы будете наблюдать субгармонику и боковые полосы с шагом, равным частоте FTF, вокруг других характерных частот подшипника- BPFI, BPFO и BSF. Появление в спектре первой гармоники оборотной частоты или боковых модуляционных полос или даже значительного широкополосного шума свидетельствует о прогрессирующем дефекте, который привел к изменению геометрии подшипника.
     Многим из вас случалось удалять подшипник, который буквально рассыпался в ваших руках на части. Мне приходилось наблюдать даже, когда некоторые крупные части подшипника так и не удавалось обнаружить. Когда вы имеете дело со столь сильным износом и деградацией подшипника, выражающейся в изменении внутренней геометрии и утрате подшипником своей целостности, вы, как правило, можете наблюдать, как в окрестности пиков начинают расти боковые полосы. В конечном счете эти боковые полосы преобразуются в широкополосный шум. Дискретные пики "расползаются", и спектр теряет свою линейчатую форму.
    Боковые полосы (суммарные или разностные) появляются сначала вокруг частоты, связанной с дефектом. Характерным является модуляция колебаний на частоте прохождения внутренней дорожки качения частотой вращения ротора. Иногда можно увидеть суммарные и разностные частоты вследствие модуляции иной частотой, нежели оборотная частота ротора. Например, это может быть частота прохождения внутренней или внешней дорожки качения или частота контактирования шариков с дорожками качения, так что, скажем, дефект внешней дорожки будет проявляться на частоте BPFO с боковыми полосами, образованными колебаниями с частотой BSF или FTF. В этом случае без колебаний можно говорить о наличии множественных дефектов в подшипнике и, по-видимому, сильно развитых.
    Многочисленные гармоники частоты вращения (например, от 1-й до 8-й) в спектре вибрации заставляют вспомнить о таком дефекте, как ослабление в соединениях, и могут указывать на наличие увеличенных внутренних зазоров. Это справедливо и для подшипников. Степень ослабления можно определить, сравнивая графики вибрации. Там, где ожидается увеличенный зазор, будут присутствовать большее число гармоник с большими амплитудами. Через некоторое время в спектре может появиться половинная гармоника и ее гармоники (т.е. составляющие на частотах 0,5, 1,5, 2,5 3,5 и т.д. от оборотной). Постепенное увеличение числа и амплитуды гармоник половиной частоты обычно сопровождается повышением шумового фона, спектр теряет свой линейчатый характер и приобретает вид широкополосного случайного процесса. Это свидетельствует о внутренних изменениях геометрии подшипника - следует ожидать, что в нем уже развились значительные повреждения.
    Если в спектре присутствует 3-я гармоника оборотной частоты, или же она заметно выделяется на фоне остальных гармоник, это может свидетельствовать о том, что подшипник проворачивается на валу. Если же имеет место неплотная посадка корпуса подшипника, в спектре вибрации следует ожидать появления нескольких гармоник частоты вращения вала - обычно доминирующими будут 1-я и 4-я гармоники. Иногда состояние, когда в спектре присутствует сильная 4-я гармоника, а сам спектр вибрации корпуса подшипника начинает дрожать и подергиваться, называют "шимми-эффектом".
    Если в подшипнике имеет место перекос, его также можно распознать с помощью анализа вибрации. В этом случае следует обратить внимание на частоту равную частоте вращения вала, умноженную на число тел качения в подшипнике. Например, если на валу 12 опорных подшипников, и плоскость одного из них не перпендикулярна оси вала, имеет место перекос подшипника. И если в том подшипнике имеется 9 элементов качения, следует ожидать, что на 9-й гармонике частоты вращения вала будет сильный пик. Кроме того, как и в других случаях, связанных с несоосностью соединений, можно ожидать значительное преобладание вибрации в осевом направлении.
    Если вы предполагаете, что подшипник посажен с перекосом, для подтверждения этого можно измерить фазовые соотношения вибрации поверхности подшипника. Измерим вибрацию в четырех направлениях, которые назовем севером, югом, востоком и западом. В случае перекоса разность фаз между измерениями, сделанными в южном и северном направлениях, будет составлять 180°. То же самое можно сказать об измерениях, сделанных в восточном и западном направлениях; разность фаз между колебаниями составит те же 180°.
    Если смазка подшипника в норме, виброскорость в диапазоне 900-1600 Гц составит 5 мм/с или чуть больше. Поскольку качество анализа напрямую зависит от того, какие данные вы собрали, следует быть уверенным, что верхняя частота диапазона измерений достаточно высока, чтобы в спектре вибрации можно было наблюдать участки, где ожидается появление разных дефектов.
     Чтобы получить информацию о дефектах смазки, необходимо проводить измерения, по крайней мере, вплоть до 1600 Гц. В диапазоне 900-1600 Гц вы сможете наблюдать три или четыре пика, отстоящих друг от друга на 80-130 Гц. Следует проявлять осторожность, так как их можно принять за гармоники частоты контактирования тел качения или частоты прохождения внешней дорожки, но если вы внимательно сопоставите эти частоты с гармониками характерных частот подшипника, вы убедитесь что они не совпадают.
По моим представлениям частота 80-130 Гц, разделяющая пики, не является какой-либо из характерных частот подшипника, о которых речь шла выше, а связана с резонансными характеристиками каждого конкретного подшипника. Амплитуды пиков могут быть достаточно высоки и обусловлены возбуждением собственных частот установленного подшипника вследствие действия нагрузки, которое не компенсируется смазкой.