Архив / 1997 / №3(13) / 

Диагностирование повреждений подшипников при эксплуатации электродвигателей

Одним из методов повышения надежности электродвигателей в эксплуатации является диагностика применяемых подшипников качения. Широкий диапазон условий и режимов эксплуатации электродвигателей, а также вариация начальных показателей качества сборки машины приводят к значительному разбросу скорости, потери ею работоспособности и достижения отдельными узлами предельного состояния. Особенно это важно знать для подшипниковых узлов, так как их заклинивание приводит к остановке ротора и сгоранию статорной обмотки. Поэтому весьма актуально иметь методы и средства диагностики подшипников и смазочного материала, используемых в электродвигателе – определение степени удаленности их от предельного состояния, выявление дефектов отдельных элементов подшипниковых узлов.

Наиболее характерными видами отказа подшипниковых узлов электродвигателей являются:

- нарушение посадки подшипников на валу и корпусе машины;
- механический износ тел и дорожек качения, увеличение радиального зазора в подшипниках;
- потеря работоспособности смазочного материала вследствие высыхания жидкой фазы, наполнения смазочного материала продуктами износа подшипников.

Эти задачи решаются методами диагностирования, применение которых позволяет получить большой экономический эффект за счет более полного использования потенциальных возможностей электродвигателя и учета конкретных условий его эксплуатации.

Состояние подшипников и смазочного материала в подшипниковых узлах определяется совокупностью технических параметров, изменение которых может приводить к полной или частичной потере их работоспособности, повышению уровня вибрации и шума.

Общепринято, что наиболее полную информацию о техническом состоянии подшипниковых узлов дают виброакустические параметры [1...7].

В зависимости от источников вибрации вибрационный спектр подшипников качения электрической машины разделяется на несколько диапазонов:

инфракрасные частоты – до 20 Гц – структурная вибрация;
низкие частоты – 50-500 Гц – балансировочная вибрация;
средние частоты – 500- 10000 Гц – подшипниковые вибрации, связанные с контактом тел и дорожек качения;
высокие частоты – 10...100 кГц – вибрация, вызванная ударами и резонансами в подшипниках;
ультравысокие частоты – до 1 мГц – акустическая эмиссия, возникающая в результате распространения трещин в материале элементов подшипника.

Для оперативного контроля состояния подшипниковых узлов электродвигателей разработаны и широко используются за рубежом и у нас в стране специальные приборы – SPM43A (Швеция), ВЕА-52 (США), ИСП-1 (РФ) и др.

Принцип работы прибора SPM43А следующий. При контакте тел качения с дефектом на дорожках качения подшипника возникают механические импульсы. Вызванные импульсом колебания преобразовываются вибродатчиком, установленным на щите (или лапах) электродвигателя, в электрические сигналы, которые поступают на вход прибора. Встроенный в схему прибора фильтр пропускает сигналы с частотой, вызываемой повреждениями в подшипнике. Отфильтрованные сигналы обрабатываются так, что амплитуда затухающего резонансного колебания вибропреобразователя (вибродатчика) – 32...40 кГц – преобразовывается в прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна энергии входного сигнала. Путем сравнения контролируемых импульсов с начальными оценива-ется степень дефекта. При превышении длительности входного сигнала над начальным, включается звуковой или световой сигнал. Начальный сигнал определяется на основании многочисленных изменений с учетом частоты вращения ротора и размера подшипников. В качестве вибро-преобразователя используется импульсный зонд, устанавливаемый на щитах электродвигателя.
Аналогом прибора SPM43А является отечественный прибор ИСП-1 (измеритель состояния подшипников). ИСП-1 регистрирует сосредоточенные дефекты и износ подшипников в процессе эксплуатации электродвигателя.

Оценивается также качественное состояние смазочного материала по изменению режима трения в подшипниках: удовлетворительное – «зеленая» зона шкалы – 0-20 дБ, ухудшение состояния – «желтая» зона – 20...35 дБ, предельное состояние – «красная» зона – 35-60 дБ. Диапазон контролируемых подшипников – d = 5...1000 мм, частота вращения – n = 10...20000 об/мин.

Обращение с прибором доступно специалисту средней квалификации. Прибор позволяет без расстыковки электродвигателя с приводным механизмом оценить состояние подшипниковых узлов. Для этого необходимо установить на приборе по шкале «d» значение внутреннего диаметра подшипника, применяемого в электродвигателе, а на шкале «n» – частоту вращения ротора. Затем прикоснуться до упора зондом с вибродатчиком к одному из щитов электродвигателя. Плавно перемещая реостат вибро-ускорений прибора от «красной» зоны к «зеленой» по звуковому (или световому) сигналу, определить, в каком состоянии находится подшипник электродвигателя: аварий-ном, допустимом или удовлетвори-тельном. Затем повторить диагностику для второго подшипника, уста-новив зонд с вибродатчиком на противоположном щите электро-двигателя. Прибор позволяет определять механический износ тел и дорожек качения, увеличение ради-ального зазора в подшипнике, по-терю работоспособности смазочного материала, разрушение сепаратора.

Анализ результатов измерений с помощью прибора ИСП-1 состоя-ния подшипников во время ресурс-ных испытаний электродвигателей серии 4А и электровентиляторов на подшипниках качения позволил выявить ряд особенностей оценки порогового уровня виброускорений.

Для двигателей с высотой оси вращения 80 и 90 мм пороговыми значениями уровня виброускорения являются: для частоты вращения ротора 1500 и 3000 об/мин – dBi = 20 дБ, для частоты вращения 1000 об/мин – 17 дБ. Кроме этого в закрытых подшипниках (с двумя защитными шайбами) возможно образование на рабочих поверхностях тел и дорожек качения твердых слоев из продуктов износа элемен-тов подшипника и шлакования смазочного материала. Установлено также, что при длительной работе электродвигателя со смазочными материалами ВНИИНП-242, ВНИИНП-271 образуются на поверхностях трения твердые пленки адсорбционного и электро-статического происхождения, что способствует повышению значений виброускорений при диагностике, хотя состояние узлов удовлетвори-тельное. Поэтому для более точной оценки состояния подшипников необходимо использовать дополни-тельные средства диагностирования, в частности узкополосные анализаторы спектра. Для этого необходимо стационарно закрепить на подшипниковых щитах пьезоэлектрические вибродатчики с установочной резонансной частотой не ниже 20...40 кГц и расстыковать электродвигатель с нагрузочным механизмом. Узкополосный анализ виброускорений позволяет выделить полосу частот шириной 1/12 октавы, охватывающий наиболее характерный пик спектра.

На выходе фильтра сигнал выпрямляется линейным амплитудным детектором. Появление в спектре огибающей дискретных составляющих «дефектных» частот и их гармоник свидетельствует о дефектах рабочих поверхностей элементов подшипника. При узкополосном анализе спектра виброускорений можно обнаружить практически все виды дефектов монтажа и эксплуа-тации подшипников: перекосы колец, износ, вмятины, трещины, раковины, сколы. Однако процедура спектрального анализа является сложной и требует определенного опыта диагностирования электродвигателя при хорошем понимании вибрационного поведения различных элементов подшипникового узла.

Литература

1. Тэсима Хироси, Ота Сюдзи, Танигути Ресукэ. Система диагностики подшипников электродвигателей// Ohm., 1979. Т. 66, № 11, с. 92-96.
2. Горбунов А.Г. Диагностика технического состояния подшипниковых узлов электрических машин// Тр. ВНИИЭМ, 1980, Т. 65, с. 54-60.
3. Коварский Е.М., Малыгин В.М., Горбунов А.Г. Ударно-импульсный метод диагностики начального разрушения подшипников качения// Электроника, 1981, № 1, с. 57-59.
4. Михайлов В.И., Саверский А.С., Шаповалов А.Т. Определение вибродиагностических признаков усталостного разрушения подшипников качения асинхронного двигателя// Тр. ВНИИЭМ, 1981, т. 68, с. 102-109.
5. А.С. 934289 СССР. Устройство контроля режима трения в подшипниках качения/ Горбунов А.Г., Малыгин В.М. и др. // Открытия. Изобретения, 1982, № 21.
6. Диагностика подшипников качения // Пер. 1099. Информэлектро, 1987.
7. Контроль за состоянием подшипников качения// Пер. 1189. Информэлектро, 1989.

Александр Горбунов
Московский государственный открытый университет