- Таблица 1: Частотные характеристики типовых дефектов подшипников качения
- Таблица 2: Амплитудные характеристики и нормирование вибрации подшипниковых узлов
- Таблица 3: Диагностические параметры подшипников для различных методов оценки
- Таблица 4: Типовые дефекты подшипников и их проявление при диагностике
Таблицы вибрационных характеристик подшипников
| Тип дефекта | Формула расчета частоты | Примеры расчетных частот | Гармоники и субгармоники | Модуляции сигнала | Соотношение амплитуд | Развитие дефекта | Особенности проявления |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Дефект наружного кольца (BPFO) | fнк = (n·fв/2)·(1 - d·cos(α)/D) | Подшипник 6205: 3.05·fв При 1500 об/мин: 76.25 Гц |
Гармоники: 2×, 3×, 4× BPFO Субгармоники: редко |
Обычно не модулированы оборотной частотой | Наиболее высокая амплитуда на основной частоте BPFO | Увеличение амплитуды на BPFO и его гармониках, рост шумовой составляющей | Стабильная частота Четкие пики в спектре Импульсы во временном сигнале |
| Дефект внутреннего кольца (BPFI) | fвк = (n·fв/2)·(1 + d·cos(α)/D) | Подшипник 6205: 4.95·fв При 1500 об/мин: 123.75 Гц |
Гармоники: 2×, 3× BPFI Боковые полосы с шагом fв |
Модуляция оборотной частотой вращения вала | Модулированные боковые полосы могут иметь высокую амплитуду | Увеличение количества боковых полос и их амплитуды | Амплитуда модулируется при вращении (дефект перемещается из зоны нагрузки в ненагруженную зону) |
| Дефект тел качения (BSF) | fтк = (D·fв/d)·[1-(d·cos(α)/D)²] | Подшипник 6205: 1.99·fв При 1500 об/мин: 49.8 Гц |
Гармоники: 2×, 3× BSF Боковые полосы с шагом FTF |
Модуляция с частотой вращения сепаратора (FTF) | Относительно низкая амплитуда на основной частоте | Появление гармоник и субгармоник BSF | Сложная модуляция сигнала Хаотичное поведение при множественных дефектах |
| Дефект сепаратора (FTF) | fсеп = (fв/2)·(1 - d·cos(α)/D) | Подшипник 6205: 0.4·fв При 1500 об/мин: 10 Гц |
Гармоники: 2×, 3× FTF Редко выше 3-й гармоники |
Возможна модуляция BPFO и BPFI | Низкая амплитуда, часто скрыта другими составляющими | Увеличение случайных компонентов в спектре, шума | Нестабильность частоты Нестабильность амплитуды Возможно нарастание низкочастотной вибрации |
| Класс точности механизма по ISO | Предельные значения виброскорости (мм/с) | Предельные значения виброускорения (м/с²) | Критерии по пик-фактору | Критерии по эксцессу | Критерии по огибающей | Нормирование ударных импульсов | Соотношение параметров |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Класс I (Малые машины до 15 кВт) |
Зона A: <0.71 Зона B: 0.71-1.8 Зона C: 1.8-4.5 Зона D: >4.5 |
До 10 Гц: не нормируется 10-1000 Гц: до 1.0 1-10 кГц: до 5.0 |
Хорошее: <3 Удовлетворительное: 3-4 Неудовлетворительное: 4-6 Недопустимое: >6 |
Хорошее: <3 Удовлетворительное: 3-6 Неудовлетворительное: 6-10 Недопустимое: >10 |
Хорошее: до 3 дБ Удовлетворительное: 3-6 дБ Неудовлетворительное: 6-9 дБ Недопустимое: >9 дБ |
SPM, dBm: Хорошее: <20 Удовлетворительное: 20-35 Неудовлетворительное: 35-50 Недопустимое: >50 |
Пик-фактор = Пик / СКЗ Эксцесс пропорционален 4-й степени сигнала |
| Класс II (Средние машины 15-75 кВт) |
Зона A: <1.12 Зона B: 1.12-2.8 Зона C: 2.8-7.1 Зона D: >7.1 |
До 10 Гц: не нормируется 10-1000 Гц: до 1.5 1-10 кГц: до 8.0 |
Хорошее: <3 Удовлетворительное: 3-4 Неудовлетворительное: 4-6 Недопустимое: >6 |
Хорошее: <3 Удовлетворительное: 3-6 Неудовлетворительное: 6-10 Недопустимое: >10 |
Хорошее: до 3 дБ Удовлетворительное: 3-6 дБ Неудовлетворительное: 6-9 дБ Недопустимое: >9 дБ |
SPM, dBm: Хорошее: <25 Удовлетворительное: 25-40 Неудовлетворительное: 40-55 Недопустимое: >55 |
При развитии дефекта СКЗ растет медленнее, чем пиковые значения |
| Класс III (Крупные машины 75-300 кВт) |
Зона A: <1.8 Зона B: 1.8-4.5 Зона C: 4.5-11.2 Зона D: >11.2 |
До 10 Гц: не нормируется 10-1000 Гц: до 2.5 1-10 кГц: до 12.0 |
Хорошее: <3 Удовлетворительное: 3-4 Неудовлетворительное: 4-6 Недопустимое: >6 |
Хорошее: <3 Удовлетворительное: 3-6 Неудовлетворительное: 6-10 Недопустимое: >10 |
Хорошее: до 3 дБ Удовлетворительное: 3-6 дБ Неудовлетворительное: 6-9 дБ Недопустимое: >9 дБ |
SPM, dBm: Хорошее: <30 Удовлетворительное: 30-45 Неудовлетворительное: 45-60 Недопустимое: >60 |
Огибающая более чувствительна к дефектам, чем прямой спектр |
| Класс IV (Крупные машины >300 кВт) |
Зона A: <2.8 Зона B: 2.8-7.1 Зона C: 7.1-18.0 Зона D: >18.0 |
До 10 Гц: не нормируется 10-1000 Гц: до 4.0 1-10 кГц: до 18.0 |
Хорошее: <3 Удовлетворительное: 3-4 Неудовлетворительное: 4-6 Недопустимое: >6 |
Хорошее: <3 Удовлетворительное: 3-6 Неудовлетворительное: 6-10 Недопустимое: >10 |
Хорошее: до 3 дБ Удовлетворительное: 3-6 дБ Неудовлетворительное: 6-9 дБ Недопустимое: >9 дБ |
SPM, dBm: Хорошее: <35 Удовлетворительное: 35-50 Неудовлетворительное: 50-65 Недопустимое: >65 |
dBc = 20·log(A/A0), где A0 - опорное значение |
| Метод диагностики | Диапазон частот | Единицы измерения | Признаки ранних дефектов | Признаки развитых дефектов | Диагностическая чувствительность | Требования к оборудованию | Ограничения метода | Рекомендации |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| СКЗ виброскорости | 10-1000 Гц | мм/с | Незначительное увеличение СКЗ | Существенное увеличение СКЗ виброскорости, превышение пороговых значений | Низкая для ранних дефектов, высокая для развитых | Виброметр со стандартной полосой частот | Нечувствителен к зарождающимся дефектам | Использовать для мониторинга общего состояния в сочетании с другими методами |
| Пик-фактор | 1-10 кГц | Безразмерный | Увеличение >3-4 | Снижение при развитии дефекта из-за роста СКЗ | Средняя для ранних дефектов, снижается для развитых | Виброметр с функцией измерения пик-фактора | Неоднозначность трендов при развитии дефекта | Эффективен на ранних стадиях дефекта, контролировать динамику |
| Эксцесс | 1-10 кГц | Безразмерный | Резкое увеличение >3 | Дальнейший рост, значения >10 | Высокая для ранних дефектов | Анализатор с функцией статистической обработки сигнала | Чувствительность к помехам, режиму работы | Анализировать временные тренды, измерять в стабильных условиях |
| Анализ огибающей | 2-20 кГц | дБ, м/с² | Появление пиков на характерных частотах | Рост амплитуды пиков и появление гармоник | Очень высокая для всех стадий | Анализатор спектра с функцией демодуляции | Сложность в выборе оптимальной полосы фильтрации | Основной метод для раннего обнаружения дефектов подшипников |
| Ударные импульсы (SPM) | 32 кГц | dBm, dBc, dBn | Превышение порогового уровня на 5-10 дБ | Превышение порогового уровня >15 дБ | Высокая для ранних дефектов | Специализированный SPM-измеритель | Требуется калибровка для разных типов оборудования | Эффективен для стандартизированного контроля однотипных машин |
| Вейвлет-анализ | 0.5-20 кГц | Относительные единицы | Локальные максимумы коэффициентов на характерных масштабах | Увеличение энергии коэффициентов, расширение частотного диапазона | Очень высокая для нестационарных процессов | Анализатор с функцией вейвлет-преобразования | Сложность интерпретации, высокие требования к квалификации | Использовать для анализа нестационарных режимов и импульсных процессов |
| Кепстральный анализ | 0.5-5 кГц | дБ | Появление рахмоников на характерных кверфренциях | Рост амплитуды рахмоников, появление модуляционных компонент | Высокая для периодических процессов | Анализатор спектра с функцией кепстрального анализа | Сложность интерпретации результатов | Эффективен для выявления семейств гармоник и боковых полос |
| Тип дефекта | Причины возникновения | Проявление в спектре вибрации | Проявление во временном сигнале | Проявление в спектре огибающей | Проявление при УЗ-диагностике | Проявление при тепловизионном контроле | Проявление при анализе масла | Рекомендации |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Усталостное выкрашивание | Циклические нагрузки, превышение допустимых нагрузок, накопление усталости металла | Повышение уровня вибрации на частотах дефектов и их гармониках | Периодические ударные импульсы с интервалом, соответствующим частоте дефекта | Четкие пики на частотах дефектов и их гармониках | Увеличение амплитуды УЗ-сигнала при прохождении дефекта через зону нагрузки | Локальное повышение температуры на 3-8°C | Наличие металлических частиц размером 5-15 мкм | Замена подшипника, проверка нагрузки и соосности |
| Абразивный износ | Загрязнение смазки, попадание твердых частиц, недостаточная фильтрация | Повышение шумового фона в широком диапазоне частот | Случайные импульсы переменной амплитуды, повышенный шумовой фон | Размытые спектральные составляющие, отсутствие четких пиков | Общее повышение уровня УЗ-сигнала без четких импульсов | Равномерное повышение температуры узла на 5-15°C | Наличие абразивных частиц и продуктов износа | Замена смазки, чистка подшипникового узла, улучшение уплотнений |
| Коррозия | Воздействие влаги, агрессивных сред, недостаточная защита, простои оборудования | Повышение шумового фона, нестабильность спектральных составляющих | Хаотичные импульсы, нестабильность амплитуды во времени | Нестабильные широкополосные составляющие | Повышенный УЗ-шум без четкой периодичности | Неравномерные тепловые аномалии | Продукты коррозии, изменение цвета и кислотности смазки | Замена подшипника, улучшение защиты от влаги, антикоррозионные присадки |
| Перекос подшипника | Ошибки монтажа, деформация корпуса или вала, несоосность | Повышение вибрации на 1×, 2× оборотной частоте, осевая вибрация | Синусоидальный сигнал с модуляцией оборотной частотой | Повышение составляющих BPFI с преобладающими боковыми полосами | Модуляция УЗ-сигнала оборотной частотой | Неравномерный нагрев по окружности подшипника | Увеличенный износ беговых дорожек с одной стороны | Проверка соосности, качества посадочных мест, правильный монтаж |
| Недостаточная смазка | Нарушение регламента смазывания, утечки, неправильный выбор смазки | Повышение высокочастотной составляющей спектра >2 кГц | Высокочастотные случайные импульсы, повышенный шумовой фон | Повышение общего уровня спектра огибающей без четких пиков | Значительное повышение общего уровня УЗ-сигнала | Равномерное и быстрое повышение температуры при работе | Потемнение смазки, снижение вязкости, сухие участки | Добавление смазки, проверка системы смазывания, выбор оптимальной смазки |
| Электроэрозия | Прохождение электрического тока через подшипник, наведенные токи, неправильное заземление | Повышенный шумовой фон, нестабильность показаний | Случайные высокочастотные импульсы | Нечеткие размытые составляющие в широком диапазоне | Импульсный характер УЗ-сигнала при прохождении тока | Локальные точечные перегревы | Наличие частиц с оплавленными краями, почернение смазки | Проверка заземления, установка изолированных подшипников, токоотводы |
| Фреттинг-коррозия | Микроперемещения в посадках, вибрация оборудования в состоянии покоя | Повышение вибрации на оборотной частоте и НЧ-составляющих | Нестабильность амплитуды в различных режимах работы | Широкополосные составляющие в низкочастотной области | Нестабильность УЗ-сигнала при изменении нагрузки | Неравномерный нагрев посадочных мест | Наличие окислов железа красно-коричневого цвета | Улучшение посадок, применение антифреттинговых составов, демпфирование |
- 1. Введение в вибрационную диагностику подшипников
- 2. Таблицы вибрационных характеристик подшипников
- 3. Расчет и анализ характерных частот дефектов подшипников
- 4. Методы диагностики и оценки состояния подшипников
- 5. Практические рекомендации по диагностике
- 6. Примеры диагностики реальных дефектов
- 7. Заключение
1. Введение в вибрационную диагностику подшипников
Подшипники качения являются одними из наиболее распространенных и при этом ответственных элементов промышленного оборудования. По статистике, до 40% отказов вращающегося оборудования связаны с дефектами подшипниковых узлов. Своевременная и точная диагностика технического состояния подшипников позволяет предотвратить внезапные отказы оборудования, спланировать ремонтные работы и существенно снизить затраты на обслуживание.
Вибрационная диагностика является наиболее информативным и широко применяемым методом оценки состояния подшипников качения. Этот неразрушающий метод позволяет обнаруживать дефекты на ранней стадии их развития без остановки оборудования и разборки узлов. В основе метода лежит анализ вибрационных сигналов, генерируемых подшипником при взаимодействии его элементов между собой.
Каждый тип дефекта подшипника имеет свои характерные вибрационные признаки, проявляющиеся в частотном составе, амплитудных характеристиках и модуляции сигнала. Правильная интерпретация этих признаков требует понимания механизмов возникновения и развития дефектов, а также знания специфических особенностей их проявления при различных методах диагностики.
Для эффективной диагностики подшипниковых узлов необходимо комплексное применение нескольких методов, включая спектральный анализ, анализ огибающей, статистический анализ временных сигналов и другие специализированные методы.
3. Расчет и анализ характерных частот дефектов подшипников
Расчет характерных частот дефектов подшипников является основой их вибрационной диагностики. Каждый элемент подшипника при наличии дефекта генерирует вибрацию с определенной частотой, зависящей от геометрических параметров подшипника и частоты вращения вала.
3.1. Основные формулы для расчета характерных частот
Для расчета частот дефектов используются следующие формулы:
- Частота перекатывания тел качения по наружному кольцу (BPFO):
fнк = (n·fв/2)·(1 - d·cos(α)/D)
- Частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу (BPFI):
fвк = (n·fв/2)·(1 + d·cos(α)/D)
- Частота вращения тел качения вокруг собственной оси (BSF):
fтк = (D·fв/d)·[1-(d·cos(α)/D)²]
- Частота вращения сепаратора (FTF):
fсеп = (fв/2)·(1 - d·cos(α)/D)
где:
- fв - частота вращения вала (Гц или об/сек)
- n - количество тел качения
- d - диаметр тел качения
- D - средний диаметр сепаратора (диаметр по центрам тел качения)
- α - угол контакта (для радиальных подшипников обычно принимается равным 0°)
3.2. Пример расчета для типового подшипника
Рассмотрим подшипник 6205 со следующими параметрами:
- Количество тел качения: n = 9
- Диаметр тел качения: d = 7.94 мм
- Средний диаметр сепаратора: D = 39.04 мм
- Частота вращения вала: fв = 25 Гц (1500 об/мин)
- Угол контакта: α = 0°
Расчет характерных частот:
- BPFO = (9·25/2)·(1-7.94·cos(0)/39.04) = 112.5·0.7968 = 89.64 Гц
- BPFI = (9·25/2)·(1+7.94·cos(0)/39.04) = 112.5·1.2032 = 135.36 Гц
- BSF = (39.04·25/7.94)·[1-(7.94·cos(0)/39.04)²] = 123.12·0.8651 = 106.52 Гц
- FTF = (25/2)·(1-7.94·cos(0)/39.04) = 12.5·0.7968 = 9.96 Гц
При расчете важно учитывать, что реальные частоты могут отличаться от расчетных на 1-2% из-за проскальзывания тел качения и деформаций элементов подшипника под нагрузкой.
4. Методы диагностики и оценки состояния подшипников
Современная вибрационная диагностика подшипников включает в себя широкий спектр методов, позволяющих выявлять дефекты на различных стадиях их развития.
4.1. Анализ общего уровня вибрации
Наиболее простой метод, основанный на измерении среднеквадратичного значения (СКЗ) виброскорости в стандартном диапазоне частот 10-1000 Гц. Метод позволяет оценить общее состояние оборудования согласно нормам ISO 10816/20816, но имеет низкую чувствительность к зарождающимся дефектам подшипников.
4.2. Спектральный анализ
Анализ спектра вибрации позволяет выявить характерные частоты дефектов подшипников и их гармоники. При наличии дефекта наружного кольца в спектре появляются четкие пики на частоте BPFO и ее гармониках. Дефекты внутреннего кольца проявляются на частоте BPFI с характерными боковыми полосами, отстоящими от основной частоты на величину оборотной частоты.
4.3. Анализ огибающей высокочастотной вибрации
Один из наиболее эффективных методов ранней диагностики дефектов подшипников. Метод основан на выделении и анализе модуляции высокочастотного вибрационного сигнала в диапазоне 2-20 кГц. При дефекте подшипника высокочастотный сигнал модулируется с частотой, соответствующей типу дефекта. Анализ спектра огибающей позволяет выявить эти модулирующие частоты.
Важно правильно выбирать полосу частот для демодуляции. Оптимальная полоса должна соответствовать собственным частотам элементов подшипника и не должна содержать значительных вибрационных составляющих от других источников.
4.4. Статистический анализ временного сигнала
Методы, основанные на анализе статистических характеристик вибрационного сигнала, таких как пик-фактор (отношение пикового значения к СКЗ) и эксцесс (мера остроты пиков в распределении мгновенных значений вибрации). На ранних стадиях развития дефекта подшипника временной сигнал содержит импульсные составляющие, что приводит к увеличению пик-фактора и эксцесса.
4.5. Метод ударных импульсов
Специализированный метод, основанный на регистрации и анализе высокочастотных ударных импульсов, возникающих при контакте дефекта с сопряженным элементом подшипника. Метод использует специальный датчик, настроенный на резонансную частоту около 32 кГц. Результат измерений представляется в децибелах относительно нормированного уровня (dBm, dBc, dBn).
5. Практические рекомендации по диагностике
Эффективная диагностика подшипниковых узлов требует системного подхода и соблюдения определенных рекомендаций.
5.1. Выбор точек и направлений измерений
Измерения следует проводить в точках, максимально приближенных к подшипниковым опорам, предпочтительно непосредственно на корпусе подшипника. Для радиальных подшипников измерения проводят в радиальном направлении (горизонтальном и вертикальном), для упорных и радиально-упорных - дополнительно в осевом направлении.
5.2. Режимы работы оборудования при измерениях
Измерения проводят при стабильной работе оборудования с постоянной нагрузкой и частотой вращения. Для некоторых типов дефектов информативными могут быть измерения при изменении режимов работы (разгон, торможение, изменение нагрузки).
5.3. Периодичность измерений
Частота диагностики зависит от критичности оборудования, условий его эксплуатации и результатов предыдущих измерений. Для обнаружения зарождающихся дефектов рекомендуется проводить измерения не реже одного раза в месяц. При обнаружении признаков дефекта периодичность измерений увеличивают.
5.4. Комплексный подход к диагностике
Для повышения достоверности диагностики рекомендуется использовать несколько взаимодополняющих методов. Например, сочетание спектрального анализа и анализа огибающей позволяет выявлять как развитые, так и зарождающиеся дефекты подшипников.
При обнаружении признаков дефекта рекомендуется сравнивать результаты измерений с данными по аналогичному оборудованию, а также анализировать динамику изменения диагностических параметров во времени.
6. Примеры диагностики реальных дефектов
Рассмотрим несколько практических примеров диагностики дефектов подшипников на реальном промышленном оборудовании.
6.1. Дефект наружного кольца подшипника электродвигателя
На электродвигателе насосной установки (мощность 75 кВт, частота вращения 2980 об/мин) при плановом мониторинге был обнаружен рост общего уровня вибрации на переднем подшипниковом узле до 4.2 мм/с, что соответствует зоне C по ISO 10816-3 (предупреждение).
Спектральный анализ выявил наличие пиков на частоте 157 Гц и ее гармониках. Расчетная частота BPFO для подшипника 6316 при данной частоте вращения составляла 155.8 Гц, что подтвердило наличие дефекта наружного кольца. В спектре огибающей высокочастотной вибрации указанные частотные составляющие имели значительно более высокую амплитуду, что свидетельствовало о развитии дефекта.
Двигатель был выведен в ремонт до наступления аварийного отказа. При разборке подшипникового узла обнаружено выкрашивание на наружном кольце подшипника площадью около 0.5 см². Своевременная диагностика позволила избежать внезапного отказа и повреждения других элементов двигателя.
6.2. Дефект сепаратора подшипника редуктора
На редукторе конвейерной линии при плановом измерении был обнаружен нестабильный уровень вибрации с периодическими всплесками. В спектре вибрации отсутствовали четкие пики на характерных частотах дефектов подшипников, однако наблюдалось повышение уровня низкочастотных составляющих.
Анализ огибающей выявил наличие составляющих на частоте вращения сепаратора (FTF) и ее гармониках, что свидетельствовало о повреждении сепаратора. При разборке подшипникового узла обнаружено повреждение заклепки сепаратора и деформация одного из его гнезд.
Данный пример демонстрирует важность анализа огибающей для выявления дефектов, слабо проявляющихся в прямом спектре вибрации.
7. Заключение
Вибрационная диагностика подшипников является мощным инструментом обеспечения надежности промышленного оборудования. Современные методы диагностики позволяют выявлять широкий спектр дефектов на ранних стадиях их развития, что дает возможность планировать ремонтные работы и предотвращать внезапные отказы оборудования.
Эффективность диагностики определяется правильным выбором методов, точек и режимов измерений, а также квалификацией специалистов, выполняющих анализ результатов. Комплексный подход, сочетающий различные методы диагностики, позволяет повысить достоверность оценки состояния подшипниковых узлов.
Представленные в статье таблицы вибрационных характеристик подшипников, методов диагностики и типовых дефектов являются практическим руководством для специалистов по вибрационной диагностике и могут быть использованы при разработке программ технического обслуживания оборудования на основе его фактического состояния.
Примечание: Данная статья носит ознакомительный характер и предназначена для специалистов в области вибрационной диагностики. Приведенные значения параметров и критерии оценки состояния являются обобщенными и могут отличаться для конкретных типов оборудования и условий эксплуатации. При проведении диагностики необходимо руководствоваться нормативными документами, рекомендациями производителей оборудования и результатами предыдущих измерений.
Отказ от ответственности: Автор не несет ответственности за любые убытки или ущерб, возникшие в результате использования информации, содержащейся в данной статье. Решение о необходимости ремонта или замены подшипников должно приниматься квалифицированными специалистами на основе комплексного анализа технического состояния оборудования.
Источники
- ISO 20816-1:2016 "Вибрация — Измерение и оценка вибрации машин"
- ISO 15242-1:2015 "Подшипники качения — Методы измерения вибрации"
- ГОСТ Р ИСО 13373-1-2009 "Контроль состояния и диагностика машин. Вибрационный контроль состояния машин"
- Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. "Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации". Изд-во СПбГМТУ, 2012
- SKF General Catalogue, 2018
- Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2005
- Технические данные подшипников качения. Каталог NSK, 2019
