Стабильная работа подшипниковых опор лежит в основе надёжного функционирования широчайшего спектра промышленного оборудования. Отнюдь не исключение гофроиндустрия, на предприятиях которой эксплуатируются как огромные энергоёмкие агрегаты, так и сравнительно небольшие устройства вспомогательного назначения.
Наиболее эффективным средством обеспечения такой стабильности являются методы профилактической вибродиагностики, предотвращающие случаи аварийного выхода оборудования из строя, позволяющие избежать его непредвиденных простоев, исключить связанные с ними экономические потери, спланировать объёмы и сроки проведения ремонтов.
Проиллюстрировать этот тезис можно практическим примером предотвращения потенциальной аварийной ситуации на одном из предприятий, связанной с дефектом подшипника качения электродвигателя.
Причиной возникновения дефекта стала электрическая эрозия — образование бороздок на дорожках качения наружного и внутреннего колец подшипника вследствие прохождения через него утечек электрического тока малой интенсивности (Фото 1, 2).
Эти повреждения обычно представляют собой маленькие, расположенные рядом друг с другом, кратеры. С течением времени на дорожках качения появляются серые участки изношенного материала. Тела качения становятся серыми и тусклыми, а смазка может обесцвечиваться. Степень повреждения зависит от интенсивности тока, его продолжительности, нагрузки на подшипник, частоты его вращения и качества смазки. Эрозия из-за утечек тока — обычное явление в электродвигателях с паразитными токами в случае работы с частотно-регулируемыми приводами.
В нашем примере по результатам виброобследования перед проведением планового ремонта технологической линии, был выявлен значительный рост (Рис. 1) общих уровней виброускорений с 8,01 м/с2 до 38,78 м/с2 — вибропараметра, характеризующего высокочастотную вибрацию — измеренных на подшипниковой опоре ротора электродвигателя.
В нагруженном подшипнике можно дифференцировать четыре основные, характерные, применяемые для диагностики, частоты — внешней обоймы подшипника, внутренней обоймы, частоты сепаратора и частоты тел качения.
При работе подшипника с внутренними дефектами во временном вибросигнале появляются характерные составляющие, гармоники, с собственными частотами, по которым можно достаточно корректно выявить место нахождения дефекта. Численные значения этих частотных составляющих зависят от соотношения геометрических размеров подшипника и оборотной частоты вращения ротора механизма.
Формулы расчёта характерных частот проявления дефектов элементов подшипников известны любому специалисту по вибродиагностике. К тому же в современном диагностическом программном обеспечении (ПО) прошиты базы данных различных производителей подшипников.
Специалисту достаточно знать номер диагностируемого подшипника, бренд производителя (SKF, FAG, NSK, прочие) и частоту вращения в момент виброобследования. Геометрические размеры подшипников, используемые в формулах расчёта характерных частот проявления дефектов, в диагностических программных продуктах представлены в виде коэффициентов, учитывающих эти геометрические размеры.
По шильдику диагностируемого электродвигателя (Рис. 2) понимаем, что ротор вращается в шариковых радиальных подшипниках 6213-ZC3 (где суффикс Z указывает на наличие защитных шайб, C3 — группа зазора).
Номинальная частота вращения ротора электродвигателя — 1475 об/мин.
Зная, что частота вращения привода регулируется частотным преобразователем, фактическая частота вращения в момент виброобследования была определена по частотному составу спектра виброперемещения как доминирующая частотная составляющая, характеризующая остаточную неуравновешенность ротора (Рис. 3).
В применяемом для анализа данных, диагностическом ПО SafePlant, был использован функционал ручного уточнения частоты оборотов ротора, путём установки курсора на доминирующую частотную составляющую 17,4 Гц и сохранения её как частоты вращения ротора (рис. 3).
После этого в указанном ПО, в окне «Частоты неисправностей», автоматически был произведён перерасчёт частот всех возможных дефектов, характерных для данного подшипника (рис. 4).
Частоты этих неисправностей можно наложить на частотный спектр соответствующего диагностического вибропараметра (рис. 3), выбранного в ПО для анализа.
В нашем случае, по результатам виброобследования перед плановым ремонтом в спектрах вибропараметров были зафиксированы следующие диагностические признаки:
- На огибающей сигнала виброускорения, измеренной на подшипниковой опоре, и полученной с помощью фильтрования низкочастотных составляющих, которые включают в себя такие обычные дефекты как дисбаланс, несоосность и т.п., был выявлен гармонический ряд с частотой проявления дефекта внутреннего кольца подшипника 6213. А именно: n*fвн≈n*112 Гц, где n=1, 2, 3… (рис. 5). Так как максимальные вибрации возникают при прохождении дефектной области через зону нагружения (один раз за оборот), то дополнительным диагностическим признаком является сопровождение (модуляция) несущих частот n*fвн амплитудными пиками оборотной частоты fвр (рис. 6).
- В спектре виброскоростей, измеренном на подшипниковой опоре, наблюдаются высшие гармоники основной частоты дефекта дорожки качения наружного кольца подшипника n*fнар≈n*79,25 Гц (рис. 7). Данные частотные составляющие выводят общий уровень виброскорости за границу зоны допустимого вибрационного состояния (зоны D по определению ГОСТ Р ИСО 20816-3-2023) и превышающих общий уровень среднеквадратичного значения виброскорости, равного 4,5 мм\сек). Уровни вибрации в данной зоне обычно рассматривают как достаточно серьёзные, способные вызвать повреждение машины (Основание — ГОСТ Р ИСО 20816-3-2023. Национальный стандарт Российской Федерации. Вибрация. Измерения вибрации и оценка вибрационного состояния машин. Часть 3. Промышленное оборудование мощностью свыше 15 кВт и частотой вращения от 120 до 30 000 мин-1).
- В спектре виброускорений, измеренном на подшипниковой опоре, наблюдаются амплитудно-частотные ряды с частотой проявления дефекта дорожки качения наружного кольца подшипника n*fнар≈n*79,25 Гц (рис. 8).
В рамках выполнения рекомендаций протокола вибродиагностики во время планового ремонта, работники предприятия провели замену подшипников качения электродвигателя. После демонтажа, промывки и визуального осмотра подтвердилось наличие дефектов — рифления (бороздок) на дорожках качения наружного и внутреннего колец подшипников (фото 1, 2).
После замены подшипников и по результатам последующего виброобследования было зафиксировано значительное снижение уровней виброускорений до допустимых значений (по результатам набранных статистических данных) с 38,78 м/с2 до 4,97 м/с2 (Рис.11), а также отсутствие, ранее выявленных, диагностических признаков дефектов элементов подшипников во всех вибропараметрах (см. рис. 9, 10).
Общие уровни виброскоростей подшипниковой опоры электродвигателя были снижены до нормативных значений (Рис. 11).
Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что использование вибродиагностических методов в процессе эксплуатации оборудования позволяет существенно снизить количество незапланированных остановов, определить сроки и объёмы выполняемых ремонтных работ.
При этом очень важно не просто выдавать указания о проведении ремонта, но и сопровождать его с помощью визуального осмотра дефектного узла. Конкретно, необходимо визуальное подтверждение диагностируемого дефекта и проведение анализа коренных причин его возникновения для принятия корректирующих мероприятий по ТОиР, чтобы данный дефект не повторился в будущем.
В приведённом случае ответственным за работоспособное состояние агрегата было рекомендовано разработать мероприятия по заземлению вала ротора электродвигателя или применению одного из подшипников качения с токоизоляционным покрытием наружного кольца.
Автор: Юрий Сарапулов, руководитель направления диагностики оборудования компании «Импортсервис»
