Разработка системы контроля технического состояния колесно-моторного блока грузового электровоза ВЛ80С в депо Петров Вал

Методы диагностирования подшипников качения работающей машины, заложенные в программу, основаны на анализе вибрации, создаваемой  сила ми трения в подшипниках. Специфика  сил трения качения во вращающихся узлах машин такова, что при отсутствии дефектов в подшипниках качения они стабильны по времени. При недостаточной точности изготовления подшипника, его монтажа в посадочном месте, а также при износе поверхности трения, силы трения в этом подшипнике перестают быть стабильными и зависят от угла поворота вращающегося кольца или сепаратора. Постоянная сила трения возбуждает случайную вибрацию подшипника в широкой полосе частот. Максимум ее спектральной плотности обычно приходится на частоты порядка 2-10 КГц. Частота спектральной плотности зависит в первую очередь от скорости вращения и размеров подшипника, качества поверхностей трения и смазки. При появлении дефектов а, следовательно, нестабильности силы трения, возбуждаемая случайная вибрация становится нестационарной, т.е. величина спектральной плотности на любой частоте периодически изменяется во времени. Именно нестационарность случайной вибрации подшипниковых узлов является объективным признаком появления дефектов трущихся поверхностей в подшипниках качения.

Количественные характеристики нестационарной случайной вибрации определяются в результате спектрального анализа огибающей этой вибрации. Нестационарность, представляющая собой амплитудную модуляцию высокочастотной вибрации периодическим процессом, например с периодом вращения узлов подшипника, приводит к тому, что в спектре огибающей кроме случайных составляющих появляются еще и гармонические, с частотой вращения этих узлов. В результате по частотам появившихся составляющих определяются виды имеющихся в подшипнике дефектов (идентификация), а по превышению амплитуд этих составляющих над линией фона - глубина каждого из обнаруженных дефектов.

Неоднородный радиальный натяг подшипника является обычно дефектом его сборки, в частности, следствием посадки подшипника на вал, диаметр которого больше допустимого, перекоса вращающегося кольца, повышенной осевой нагрузки на подшипник. Признаком этого дефекта является рост гармонических составляющих в спектре огибающей вибрации на четных и, прежде всего, на второй гармонике частоты вращения вала. Проявляется этот дефект обычно сразу после установки нового подшипника, сопровождается ростом вращающейся нагрузки в двух противоположных точках внутреннего кольца подшипника и приводит к ускоренному износу из-за перегрузок, действующих на поверхности качения. По мере износа эти перегрузки снижаются, и признаки неоднородного натяга могут исчезнуть, однако ускоренный износ подшипника продолжится.

Раковины (трещины) на наружном кольце подшипника приводят к появлению коротких ударных импульсов при контакте каждого тела качения с раковиной (трещиной). В результате появляется ряд гармоник с частотами кf_н в спектре огибающей высокочастотной вибрации, причем число этих гармоник достаточно велико, а их амплитуда слабо снижается с ростом к. Разделить признаки раковины и трещины по результатам анализа спектра огибающей удается крайне редко и, в основном, за счет более быстрого развития дефекта в случае, если в подшипнике есть трещина. Признаки раковины могут со временем переходить в признаки износа наружного кольца, а признаки трещины стабильны и, более того, растут при каждом последующем измерении.

Раковины (трещины) на внутреннем кольце подшипника

приводят к появлению коротких ударных импульсов при контакте каждого тела качения с раковиной (трещиной). В результате в спектре огибающей вибрации появляется ряд гармоник с частотами кf_В, причем из-за того, что при слабом радиальном натяге в подшипнике величина удара зависит от нагрузки, т.е. от угла поворота внутреннего кольца, у ряда гармоник в спектре огибающей появляются боковые составляющие. Различить признаки раковины и трещины на внутреннем кольце удается далеко не всегда.

Износ тел качения  и сепаратора в подшипнике относится  к наиболее опасным дефектам, так как развивается достаточно быстро. По спектру огибающей вибрации обнаруживается в первую очередь дефект, представляющий собой выкрашивание поверхности одного (группы) тела качения. Косвенно это указывает и на ускоренный износ того участка сепаратора, который контактирует с дефектным телом качения. Именно этот признак является общим для рассмотренных двух дефектов подшипника. Для непосредственного измерения величины износа сепаратора можно применять другие методы, например, метод измерения флуктуаций интервалов между ударными импульсами в подшипнике, однако, эти удары появляются далеко не при всех видах дефектов. Признаком износа тела качения является появление в спектре огибающей вибрации гармонической составляющей с частотой f_с (при статической нагрузке на подшипник) или f_вр-f_с (при вращающейся нагрузке). Составляющие с кратными гармониками по мере роста кратности быстро уменьшаются по амплитуде.

Проскальзывание кольца в посадочном месте подшипника является достаточно редким дефектом и может обнаруживаться лишь в том случае, если проскальзывание происходит в момент измерения вибрации. Фактически это означает что обнаруживается случай, когда подшипник заклинило и сепаратор не вращается относительно колец подшипника. Естественно, что процесс этот сопровождается ростом высокочастотной вибрации и ударами с частотами к×f_вр (причем удары с другими частотами отсутствуют).

Раковины, сколы на телах  качения в подшипнике также относятся к числу наиболее опасных и наиболее быстро развивающихся дефектов. Этот дефект сопровождается появлением и ростом ударных импульсов, действующих между телом качения и каждой из поверхностей колец подшипника, поэтому основная частота ударов равна 2f_тк. Но, поскольку амплитуда ударных импульсов при контакте с наружным и внутренним кольцом может различаться, а также может зависеть от угла поворота сепаратора (от нагрузки), спектр огибающей вибрации содержит ряд составляющих с частотами к₁×f_тк ± к₂×f_с,  причём амплитуды составляющих с четными к₁ больше, чем с нечетными.

Более того, из-за прецессии  тел качения, а также из-за износа сепаратора эти составляющие могут иметь случайную амплитудную и частотную модуляцию.

Частоты основных гармоник спектров вибрации и огибающей её высокочастотных составляющих при  различных видах дефектов можно определить по формулам.

Этот метод анализа  сигналов вибрации (метод огибающей) позволяет обнаружить и идентифицировать все основные виды дефектов, определяющих ресурс подшипниковых узлов. Для обнаружения сильно развитых дефектов анализируются прямые спектры вибрации.

Возможные варианты применения комплекса:

- в эксплуатации (ТО1, ТО2, ТОЗ);

- для диагностирования  агрегатов поступающих в ремонт и направляемых после ремонта в эксплуатацию.

Нормальные условия  эксплуатации комплекса:

- температура окружающего  воздуха - (от  +15 до +35) °С;

- относительная влажность от 50 до 80% при температуре +25°С;

- изменение давления  окружающей среды от 84 до 106,7 кПа;

- допустима эксплуатация  комплекса на тракционных путях  при отсутствии ветра, пыли, осадков;

- в зимний период  диагностирование должно проводиться в цехе на оттаявшем оборудовании после предварительной прокрутки подшипников (ориентировочно в течение пяти минут) с номинальной для диагностирования частотой вращения (для разогрева и равномерного распределения смазки по подшипнику).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА

 

ВЫБОР ТОЧЕК КОНТРОЛЯ  НА КОЛЕСНО-МОТОРНОМ БЛОКЕ.

 

Важнейшим условием получения  достоверного диагноза является правильный выбор точек и направлений контроля вибрации. При этом следует соблюдать следующие основные правила:

- точка контроля вибрации  подшипников должна быть как  можно ближе к месту действия  статической нагрузки на подшипник;

- между точкой контроля  и местом формирования высокочастотных колебательных сил должен быть минимум контактных поверхностей и не должно быть резких изменений сечения тех элементов подшипникового узла, по которым распространяется высокочастотная вибрация;

- вибрация на средних  и низких частотах измеряется  преимущественно в направлении действия статической нагрузки;

- место установки датчика должно быть ровным, зачищенным от краски и грязи, и покрыто консистентной смазкой.

Оперативная диагностика  подшипников каждой буксы может осуществляться по измерениям вибрации в одной контрольной точке, которая выбирается в точке на корпусе буксы между двумя роликовыми подшипниками, как можно ближе к месту действия нагрузки на подшипники (т.А на рис. 7.1.) Направление измерения вибрации - радиальное к оси вращения, совпадающее с направлением действия нагрузки. Допускается отклонение направления измерения вибрации от направления действия нагрузки на угол до 30°.

При диагностике буксы  колесной пары, установленной на домкратах,  точка выбирается в нижней части буксы, на которую действует сила тяжести колесной пары, а направление измерения вибрации выбирается близким к вертикальному, в котором и действует эта сила тяжести.

Установка датчика на верхнюю точку буксы может привести к ошибкам изменения уровня высокочастотной вибрации, значение которого зависит от внешних факторов, например от того, где находится домкрат, каков угол наклона тележки к горизонту и т.п.

Сложность связана с  тем, что в КМБ используются упорные подшипники качения, неподвижное кольцо которых поджато в осевом направлении к подвижному кольцу с помощью пружины. При установке блока на стендах или домкратах нагрузка на упорные подшипники оказывается небольшой, и низкочастотная вибрация блока на подшипниковых частотах практически не растет даже при наличии сильных дефектов в упорном подшипнике. Поэтому контроль низкочастотной вибрации буксы в осевом направлении нецелесообразен.

  Если для диагностики подшипников качения выбирается не однократное измерение спектра огибающей вибрации, а периодическое измерение двух видов спектров (вибрации и ее огибающей), добавляется еще требование к направлению измерения вибрации. Это направление должно проходить через ось вращения ротора и не должно сильно (более 30°) отклоняться от плоскости, перпендикулярной оси вращения. Пример выбора направления приведён на рис. 7.2. В машинах горизонтального исполнения датчик лучше всего ставить в нижней части подшипникового узла, отклоняясь от вертикального направления также не более чем на 30°. В машинах вертикального исполнения точка установки выбирается исходя из простоты установки датчика. При этом необходимо сохранять направление, проходящее через ось вращения наиболее близко к горизонтальной плоскости.

Примеры выбора возможных  точек крепления датчика виброускорения (акселерометра) на подшипниковом щите показаны на рис.7.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7.1. Схема колесно-моторного блока.

                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.2. Выбор направления  проведения измерений.

 

 

 

 

Если конструкция подшипникового узла выполнена монолитной (см. рис. 7.3,а) с одинаковой толщиной корпуса  и без ребер жесткости. Лучше всего осуществлять контроль вибрации в точках 1 или 2, то есть в нижней части подшипника, так как точки контакта нагруженных тел качения в подшипнике находятся наиболее близко к точке измерения. Для подшипников небольших габаритов (менее 1 м) и при больших частотах вращения ротора (более 5-20 Гц) измеряемая вибрация незначительно отличается в нижней и верхних частях подшипникового щита, поэтому результаты диагностики оказываются практически одинаковыми для всех точек контроля от 1 до 8.

Во втором случае (рис. 7.3, б) толщина корпуса подшипникового щита неоднородна, и вибрация, возбуждаемая силами трения в подшипнике при распространении до точек 7 или 8, ослабляется, а следовательно, в эту точку может давать значительный вклад высокочастотная вибрация от других узлов машины, что приведёт к ошибкам диагностики. Таким образом, для подшипниковых щитов переменной толщины точки контроля 7-8 желательно не использовать, если крышка не контактирует непосредственно с наружным кольцом подшипника.

В третьем случае (рис. 7.3, в) подшипниковый щит имеет крышку с болтовыми соединениями. Поскольку между корпусом подшипникового щита, в который запрессовано наружное кольцо, и крышкой есть дополнительная контактная поверхность, а непосредственного контакта крышки с подшипниковым кольцом может и не быть, точки контроля вибрации 1-4 желательно не использовать

Если посадочные места  подшипников разделены, например, переходной поверхностью, как это показано на рис. 7.3, г, рекомендуется для каждого  подшипника выбрать свою точку контроля вибрации. Так, для диагностики роликового подшипника оптимальными для контроля вибрации являются точки 1 или 2, а для шарикового подшипника точки 3 или 5 (4 или 6).

Рис. 7.3.  Выбор точек крепления датчика  виброускорения.

 

 

 

 

Контактная поверхность  на подшипниковом узле должна быть достаточно ровной и очищенной от краски, грязи, а также не должна иметь повреждений. Площадь контакта не должна быть менее 0,5 см².