Контроль состояния подшипников качения

Кроме обмотки наиболее уязвимым элементом СЭМ являются подшипники.

Наибольшее применение в СЭМ нашли подшипники качения. Они меньше изнашиваются, чем подшипники скольжения, что особенно важно для машины с малым воздушным зазором, имеют меньшие потери на трение, могут значительное время работать без замены смазки.

В зависимости от воспринимаемой нагрузки подшипники качения подразделяют на радиальные, упорные и радиально-упорные. Радиальные подшипники в основном воспринимают силу, направленную перпендикулярно оси вращения (радиальное усилие). Они могут выдерживать также и небольшие осевые нагрузки, что позволяет использовать их для фиксации ротора от осевых перемещений. Упорные подшипники воспринимают только осевую нагрузку и применяются в основном в машинах с вертикальным валом.

По форме тел качения различают шариковые и роликовые подшипники. Подшипник качения состоит из двух колец - наружного и внутреннего, между ними размешены тела качения - шарики или ролики. Для их равномерного размещения по окружности служит сепаратор. На кольцах со стороны, соприкасающейся с шариками или роликами, расположены дорожки качения, выполненные в виде кольцевых углублений или поясков.

У подшипников при одних и тех же внутренних диаметрах могут быть различны наружный диаметр и ширина, которые определяют серию подшипника и его грузоподъёмность. Различают легкую, среднюю и тяжелую серии.

Условное обозначение подшипника обычно наносится в виде маркировки на торце одного из колец. Условные обозначения подшипников приведены в приложении Ж.

В процессе эксплуатации подшипники контролируют внешним осмотром, периодически выполняется промывка и замена смазки, проверяется нагрев, шум и вибрация.

При проверке качества смазки осматривают камеры наруж­ной крышки и сам подшипник качения, обращая внимание на цвет и качество смазочного масла, степень заполнения им камеры, на­личие следов на беговых дорожках и телах качения. Смазку прове­ряют па содержание металлических и других посторонних включе­ний, сравнивают ее со свежей той же марки. При этом берут из камеры немного смазки, тонким слоем 1…1,5 мм наносят на чистую стеклянную пластинку и просматривают на свет. У чистого масла без наличия примесей цвет будет однородным, без пятен.

Рядом со смазочным маслом, взятым из подшипника, можно нанести слой свежего масла и путем сравнения определить, есть ли какие-либо структурные изменения. При наличии абразивных вклю­чений, изменении пластичности и однородности подшипник промывают и осматривают, а смазочное масло за­меняют. Совершенно не­допустимо применение смесей смазочных масел, так как у них мак­симальная температура, а часто и механическая стабильность зна­чительно ниже, чем у индивидуальных масел, входящих в смесь. В результате этого смеси быстро разрушаются и вытекают из подшип­никового узла. Поэтому перед заменой смазки необходимо тщатель­но промыть подшипники, полностью удалить отработанное масло и продукты коррозии. При дозаправке подшипника отработанное и избыточное масло удаляют.

Подшипники промывают бензином (с добавле­нием в последний 6…8 % трансформаторного масла) или спиртом, в крайнем случае – дизельным топливом. Не рекомендуется применять для промывки керосин, так как промытый в керосине подшипник в дальнейшем не удается защитить от коррозии. Если можно, подшипник, насаженный на вал, погружают в ванночку с раствором и вращают его до полного удаления старой смазки и грязи, меняя раствор. Чис­тый подшипник должен легко и свободно вращаться от руки. Затем подшипник протирают чистой ветошью и тщательно осматривают, обращая внимание на состояние рабочих поверхностей колец, тел качения (шариков, роликов), значения осевых и радиальных зазоров между дорожками качения и шариками (роликами). Исправные подшипники заполняют свежей смазкой.

Количество и тип смазки определяется для каждой СЭМ заводской инструкцией и условиями ее эксплуатации.

В подшипник, насаженный на вал, смазку закладывают со стороны наружной крышки подшипникового узла. Вдавливают смазку гладкой деревянной лопаточкой, прокручивают подшипник рукой до тех пор, пока смазка не появится с его противоположной стороны. Закладывать смазку, а также трогать подшипник голыми руками запрещается. После заполнения подшипника смазкой ротор вручную вращают 2…3 минуты, что улучшает распределение смазки в подшипнике.

В подшипниках качения смазочные функции выполняет лишь тонкая пленка смазки, находящаяся на поверхностях трения. Избыток смазки приводит к нагреву подшипника из-за дополнительных потерь на трение при ее перемешивании. Количество смазки, которое закладывают в подшипник, зависит от его свободного объема, который складывается из пустот в самом подшипнике и подшипниковых крышках и скоростного параметра подшипника. Скоростной параметр равен произведению d_срn, где d_сp – средний диаметр подшипника (мм), равный полусумме наружного и внутреннего его диаметров, n – частота вращения (об/мин). В быстроходных подшипниках, скоростной параметр которых превышает 100000, заполняют на 1/3 или самое большее на 1/2 свободного объема, при средних и небольших скоростях – от 1/2 до 2/3.

Надежная работа подшипников зависит не только от количества смазки, но и от правильной ее закладки. Смазкой заполняются пустоты в самом подшипнике, остальная ее часть должна образовать защитный слой, который предохранит подшипник от загрязне­ния. Все щели в уплотнениях и жировые канавки должны быть заполнены смазкой при сборке. Это необходимо потому, что смазка в зазорах уплотнений не перемалывается телами качения, имеет меньшую температуру, чем смазка в самом подшипнике, и лучше сохраняет вязкость, обеспечивая надежное уплотнение.

Периодичность замены смазки в подшипнике зависит от многих факторов: скоростного параметра, нагрузки, рабочей температуры подшипника и оговаривается в инструкции по эксплуатации машины. Для пополнения и замены смазки в подшипниках предусматриваются специальные отверстия для ввода свежей смазки и выхода отработанной. В новых конструкциях электрических машин, например в серии 4А, смазка подается через пресс-масленку, проходит по горизонтальному отверстию в крышке-капсюле и заполняет полость между крышкой и подшипником. Затем проходит через подшипник, попадает в промежуток между смазочным диском и левой стенкой капсюля и выходит через отверстие в нижней части капсюля. Смену смазки производят на вра­щающейся машине и при снятой заслонке, закрывающей входное отверстие. Вращающийся смазочный диск отбрасывает смазку к выходному отверстию, облегчая ей прохождение через подшипник. Смазку надо подавать постепенно, так как при большом давлении она может выйти через зазоры в уплотнениях. Ее нагнетают шприцем, головка которого закрепляется на масленке. Шариковая пресс-масленка состоит из корпуса, в котором расположен шарик, прижатый пружиной к входному отверстию масленки. Надавливая на шарик, смазка сжимает пружину и проходит через масленку. После смены смазки шарик закрывает входное отверстие.

Контроль за температурой нагрева подшипников качения может осуществляться с помощью ртутных термометров, термометров сопротивления или наощуп.

Повышенный нагрев подшипника может быть вызван его загрязнением, избытком или отсутствием смазки, задеванием вращающихся деталей, а также чрезмерным его износом или разрушением.

Температура подшипников качения для большинства СЭМ не должна быть более 100°С. Обычно температура подшипника превышает температуру окружающей среды не более чем на 30°С, а температуру подшипникового щита на 5…10 °С. При проверке температуры нагрева наощуп нормальный нагрев подшипника обнаруживают сравнением их температур на нескольких однотипных СЭМ. Температуру в этом случае контролируют рукой, прикладывая ее к поверхности щита или крышки вблизи подшипника.

По характеру шумов и стуков в подшипнике при известном навыке можно определить его состояние. Проверку выполняют стетоскопом или длинной отверткой с пластмассовой ручкой. Лезвие отвертки прикладывают как можно ближе к месту установки подшипника, ручку – к уху. В исправном подшипнике слышится легкий равномерный шелест или тонкое жужжание. Свист или резкий звенящий шум свидетельствует об отсутствии смазки или защемлении тел качения. Гремящий шум (частые звонкие стуки) указывает на появление язвин на рабочих поверхностях или попадание в подшипник абразивной пыли. Глухие удары появляются при ослаблении посадки подшипника.

Подшипники качения, как правило, не оснащены аппаратурой для его температурного и вибрационного контроля, поэтому члены судового экипажа имеют ограниченную информацию о состоянии подшипниковых узлов СЭМ.

Однако для повышения ресурса и надежности оборудования, сокращения затрат, связанных с ремонтом и простоями, необходима точная система диагностирования текущего технического состояния подшипников качения. Широкое распространение во всём мире получили методы контроля и диагностики подшипников качения, базирующиеся на измерении параметров вибрации. Обусловлено это тем, что вибрационные сигналы несут в себе информацию о состоянии механизма и подшипников в частности. При этом теория и практика анализа вибросигналов к настоящему времени столь отработана, что можно получить достоверную информацию о текущем техническом состоянии не только подшипника, но и его элементов.

В настоящее время на практике используются четыре метода оценки технического состояния подшипников качения:

1. Метод ПИК-фактора;

2. Метод прямого спектра;

3. Метод спектра огибающей;

4. Метод ударных импульсов.

Рассмотрим подробнее каждый из них.

Метод ПИК-фактора. Для контроля технического состояния подшипников по данному методу необходимо иметь простой виброметр, позволяющий измерять два параметра вибросигнала:

- среднеквадратичное значение уровня (СКЗ) вибрации, т.е. энергию вибрации;

- пиковую амплитуду (ПИК) вибрации (положительную, отрицательную или полный размах – значения не имеет).

Отношение двух этих параметров ПИК/СКЗ, называется ПИК-фактором.

В осциллограмме нового хорошо смазанного подшипника присутствует стационарный сигнал шумового характера. С течением времени, по мере появления дефектов на деталях подшипника, в сигнале начинают появляться отдельные короткие амплитудные пики, соответствующие моментам соударения дефектов.

В дальнейшем, с развитием дефекта, сначала увеличиваются амплитуды пиков, потом постепенно увеличивается и их количество. По мере увеличения амплитуд и количества пиков, начинает увеличиваться энергия сигнала, возрастает СКЗ вибрации. Отношение ПИК/СКЗ из-за временного сдвига между ними имеет явно выраженный максимум на временной оси. На этом и основывается метод ПИК-фактора.

Достоинство данного метода – его простота. К недостаткам относятся – слабая помехозащищенность метода и необходимость проводить многократные измерения в процессе эксплуатации. Установить датчик непосредственно на наружной обойме подшипника практически невозможно, поэтому сигнал вибрации характеризует не только подшипник, но и другие узлы механизма, что в данном случае рассматривается как помехи. Чем дальше установлен датчик от подшипника и сложнее кинематика самого механизма, тем меньше достоверность метода. Получить оценку состояния по одному замеру невозможно.

Метод прямого спектра. Для контроля за техническим состоянием подшипников по данному методу необходим анализатор спектра вибрации (виброанализатор).

Метод базируется на анализе спектра вибрации – выявлении периодичности (частоты) появления амплитудных всплесков. Вибрационный сигнал анализируется узкополосным виброанализатором, и по частотному составу спектра можно идентифицировать возникновение и развитие дефектов подшипника. Каждому дефекту на элементах подшипника (тела качения, внутреннее и наружное кольцо, сепаратор), соответствуют свои частоты, которые зависят от кинематики подшипника и скорости его вращения.

Наличие той или иной частотной составляющей в спектре сигнала говорит о возникновении соответствующего дефекта, а амплитуда этой составляющей – о глубине дефекта.

К достоинствам данного метода относятся:

- высокая помехозащищённость (маловероятно наличие в механизме источников, создающих вибрации на тех же частотах, что и дефекты подшипника);

- высокая информативность метода. Возможна оценка состояния элементов подшипника (тел качения, внутреннего и наружного колец, сепаратора), поскольку они генерируют разные частотные ряды в спектре.

К недостаткам относятся:

- метод дорогостоящий, если виброанализатор использовать только для контроля подшипников;

- метод малочувствителен к зарождающимся и слабым дефектам в связи с тем, что подшипники в большинстве случаев являются маломощными источниками вибрации. Небольшой скол на шарике или дорожке не в состоянии заметно качнуть механизм, чтобы обнаружить эту частотную составляющую в спектре. И только при достаточно крупных дефектах амплитуды этих частотных составляющих начинают заметно выделяться в спектре.

Метод используется достаточно широко и даёт хорошие результаты.

Метод спектра огибающей. Для контроля технического состояния подшипников по данному методу необходим анализатор спектра вибрации с функцией анализа спектра огибающей высокочастотной вибрации.

При появлении дефектов над уровнем линии сплошного фона начинают возвышаться дискретные составляющие, частоты которых однозначно просчитываются по кинематике и оборотам подшипника. Частотный состав спектра огибающей позволяет идентифицировать наличие дефектов, а превышение соответствующих составляющих над фоном однозначно характеризует глубину каждого дефекта.

Достоинства метода – высокая чувствительность, информативность и помехозащищенность.

Недостаток – высокая стоимость, необходим анализатор спектра вибрации с функцией анализа спектра огибающей высокочастотной вибрации.

Метод очень широко используется в стационарных системах контроля технического состояния оборудования.

Метод ударных импульсов. Метод ударных импульсов основан на измерении и регистрации механических ударных волн, вызванных столкновением двух тел.

Поэтому по амплитудам ударных импульсов можно достоверно диагностировать наличие и глубину дефектов.

Достоинства метода – высокая чувствительность, информативность и помехозащищенность. Метод прост и дёшев в реализации, существуют простые портативные приборы.

Недостаток – существует одно ограничение, связанное с конструктивным исполнением механизма. Поскольку речь идёт об измерении параметров ультразвуковых колебаний, которые заметно затухают на границах разъёмных соединений, для точности измерений необходимо, чтобы между наружным кольцом подшипника и местом установки датчика находился сплошной массив металла. В большинстве случаев это не вызывает проблем. Метод широко используется, прост и доступен персоналу, обслуживающему оборудование.