Шрифт:

Технология вибрационного диагностирования подшипников качения колесно-моторных блоков локомотивов

А.В.Барков, Н.А Баркова. Северо-Западный учебный центр

С.Г.Дегтерев, А.В.Комяков. ВАСТ-сервис.

 

Введение.

Для диагностики подшипников качения колесно-моторных блоков (КМБ) локомотивов на железнодорожном транспорте несколько лет успешно используются диагностические комплексы «Вектор-2000», ориентированные на измерение и анализ вибрации подшипниковых узлов в широком диапазоне частот. В состав комплекса входят датчик вибрации, измеряющий виброускорение, датчик частоты вращения, виброанализатор серии СД (рис.1) и программа автоматической диагностики DREAM, устанавливаемая на компьютер.

Все измерения проводятся по маршрутным картам, формируемым диагностической программой, что существенно повышает производительность труда диагностов.

За время работы накоплен значительный опыт диагностики КМБ, позволивший внести ряд усовершенствований и дополнений в технологию вибрационного диагностирования и в диагностический комплекс. Откорректированная технология легла в основу технологической инструкции «Проведение вибрационного диагностирования подшипников качения колесно-моторных, колесно-редукторных блоков, тяговых электродвигателей и колесных пар локомотивов» (ПКБ ЦТ.25.0142. Москва. 2012), а также руководящего документа «Вибрационное диагностирование узлов локомотивов» (ПКБ ЦТ.06.0050. Москва. 2013), разработанных по заказу ОАО «РЖД».

Ниже приведено краткое описание откорректированной технологии диагностики подшипников с практическими примерами.

 

1. Контролируемые параметры вибрации подшипниковых узлов.

Вибрация подшипниковых узлов измеряется в диапазоне частот от 2 Гц до 25кГц и условно делится на низкочастотную (до 800Гц), среднечастотную (до 3кГц) высокочастотную (до 10кГц) и ультразвуковую (выше 10кГц). При измерениях обеспечивается вращение колесной пары со стабильной частотой в диапазоне от 3 до 6Гц.

Поскольку используется режим вращения КМБ с постоянной частотой, основным видом анализа сигналов является спектральный анализ как низкочастотной (и, частично, среднечастотной) вибрации подшипниковых узлов (анализ автоспектров вибрации), так и огибающей (спектральный анализ колебаний мощности) высокочастотной вибрации. Кроме этого контролируется форма (среднеквадратичное и пиковое значение) ультразвуковой вибрации (в полосе 10-25кГц) и спектральная плотность низкочастотной случайной вибрации.

Указанные виды измерения и анализа вибрации позволяют провести любой из приведенных на рис.1. виброанализаторов серии СД.

Виброанализаторы СД-11

dc-21_hand

Рис.1 Виброанализаторы СД-11, СД-12, СД-21 и СД-22Р производства Ассоциации ВАСТ.

 

Общий уровень низкочастотной вибрации КМБ (виброперемещение или виброскорость) в полосе частот 10-1000Гц или 2-1000Гц, задаваемый стандартом Р ИСО 10816 как вибрационный параметр состояния машин с узлами вращения, не контролируется, так как режим работы локомотива во время диагностических измерений КМБ в условиях ремонтных депо невозможно отнести к номинальному (типовому), а значение уровня вибрации в стандартной полосе частот не имеет прямой связи с состоянием подшипников.

По гармоническим составляющим автоспектра низкочастотной подшипниковой вибрации КМБ, возникающей при движении элементов подшипника по неровностям поверхностей качения, обнаруживаются развитые дефекты, как в виде неровностей любой поверхности качения (наружное, внутреннее кольца, тела качения), так и разноразмерности тел качения. Плавные неровности (неравномерный износ) не приводят к росту гармонических составляющих в области среднечастотной вибрации, неровности с острыми краями (раковины, сколы, трещины) из-за возникающих периодических ударов средней мощности являются причиной роста гармоник высокой кратности, попадающих и в область среднечастотной вибрации.

По огибающей высокочастотной вибрации, возбуждаемой силами трения в смазке и ударами из-за контакта поверхностей качения при разрыве масляной пленки (ультразвуковая вибрация из-за микро столкновений твердых тел) и без ее разрыва (высокочастотная вибрация из-за гидродинамического трения) обнаруживаются дефекты смазки, а также дефекты поверхностей трения, но на более ранней стадии развития. Для их идентификации анализируется спектр огибающей высокочастотной вибрации, гармонические составляющие которого определяют периодичность и глубину изменения (модуляции) мощности выделенной части высокочастотной вибрации во времени.

Рост уровня высокочастотной вибрации (ее СКЗ) на выходе полосового третьоктавного фильтра со среднегеометрической частотой 6 или 8кГц возникает из-за роста, как сил трения качения, так и сил трения скольжения, в частности трения сепаратора, а так же лабиринтных уплотнений, стопорных колец, планок или других устройств в зависимости от модификации подшипниковых узлов. Причинами может быть, как ухудшение свойств смазки, так и износ поверхностей трения.

Рост пикового значения ультразвуковой вибрации на частотах выше 10кГц происходит вследствие разрывов масляной пленки, сопровождающихся микроударами тел качения о неподвижное кольцо подшипника. Основной причиной таких ударов является либо снижение качества смазки из-за старения или попадания в нее посторонних частиц (вода, продукты износа и т.п.), либо в результате появления неровностей на неподвижном кольце, и, в значительно меньшей степени, на вращающихся поверхностях качения. Возможен рост пикового значения вибрации и при задеваниях сепаратором неподвижных поверхностей подшипника.

Последующий рост уровня ультразвуковой вибрации (ее СКЗ) происходит из-за увеличения количества ударных импульсов в результате дальнейшего ухудшения смазки или увеличения протяженности неровных поверхностей качения.

Как правило, пиковое значение ультразвуковой вибрации не относится к наиболее достоверным признакам дефектов подшипников КМБ и используется как дополнительный признак неровностей на поверхностях качения колец только буксовых подшипников колёсных пар по нескольким причинам. Первая – недостаточно высокое качество используемой смазки с возможностью спонтанного, но редкого разрыва смазочной пленки. Вторая – наличие небольших неровностей на поверхностях качения долго эксплуатируемых элементов подшипников, особенно восстановленных. Третья – нарушения (в пределах существующих допусков) геометрии зацепления в зубчатых передачах, часто приводящие к появлению импульсных нагрузок на подшипники. В связи с вышеуказанным в рассматриваемых ниже примерах преимущественно присутствуют результаты измерений СКЗ ультразвуковой вибрации в полосе частот 10-25кГц без указаний на величину пикового значения.

Еще одна группа контролируемых параметров вибрации – уровни случайных составляющих низкочастотной и среднечастотной вибрации в нескольких широких полосах частот. Эти составляющие вибрации растут тогда, когда подшипниковая вибрация теряет периодичность, а теряется она во время измерения вибрации либо при сильном износе или разрушении сепаратора одного из подшипников, который начинает случайным образом задевать за неподвижные части подшипника, либо при проскальзывании одного из колец в посадочном месте. Следствием является появление достаточно сильных и непериодических ударов в дефектном узле и рост уровней низкочастотной случайной вибрации практически во всех полосах частот и точках контроля вибрации. В среднечастотной области при появлении непериодических ударов в дефектном узле преимущественно растет случайная вибрация собственно дефектного узла. Определяется указанные уровни по измеряемому автоспектру вибрации, из которого удаляются гармонические составляющие, т.е. по «фону» автоспектра.

Методика диагностики подшипниковых узлов в локомотивах включает в себя еще и контроль параметров статистического распределения значений измеряемого виброускорения, основной вклад, в который вносят его среднечастотная область. К параметрам статистического распределения, реагирующим на появление ударной вибрации, относятся второй (СКЗ) и четвертый (эксцесс) центральные моменты распределения. Однако, как показывает практический опыт, удары в КМБ и КРБ возникают не только в подшипниках, но и в зубчатых зацеплениях, причем не только при дефектах зубчатой передачи, но и в бездефектном состоянии, а ударная нагрузка передается на подшипники и возбуждает в них вибрацию ударного происхождения именно в среднечастотной области. Регистрировать ударную вибрацию подшипниковых узлов и определить их причину можно по автоспектру вибрации, поэтому при диагностике КМБ с использованием комплекса «Вектор-2000» параметры статистического распределения вибрации для сокращения времени измерений не контролируются.

 

2. Подготовительные работы к проведению измерений вибрации.

Вращение колесной пары локомотива при его обслуживании в депо обеспечивается на поддомкраченном КМБ, непосредственно на ремонтных позициях. Поднимать на домкратах можно либо одну колесную пару, либо тележку с двумя, тремя колесными парами, либо локомотив со всеми тележками.

Технология подготовки к измерениям вибрации при диагностировании подшипников определяет лишь время на операции подъема КМБ, подключения двигателя к питанию, установки датчиков вибрации в контрольные точки, вывода КМБ на режим, при котором производятся измерения с приработанным смазочным слоем в подшипнике, и, собственно, на сами измерения вибрации.

Питание тягового электродвигателя производится по двухпроводной системе от регулируемого источника питания постоянного напряжения, работающего в режиме стабилизации частоты вращения оси колесной пары. Контроль частоты вращения осуществляется посредством обратной связи датчика частоты вращения с источником питания. Но в большинстве локомотивных депо, по причине отсутствия специализированного оборудования для прокрутки колесно-моторных блоков используются источники питания, работающие в режиме стабилизации выходного напряжения или тока типа ВДМ-1000, модернизированные сварочные аппараты или источники питания собственного производства.

Требование обеспечения стабильности частоты вращения в допустимом диапазоне частот вращения колесной пары (от 180 до 420об/мин), является одним из главных условий проведения диагностических измерений.

Нижняя граничная частота этого диапазона определяется необходимостью создания режима обкатывания телами качения наружного кольца любого подшипника, в том числе и буксового, при котором центробежная сила, действующая на каждое тело качения должна существенно превышать силу его тяжести. Верхняя граница диапазона ограничена тем фактором, что вибрация зубчатых зацеплений тяговых редукторов, усложняющая диагностирование подшипников качения по вибрации собственно подшипников, с ростом частоты вращения увеличивается быстрее, чем вибрация подшипника.

Датчики вибрации на время измерений устанавливаются на предварительно подготовленную поверхность подшипниковых узлов тягового электродвигателя и букс КМБ с помощью магнитного держателя в радиальном к оси вращения направлении соответственно двигателя и колесной пары. Всего точек контроля на каждом колесно-моторном блоке – четыре. При вибрационном диагностировании подшипников колесно-редукторных блоков (КРБ) дополнительно проводятся измерения вибрации на подшипниковых узлах малой и большой шестерен зубчатой передачи, т.е. еще в четырех токах контроля.

 

3. Обнаруживаемые дефекты подшипников качения

3.1. По особенностям влияния на вибрацию, от которых зависит достоверность вибрационного диагностирования, эксплуатационные дефекты подшипников обычно делятся на следующие группы;

  • износ (плавный) и перекос поверхностей трения качения,
  • раковины, сколы, трещины на поверхностях трения качения,
  • проскальзывание колец в посадочном месте
  • износ и перекос поверхностей трения скольжения (сепаратора и уплотнений)
  • дефекты смазки (недостаток, избыток, примеси, старение)

Влияние на вибрацию подшипниковых узлов КМБ оказывает специфика формирования нагрузки на подшипники во время эксплуатации и во время диагностирования. С учетом этой специфики подшипники рекомендуется делить на три группы – одиночные (подшипники тягового двигателя и подшипники редуктора КРБ), спаренные (подшипники букс) и упорные (подшипники, устанавливаемые в торце оси колесной пары некоторых типов локомотивов). В спаренных подшипниках букс статической нагрузки (силы тяжести колесной пары) на изношенный подшипник во время диагностирвания может и не быть, так как вся нагрузка может действовать только на второй подшипник с малым износом поверхностей качения. Как следствие часть дефектов подшипника может проявляться только до момента достижения критического износа поверхностей качения, после которого нагрузка на него при установке тележки на домкраты действует только на второй обычно бездефектный подшипник. В осевых упорных подшипниках эта нагрузка минимальна, так как ее обеспечивает только осевая пружина, и вклад упорного подшипника в вибрацию букс оказывается минимальным даже при наличии развитых дефектов.

Положительным фактором при вибрационной диагностике подшипников КМБ в поддомкраченном состоянии является отсутствие наиболее мощной - ходовой вибрации, определяемой неровностями рельсового пути, некруглостью поверхности качения колес и несовпадением центра колеса с осью его вращения. Отрицательным фактором – нетиповая нагрузка на подшипники как по величине (только вес колесной пары), так и направлению (смена на противоположное при поддомкрачивании).

Влияние на вибрацию подшипниковых узлов ходовой части локомотивов оказывает и функционирование других узлов трения – зубчатой передачи (в КМБ И КРБ), опорных подшипников скольжения (в КМБ), а также карданной передачи (в некоторых видах КРБ). Такое влияние на вибрацию в точках ее контроля необходимо учитывать, особенно при появлении в этих узлах дефектов, так как часть признаков менее опасных дефектов других узлов совпадает с признаками более опасных дефектов подшипников качения.

Наиболее эффективно обнаруживаются дефекты смазки и опасные дефекты на нагруженных поверхностях качения подшипника качения. Дефекты смазки, как уже отмечалось, обнаруживаются по росту среднеквадратичного значения (СКЗ) вибрации на ультразвуковых частотах (в полосе частот 10-25кГц) и на высоких частотах (6 или 8кГц), в полосе, используемой при измерениях спектра огибающей вибрации (уровень вибрации в нулевом канале спектра огибающей). Дополнительным признаком дефектов смазки является рост пикового значения ультразвуковой вибрации (или величины пикфактора, т.е. отношения пикового значения к СКЗ). После обнаружения признаков дефектов смазки необходимо удостовериться, что этот дефект не является следствием опасного дефекта поверхностей качения и, при их отсутствии, заменить смазку (или добавить ее в подшипник).

Опасные дефекты поверхностей качения (и сепаратора), такие как неравномерный износ, раковины, сколы, трещины, частичное разрушение, обнаруживаются, как правило, по гармоническим составляющим в автоспектре и спектре огибающей вибрации дефектного подшипникового узла.

Основными периодическими составляющими подшипниковой вибрации являются составляющие гармонических рядов и их комбинационные гармоники со следующими основными частотами:

  • частота вращения ротора ,
  • частота вращения сепаратора ,
     
  • частота перекатывания тел качения по наружному кольцу
    ,
     
  • частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу ,
     
  • частота  вращения тел качения

где  - частота вращения вала; - радиус сепаратора; - радиус тел качения;

α - угол контакта тел качения с дорожками качения, Z – число тел качения в одном ряду.

3.2. Рассмотрим особенности обнаружения дефектов наружного кольца подшипника. При таких дефектах (раковинах, трещинах) наружного кольца в спектре огибающей высокочастотной вибрации появляется ряд гармоник с частотами , см. рис. 1

Величина дефекта определяется глубиной модуляции высокочастотной вибрации, которая жестко связана с амплитудой максимальной гармоники ряда, измеряемой относительно линии фона, определяемого случайными составляющими спектра огибающей

 

Спектр огибающей (ES)

Фото дефекта

Рис.1 Спектр огибающей высокочастотной вибрации буксы локомотива ВЛ-10 с наработкой 85 т. км. после ревизии второго объема и фото дефектного наружного кольца буксового подшипника.

 

Развитие дефекта во времени можно отслеживать по истории диагностических измерений, а величину обнаруживаемого дефекта уточнять по автоспектру вибрации, как это показано на рис 2.

Спектр огибающей (ES)

Автоспектр (AS)

Спектр огибающей (ES)

Фото дефекта

Рис.2. Результаты анализа вибрации буксы локомотива 2ТЭ10У. Некоторое растущее с частотой «расширение» линий в спектре огибающей вибрации определяется небольшой нестабильностью частоты вращения колесной пары во время отдельных измерений, которого желательно избегать – неточно определяется амплитуда линии.

 

То, что величина дефекта достигла опасных значений, подтверждается появлением в автоспектре вибрации гармоник  высокой кратности, а уровень некоторых из них превысил порог среднего дефекта. Одновременно с развитием дефекта наружного кольца развивался и дефект смазки, и это видно по росту «фона» в периодически измеряемых спектрах вибрации. В процессе диагностирования измеряется еще и уровень (СКЗ) ультразвуковой вибрации в полосе частот 10=25 кГц, который также оказался значительно выше порога (22м/с*с).

3.3. Похожим образом обнаруживаются и дефекты (раковины, трещины) внутреннего кольца подшипника качения. Результаты измерения и анализа вибрации подшипникового узла с таким дефектом (спектры огибающей, автоспектр) приведены на рис. 3.

При диагностировании обнаружены признаки сильного дефекта внутреннего кольца и в спектре огибающей и автоспектре вибрации в виде гармоник из ряда  с боковыми составляющими на частоты . Не обнаружено признаков дефектов смазки - значительного роста уровня высокочастотной вибрации (роста фона в спектре огибающей вибрации), роста ультразвуковой вибрации (в полосе частот10-25кГц). Кроме этого в автоспектре не обнаружен ряд гармоник  высокой кратности – признак дефекта внутреннего кольца большой протяженности. Все это указывает на недавно появившийся дефект внутреннего кольца, еще не ставший источником значительных примесей в виде продуктов износа в смазке. В результате дефектации подшипника обнаружена трещина внутреннего кольца, см. фото.

Спектр огибающей (ES)

 

Автоспектр (AS)

Спектр огибающей (ES)

Фото дефекта

Рис.3. Результаты анализа вибрации моторно-якорного подшипника тепловоза ЧМЭ3. Время эксплуатации подшипника от ревизии второго объема - 2года  10мес. Обнаружена трещина внутреннего кольца на ранней стадии развития.

Если дефект внутреннего кольца развивается медленно, то в процессе развития он может и не проявлять себя в автоспектре вибрации, однако продукты длительного износа влияют на качество смазки и появление признаков ухудшения смазки одновременно с признаком дефекта внутреннего кольца в спектре огибающей является важным признаком развитого дефекта. Соответствующий пример приведен на рис 4.

Спектр огибающей (ES)

Автоспектр (AS)

Фрагмент спектра огибающей (ES)

СКЗ в полосе 10-25 кГц.

Рис.4. Результаты анализа вибрации буксы тепловоза ЧМЭ3. Время эксплуатации подшипника от ревизии второго объема - 2года 2мес. Обнаружены развитые раковины на внутреннем кольце.

 

3.4. Аналогичным образом обнаруживаются раковины, сколы и трещины на телах качения подшипников. Диагностические признаки дефектов тел качения хорошо видны на приводимых ниже рисунках. Основным отличием в признаках является то, что в спектрах вибрации и ее огибающей обнаруживаются ряды четных гармоник частоты вращения тел качения , а боковые составляющие в этих рядах отличаются от основных на частоты , а не .

На Рис. 5 приведен типовой пример обнаружения развитого дефекта тела качения, когда проявились все его возможные признаки в спектре огибающей вибрации и в автоспектре, а также имел место значительный рост и СКЗ, и пикового значения ультразвуковой вибрации.

 

Спектр огибающей (ES)

Автоспектр (AS)

Спектр огибающей (ES)

СКЗ в полосе 10-25 кГц.

Рис.5 Результаты анализа вибрации буксы тепловоза ВЛ80с Наработка подшипника от ревизии второго объема 285053 км. Обнаружены  признаки дефектов тел качения. В результате дефектации обнаружена трещина на теле качения (см. фото).

 

3.5.  Одновременно могут проявляться далеко не все признаки дефектов тел качения. Так, на Рис. 6 приведены спектры вибрации и огибающей ее высокочастотных компонент, в которых у ряда четных гармоник с частотами вращения тел качения нет боковых составляющих, отличающихся на частоту вращения сепаратора и ее гармоник.

 

Спектр огибающей (ES)

 

Автоспектр (AS)

Фрагмент спектра огибающей (ЕS)

СКЗ в полосе 10-25 кГц.

 

Рис.6. Результаты анализа вибрации подшипникового узла тягового двигателя локомотива ВЛ80У. Наработка подшипника от ревизии второго объема 468800 км. Обнаружены признаки дефектов тел качения. В результате дефектации обнаружены повреждения на двух телах качения (см. фото).

 

3.6. Гораздо сложнее обнаруживаются дефекты сепаратора. Так как и масса сепаратора, и нагрузки на него невелики, заметно изменить вибрацию подшипникового узла (его автоспектр) могут только развитые дефекты. Основной способ влияния развивающихся дефектов сепаратора на вибрацию – через изменение характеристик сил трения. В первую очередь это ухудшение состояния смазки продуктами износа сепаратора, для непосредственного выявления которых в смазке требуется большой объем работ. А поскольку лишь в очень редких случаях причиной обнаруживаемого по вибрации ухудшения смазки (по росту высокочастотной и ультразвуковой вибрации) является износ сепаратора, при отсутствии признаков дефектов сепаратора принято добавлять в подшипник смазку, после чего обнаружить косвенные признаки дефектов сепаратора становится сложнее.

При значительном износе сепаратора (или при дефектах его изготовления) силы его трения с одним из тел качения становятся больше (или меньше), чем с другими, и в этом случае измеряемая высокочастотная вибрация оказывается модулирована частотой вращения сепаратора, а в спектре огибающей вибрации появляются гармоника с частотой вращения сепаратора. Правда причиной появления такой модуляции может быть и разноразмерность тел качения или незначительный износ одного из них. Поэтому лишь совокупность из двух признаков – рост этой гармоники в спектре огибающей и обнаружение дефектов смазки – относится к основному признаку дефекта сепаратора, как это показано на Рис. 7

 

Спектр огибающей (ES)

 

Автоспектр (AS)

Фрагмент спектра огибающей (ES)

СКЗ в полосе 10-25 кГц.

 

Рис. 7. Результаты анализа вибрации подшипникового узла тягового двигателя локомотива ЧМЭ3. Время эксплуатации подшипника от ревизии второго объема 1год 4 месяца. Обнаружены признак дефекта сепаратора (в спектре огибающей сепараторной гармоникой превышен порог сильного дефекта) и признак дефекта смазки. В результате дефектации обнаружен обрыв клепок со смещением стенки сепаратора (см. фото).

 

3.7.  Опасные дефекты сепаратора могут существенно изменить его геометрию и привести к его перекосу. В спектре огибающей при этом растет составляющая  с частотой второй гармоники частоты вращения сепаратора. Если перекос сепаратора значителен, и сепаратор начинает скользить по неподвижной поверхности подшипника, в спектре огибающей появляется целая группа гармоник с частотами . Наличие в спектре огибающей определяющей составляющей на частоте  достаточно для принятия решения о замене подшипника даже при отсутствии признака дефекта смазки, см. рис 8.

Спектр огибающей (ES)

Автоспектр (AS)

Фрагмент спектра огибающей (ES)

СКЗ в полосе 10-25 кГц.

Рис. 8. Результаты анализа вибрации подшипникового узла тягового двигателя локомотива 2ТЭ10В. Время эксплуатации подшипника от ревизии второго объема 1год 9 месяцев. Обнаружены признак дефекта сепаратора (второй гармоникой частоты вращения сепаратора превышен порог сильного дефекта), других признаков сильного дефекта не обнаружено. В результате дефектации обнаружен сильный износ сепаратора с частичным разрушением (см. фото).

 

3.8. Одним из сложных для обнаружения дефектов является длительный по времени развития износ сепаратора, когда в процессе износа в подшипник неоднократно добавлялась смазка и признаки сильного дефекта смазки так и не появились. В таком случае наряду с признаками слабого или среднего дефекта смазки в спектре огибающей вибрации хотя и могут присутствовать слабые составляющие с частотами
, оснований для замены подшипника нет. Тогда следует воспользоваться дополнительным признаком сильного износа сепаратора – его случайными смещениями относительно центрального положения, сопровождающимися ударными нагрузками на тела качения. Поскольку масса сепаратора невелика, при таких ударах обычно не растет ни низкочастотная, ни ультразвуковая вибрация (смазка не «пробивается»), но растет случайная вибрация на средних частотах, обычно в полосе 1-3кГц. Пример обнаружения дефекта сепаратора по этому признаку приведен на Рис. 9.

Спектр огибающей (ES)

Автоспектр (AS)

Фрагмент спектра огибающей (ES)

СКЗ в полосе 10-25 кГц.

Рис. 9. Результаты анализа вибрации подшипникового узла тягового двигателя локомотива 2ТЭ10Мк. Наработка подшипника от ревизии второго объема 110 т.км. Обнаружены признак дефекта смазки, наличие слабых гармоник частоты вращения сепаратора в спектре огибающей и сильный рост случайных составляющих в автоспектре вибрации на частотах выше 1000Гц. В результате дефектации подшипника обнаружен сильный износ сепаратора с частичным разрушением (см. фото).

 

Рост случайной вибрации на средних частотах является общим признаком опасных дефектов подшипников, в том числе и большого по протяженности износа поверхностей качения. Поэтому при обнаружении признаков дефектов смазки всегда следует обращать внимание на величину роста случайных составляющих вибрации на частотах 1-2 кГц и при обнаружении значительного роста (более 10дБ), если такого роста нет у противоположного подшипника - вскрывать подшипниковый узел и проводить его визуальный осмотр.

3.9. Существенно меньше признаков у дефектов монтажа подшипников в посадочные места. К таким дефектам относятся перекос наружного кольца, недостаточно плотная посадка внутреннего кольца на шейку вала, появление радиального (или осевого) натяга в подшипнике. Эти дефекты по вибрации диагностируются после завершения работ по монтажу подшипников и сборке КМБ, до того как локомотив после ремонта допускается к эксплуатации. После первых часов пробега дефектный подшипник прирабатывается и далее признаки дефекта монтажа могут не проявляться, хотя перегрузка подшипника сохраняется и приводит к многократному ускорению процессов износа и старения.

В большинстве случаев при ошибках монтажа подшипников (кроме неплотной посадки внутреннего кольца) возникает повышенная нагрузка на поверхности качения и растет среднечастотная вибрация подшипникового узла. Поскольку эта нагрузка неравномерная появляется модуляция случайной вибрации. Поэтому первым признаком перекоса наружного кольца является наличие в спектре огибающей вибрации максимальной оставляющей с частотой . Вторым – рост случайной вибрации на средних частотах, в диапазоне 1-3кГц.

Первым признаком повышенного натяга в подшипнике является наличие в спектре огибающей вибрации максимальной оставляющей с частотой 2, или, более редко, 3. Вторым - рост случайной вибрации на средних частотах, в диапазоне 1-3кГц.

Следует учитывать, что если частота  является характеристикой свойств только подшипников качения, то частота  и ее гармоники могут характеризовать дефекты любого узла, закрепленного на валу, вращающемся с этой частотой, в частности дефекты шестерен или опорных подшипников скольжения. Поэтому в обязательном порядке необходимо рассматривать перечисленные признаки дефектов монтажа подшипников одновременно во всех точках контроля вибрации (на двигателе и буксе), и если указанные признаки проявились одновременно более, чем в одном подшипниковом узле одного КМБ - не считать их признаками дефектов подшипников.

К сожалению, неплотная посадка внутреннего кольца подшипника на начальном этапе эксплуатации КМБ не влияет на вибрацию подшипникового узла. Лишь после того, как в результате деформационных сдвигов посадочных поверхностей произойдет дальнейшее ослабление посадки, и кольцо будет проскальзывать в посадочном месте при резких сменах нагрузки, можно фиксировать характерные для проскальзывания изменения сигнала вибрации подшипникового узла. Но при диагностике КМБ в условиях депо на поддомкраченном КМБ невозможно обеспечивать режим вращения с резкой сменой нагрузки. Поэтому обнаруживать ослабления посадки внутреннего кольца подшипника лучше всего на этапе его монтажа, а не во время эксплуатации, и такой контроль должен быть предусмотрен в рамках технологии ремонта КМБ с разборкой подшипниковых узлов.

Важной особенностью диагностических признаков дефектов монтажа подшипников является тот факт, что аналогичные признаки могут появиться и у подшипников, находящихся длительное время в эксплуатации. Но это будут уже признаки повышенного износа поверхностей качения, и использовать их можно в качестве дополнительных признаков сильных и больших по протяженности дефектов износа. А в исключительных случаях по этим признакам можно принимать решение о вскрытии подшипникового узла и визуальном осмотре подшипника.

В качестве примера можно привести диагностику упорных подшипников в буксах некоторых видов локомотивов. Большинство дефектов этих подшипников, а также упорной пружины приводит к неоднородной нагрузке на подшипник и модуляции сил трения частой 2или, в более резких случаях, 3. Если поверхности трения находятся в нормальном состоянии, сила трения в упорном подшипнике не определяет высокочастотную вибрацию буксы, но если силы трения многократно растут, например из-за износа поверхностей трения или сепаратора, модуляция высокочастотной вибрации буксы указанными частотами может иметь место. Поэтому, при обнаружении опасной модуляции вибрации одной буксы эксплуатируемого КМБ с максимальной глубиной частотами 2 или 3 рекомендуется вскрыть крышку буксы и визуально оценить состояние упорного подшипника.

К сожалению используемые в КМБ типовые упорные подшипники имеют четное число тел качения, обычно 14, диагностический признак дефекта вида раковины (трещины) на дорожке качения совпадает с 7 гармоникой частоты вращения=  = 14 = 7, появление которой в спектре огибающей вибрации вместе с несколькими составляющими, кратнымиобычно рассматривается как признак износа внутреннего кольца. Чтобы не пропустить такой дефект можно рекомендовать вскрывать крышку буксы не только при появлении в спектре огибающей максимальных составляющих 2 или 3, но и при опасном росте среднечастотной случайной вибрации буксы с упорными подшипниками.

 

4.      Определение пороговых значений дефектов подшипников.

В рассматриваемой технологии вибрационного мониторинга и диагностики подшипников качения используется четыре вида порогов:

  • на амплитуды любых гармонических составляющих в автоспектре вибрации и подшипниковых составляющих, характеризующих конкретные виды дефектов,
  • на спектральную плотность случайных составляющих в автоспектре вибрации в широких полосах частот,
  • на СКЗ и пиковое значение ультразвуковой вибрации в выбранной полосе частот,
  • на глубину модуляции высокочастотной вибрации подшипникового узла конкретными частотами.

Только один из видов порогов – абсолютный, это порог на глубину модуляции высокочастотной вибрации. Типовые пороги для подшипников высокоскоростных роторов составляют 6 % (слабый дефект) 10% (средний дефект) и 20% (сильный дефект), для двигателя КМБ они существенно ниже, для колесной пары – еще ниже. Кроме этого, пороги различаются для дефектов наружного кольца (наиболее высокий), тел качения, сепаратора и внутреннего кольца (наиболее низкий). Зависимость порогов по глубине модуляции от частоты вращения подшипника (растущая с частотой) определяется нелинейной зависимостью сил трения от этой частоты, Зависимость (спадающая) порогов по мере роста числа контактных поверхностей между дефектным элементом и датчиком вибрации определяется большими потерями высокочастотной вибрации при прохождении контактных поверхностей.

Все остальные пороги – относительные, они определяются через среднее значение контролируемого параметра по большой группе бездефектных КМБ, умноженное на определенный коэффициент. Типовые коэффициенты равны 2 (слабый дефект), 3 (средний дефект) и 10 (сильный дефект). При измерениях вибрации в логарифмической шкале (дБ) типовые пороги определяются путем прибавления к логарифмически среднему значению соответственно 6дБ,10дБ и 20дБ

В программе диагностики DREAM среднее значение каждого параметра для каждой точки контроля вибрации КМБ локомотивов определяется автоматически по результатам ранее проведенных и собранных в базе данных измерений вибрации группы бездефектных КМБ одинаковых локомотивов. Для того, чтобы правильно отобрать данные измерений для идентичных точек контроля идентичных КМБ «дерево» объектов диагностики по каждому типу локомотивов создают сначала путем копирования «ветвей» из базы данных по локомотивам, а затем копированием ветвей внутри дерева локомотивов. Среднее значение по группе из 20-50 случайно отобранных из базы данных измерений для бездефектных узлов определяется каждый раз по команде «диагностировать», применяемой к выбранному в базе данных измерению.

Коэффициенты, по которым для каждого дефекта каждого типа КМБ  устанавливаются пороги, определяются в программе автоматически по экспериментально отработанным алгоритмам, но эти коэффициенты могут быть еще и откорректированы после накопления статистических данных по конкретным видам локомотивов, эксплуатируемых в разных климатических условиях.

Действующие пороги на гармонические составляющие автоспектров вибрации рассчитываются в программном модуле вибрационного мониторинга и при его подключении приводятся на отображаемых в программе спектрах уже с учетом введенных корректировок. Пороги на другие диагностические параметры приводятся в окнах конфигурации и в окнах групповой обработки (см. описание программы DREAM).

Опыт корректировки коэффициентов, используемых для расчета порогов по средним значениям каждого из параметров, а также корректировки порогов по глубинам модуляции случайной вибрации, специалисты, занимающиеся практической диагностикой по сети железных дорог, передают в порядке обмена опытом, а также делятся им в ежегодно выпускаемых технических бюллетенях и справочниках по дефектам.

 

Заключение.

Рассмотренная технология диагностики подшипников качения имеет высокую достоверность, которая согласно принятой в ОАО «РЖД» методике оценки достоверности диагностирования подшипников КМБ и КРБ локомотивов превышает 90%.

Достигается высокая достоверность диагностирования подшипников в два этапа, первый из которых – автоматическая диагностика, а второй – детализация автоматического диагноза в случае, если в автоматическом режиме обнаружен средний или сильный дефект (группа дефектов).

Необходимость такой детализации определяется тем, что нужно обнаружить возможные ошибки измерений, выполняемых в ручном режиме, а также разделить признаки части дефектов диагностируемых подшипников и дефектов других узлов, к которым относятся зубчатые передачи, опорные подшипники скольжения, муфты или карданы (в составе КРБ), электромагнитная часть тягового электродвигателя. Основной принцип такого разделения – признаки дефектов подшипников качения, содержащиеся в среднечастотной, высокочастотной и ультразвуковой вибрации проявляются преимущественно в сигнале вибрации дефектного подшипникового узла, а признаки дефектов других узлов обычно проявляются в нескольких контролируемых подшипниковых узлах диагностируемого КМБ (КРБ).

Причина того, что этот вид распознавания дефектов не включен в программу автоматической диагностики - необходимость резкого усложнения алгоритмов диагностики с оценкой когерентности и связи параметров вибрации, а также диагностических параметров в разных точках контроля. Установление таких связей возможно только в многоканальных системах измерения и анализа (в том числе и перекрестного) вибрации во всех точках контроля и при условии значительного увеличения точек одновременного контроля вибрации каждого КМБ.

А для реализации второго этапа диагностирования необходима соответствующая подготовка специалистов. Количество таких специалистов может быть ограничено, так как процент автоматических диагнозов с обнаруженными сильными дефектами невелик, поэтому уточнение диагноза при использовании современных средств передачи данных может производиться в удаленном диагностическом центре дежурной службой экспертов, как это делается во многих странах с высоким уровнем развития промышленности и транспорта.

Продолжается развитие технологий диагностики машин и оборудования на транспорте. Это развитие идет по следующим направлениям:

  • диагностика машин и механизмов по току приводного электродвигателя.
  • диагностика машин и оборудования в динамических режимах работы с использованием многоканальных систем измерения и анализа вибрации и других процессов,
  • сбор первичных данных и первичная оперативная диагностика во время движения транспорта.

Внедрение новых технологий в диагностику КМБ и КРБ может идти постепенно, путем развития существующей технологии. Так, для внедрения основных достижений диагностики КМБ по току необходимо решить только вопрос замены регулируемых выпрямителей с низким качеством выходного напряжения на более современные преобразователи напряжения (тока), а анализирующую аппаратуру (Векор-2000) можно использовать и для анализа тока тягового электродвигателя.

Несколько сложнее решается вопрос диагностики КМБ (КРБ) в динамических режимах вращения и нагрузки, необходимых, например, для обнаружения проскальзывания подшипников в посадочном месте. Для его решения необходимо переходить на многоканальные средства одновременного измерения и анализа вибрации при неустановившихся режимах работы объектов диагностики.

Вопрос необходимости предварительного сбора сигналов вибрации КМБ на ходу локомотива пока еще не вышел из стадии предварительных исследований. Необходимо в первую очередь оценить степень влияния ходовой вибрации (определяемой неровностями пути и некруглостью поверхностей качения колес) на качество и эффективность вибрационного диагностирования других узлов КМБ (КРБ).

 

Литература

1. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. Учебное пособие. СПб. Из. СПб ГМТУ. 2000.   158с.

2.  Баркова Н.А. Введение в виброакустическую диагностику роторных машин и оборудования. учебное пособие. СПб. Изд. СПб ГМТУ. 2003.   158с

3.  Барков А.В., Баркова Н.А., Федорищев В.В. Вибрационная диагностика колесно-редукторных блоков на железнодорожном транспорте. Учебное пособие. СПб. Изд. СПб ГМТУ. 2002.  101с

4. ГОСТ Р ИСО 10816 Вибрация. Контроль состояния машины по результатам измерения вибрации на невращающихся частях

5. ОАО «Российские железные дороги». Проведение вибрационного диагностирования подшипников качения колесно-моторных, колесно-редукторных блоков, тяговых электродвигателей и колесных пар локомотивов. Технологическая инструкция. ПКБ ЦТ.25.01.42. Москва. 2012.

6. ОАО «Российские железные дороги». Вибрационное диагностирование узлов локомотивов. Руководящий документ ПКБ ЦТ.06.0050. Москва. 2012.

7. Пакет программ для мониторинга и диагностики роторных машин (DREAM for Windows). Изд. «Ассоциация ВАСТ», СПб. 2003.

8. ООО «ВАСТ-сервис». Дегтерев С.Г., Комяков А.В. Справочники дефектов подшипников качения КМБ локомотивов выявленные средствами вибрационной диагностики.

9. ООО «ВАСТ-сервис». Дегтерев С.Г., Комяков А.В. Технические бюллетени по методам вибрационного диагностирования подшипников качения КМБ локомотивов.