Проектирование козлового грейферного крана грузоподъемностью 10 тонн со снижением металлоемкости пролетной части

1. Внедрение технических  средств, позволяющих достоверно судить о состоянии узлов ГПМ без их разборки.

2. Обоснование границ  зон допустимой эксплуатации  узлов. 

3. Проведение мероприятий  по жизнеобеспечению механизмов.

Акустико-эмиссионный  метод является одним из основных элементов решения задач по жизнеобеспечению подшипниковых узлов кранов — комплекса мероприятий, направленных на увеличение межремонтного пробега, снижение вероятности внезапного отказа подшипниковых узлов в процессе эксплуатации. При этом основное внимание уделяется проблеме выявления причин развития дефектов и оценке их опасного влияния.

Из рассмотрения процессов  взаимодействия смазочного материала  с телами и дорожками качения  следует, что только качественное смазывание подшипников качения является гарантией  повышения срока их службы и, как следствие, срока эксплуатации механизмов в целом. Изучение смазочных процессов взаимодействия в пятне касания является основой для оценки причин дефектообразования, разработки методов профилактики и диагностики узлов.

На основании принципов акустико-эмиссионного метода диагностики подшипниковых узлов возникает необходимость введения учета показателя эффективность смазочных составов.

Эффективность смазочных  составов подшипниковых узлов —  свойство смазочного состава сохранять  эксплуатационные свойства подшипникового узла в течение установленного интервала времени, противостоять интенсивному абразивному износу.

При эксплуатации подшипника качения происходит разогрев смазочного материала и снижение его вязкости, что приводит к увеличению ударных нагрузок в пятне касания, обусловленных естественной шероховатостью дорожек качения и допусками на отклонение от формы тел качения.

Время воздействия ударной  нагрузки на пятно касания составляет 20·10^–6...30·10^–6 с, что соответствует частоте 30...50 кГц. На этой частоте смазочный материал можно рассматривать как твердое тело, т. е. композитный полимерный материал на основе агрегатов загустителя, который обладает пьезоэлектрическими свойствами и вносит вклад в продуцирование объемного заряда в смазочном материале.

Таким образом, в местах повышенного ударного воздействия  генерируется электростатическое поле, которое, в свою очередь, привлекает в данную зону пятна касания повышенное количество фрагментов загустителя, демпфирующих последующие удары и снижающих абразивную активность этой зоны.

Данный процесс продолжается до тех пор, пока смазочный материал в состоянии своевременно поставить  в необходимом количестве донорные фрагменты загустителя с достаточными демпфирующими свойствами в пятна  касания с повышенным ударным воздействием.

По мере износа смазочного материала этот процесс нарушается, в результате чего снижается эффективность  смазочного материала, т. е. его демпфирующая и несущая способности, что приводит к росту абразивного износа элементов  подшипника и возникновению усталостных трещин, сколов и раковин.

Акустико-эмиссионный  сигнал, характеризующий эффективность  смазочного состава, снимается с  наружной поверхности корпуса подшипникового узла широкополосным пьезокерамическим  датчиком при частоте вращения 130...160 об/мин. Датчик прижимается к поверхности вручную или при помощи магнитного крепления усилием 50...60 Н, и сигнал выводится на дисплей прибора в обобщенных единицах-баллах, определяющихся следующими составляющими:

 D = C_k·f(n)·f(d)·f(p)·f(sm)·f(Q_н/Q_q),

где D — показания диагностического прибора;

C_k — постоянная, зависящая от точки приложения датчика и конструктивных особенностей диагностируемого узла (учитывает характер крепления подшипниковых щитов и корпусов, тип посадки подшипника в корпус, возможное место постановки датчика);

f(n) — функциональная  зависимость частоты вращения  узла в момент выполнения диагностики; 

f(d) — функциональная  зависимость параметров диагностируемого  подшипникового узла (тип подшипника, наружные и внутренние диаметры  колец, число, диаметр, угол контакта тел качения, тип и геометрические параметры сепаратора);

f(p) — функциональная  зависимость влияния дополнительных  устройств, установленных на подшипниковых  узлах, на диагностику (учитывает  возможное влияние на показания  диагностического прибора приводов скоростемеров, осевых датчиков, и т. д.);

f(sm) — функциональная  зависимость применяемой смазочной  композиции диагностируемого узла (учитывает тип применяемой смазки  и ее эффективность);

f(Q_н/Q_q) — функция отношения номинальной Qн (расчетной) нагрузки узла к фактической Qq на момент диагностики (учитывает изменение условий работы подшипникового узла при выполнении диагностики).

Определение состояния  узла выполняется путем сравнения  фактического показания диагностического прибора D с нормативными картами оценки зон технического состояния, разработанными для каждого подшипникового узла с учетом равенства.

Чрезмерное количество смазки, допрессовываемое в узел, приводит к выдавливанию ее через лабиринтные  уплотнения на корпус или подшипниковый щит узла, т.е. к излишнему расходу смазки и загрязнению узла, вызывающему затруднения при его осмотре. Более того, необоснованная допрессовка смазки подшипников тягового редуктора с раздельными камерами смазки зубчатых колес и подшипников вызывает попадание (продавливанием через лабиринтные уплотнения) смазки в картер редуктора. Данное обстоятельство вызывает чрезмерное загустевание смазки редуктора, в результате чего она оседает на поверхностях корпуса и не обеспечивает требуемой смазки зубчатой передачи.

Технология безразборной диагностики состояния подшипниковых узлов методом акустической эмиссии позволяет с высокой достоверностью определять достаточность смазки узла и оценивать наличие дефектов смазки узлов (механических примесей, воды).

Временной вибросигнал в размерности виброскорости, зарегистрированный на подшипнике качения с достаточно развитым дефектом состояния, для примера, приведен на рисунке 1. На этом рисунке хорошо видны две наиболее характерные составляющие вибрации - “фоновая”, имеющая практически постоянный уровень, и “импульсная”, представляющая из себя выделяющиеся по амплитуде импульсы, повторяющиеся примерно через равные интервалы.

рис.1 Временной сигнал подшипника с дефектом

Фоновое, или среднее  значение уровня вибросигнала, регистрируемого с вибродатчика на подшипнике качения, характеризуется каким - то усредненным значением, например среднеквадратичным значением виброскорости. Это значение вибрации достаточно просто может быть замерено при помощи обычных виброметров.

В моменты прохождения через “несущую”, нагруженную зону подшипника качения, дефектного элемента или элементов, на временном вибросигнале появляется четко выраженный пик, энергетический импульс. Параметры этого импульса определяются видом, локализацией и степенью развития данного дефекта подшипника. Диагностическими параметрами такого импульса являются его амплитуда и частота повторения.

Наиболее важным параметром, характеризующим степень развития дефекта, является амплитуда импульса. Для измерения этого параметра  импульса в приборах виброконтроля должны быть предусмотрены специальные пиковые детекторы. Локализация дефекта, место его расположения, обычно уточняется по частоте следования импульсов, для чего используются спектральные методы.

Если диагностику состояния  подшипника качения проводить по амплитудным параметрам временных вибросигналов, то основное внимание следует уделить двум. Это, во - первых, количественное значение общего уровня фона вибрации и, во - вторых, это соотношение между уровнями фона вибрации и амплитудами пиковых значений во временном вибросигнале.

Непосредственно при  диагностике дефектов подшипников  качения при помощи спектров вибросигналов  можно выявить три типа возможных, наиболее часто встречающихся типа спектров вибросигналов, соответствующих  различным этапам развития дефектов.

Стадия 1. Первые признаки дефектов на спектре вибросигналов возникают тогда, когда дефект подшипника, возникнув, разовьется до такой стадии, что выделяемая им энергия станет сравнительно заметной в общей энергии вибрации подшипника. Применительно к вышеописанным этапам развития это примерно конец первого этапа - начало второго. По срокам это примерно несколько месяцев с момента начала развития дефекта. Пример спектра первой стадии приведен на рис. 2.

рис. 2. Спектр вибрации на начальной стадии диангостики подшипника

В этом спектре, наряду с  первыми, механическими, гармониками  оборотной частоты вращения ротора, появляется пик на характерной частоте  дефекта того или иного элемента подшипника. На этой стадии характерная  гармоника уже хорошо видна на спектре и позволяет достаточно точно выявлять дефектный элемент.

По амплитуде пик  характерной гармоники уже соизмерим  с амплитудой первой или второй гармоник оборотной частоты ротора, но по своей мощности еще много уступает им. На спектре это выражается тем, что пик подшипниковой гармоники является очень узким. Дефект появился, но еще не является сильно развитым.

Эта стадия завершается  тогда, когда амплитуда характерной  гармоники уже не растет, а рядом  с ней, очень близко, появляется первая пара боковых гармоник слева и справа. Значит начался этап расширения зоны дефекта в подшипнике.

Стадия 2. На этой стадии значительно увеличивается вклад в общую вибрацию составляющей от дефекта подшипника. Подшипниковая гармоника увеличивает свою мощность до такого значения, что становится соизмерима с основными механическими гармониками - первой и второй. Результатом наличия в вибросигнале двух, как минимум, гармоник - синхронной и несинхронной примерно одинаковой мощности возбуждает в агрегате частоты биений. Эти частоты биений проявляются на спектре в виде боковых полос вблизи характерной подшипниковой гармоники. По мере роста мощности подшипниковой гармоники с расширением зоны дефекта число боковых полос и их мощность постепенно возрастает.

Дальнейшее развитие дефекта приводит к появлению гармоник от характерной подшипниковой частоты. Обычно появляются гармоники с номером два и три от основной частоты подшипникового дефекта. Рядом с каждой такой гармоникой слева и справа тоже будут иметь место боковые частоты, число пар которых может быть достаточно большим. Чем более развит дефект, тем больше боковых гармоник и у гармоник частоты дефекта.

Пример спектра вибросигнала подшипника с таким развитием  дефекта показан на рисунке 3. На этом спектре есть две гармоники от характерной частоты подшипникового дефекта, первая и вторая. Вокруг каждой гармоники расположено по две пары боковых гармоник, расположенных слева и справа.

рис. 3. Спектр вибрации на второй стадии диагностики

Износ подшипника с таким  спектром уже очевиден и может простираться почти по всей рабочей поверхности подшипника, он уже стал групповым, захватив несколько элементов подшипника. Подшипник нуждается в замене или к такой процедуре нужно интенсивно готовиться.

Это последняя стадия развития дефектов подшипника. В конце этой стадии подшипник уже полностью деградировал и перестал исполнять свои прямые функции - обеспечивать вращение валов при минимальным затратах на трение. Затраты на трение велики и вращение ротора затруднено.

Развитие дефекта подшипника на этой стадии, при контроле по спектрам вибросигналов, проходит следующим образом. Износ подшипника достигает такой стадии, когда характерная частота дефекта из - за износа становится нестабильной, такая же участь постигает боковые гармоники. Наложение многих семейств гармоник, каждое из которых состоит из основной частоты и боковых гармоник, создает достаточно сложную картину. Если в этих семействах основные гармоники различаются по частоте немного, то сумма всех частот представляет из себя общее поднятие спектра, “энергетический горб”, захватывающий такой диапазон частот, куда входят все гармоники всех семейств от всех уже существующих дефектов подшипника качения.

Это последняя стадия развития дефектов подшипника. В конце  этой стадии подшипник уже полностью деградировал и перестал исполнять свои прямые функции - обеспечивать вращение валов при минимальным затратах на трение. Затраты на трение велики и вращение ротора затруднено.

Развитие дефекта подшипника на этой стадии, при контроле по спектрам вибросигналов, проходит следующим образом. Износ подшипника достигает такой стадии, когда характерная частота дефекта из - за износа становится нестабильной, такая же участь постигает боковые гармоники. Наложение многих семейств гармоник, каждое из которых состоит из основной частоты и боковых гармоник, создает достаточно сложную картину. Если в этих семействах основные гармоники различаются по частоте немного, то сумма всех частот представляет из себя общее поднятие спектра, “энергетический горб”, захватывающий такой диапазон частот, куда входят все гармоники всех семейств от всех уже существующих дефектов подшипника качения.

На общем фоне “энергетического горба” могут возвышаться отдельные  гармоники, но обычно все они носят  случайный характер и уже практически ничего не отражают. Они просто увеличивают мощность, сосредоточенную в этом частотном диапазоне “энергетического горба”.

Практически вся мощность вибросигнала сосредоточена не в зоне механических гармоник (1 - 8), а в зоне характерных гармоник, соответствующих имеющим место дефектов подшипника качения. Правда на этом этапе таких дефектов уже много, и это понятно, подшипника уже практически нет. Для иллюстрации этой стадии на рисунке 4. приведен спектр вибросигнала. На рисунке достаточно хорошо видны все вышеперечисленные особенности диагностирования третьей стадии развития дефекта.