Вибродиагностика дефектов механических передач
Содержание
Ниже рассматриваются зубчатые, ременные и другие длительно работающие механические передачи, изменяющие скорость и/или направление вращения ведомых валов (роторов). Передачи момента вращения на колеса транспорта, требующие проведения диагностических измерений вибрации на ходу, имеют свои особенности диагностирования, не рассматриваемые в данном обзоре. Вопросы вибродиагностики соединительных муфт рассмотрены ранее, совместно с вопросами диагностики роторов.
Каждая ступень механической передачи может иметь вращающиеся узлы с двумя (переборный редуктор) или тремя (планетарный редуктор, ременная, цепная передача) разными частотами и/или направлениями вращения. Дефекты механических передач, обнаруживаемые в эксплуатируемых агрегатах по вибрации, это:
-
дефекты зубчатого зацепления, в том числе смещение зон контакта, изменение качества смазки шестерен в зоне зацепления,
-
дефекты поверхностей сцепления в ременных передачах,
-
дефекты монтажа - перекосы и смещения шестерен и шкивов, проскальзывание и повышенный натяг ремней,
-
дефекты узлов вращения, в том числе отдельных зубьев шестерен, включая их неравномерный износ и другие повреждения, изменяющие нагрузку на передачу при входе дефектного элемента в зону зацепления (сцепления)
-
дефекты подшипников, особенности развития которых определяются повышенными динамическими нагрузками на многие из подшипников передачи.
Дефект в виде неуравновешенности вала с шестерней (шкивом, звездочкой) при работающей механической передаче обычно не рассматривается. Основная причина в том, что масса вала с шестерней (шкивом) и создаваемая их неуравновешенностью центробежная сила обычно много меньше, чем у приводного двигателя или нагруженного на передачу механизма. Соответственно, рост вибрации на частоте вращения промежуточных валов механической передачи, обычно относят либо к несоосности вала и шестерни (шкива), либо к дефектам контактной поверхности, например, зуба шестерни, и балансировку промежуточных валов в собранной передаче не проводят.
Следствием большинства из перечисленных дефектов являются удары поверхностей трения друг о друга, или импульсные скачки нагрузки на элементы, передающие момент вращения на ведомый вал (ротор). Скачки нагрузки передаются на подшипники механической передачи, приводя к ударам поверхностей трения друг о друга, и возбуждению в них импульсной вибрации, что резко усложняет диагностику подшипников редуктора. Но импульсная вибрация подшипников при появлении ударов в зацеплении несколько отличается от аналогичной импульсной вибрации из-за дефектов подшипников передачи. Во-первых, она занимает более низкий частотный диапазон, во-вторых – проявляется сразу на всех нагруженных подшипниках передачи и, в третьих – может иметь другую периодичность (при использовании подшипников качения). Энергия ударного импульса в зацеплении (сцеплении), как правило, много больше, чем в подшипнике из-за дефекта последнего, поэтому воспользоваться резким спадом спектральной плотности импульсной вибрации от ударов в зацеплении на высоких, преимущественно ультразвуковых, частотах для разделения дефектов передачи и ее подшипников, удается весьма редко.
Несмотря на определенные сложности разделения импульсной вибрации от подшипников и зацеплений, обнаружение и анализ формы вибрации ударного происхождения в разных точках измерения и разных частотных диапазонах, а также частоты следования импульсов, относится к одному из основных способов вибродиагностики механических передач
Следующий из способов вибродиагностики зубчатых передач – контроль за ростом вибрации на высоких гармониках частоты вращения вала с шестерней, чаще всего на зубцовых частотах и частотах в зоне трети от зубцовой частоты. Рост зубцовых гармоник – признак смещения зон контакта в зацеплении, чаще всего из-за износа подшипников и контактных поверхностей зубьев, рост оборотных гармоник в полосах частот, кратных трети зубцовой частоты – признак неравномерного износа и дефектов зубьев. Совокупность этих двух признаков позволяет локализовать дефектный элемент передачи, см. рис. 15.7.
Рис15.7. Вибрация подшипникового узла зубчатой передачи с износом шестерни.
Третий из основных способов обнаружения дефектов шестерен в зубчатых передачах, а также шкивов и ремней в ременных передачах – анализ амплитудной модуляции составляющих вибрации одного вала частотой вращения и ее гармониками другого вала или ремня. Причина такой модуляции – изменяющаяся от угла поворота вала (ремня) нагрузка на оба вала в составе одной ступени механической передачи. Опасной для эксплуатации передачи можно считать модуляцию максимальной из кратных оборотной гармоник вибрации вала с глубиной 20-30%. Признаком дефекта износа одного из элементов передачи является модуляция основных гармоник вибрации бездефектного вала первой и нечетными гармониками частоты вращения дефектного узла, признаком перекоса – второй и четными гармониками этой частоты. Модуляцию гармонических составляющих вибрации бездефектных узлов передачи частотой вращения дефектного узла можно обнаружить по спектру низкочастотной вибрации, модуляцию случайных составляющих вибрации всех подшипников передачи частотами, кратными частоте вращения дефектной шестерни или ремня – по спектру огибающей высокочастотной вибрации.
На рис. 15.8 приведены спектры вибрации двух валов ременной передачи при дефекте одного из шкивов, и спектр огибающей вибрации одного из подшипников, указывающие на наличие дефекта шкива. Осмотр шкива подтвердил наличие дефекта – на поверхности сцепления в плоскости одного из клиновидных ремней бала обнаружена локальная зона с налипанием продуктов износа ремня. После шлифовки поверхности сцепления шкива вибрация передачи снизилась более, чем в три раза.
Рис. 15.8. Cпектры вибрации двух валов ременной передачи при дефекте одного из шкивов, и спектр огибающей вибрации одного из подшипников, указывающие на наличие дефекта шкива
Четвертый из практически важных способов обнаружения дефектов механических передач и их подшипников – анализ распределения спектральной плотности (мощности) случайной вибрации от сил трения в подшипниках по частоте в разных точках контроля вибрации. Этот способ обычно используется и для обнаружения дефектных подшипников качения (см. ранее), он же позволяет выявить и дефекты зацепления зубчатых передач, когда из-за износа шестерен или ухудшения качества их смазки существенно растут силы трения в зацеплении и возбуждаемая ими случайная вибрация, которая передается через зацепление на все подшипники передачи. Если же имеет место дефект подшипника скольжения передачи – наблюдается рост случайных составляющих вибрации только дефектного подшипника, и на более высоких частотах.
Четыре рассмотренных способа не требуют детального описания конструктивных характеристик механической передачи и ее подшипников, и при совместном использовании обеспечивают обнаружение развитых дефектов с их локализацией до узла с высокой достоверностью. Но такая возможность существует при диагностике дефектов в машинах с одно – двухступенчатыми механическими передачами, имеющими доступные для контактного измерения вибрации подшипниковые узлы. Конструктивно сложные машины и многоступенчатые передачи диагностируются, в основном, по узкополосным спектрам вибрации, и для такой диагностики необходимо определить частоты всех основных составляющих вибрации механической передачи и, при использовании в них подшипников качения, частоты всех подшипниковых составляющих вибрации
В простейшей одноступенчатой зубчатой передаче ряды гармонических составляющих определяются следующими выражениями:
где 
– частота вращения ведущего вала, 
– число зубьев ведущей шестерни, 
- частота вращения ведомого вала, 
- число зубьев ведомой шестерни, 
– зубцовая частота.
В одноступенчатой цепной передаче к указанным выражениям добавляется еще одно, определяющее частоту вращения цепи:
В ременной передаче частоты вращения ведомого вала и ремня 
определяются по тем же формулам, но с заменой числа зубьев , и 
соответственно на длины окружности ведущего шкива, ведомого шкива (по линии контакта с ремнем) и длину ремня
В ступени планетарного редуктора формулы для расчета частот вращения солнечной шестерни 
, водила 
, сателлитов 
и короны 
определяются тем, какой элемент ступени неподвижен. Так, в большинстве понижающих планетарных редукторов для минимизации их габаритов в первой ступени неподвижно водило, а частоты вращения других элементов и зубцовая частота определяются, как и в двухступенчатом переборном редукторе выражениями:
где 
– количество зубцов на солнечной шестерне, 
– количество зубцов на сателлите,
– количество зубцов короны.
Соответственно, при неподвижной короне выражения для расчета этих частот имеют вид:
Выражения для расчета подшипниковых частот в механических передачах приведены в предыдущем разделе. При их использовании в качестве частоты вращения ротора следует использовать частоту вращения того вала, на который насаживается вращающееся кольцо подшипника.
Все признаки дефектов многоступенчатых механических передач, изложенные в настоящем разделе, действительны и при их диагностировании по узкополосным спектрам вибрации передачи, измеренной на большом удалении от подшипниковых узлов. Основные проблемы диагностирования возникают при идентификации в спектре с большим количеством гармонических составляющих разной частоты и разного происхождения тех из них, которые возбуждаются диагностируемой ступенью редуктора. Проблема идентификации гармонических составляющих вибрации по их частоте резко усложняется при использовании в многоступенчатых передачах подшипников качения. Причина не только в резком увеличении их числа, но и в многократном (до 1000 и более) различии амплитуд составляющих вибрации, возбуждаемых высокооборотными и низкооборотными ступенями редуктора, часто размещаемыми в одном корпусе. Диагностирование многоступенчатых механических передач, приводимых во вращение приводным электродвигателем, существенно облегчается, если в дополнение к вибрации анализируется ток электродвигателя. Тогда диагностика узлов, передающих момент вращения, в низкооборотных ступенях передачи осуществляется по току двигателя, так как глубина его модуляции зависит от величины дефекта и практически не зависит от частоты вращения дефектной ступени, а за сигналом вибрации сохраняется задача диагностики подшипников.
Оптимальными местами контроля вибрации для диагностики механических передач являются корпус (щиты) агрегата, в которые встроены входные и выходные подшипники каждой ступени, направления измерения – радиальные к оси вращения.
Вибродиагностика других видов механических передач непрерывного действия, в частности червячных, волновых и т.п. имеет много общего с рассмотренными передачами, а частности учитываются при составлении методик диагностирования. Иначе обстоит дело с передачами кратковременного действия, например, приводов запорной арматуры, когда диагностирование проводится по вибрации в переходных режимах работы. Диагностика таких механических передач требует специального рассмотрения, причем наибольшего успеха в ней добиваются при использовании информации, содержащейся не только в вибрации, но и в токе электропривода, давлении жидкости в гидроприводе, или основных сигналов в энергоносителях других видов приводов.
Содержание
