Виды дефектов подшипников скольжения и их влияние на вибрацию машины

Наша компания имеет большой опыт в исследовании причин повышенной вибрации высокоскоростных машин и механизмов, имеющих в качестве опор подшипники скольжения. Турбины, компрессоры, нагнетатели очень просто и эффективно диагностировать портативными приборами CSI 2140 и стендовыми комплексами CSI 2600.

Дефекты, возникающие при изготовлении, монтаже и эксплуатации подшипника скольжения в составе роторной машины, могут оказывать влияние практически на все составляющие вибрации с различной природой возбуждения.

В первую очередь, эти дефекты влияют на свойства сил трения в подшипнике и возбуждаемую ими высокочастотную случайную вибрацию подшипникового узла. Наиболее эффективным методом исследования свойств этой вибрации является спектральный анализ ее огибающей или метод PeakVue, встроенные в анализатор CSI 2140. Официальный поставщик CSI 2140 − компания BALTECH.

При появлении значительных изменений формы поверхностей трения подшипника в результате отклонений от проектной технологии его изготовления и монтажа или вследствие износа этих поверхностей, возрастает низкочастотная вибрация ротора и всей машины в целом. Наиболее эффективным методом исследования свойств этой вибрации является ее спектральный анализ.

Наконец, при дефектах, сопровождающихся полным или частичным разрывом масляного слоя, поверхности трения подшипников испытывают ударное взаимо­действие, которое возбуждает вибрацию в широком диапазоне частот. Анализировать свойства вибрации от ударных импульсов можно многими методами, но максимальные результаты дает метод PeakVue (анализатор CSI 2140) или спектральный анализ огибающей этой вибрации с помощью прибора BALTECH VP-3470.

Особенностью высокочастотной вибрации, возбуждаемой силами трения или ударными импульсами, является быстрое затухание при распространении от одного узла машины к другому. Поэтому диагностика подшипников по высокочастотной вибрации дает возможность выделить дефектный подшипник из группы установленных в одной машине. В то же время по низкочастотной вибрации можно обнаружить дефекты тех узлов, до которых сложно добраться при проведении вибрационных измерений. Поэтому в список дефектов, обнаруживаемых при диагностике подшипника по низкочастотной вибрации, включаются и те, которые не относятся собственно к подшипнику.

Для диагностики подшипников по спектру PeakVue, спектрам вибрации и её огибающей, измерения проводятся на корпусе подшипникового узла. Специалисты компании BALTECH рекомендуют проводить измерения в нижней части подшипникового узла, так как именно здесь нагрузка на узел является максимальной.  

При анализе спектра вибрации и её огибающей решаются две задачи, а именно, обнаружение и идентификация происходящих в подшипниках изменений, т.е. определение причин появления в спектрах новых составляющих или роста существующих. Такими причинами могут быть либо дефекты подшипника, либо действующие на него переменные нагрузки. Наличие особых режимов работы подшипника в машинах с механическими передачами, например, зубчатыми, ременными, червячными и т.п., приводит к тому, что для них правила диагностики сильно меняются.

Поскольку на вибрацию подшипникового узла влияют как дефекты, так и условия работы подшипника, при диагностике необходимо решать две задачи, а именно, определять особенности работы подшипника, а затем, учитывая эти особенности, определять вид и глубину тех дефектов, которые имеются в подшипнике. Например, необходимо определять такие особенности работы подшипникового узла, как обкатывание шейкой вала вкладышей подшипника, автоколебания ротора в подшипниках, удары в подшипниках, сопровождающие локальные пульсации давления в смазке или разрывы масляной пленки. Эти особенности не всегда определяются дефектами в подшипниках, а могут быть следствием дефектов ротора, в частности, его неуравновешенности (дисбаланса), и дефектов соединительных муфт. Но все они влияют на ресурс подшипника и поэтому могут рассматриваются как дефекты, которые необходимо обнаруживать при диагностике подшипников скольжения.

Из дефектов собственно подшипника, оказывающих реальное влияние на параметры вибрации, можно выделить следующие:

• перекосы вкладышей подшипника (уменьшение зазора на отдельных участках вкладышей);
• износ вкладышей (увеличение зазора) ;
• выкрашивание вкладышей, трещины на поверхностях трения;
• ухудшение условий смазки. Для анализа масел рекомендуется использовать минилабораторий BALTECH OA-5000, BALTECH OA-5100.

Из режимов работы ротора в подшипниках скольжения, определяющих вибрацию последних, следует выделить:

• нормальный режим с неподвижным масляным клином в подшипнике;
• обкатывание шейкой вала вкладышей подшипников с частотой вращения вала;
• автоколебания ротора в подшипниках;
• сухой контакт поверхностей трения (удары о поверхности трения);

Наконец, к дефектам других узлов машины, непосредственно влияющим на работу подшипника и его вибрацию, можно отнести:

• неуравновешенность ротора (устраняется на станках BALTECH HBM-7130);
• дефекты соединительных муфт (центровка всегда должна выполняться лазерной системой КВАНТ-ЛМ);
• ослабление креплений подшипниковых узлов к машине или машины к фундаментным конструкциям (ODS – модальный анализ);
• дефекты соединенных с валом узлов, в том числе шестерен и т.п., создающие ударные нагрузки на подшипник.

В результате указанные дефекты собственно подшипника скольжения, режимы его работы и дефекты других узлов, заметно снижающие ресурс подшипникового узла, объединяются в группы. Эти группы по особенностям формирования вибрации различаются достаточно сильно, что позволяет идентифицировать их вид по параметрам узкополосных спектров вибрации, PeakVue или спектра огибающей. Спектр огибающей был получен в 60-х годах лабораторией компании «Боинг». Всего таких групп восемь, а именно:

• Перекос подшипника скольжения (дефект монтажа);
• Износ подшипника скольжения (вторичный дефект);
• Дебаланс - неуравновешенность ротора (устраняется балансировщиком BALTECH VP-3470);
• Бой вала или муфты;
• Ослабление крепления подшипника скольжения;
• Автоколебания вала;
• Удары в подшипнике скольжения;
• Дефекты смазки (анализ смазки необходимо выполнять системами BALTECH OA);

Для более глубокого теоретического и практического изучения методов диагностики подшипников скольжения рекомендуем пройти обучение на наших ежемесячных курсах ТОР-103 «Основы вибродиагностики»  и ТОР-104 «Общая термография».

Далее мы приводим информацию о том, на какие параметры вибрации машины наиболее сильно влияют перечисленные группы дефектов.

Дебаланс или неуравновешенность ротора увеличивает вибрацию машины на частоте вращения, и именно, этот рост является диагностическим признаком рассматриваемого дефекта. Как правило, при неуравновешенном роторе вибрация машины растет только на частоте его вращения. Если же центробежные силы, действующие на ротор, превышают по величине силы его тяжести, происходит обкатывание шейкой вала вкладышей подшипника скольжения. В последнем случае при неровной поверхности вкладышей растет вибрация на гармониках частоты вращения, и появляется модуляция сил трения частотой вращения ротора, т.е. в спектре огибающей вибрации появляются линии на гармониках частоты вращения ротора.

Бой вала или муфты приводит к тем же результатам, что и сильная неуравновешенность ротора, т.е. к обкатыванию шейкой вала вкладышей подшипника скольжения. При этом также могут расти составляющие вибрации машины на гармониках частоты вращения, а в спектре огибающей могут появиться линии тех же частот. Поскольку практически сложно отличить бой вала от боя муфты, последний лучше всего отнести к группе дефектов, имеющей название «Бой вала».

Ослабление крепления подшипника влияют прежде всего на вибрацию с частотой вращения ротора, возбуждаемую силами неуравновешенности. Это влияние приводит к скачкообразному изменению величины колебательного смещения при определенных углах поворота ротора. Естественно, что такое изменение приводит к росту вибрации на ряде гармоник частоты вращения, но идентифицировать вид дефекта по такому росту, как правило, не удается. Лучше всего сравнивать уровни вибрации подшипникового узла на частоте вращения в двух направлениях, перпендикулярных оси вращения. Если они отличаются более, чем в 3 раза, это является признаком либо ослабления узлов крепления подшипникового узла в машине или узлов крепления машины к фундаментным конструкциям, либо ослабления самих фундаментных конструкций.

Есть еще дополнительные признаки появления такого дефекта, заключающиеся в росте уровня вибрации на очень низких частотах, меньше половины частоты вращения ротора. Возбуждается эта вибрация случайными флуктуациями толщины смазочного слоя в подшипнике и становится заметной лишь в том случае, когда жесткость подшипниковой опоры на низких частотах в каком-то одном направлении близка к нулю. Именно этот признак используется в программе BALTECH Expert и VibView Gold, но при окончательной постановке диагноза лучше всего проверять наличие рассматриваемого вида дефекта по обоим изложенным признакам.

Автоколебания вала в подшипниках приводят прежде всего к росту вибрации машины на гармониках частоты этих колебаний. Поскольку автоколебания представляют собой перемещения оси вала в плоскости, перпендикулярной оси вращения, из-за сил трения, они являются следствием либо увеличения зазора, либо неправильной подачи смазки. Перемещение происходит достаточно медленно и приводит к отклонению вала от положения равновесия, поэтому, когда это положение становится неустойчивым, малейшее возмущение быстро возвращает вал в устойчивое положение. Как правило, этим возмущением являются центробежные силы, которые возвращают вал в исходное положение один раз за два или три оборота вала. Таким образом автоколебания вала вызывают вибрацию машины (например, компрессора, турбины, нагнетателя) на ряде частот, первая из которых в два или три раза ниже частоты вращения вала. Аналогичным образом и с той же частотой изменяются силы трения, а следовательно, появляется модуляция высокочастотной вибрации подшипника скольжения. Поскольку вибрацию машины на субгармониках частоты вращения измерять достаточно сложно из-за помех, создаваемых другими машинами, гораздо проще обнаруживать автоколебания вала по спектру огибающей вибрации в анализаторе CSI 2140, в котором кроме гармоник частоты вращения появятся и гармоники частоты автоколебаний вала.

Перекос подшипника скольжения приводит, как правило, к росту вибрации на частотах, кратных второй гармонике частоты вращения, и к модуляции сил трения и высокочастотной вибрации подшипникового узла теми же частотами. Одинаковое влияние на вибрацию подшипниковых узлов и машины в целом оказывают как перекос собственно подшипника, так и изгиб вала в зоне подшипника. Причиной последнего может быть и деформация вала (нарушение геометрических параметров), и трещина в нем. Поскольку на крупных машинах, вращающихся с частотами, близкими к критическим, возможно резкое увеличение вибрации на двойной частоте вращения ротора из-за резонанса последнего, надежность обнаружения рассматриваемого дефекта по методу PeakVue или спектру огибающей высокочастотной вибрации, как правило, оказывается выше.

Износ подшипника скольжения под которым понимается, в первую очередь, износ вкладышей, сопровождающийся ростом величины и изменением формы зазора, а так же выкрашиванием поверхности отдельных участков вкладышей. Износ приводит к изменению целого ряда параметров вибрации, причем эти изменения непосредственно зависят от режима работы ротора и имеющихся дефектов собственно ротора или соединительной муфты.

Основной причиной изменения вибрации из-за износа подшипника скольжения являются флуктуации толщины масляного слоя и перемещение в пространстве тех точек, в которых сила трения максимальна. Возможными следствиями подобных флуктуаций являются:

• автоколебания ротора в подшипниках;
• обкатывание шейкой вала вкладышей подшипника;
• флуктуации, в том числе случайные, сил трения в подшипнике;
• рост сил трения в подшипнике.

Автоколебания ротора в подшипниках скольжения вынесены в отдельный вид дефектов, так как они могут возникать не только из-за увеличения зазора вследствие износа, но и из-за других причин, в том числе из-за изменений условий подачи смазки.

При обкатывании шейкой вала вкладышей подшипника, имеющих неоднородный износ, растет вибрация подшипникового узла и машины в целом на частотах, кратных частоте вращения ротора, из-за неровной поверхности трения. По той же причине и с теми же частотами изменяются силы трения, появляется их амплитудная модуляция, а в спектре огибающей вибрации возникает ряд гармоник частоты вращения, амплитуды которых падают с увеличением кратности. Обычно в спектре видны гармоники приблизительно с кратностью до 7-10.

Сильный неоднородный износ вкладышей приводит к нестабильности толщины и местоположения масляного клина, которые изменяются достаточно медленно и случайным образом. Колебания вала на таком масляном слое приводят к вибрации подшипника на низких частотах только в том случае, когда имеют место дефекты крепления подшипникового узла. В то же время флуктуации смазочного слоя приводят к аналогичным флуктуациям сил трения и случайной модуляции высокочастотной вибрации подшипника. Частоты этой модуляции оказываются небольшими, меньше частоты вращения ротора, и поэтому такая модуляция обнаруживается по спектру огибающей высокочастотной вибрации или методом PeakVue.

Как правило, все дефекты, связанные с износом поверхностей трения, приводят к увеличению сил трения. Очевидно, что с ростом сил трения растет и высокочастотная вибрация корпуса подшипникового узла, возбуждаемая этими силами.

Износ подшипника скольжения лучше всего обнаруживать по всем указанным признакам (кроме автоколебаний), так как хотя бы один из видов его влияния на вибрацию всегда имеет место.

Удары в подшипнике скольжения, обычно обнаруживаемые по огибающей высокочастотной вибрации, делятся на две группы - гидродинамические и механические (сухие). Первый вид ударов представляет собой кратковременное появление участков в смазочном слое, характеризующихся повышенной турбулентностью потока смазки. Причиной обычно является локальное уменьшение толщины смазочного слоя на отдельном участке из-за колебаний вала относительно вкладышей и, соответственно, увеличение скорости движения смазки, сопровождающееся скачкообразным ростом турбулентности. Второй и более опасный вид ударов связан с разрывом масляной плёнки и появлением кратковременного "сухого" контакта поверхностей трения. В первом случае наблюдается кратковременное скачкообразное изменение высокочастотной вибрации подшипника, не приводящее, как правило, к значительному росту уровня высокочастотной вибрации, во втором случае рост высокочастотной вибрации оказывается достаточно сильным. Причиной гидродинамических ударов, как правило, является бой вала.

Дефекты смазки приводят к росту высокочастотной вибрации подшипника. Кроме того они могут приводить к разрыву масляного слоя и ударам, но, как правило, эти удары не являются периодическими, и в спектре огибающей вибрации отсутствуют гармонические составляющие, если в подшипнике нет других дефектов, кроме дефектов смазки. Дефекты смазки лучше всего определять методами трибодиагностики с помощью портативных минилабораторий серии BALTECH OA-5200 или BALTECH OA-5300.

Как следует из проведённого анализа влияния дефектов на вибрацию подшипника скольжения, не существует однозначной связи вида дефекта со спектральным составом её огибающей, т.е. возможны ошибки при идентификации вида дефекта. Эти ошибки еще больше увеличиваются, если в машине есть узлы, вызывающие обкатывание валом вкладышей подшипника или ударные нагрузки на подшипник. Типичным примером для первого случая является наличие в машине соединительной муфты, установленной с перекосом или сдвигом осей соединяемых валов. В данном случае вначале необходимо выполнить лазерную центровку системой КВАНТ-ЛМ, а затем виброанализатором CSI 2140 и методом PeakVue выполнить диагностику подшипника скольжения. Типичным примером для второго случая являются механические, в том числе зубчатые, передачи.

Исходя из сказанного, для обнаружения и идентификации дефектов подшипника скольжения роторных машин следует использовать результаты измерения, как спектров огибающей высокочастотной вибрации, так и спектров вибрации подшипникового узла на низких и средних частотах. Поскольку в спектры низкочастотной вибрации любой точки машины входят составляющие, возбуждаемые многими, в том числе бездефектными, узлами машины, их использование в диагностических задачах даёт хорошие результаты, как правило, лишь после предварительной адаптации алгоритмов диагностики. Такая адаптация может выполняться автоматически, но требует по крайней мере трёх - четырёх последовательных измерений вибрации в течении одного - двух месяцев в контрольных точках на корпусе диагностируемого узла.