Аналіз дефектів підшипників кочення та причини їх виникнення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія Державної прикордонної служби України

імені Богдана Хмельницького

Аналіз дефектів підшипників кочення та причини їх виникнення

Катерина Дем'янюк кандидат психологічних наук, доцент, старший викладач кафедри загальнонаукових та інженерних дисциплін

Світлана Підгайчук кандидат технічних наук, доцент, доцент кафедри загальнонаукових та інженерних дисциплін

Вікторія Шевчук кандидат педагогічних наук, доцент, старший викладач кафедри загальнонаукових та інженерних дисциплін

м. Хмельницький

АНОТАЦІЯ

Рухомі частини та вали машин установлюються у корпуси за допомогою підшипників кочення, що забезпечують високий коефіцієнт корисної дії (ККД) їх роботи.

Підшипники кочення є слабкою ланкою практично будь-якої машини. Дефекти підшипників (знос кілець, викришування та ін.) володіють малою коливальною енергією, тому для виділення інформативних компонентів із зашумленого вібросигналу необхідно застосовувати спеціальні методи математичної обробки сигналу.

Своєчасність та правильність визначення дефектів підшипників кочення на стадії їх зародження, зміна експлуатаційних параметрів обладнання забезпечує підвищення ефективності планово-профілактичних ремонтів (за фактичним станом обладнання) на 8-12 %. Тому розробка заходів, які б діагностували стан вузлів, є актуальною.

Досвід показує, що більшість “дефектних” деталей, повернених дистриб'юторам, насправді такими не є. Зазвичай їх передчасна поломка відбувається через інші чинники: від пошкоджень, викликаних суміжними компонентами і системами, відмовою в їх роботі, неправильністю установки.

У дослідженні проаналізовано виникнення несправностей в експлуатації підшипників кочення та надані етапи розвитку дефектів підшипників кочення. Проведена робота є початковим етапом розробки методики діагностування несправностей підшипників кочення та одним з етапів створення віб- роакустичного приладу для виявлення дефектів вузлів спеціальної техніки.

Перспективою подальших наукових досліджень є розробка пристрою для діагностування вузлів обладнання спеціальної техніки на основі спектрального аналізу, який дозволить здійснити перехід в експлуатації обладнання із системи планово-попереджувальних ремонтів до ремонтів за фактичним станом, та дасть можливість визначати час та причини виходу з ладу підшипників кочення, а також дозволить ефективно застосувати бездефектні підшипники для ремонту.

Ключові слова: підшипники кочення; параметри вібрації; вібросигнал; дефекти; віброакустична інформація.

Demianiuk K., Pidhaichuk S., Shevchuk V. The rolling-element bearings defects and their emergence reasons analysis

Mobile parts and billows of machines are set in корпуса by bearings woobling which provide a high output-input (KKD) of their work ratio.

Bearings of woobling are the weak link of practically any machine. The defects of bearings (tearing down of rings, painting and other) own small swaying energy, that is why for the selection of informing components from a зашумленого vi- brosignal it is necessary to apply the special methods of the mathematical signal processing. Timeliness and reliabilityof definition of the rolling-element bearings defects on their conception state, the change of working parameters of equipment that is being used, provides a planned service efficiency increase (by actual state of equipment) by 8-12%. Therefore, the development of measures which can diagnose the state of modules is relevant.

In reality the majority of `defective' details, which are returned by distributor, are not defective at all. Premature crashes usually happen because of different factors, such as damages caused by adjoining components and systems and their installation malfunction. The analyses of emergence of the crashes in rolling-element bearings working has been done in the research and stages of development of the defects of the rolling-element bearings has been given. This research is a primary stage of rollingelement bearings diagnosing development and is one of the stages ofcreation of defects detection in modules of specific machinery vibroacoustic device.

Specific machinery equipment modules diagnosing device is a perspective to further research based on spectral analysis, which will allow to transit from the cautionary planned repairs to actual state repairs, and it will give the opportunity to determine time and reason of the rolling-element bearings crashes, and it will also allow to apply non-defective bearings for repairsmore effectively.

Key words: the rolling-element bearings; the parameters of vibration; vibration signal; defects; vibroacoustic information.

ВСТУП

Постановка проблеми. Одним з найважливіших експлуатаційних показників будь-якої технічної системи залишаються витрати на її обслуговування і ремонт. Їх мінімізація практично неможлива без ефективного контролю стану системи. Основним видом процесів аналізу обладнання автомобільної промисловості сучасними засобами контролю і діагностики є вібрація, що активно витісняє багато інших процесів. Причини не тільки в тому, що вібраційна діагностика ефективніша та є тенденція до швидкого зниження витрат на її реалізацію, але і в тому, що почати діагностику у вібрації можна у будь- який час. Зв'язок вібрації з якістю виготовлення і складання агрегату, зносом його деталей і вузлів, режимом роботи, надійністю і безпекою дозволяє використовувати її характеристики для оцінки технічного стану складових частин агрегату, прогнозування його ресурсу і опти- мізації режиму роботи. Правильність та своєчасність виявлення дефекту на стадії його зародження, встановлення причин його виникнення є запорукою правильного рішення щодо його усунення.

Діагностування обертальних вузлів і агрегатів різного виду обладнання, що стало об'єктом дослідження, у своїй основі має невизначеність щодо виявлення дефектів підшипників кочення на стадії їх зародження з метою визначення умов подальшої експлуатації і вимагає вирішення конкретних завдань:

визначення найбільш інформативних діагностичних ознак для кожного виду дефектів;

визначення найбільш інформативних параметрів вібрації (ві- брошвидкість, вібропереміщення або віброприскорення) та їх частотного діапазону;

визначення значень діагностичних ознак для кожного дефекту та для різних класів технічного стану (від працездатного до аварійного);

розробка на алгоритмічному рівні методик розпізнавання технічного стану підшипників кочення за наявною віброакустичною інформацією;

на основі розроблених методик - розробка програмного забезпечення пристрою (системи) вібродіагностики.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У наукових роботах В. В. Клюєва [1], Т. В. Федорончака [2], В. Ю. Денисюка [3] розроблені фундаментальні теоретичні основи експлуатації техніки широкого використання. Дослідження чинників, через які відбуваються передчасні поломки, пошкодження вузлів на опорах кочення, відображено у працях Ю. М. Данильченка, В. П. Кузнєцова [4].

Діагностичні вимірювання і дослідження вібрації роботи підшипників були темою досліджень низки авторів [1]-[3]. Слід зазначити складності у проведенні цих робіт. Натурне моделювання дефектів підшипників у виробничих умовах вимагає значного розбору устаткування для заміни працездатних підшипників на дефектні, що в умовах безперервного виробництва є неможливим. Більш детальний аналіз діагностичних вимірювань і досліджень вібрації обладнання виконано авторами [4]. Науковці провели умовне розділення діагностичних вимірювань і досліджень вібрації на такі види: контрольні вимірювання працюючого агрегату, спеціальні діагностичні вимірювання, обстеження зупиненого агрегату.

Успіх будь-якої системи вібромоніторингу в основному залежить від методів оцінки стану агрегату, тобто способів визначення допустимих значень (норм) вібрації і параметрів аналізу вібрації, інтегрованих в аналізуюче програмне забезпечення користувача [2].

З метою реалізації методики адаптації системи діагностики до певного виду обладнання необхідно провести аналіз факторів та об'єктів його експлуатаційного ресурсу. Одним із факторів забезпечення створення ефективної системи діагностики є аналіз дефектів вузлів машин та причин їх виникнення.

Метою статті є аналіз дефектів підшипників кочення та причин їх виникнення для розробки заходів щодо переходу від системи планово-попереджувальних ремонтів до ремонтів за фактичним станом за допомогою віброакустичних досліджень.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Вплив нелінійної жорсткості підшипників на їх вібрацію виражається в появі додаткових гармонійних складових вібрації через неоднакове статичне і динамічне навантаження на тіла кочення (непостійність жорсткості підшипника при обертанні) навіть за відсутності дефектів виготовлення, встановлення і при низькій залишковій неврівноваженості осі валу. Оскільки статичне навантаження (у більшості випадків - сила тяжіння горизонтально розташованого валу) впливає одночасно на 2-4 тіла кочення і кількість цих тіл змінюється в часі з частотою перекочування по зовнішньому кільцю, виникають параметричні коливання з частотою, кратною основній. За достатньо великих значень неврівноваженості вала може виникати амплітудна модуляція коливань з частотою перекочування тіл кочення і появою у спектрі додаткових складових.

Для визначення причини несправності одного лише візуального огляду підшипника, як правило, недостатньо. Зокрема, необхідно враховувати стан прилеглих деталей, мастила і ущільнень, а також умов експлуатації. Планомірні дії при дослідженні несправності полегшують пошук її причин. Термін роботи підшипників розрахований в середньому до 1 000 000 годин. Проте реальна картина сильно відрізняється від розрахункової. Деякі неприродні умови можуть призвести до передчасного пошкодження підшипника і скоротити його ресурс: у 70 % випадків причиною несправності є неналежне мастило: надмірне, недостатнє або невідповідне;

у 18 % випадків йдеться про забруднення: всередину підшипника потрапляє волога або твердий матеріал. Тому важливими є ущільнення, оскільки при пошкодженні ущільнень може виходити мастило, а всередину потрапляти забруднення;

у 10 % випадків причиною є неправильний монтаж: надмірне зусилля, перегріви, неправильне регулювання і зазор, дуже сильне затягування конічної втулки тощо.

Загальні форми несправностей підшипників кочення: перегрів, руйнування зовнішнього кільця, перекошення, дуже щільна посадка, втома матеріалу, вм'ятини в тілах кочення, забруднення, неправильне мастило, корозія, пошкодження кромок підшипника, задирки, неправильний вектор навантаження.

Досвід свідчить, що більшість “дефектних” деталей, повернених дистриб'юторам, насправді такими не є. Зазвичай їх передчасна поломка відбувається через інші чинники: від пошкоджень, викликаних суміжними компонентами і системами, відмовою в їх роботі, через неправильність установки.

Пошкодження доріжки кочення. Причини виникнення: ударна дія на внутрішнє кільце при монтажі підшипника (рис. 1, а); попадання в підшипник чужорідного тіла (рис. 1, б); попадання в підшипник чужорідного тіла, що викликало знос і подальше викришування поверхні кільця (рис. 1, в);

перевищення статичної вантажопідйомності підшипника; падіння підшипника або змонтованого вузла.

Рис. 1. Пошкодження доріжки кочення: а - при монтажі, б, в - при попаданні чужорідного тіла

Пошкодження (сколювання) зовнішнього кільця відбувається за трьома причинам:

ударна дія на корпус/зовнішнє кільце при установці підшипника (рис. 2, а);

дуже слабкий упор кілець в корпусі (рис. 2, б);

Рис. 2. Пошкодження (скол) зовнішнього кільця а - при монтажі, б - при попаданні чужорідного тіла осьове попереднє навантаження через неправильність зазору в підшипнику при високих робочих температурах.

Зазвичай розлом відбувається рівномірно по колу, часто у поєднанні з відламаними деталями. При осьовому навантаженні такі розломи відбуваються поблизу від середини доріжки кочення. За такої

проблеми зовнішня сторона зовнішнього кільця має неправильний вид контактної поверхні. Для недопущення цієї несправності необхідно дотримуватися інструкції по монтажу, звертаючи особливу увагу на правильність установки підшипника і правильний зазор.

Корозія. Корозія відбувається через проникнення води через ущільнення. Так само причиною дефекту може стати недостатнє або неправильне мастило. Корозія завжди призводить до підвищення вібрації, що супроводжується підвищеним зносом, спричиняє підвищення радіального зазору або втрату попереднього натягу. Для запобігання корозійним процесам необхідно правильно зберігати підшипник до установки, що виключає попадання корозійних рідин, і використовувати відповідне мастило.

Відшарування поверхні доріжки кочення. Причина такого дефекту - порушення технології установки, невідповідне монтажне зусилля, що викликає перевищення попереднього натягу в підшипнику.

Вм'ятини на ущільненні, пошкодження ущільнення. Причина - неправильний монтаж (рис. 3, а, б). Ударна дія при монтажі призвела не тільки до ушкодження кромок внутрішнього кільця і поверхні доріжки, але і до зсуву ущільнення з початкового положення (рис. 3, в).

а) б) в)

Рис. 3. Пошкодження ущільнення

Перегрів, його причинами (рис. 4.) можуть стати: сильне зовнішнє тепло; недостатнє відведення тепла; недостатнє охолоджування або мастило.

У результаті температурної дії колір кілець, тіл кочення і обойми змінюється з жовтого на синій. Зростання температури може не тільки погіршити мастило, але і зруйнувати його, що ще більше підвищить загальну температуру підшипника. А при температурі понад 2000 С зменшується жорсткість і міцність підшипника, що може викликати передчасний вихід з ладу. рухомий підшипник кочення дефект

Рис. 4. Перегрів підшипника кочення

Пластична деформація поверхні (рис. 5, а) відбувається при навантаженнях, що перевищують межу міцності матеріалу. Статичні або ударні перевантаження викликають пластичні деформації з утворенням вм'ятин на поверхнях доріжок кочення підшипника.

а) б) в)

г)

Рис. 5. Пластична деформація поверхні

Однак на поверхні кочення можуть бути і відверті вм'ятини (рис. 5, б). Це вже дещо інші причини - або неправильний підбір підшипника, або порушення технології складання та установки (використання молотка, падіння при транспортуванні і установці, монтаж підшипника на вал з додатком зусилля на зовнішнє кільце).

До цієї ж групи можна віднести і втому матеріалу (рис. 5, в). Причина - неправильно підібраний підшипник (зовні він може і не відрізнятися, але, можливо, не призначений для такого застосування). Пластична деформація поверхні внутрішнього кільця (рис. 5, г) вказує на підвищену вібрацію валу.

Збільшений по ширині слід характерного кольору на доріжці від тіл кочення у бік буртика.

У процесі експлуатації зазор в підшипнику збільшується, що обумовлює значну зміну ширини сліду на доріжці від тіл кочення. Перекос може виникнути і за інших причин: вигнуті вали; задирки або забруднення на валу або плечах корпусу; вал має неправильну по відношенню до гнізда підшипника вісь; торці гайок валу не збігаються з різьбленням по осі.

Викришування поверхні. До такого пошкодження (рис. 6) призводить порушення технології установки: був допущений перекіс, який і спричинив цю несправність - викришування поверхонь доріжки кочення і зовнішнього кільця.

Дуже щільна посадка. На це вказує такий дефект, як слід виробітки по всьому колу доріжок кочення, що відбувається через довготривалу експлуатацію під високим навантаженням, при поганому мастилі і дуже малому зазорі в підшипнику.

Забруднення. Це слід пилу, бруду або абразивних частинок із забрудненого робочого приміщення або брудних рук і інструментів. Іноді такий слід залишається через сторонні присадки в мастилі або розчині для очищення. Такі вм'ятини викликають сильні вібрації.

Рис. 6. Викришування поверхні підшипника кочення

Дефекти мастила перекликаються з перегрівом. Причиною їх є як його недостатність, так і перегрів. Природно, що відбувається зміна світла тіл кочення (синій/коричневий), надмірний знос тіл кочення, сепаратора і кілець. Використання правильного мастила і контроль попереднього натягу для зниження робочої температури запобіжить даним дефектам.

Пошкодження кромок підшипника відбувається через неприпустимо високе осьове навантаження, дефекти опорних кромок, осьове ударне навантаження або помилок при монтажі підшипника. У результаті цих проблем опорні кромки можуть бути виламані або розламані як частково, так і цілком.

Задирки. У подібних задирок ціла гамма причин: недостатнє мастило при високих навантаженнях, мала кількість або неправильна консистенція мастила, відсутність гідродинамічної змащувальної плівки між торцями роликів і буртиком, надмірний натяг через теплове розширення, контакт роликів унаслідок зносу доріжок кочення або перекосу кілець. Все це призводить до часткового або цілковитого зварювання і глибоких подряпин в буртиках і торцях роликів, або до коксування мастила у цих місцях.

Неправильний вектор навантаження. Конструкція радіально- упорних підшипників розрахована на певний вектор навантаження. Якщо навантаження має протилежний вектор, то еліптична контактна поверхня сточується через низьке плече. Результатом є дуже високе навантаження і підвищення температури, що супроводжується наростаючою вібрацією і передчасним виходом з ладу. Візуально - це видимий на тілах кочення знос у вигляді стрічки, що з'явилась через обертання по краю доріжки.

Аналіз дефектів і причин їх виникнення у підшипниках кочення вимагає дослідження стадій їх розвитку для визначення стадії зародження дефекту. У найзагальнішому випадку стан підшипника кочення, розвиток його дефектів за весь період його служби можна розділити на п'ять етапів. Ці етапи схематично показані на рис. 7.

На цьому рисунку по вертикалі відкладено рівень вібрації в мм/ сек, а по горизонтальній осі відкладені етапи розвитку дефектів.

Стан підшипника визначається двома ламаними лініями. Нижня відповідає рівню фону вібрації на кожному етапі розвитку дефектів, верхня - рівню піків вібрації.

До початку першого етапу (на рис. 7 це до відмітки “1”) загальний технічний стан підшипника вважаємо за ідеальний. На цьому “нульовому” етапі розвитку дефектів списи вібрації незначно перевищують рівень фону, а сам “фон” вібрації (у даному випадку середньо-квадратичне значення віброшвидкості ) значно менше нормованого значення.

Рис. 7. Етапи розвитку дефектів підшипника

Етап 1. Починаючи з відмітки “1” в підшипнику з'являється і починає розвиватися будь-який дефект, виникають ударні віброімпуль- си, що зростають за величиною. Енергія імпульсів витрачається на “поглиблення” дефекту, внаслідок чого відбувається ще більше збільшення енергії імпульсів. Рівень фону вібрації по своїй величині при цьому залишається незмінним, оскільки дефект носить локальний характер і на загальному стані підшипника не позначається. Це етап виникнення дефекту у процесіексплуатації.

Етап 2. Починаючи з 'точки “2” ударні імпульси в підшипнику досягають по своїй енергії практично максимального значення. Кількісне значення максимуму енергії імпульсів визначається типом підшип- ника та умовами його експлуатації. Енергія імпульсів, що виділяється в підшипнику, вже така велика, що її досить для розширення зони локалізації дефекту. На цій стадії зупинити подальший розвиток дефекту практично неможливо, почався його саморозвиток. Величина піків вібрації на часовому вібросигналі вже практично не росте, але і рівень фону теж міняється мало. “Дефект набирає силу, готується до вирішального нападу”.

Етап 3. Це зона переходу підшипника до повної деградації. Починається з точки “3”. Зона розвитку дефекту така велика, що підшипник починає “втрачати” своє основне призначення - забезпечувати обертання валів з мінімальним тертям. Зростають витрати енергії на обертання ротора і, як результат, збільшується енергія, що виділяється в підшипнику, росте рівень фону. Це вже етап саморуйнування підшипника.

Етап 4. Це останній етап розвитку дефекту, коли він охопив весь підшипник, точніше кажучи, все те, що залишилося від підшипника. Рівень фону вібрації практично порівнявся з рівнем піків, вся вібрація складається з піків. Роботи підшипників у цій зоні слід уникати.

Етап 5. Це етап очікування аварії, найчастіше з великими наслідками.

Усі ці етапи погіршення стану підшипника властиві практично всім видам дефектів, що мають місце в будь-яких різновидах підшипників. Залежно від ряду експлуатаційних параметрів підшипників можуть лише спостерігатися відмінності у тривалості етапів та інтенсивності процесів у них, але загальна картина розвитку не міняється.

Проведений вище аналіз вимагає дослідження кількісної оцінки дефектів підшипників кочення та наявних методів її реалізації.

ВИСНОВКИ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ПОДАЛЬШИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Проаналізовано виникнення несправностей в експлуатації підшипників кочення та надані етапи розвитку дефектів підшипників кочення. Проведена робота є початковим етапом розробки методики діагностування несправностей підшипників кочення та одним з етапів створення віброакустичного приладу для виявлення дефектів вузлів спеціальної техніки. Перспективою подальших наукових досліджень є розробка пристрою для діагностування вузлів обладнання спеціальної техніки на основі спектрального аналізу, який дозволить здійснити перехід в екс-плуатації обладнання із системи планово-попереджувальних ремонтів до ремонтів за фактичним станом, та дасть можливість визначати час та причини виходу з ладу підшипників кочення, а також дозволить ефективно застосування бездефектні підшипники для ремонту.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Клюев В. В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Москва : Машиностроение. 1986. 488 с.

2. Федорончак Т. В. Диагностика дефектов подшипников качения при помощи вейвлет - преобразования. Вісник двигунобудування. Харків : 2008. № 2. С. 132-135.

3. Денисюк В. Ю., Заблоцький В. І. Аналіз виробничих ефектів виготовлення кілець роликопідшипників за віброакустичними характеристиками. Міжвузівський збірник “Наукові нотатки”. Луцьк. 2011. Випуск № 30. С. 154-162.

4. Денильченко Ю. М. Кузнецов В. П. Прецизійні шпиндельні вузли на опорах кочення (теорія і практика). Тернопіль - Київ. Економічна думка. 2003. 344 с.

REFERENCES

1. Klyev V. V. Priboru dly nerazruchaygego kontroiy materialov si izdeliy. Moskva: Machinostroenie, [Devices for non-destructive control of materials and wares. Moscow: Engineer]. 1986. P.488 [in Rossian]

2. Fedoronchak T. V. Diagnostika defektov podchipnikov kacheniy pri po- mochi veyvlet - preobrazovaniy/ Visnik dvugynobudyvanna. Kharkov..[Diagnos- tics of defects of bearings of woobling through veyvlet is transformations. Vesnik enginestructurey Kharkov]. 2008. (№2). P. 132-135. [in Ukrainian]

3. Denisuk V. U., Zabolothkuy V.I. Analis vurobnuthick defektiv vugotovlenny kileth rolukopidchipnukiv za vibroacustuthnumu kharakterustukamu. Mizhvuzivs- kiy “Naykovi notatku”. Lythk.[An analysis of production effects of making of rings of rollersbearings is after vibroacoustic descriptions. Mizhvuzivskiy collection is the “Scientific notes”. Lutsk]. 2011. (№30). P. 154-162. [in Ukrainian]

4. Denulthenko Y. M., Kyznethov V.P. Prethuziyni chpundelni vyzlu na oporah kochenna (teoria I praktuka)/ Ternopil. - Kuiv: Ekonomichna dymka,[Preciziyni шпиндельні knots are on supports of woobling (theory and practice). Ternopil is Kyiv: Economic idea ]. 2003. P. 344. [in Ukrainian]

Размещено на Allbest.ru