Русов В.А. "Спектральная вибродиагностика" 1996 г.

Глава 4.1 Глава 4.2 Глава 4.3 Глава 4.4 Глава 4.5 Глава 4.6 Глава 4.7 Глава 4.8 Глава 4.9

4.7. Дефекты редукторов и мультипликаторов

Работу любой зубчатой пары в редукторе или мультипликаторе сопровождает целый ряд характерных вибраций, вызываемых трением и ударами при обкатывании зуба одной шестерни зубом другой шестерни. Анализ этих вибраций позволяет в работающем оборудовании достаточно успешно диагностировать целый ряд различных дефектов зубозацепления.

Непременным условием корректной оценки текущего технического состояния зубчатых пар и успешной диагностики возможных дефектов редукторов и мультипликаторов является наличие спектроанализатора с высоким частотным разрешением, не менее 1600 линий в спектре, и датчиков, позволяющих регистрировать как высокочастотные, так и низкочастотные вибрации.

В данном разделе рассматриваются основные особенности диагностики специфических проблем зубчатых передач, связанных только с проблемами зубозацепления. Общие проблемы оборудования, являющиеся универсальными и тоже встречающиеся в редукторах, такие как небаланс, неправильная посадка колес, дефекты подшипников редукторов и т. д., рассмотрены в других разделах.

4.7.1. Общие вопросы анализа состояния редукторов

Техническое состояние любой, даже практически идеально изготовленной, зубчатой пары может быть оценено в процессе работы при помощи анализа вибросигналов. Такое заявление справедливо как для единичной зубчатой пары, так и для сложных редукторов и мультипликаторов. Достоинством вибродиагностических методов, при применении их для анализа состояния редукторов, является то, что диагностика производится "безразборно", в рабочих режимах. Все остальные методы, за исключением анализа по составу примесей в масле, требует разборки оборудования.

Причины вибрации зубчатых пар.

При проведении регистрации вибросигналов, генерируемых зубчатыми парами необходимо учитывать основные характерные особенности их работы, такие как:

Вибросигналы от зубчатых пар содержит в себе как синхронные компоненты ( гармоники ), пропорциональные оборотной частоте вращения ротора ( шестерни ), так и несинхронные, связанные с резонансными процессами и не пропорциональные частоте вращения ротора. Вся основная мощность в вибросигнале от зубчатой пары сосредоточена в достаточно высокочастотной области. Основная частота зубозацепления зубчатой пары F_ЗП равна произведению оборотной частоты ротора шестерни на количество зубцов на ней и может достигать единиц или даже десятка килогерц. На практике, при проведении регистрации вибросигналов, предполагая их дальнейшее применение для диагностики состояния зубчатых пар, желательно начинать с регистрации спектроанализатором максимально высоких частот
Гармоники, свойственные зубозацеплению, имеют невысокий энергетический уровень. Причин этому две. Во - первых энергия, выделяемая в процессе обкатывания зубъев, сама по себе не очень велика. Во - вторых, места установки вибродатчиков, в силу конструктивных особенностей редукторов, значительно удалены от зоны зубозацепления. В результате путь передачи энергии вибрации зубозацепления достаточно велик и сигналы в нем сильно затухают. Поэтому, как минимум, необходимо использование для диагностики состояния зубчатых передач сигналов в размерности виброскорости, а в большинстве случаев, для повышения информативности вибросигналов, приходится использовать вибросигналы в размерности виброускорения
Амплитуда гармоник в спектре, вызванных вибрациями от зубчатых пар, в значительной степени зависят от передаваемой зубчатой парой нагрузки. На холостом ходу редуктора гармоники от зубозацепления регистрируются очень плохо. С ростом усилий, передаваемых редуктором, возрастают вибрации от зубозацепления. Такая особенность работы зубчатой пары для выявления тенденций изменения состояния требует, по возможности, проведения измерений при одинаковой, желательно большой, нагрузке. Если нагрузка будет маленькой - дефекты могут не проявиться. Если измерения, различающиеся по времени проведения, будут выполнены при разных нагрузках редуктора - то все эти замеры окажутся непригодными для сравнения друг с другом, для поиска произошедших в редукторе изменений
Вибрации от зубозацепления являются нестационарным в том плане, что имеет в своем составе несколько фаз "обкатывания", точнее говоря "проскальзывания" зуба по зубу, различающихся у различных типов зубчатых зацеплений. Каждая из этих фаз возбуждает колебания различной частоты, близкие к частоте зубозацепления. Каждый из зубьев, в силу своих специфических отличий от других зубьев, генерирует свои частоты. На это все накладывается то, что пары "взаимно обкатываемых" зубьев постоянно меняются, т. к. шестерни имеют не одинаковое количество зубцов. Все эти важные особенности приводят к появлению в вибрации неоднородного "белого шума" вблизи частоты зубозацепления. Этим термином в технике обычно называют смесь колебаний различных частот. Идеальным источником "белого шума" является падающая вода в водопаде, что и дало название этому термину. Правда есть версия, что как многие цвета в сумме дают белый цвет, так и в белом шуме складываются все колебания. Такое происхождение термина "белый шум", при более подробном его рассмотрении, менее предпочтительно. В "белом шуме" присутствует очень много частот, а в белом цвете смешиваются несколько фиксированных частот. На спектре вибросигнала "белый шум" проявляется в виде поднятия общего уровня всего спектра в достаточно широкой полосе частот вблизи характерной частоты зубозацепления. Непосредственно сам "белый шум" состоит практически полностью из несинхронных компонент
Очень часто такое же общее поднятие спектра от "белого шума" происходит не только на частоте зубозацепления, но и на частоте собственных резонансов элементов зубчатой пары или редуктора. Это возникает по следующей причине. Микроудары в зубозацеплении возбуждают колебания достаточно широкого диапазона, но максимальная амплитуда колебаний будет, что полностью соответствует стандартной физической картине колебаний, на частоте собственного резонанса того или иного близко расположенного элемента редуктора. Эта частота собственного резонанса определяется конструкцией редуктора. Пользоваться диагностикой состояния зубчатой пары не по частоте зубозацепления, а по частотам собственного резонанса элементов редуктора, приходится в быстроходных мультипликаторах, где сама частота зубозацепления может быть очень высокой, она будет очень сильно затухать в конструкции и ее иногда невозможно даже зарегистрировать. Регистрация высокочастотной частоты зубозацепления затруднена, с одной стороны проблемами измерения при помощи вибродатчиков, и, с другой стороны, интенсивным затуханием высокочастотных колебаний внутри мультипликатора, особенно на зазорах подшипников

Диагностические признаки дефектов

При появлении дефектов зубозацепления происходит не только рост амплитуды гармоники зубозацепления, но и вблизи частоты зубозацепления, выше и ниже ее по частоте, появляются боковые гармоники.

Сдвиг по частоте между основным пиком гармоники зубозацепления и боковой гармоникой говорит о том, какое зубчатое колесо имеет предполагаемый дефект. Если сдвиг частот равен оборотной частоте входного вала - то дефект находится на нем, если сдвиг равен оборотной частоте выходного вала - то дефект расположен на нем. Иногда имеют место боковые полосы от обоих валов, при этом наиболее дефектным будет являться тот вал, семейство боковых гармоник от которого будет иметь большие амплитуды.

Причина возникновения в спектре вибрации зубчатой пары боковых полос достаточно просто физически объяснима. Это объяснение включает в себя два аспекта:

Во - первых. При прохождении дефекта через зону контакта шестерен в вибросигнале будет наблюдается всплеск амплитуды. Этот импульс будет повторяться в вибросигнале через время, пропорциональное одному обороту шестерни с дефектным зубцом. Иными словами говоря будет происходить модуляция частоты зубозацепления оборотной частотой ротора с дефектной шестерней.

Во - вторых. При прохождении дефекта через зону контакта зубьев во вращении выходного вала наблюдается очень маленькое замедление, а затем такое же ускорение. При некоторых дефектах сначала может быть и наоборот - сначала ускорение, а затем замедление частоты вращения вала. На спектре и то и другое приводит к появлению боковых, чаще всего симметричных, зубцов рядом с частотой зубозацепления, сдвинутых на частоту повторения такого процесса. Если боковые гармоники слева и справа различаются по амплитуде - это говорит о разной интенсивности процессов замедления и ускорения при прохождении дефекта через зону контакта зубьев шестерен.

Если дефект расположен на входном вале, то процесс прохождения дефекта через зону зубозацепления происходит через один оборот этого вала, и сдвиг боковых гармоник относительно гармоники зубозацепления пропорционален оборотной частоте именно входного вала. При расположении дефекта на выходном валу, повторив аналогичные рассуждения, получим, что сдвиг боковых гармоник должен быть равен оборотной частоте выходного вала.

На первых этапах развития дефектов зубозацепления частота зубозацепления и боковые гармоники, являющиеся синхронными компонентами, содержат в себе практически всю мощность вибросигнала. По мере своего развития дефект становится более нестационарным, распределенным по частоте, возникают многие процессы, приводящие к "размазыванию" мощности вибросигнала на спектре в промежутках между частотой зубозацепления и боковыми гармониками. В вибросигнале начинают преобладать несинхронные компоненты.

Происходит процесс, когда синхронные компоненты не растут, а вся дополнительная мощность от дефекта сосредотачивается в несинхронных гармониках. Так происходит до тех пор, пока несинхронные гармоники не сравняются по амплитуде с синхронными. Это будет в момент полной деградации зубчатой пары, когда вместо процессов трения при скольжении зуба по зубу, имеющих место в зубчатой паре, в ней будут происходить только динамические удары.

Требования к местам установки вибродатчиков

Места для установки вибродатчиков ( пьезоакселерометров ) следует выбирать так, чтобы вибродатчик находился как можно ближе к зоне зубозацепления. Желательно знать внутреннюю конструкцию редуктора и устанавливать датчик в таком месте, где затухание зубцовых вибраций будет минимальным. На пути прохождения регистрируемых вибросигналов от зоны зубозацепления до вибродатчика должно быть как можно меньше границ раздела разных сред и особенно зазоров. Использование для установки вибродатчиков щупов нежелательно, необходимо, как минимум, использование для установки датчиков на редукторе сильных, редкоземельных, постоянных магнитов.

Вибродатчик необходимо устанавливать в или направлении линии, соединяющей центры валов редуктора, или перпендикулярно ей. Все зависит от конкретного типа редуктора, т. к. нужно выбрать направление действия максимальных усилий зубозацепления.

Методы диагностики, применимые к зубчатым парам

Диагностирование зубчатых передач является достаточно сложным, трудоемким, обычно весьма длительным, по времени, процессом. Диагностический математический аппарат, который должен использовать вибродиагност для оценки состояния и поиска причин повышенной вибрации зубчатых пар в редукторах и мультипликаторах достаточно сложен и включает в себя практически весь арсенал спектральных методов анализа вибросигналов.

Кратко рассмотрим возможное назначение этих методов применительно к проблемам зубчатых пар.

Временной вибросигнал вибрации на зубчатых парах обычно является по своей форме очень сложным, "зашумленным" большим количеством колебаний разной частоты и амплитуды. По форме временного вибросигнала можно ( но правда достаточно сложно ) выявлять такие "крупные" дефекты, как трещина в одном или нескольких зубцах, достаточно хорошо диагностируется отсутствие зуба. Все остальные, более "мелкие" дефекты состояния зубчатых пар, по временному вибросигналу диагностируются трудно
Спектр вибросигнала является наиболее простым и распространенным практическим диагностическим аппаратом, позволяющим определять все основные дефекты зубозацепления. Применение диагностики по спектрам вибросигналов требует обязательного знания внутренних конструктивных особенностей редукторов
Кепстр вибросигнала применим на первых фазах диагностики и позволяет выявлять наиболее дефектные зубчатые пары в сложных редукторах, сравнивать их между собой по уровню износа по вероятности наличия дефекта. При использовании кепстрального анализа можно одновременно диагностировать несколько зубчатых пар при помощи информации, снимаемой с одного вибродатчика
Спектр огибающей вибросигнала позволяет выявлять многие дефекты в редукторах. Диагностика по спектру огибающей достаточно сложна для физического толкования дефектов зубозацепления. Поэтому она обычно требует хорошей теоретической подготовки вибродиагноста или наличия в его техническом арсенале специализированной компьютерной экспертной системы, решающей эти проблемы
Модальный анализ дает высокую эффективность при диагностике состояния зубчатых пар, но он является самым сложным с точки зрения интерпретации физических процессов и требует достаточно хорошей математической подготовки диагноста

Наилучшие же результаты при оценке состояния и диагностике причин повышенной вибрации сложных редукторов и мультипликаторов методами вибродиагностики достигаются при комплексном использовании всех вышеперечисленных методов. При комплексном походе возможности разных методов дополняют друг друга.

Еще раз хочется напомнить, что очень большое влияние на точность оценки текущего технического состояния и на достоверность диагностики дефектов состояния зубчатых пар оказывает личный практический опыт вибродиагноста, его знание внутреннего устройства контролируемого оборудования.

Нормирование уровня вибрации в редукторах

Большие проблемы при диагностировании дефектов зубозацепления в редукторах и мультипликаторах различного типа на практике вызывает отсутствие нормативной информации по допустимым уровням как всего вибросигнала, так и отдельных его составляющих и гармоник. Поэтому очень большое значение в диагностике состояния зубчатых пар приобретает процедура сравнения спектра текущего вибросигнала со спектром вибросигнала, зарегистрированного в предыдущем замере, или в замере, который был выполнен на заведомо исправном редукторе.

Такой подход иногда называют "сравнением с опорным спектром", причем считается, что в качестве опорного спектра необходимо использовать сигнал с редуктора, состояние которого заведомо должно быть хорошим, бездефектным. Такой подход к диагностике редукторов, хотя и вызывает в обычных условиях достаточно противоречивые мнения, применительно к оценке состояния редукторов, наверное, является почти единственно возможным.

Сложность в нормировании уровней вибрации зубозацепления заключается в том, что в редукторе регистрируется не весь исходный, "первоначальный" вибросигнал, который генерируется процессом зубозацепления, а только та его часть, которая смогла передаться по сложным путям внутри редуктора до вибродатчика. Параметры этого пути в каждом редукторе или мультипликаторе различны.

Пути передачи вибросигналов от зоны зубозацепления к вибродатчику имеют большой разброс как по своей длительности, так и по степени затухания вибросигнала в каждом типе редуктора и сильно зависят от места установки вибродатчика. Кроме того разным типам формы зубчатых пар соответствуют свои, соответствующие бездефектному состоянию, уровни вибрации. В итоге в разных редукторах, даже близких по мощности, всегда различны виброуровни оценки состояния зубчатой пары, такие как "тревожный", "аварийный".

Говоря очень "приземленно", следует с сожалением сказать, что практически приемлемых норм на предельный уровень вибрации зубчатых пар, редукторов и мультипликаторов нет. Первая задача практических вибродиагностов, контролирующих такое оборудование, заключается в наборе их из практики.

В практике "массовой" эксплуатации редукторов и мультипликаторов следует ориентироваться, в основном, на нормы по СКЗ виброскорости. Это будет уровень, рассчитанный на контроль "общемеханических" проблем оборудования, таких как небаланс, расцентровки, износ подшипников и т. д. Создание универсальных норм на спектральный состав вибросигналов от зубозацепления, на амплитуду основной и боковых гармоник частоты зубозацепления, очень сложно.

Дефекты зубозацепления проявляются в СКЗ виброскорости на своей финальной, конечной, обычно уже необратимой фазе развития. Поэтому при помощи использования этих норм хотя обычно удается избежать аварий с большими последствиями, но "временной зазор" до остановки оборудования на ремонт мал, и не всегда достаточен для нормальной подготовки к ремонтным работам или по технологическим причинам.

"Нормальный" спектр зубчатой пары

Спектр вибросигнала от зубчатой пары редуктора, которая находится в достаточно хорошем состоянии имеет примерно такой вид, который показан на рис. 4.7.1.

Основными гармониками на таком спектре обычно являются первая, оборотная F₁ и, может быть, вторая 2 хF₁ гармоника оборотной частоты контролируемого вала, вызываемые обычными механическими проблемами, такими как небаланс, расцентровка и т. д. от вала, на подшипнике которого производится измерение вибрации. На этом же спектре может также находиться и первая гармоника оборотной частоты второго вала зубчатой пары. Она связана с частотой вращения вала через коэффициент передачи зубчатой пары. На спектре может быть выявлена и вторая гармоника от оборотной частоты второго вала. ( на рис. 4.7.1. гармоники от второй оборотной частоты не показаны, а есть только первая и вторая гармоника от оборотной частоты первого вала ).

Естественно, что при наличии на спектре двух систем оборотных гармоник, преобладающими, по своей мощности, будут частоты того вала редуктора, который будет ближе расположен к месту установки вибродатчика. При прочих равных условиях максимальны будут те пики, на пути которых к вибродатчику будет минимальное затухание.

На частоте гармоники зубозацепления зубчатой пары, которая одинакова для первого и второго валов этой зубчатой пары, всегда будет иметь место явно выраженный пик. Этот пик может иметь несколько боковых гармоник выше и ниже по частоте, появление которых в спектре или увеличение их амплитуды обычно говорит о появлении и развитии в зубчатой паре какого - либо дефекта.

Соотношение пика гармоники зубозацепления и первой оборотной гармоники зависит от многих причин, особенно от типа используемого представления вибросигнала - виброскорость или виброперемещение. Как уже говорилось выше соотношение этих гармоник является индивидуальной величиной для каждого редуктора.

Вблизи пика гармоники зубозацепления может иметь место общее поднятие спектра от совокупности колебаний многих частот, называемой обычно в литературе "белым шумом". Вне зависимости от того, есть ли боковые полосы у частоты зубозацепления или нет, есть ли общее поднятие от "белого шума" или нет, основная гармоника зубозацепления обычно имеет расширенный в нижней части пик. Это является результатом общей нестационарности процесса трения при зубозацеплении.

Все пики на спектре зубчатой пары, находящейся в хорошем состоянии, имеют сравнительно низкую амплитуду. Еще раз хочется сказать, что понятие малых амплитуд гармоник зубозацепления в диагностике всегда относительное, требующее для своей оценки использования сравнения нескольких замеров и применения всего индивидуального опыта вибродиагноста.

4.7.2. Спектральные особенности дефектов редукторов

Амплитуда гармоники на частоте зубозацепления F_ЗП обычно очень чувствительна к нагрузке. Вибродиагноста не должна пугать высокая амплитуда этой гармоники, особенно по итогам проведения самого первого замера вибрации на данном редукторе.

Высота пика частоты F_ЗП на спектре зависит от достаточно многих параметров, основными из которых можно считать:

качество изготовления зубчатой пары, ее закалка, шлифовка;
качество, достаточность и чистота смазочного масла;
загрузка зубчатой пары нагрузочным моментом, передаваемым от двигателя в исполнительный механизм

Практически всегда первый замер на редукторе или мультипликаторе является не диагностическим, а оценочным, особенно если это касается пика гармоники частоты зубозацепления.

Основное внимание при измерении вибрации и диагностике состояния зубчатой пары должно быть уделено не самому пику F_ЗП, а другим, более важным особенностям и параметрам спектра. Именно эти, весьма разнообразные особенности спектра вибросигнала, характерные для некоторых дефектов, характеризуют состояние редуктора. Часто это даже просто внешние особенности формы спектра, которые даже при малых амплитудах могут говорить об очень грозных дефектах зубчатых пар.

Наиболее серьезное внимание при анализе спектров вибросигналов должно быть уделено:

наличию в спектре вибрации вблизи гармоники зубозацепления боковых гармоник от основной частоты зубозацепления, расположенных слева и справа, по частоте, от пика F_ЗП;
относительной величине амплитуды этих боковых гармоник частоты зубозацепления по отношению к амплитуде пика основной частоты зубозацепления;
величине частотного шага чередования боковых гармоник частоты зубозацепления, на сколько они сдвинуты относительно друг друга и относительно основной гармоники;
наличию в спектре характерного горба ( горбов ) "белого шума" вблизи частоты зубозацепления, его усредненному уровню относительно самой гармоники частоты зубозацепления, относительному уровню мощности, сосредоточенному в каждом горбе;
наличию в спектре пиков и "белого шума" во всех других частотных диапазонах спектра вибрации, расположенных в зонах, на первый взгляд не связанных с частотой зубозацепления

Поясним еще раз причины возникновения пиков и горбов "белого шума" от зубозацепления в разных зонах спектра, пропорционально не связанных с частотой зубозацепления.

При достаточно серьезных, а иногда даже и слабых, ударах в зубчатой паре на зубчатые колеса и на конструкцию редуктора воздействует ударный импульс силы. Этот импульс возбуждает в конструкции механические колебания, которые, в общем случае, затухают по экспоненциальному закону. Частота, с которой будут колебаться элементы конструкции, т. е. частота "внутреннего заполнения" таких экспоненциальных ударов, определяется собственным механическим резонансом колеблющегося элемента зубчатой пары. Обычно эта частота не является строго фиксированной, а представляет из себя совокупность близко расположенных частот, соотношение амплитуд которых достаточно случайно.

Образно говоря конструкция является резонансным контуром, в котором вибрации возбуждаются динамическими ударами, обусловленными процессом передачи вращающего момента через зубчатые пары. Если теперь зарегистрировать спектр колебаний конструкции с таким резонансным контуром, то на нем, наряду с пиком на частоте зубозацепления, будет пик, или горб с "белым шумом", расположенный на частоте собственного резонанса элемента конструкции. Часто на спектре вибросигнала от зубчатой пары этот резонансный пик, по своей амплитуде, а тем более и по мощности, оказывается даже значимее самого пика гармоники частоты зубозацепления. Часто на спектре бывает несколько таких резонансных пиков от частот разных элементов редуктора.

Этот резонансный гармонический пик ( горб ), возбужденный на частоте собственного резонанса зубчатой пары, удобно использовать для оценки состояния и диагностики дефектов редукторов. В практике встречается много случаев, когда по ряду специфических особенностей, не удается зарегистрировать саму частоту зубозацепления, а приходится пользоваться гармониками в резонансных зонах.

Обычно это относится к скоростным мультипликаторам, в которых частота зубозацепления высока и вибросигнал сильно затухает в конструкции. Достаточно удобно, а иногда и единственно возможно, таким подходом к диагностике пользоваться диагностики и очень тихоходных редукторов, где тоже часто бывают проблемы с регистрацией частоты зубозацепления, правда уже обусловленные большой длительностью необходимой временной выборки.

Рассмотрев общие особенности проявления дефектов в редукторах и мультипликаторах приступим к рассмотрению частных дефектов, отдавая предпочтение наиболее часто встречающимся в практике.

4.7.3. Износ зубчатой пары

Наиболее известным диагностическим и, наверное, самым первым показателем появления общего износа зубчатых пар является появление в спектре вибросигнала сначала одной пары, а затем и целого ряда мелких боковых гармоник, интервалы между которыми в значительной степени заполняются уровнем "белого шума". Как уже говорилось выше эти боковые гармоники обычно расположены симметрично основной гармоники зубозацепления.

По мере того, как процессы износа в зубчатой паре будут все более прогрессировать, все более явно выраженными будут становиться пики боковых гармоник частоты зубозацепления. При дальнейшем износе будет расти амплитуда "белого шума", которая, при дальнейшем развитии дефектов, может сравнится по амплитуде с гармоникой зубозацепления и с боковыми гармониками.

Процесс роста амплитуды боковых гармоник и "белого шума" практически пропорционален степени развития дефекта, но и, что несколько усложняет диагностику, уровню нагрузки, передаваемой через редуктор. Как уже было сказано выше, боковые гармоники возникают при появлении небольших локальных дефектов на поверхностях зубозацепления шестерен зубчатой пары. Общее число боковых гармоник, в зависимости от формы проявления дефекта, может достигать 4 - 6, и даже более, причем по мере удаления от центрального пика гармоники зубозацепления их амплитуда будет примерно монотонно убывать.

Для иллюстрации этих рассуждений рассмотрим два условных спектра вибросигналов, соответствующих зубчатой мультипликаторной паре со следующими параметрами:

частота вращения входного вала - 10 Гц;
частота вращения выходного вала - 30 Гц;
число зубцов входного вала - 36;
число зубцов выходного вала - 12

Первый спектр показан на рис. 4.7.2. и соответствует начальной фазе появления и развития наиболее распространенного дефекта зубозацепления - износа зубчатого колеса входного вала.

Этот дефект проявляется на спектре вибросигнала в виде появления трех боковых гармоник F_БГ ( не парных ! ), сдвинутых от основной частоты зубозацепления F_ЗП ( 360 Гц ) на интервал, равный оборотной частоте вращения входного вала.

Три эти боковые гармоники хорошо видны на спектре вибросигнала в виде явно выраженных пиков. Четвертая боковая гармоника на частоте 380 Гц носит характер не явно выраженный, хотя, при желании, ее можно дифференцировать в общем шуме.

На спектре рис. 4.7.3. показан аналогичный дефект, но расположенный уже на выходном, более быстроходном валу. Как видно из спектральной картины этот дефект является значительно более сильно развитым.

На рисунке хорошо видно, что при сохранении общей картины проявления дефекта изменился частотный шаг между боковыми гармониками и частотой зубозацепления. Теперь он равен не 10 Гц, как на рис. 4.7.2., а составляет уже 30 Гц.

На этих двух рисунках приведены достаточно идеализированные спектры вибрации, содержащие дефект только на одном валу. На практике чаще всего этот дефект имеет место на двух валах, поэтому в спектре вибросигнала присутствуют боковые гармоники как от одного вала, так и от другого. В этом случае спектр еще более "зашумляется" частотами биений двух семейств гармоник, входного и выходного валов.

При одновременном наличии на спектре вибрации боковых гармоник сразу от двух валов, сравнительно, наиболее дефектным следует признавать тот вал, боковые гармоники которого больше по своей амплитуде и мощности. При использовании кепстрального анализа этому соответствует большая амплитуда рагмоники с периодом времени, "квефренцией", соответствующей времени одного оборота наиболее дефектного вала.

Достаточно часто на спектрах вибросигналов от зубчатых пар присутствуют гармоники от "биений" боковых частот разных валов. Это выражается в присутствии новых боковых гармоник, удаленных от пика гармоники частоты зубозацепления на величину dF, равную сумме или разности частот вращения входного и выходного вала. В приведенном примере это частоты 20 и 40 Гц.

Приведенные выше два спектра вибрации зубозацепления соответствуют двум стадиям развития дефектов. В первом случае мы имеем дело с примерно начальной стадией общего износа рабочей поверхности зубозацепления входного вала. Второй спектр соответствует более сильной степени износа выходного вала. В обоих случаях непосредственно сам дефект распределен не равномерно по всей окружности шестерен, а сосредоточен только в районе нескольких сильно изношенных зубцов, имеет узкую локализацию в определенных зонах.

Еще раз следует сказать, что очень часто дефект зубчатой передачи лучше всего диагностировать не по величине основного пика частоты зубозацепления, а именно по боковым гармоникам и "белому шуму", соотношению их с основной гармоникой. Это объясняется тем, что пик частоты зубозацепления сильно зависит от нагрузки, передаваемой зубчатой парой, а амплитуды боковых гармоник и уровня "белого шума" немного меньше зависит от нагрузки. Соотношение же амплитуд боковых гармоник и "белого шума" с величиной основной гармоники зубозацепления зависит от нагрузки редуктора в еще меньшей степени.

4.7.4. Эксцентриситет шестерни

Сравнительно частой причиной повышенной вибрации зубчатых пар является дефект, который, условно говоря, можно назвать "шестеренный эксцентриситет". Под таким дефектом следует понимать неправильную посадку зубчатого венца на вал, изгиб вала шестерни, непараллельность валов зубчатой пары или какой - либо другой дефект, приводящий к эксцентриситету зубчатого венца шестерни относительно истинного центра вращения зубчатого вала.

Похожую спектральную картину распределения гармоник в спектре может дать и значительное увеличение зазоров в опорных подшипниках зубчатого вала, когда за счет усилий зубозацепления или иных причин происходит значительное смещение и вибрация вала относительно идеальной, расчетной оси вращения. Т. е. в конечном итоге и этот дефект можно, условно конечно, принять за эксцентриситет шестерни.

На спектре вибрации такой дефект, вне зависимости от его первопричины, проявляется в виде совокупности достаточно большого количества боковых полос вблизи частоты зубозацепления, более четырех, разделенных на частотный шаг, равный оборотной частоте вала с дефектной, эксцентричной шестерней.

Часто на спектре создается впечатление, что вершины амплитуд боковых гармоник "модулированы" каким - то колебанием другой частоты, причина которой неизвестна. Вершины боковых гармоник образуют что - то вроде колебаний поверхности моря. Общее число боковых гармоник в спектре может достигать нескольких десятков.

Причина такого возникновения такого спектра вибросигнала достаточно проста и понятна - один дефект накладывается на другой, возникают гармоники " взаимных биений" дефектов, модуляция, что и приводит к усложнению спектра.

В таких условиях иногда достаточно трудно выявить первопричину вибрации, определить основной, наиболее опасный дефект зубчатой пары. Приходится идти по пути выявления максимальных для каждого дефекта гармоник, принимать решение на основе их анализа. Эффективно применение кепстрального анализа.

Для примера на рисунке 4.7.4. показан спектр вибрации, зарегистрированный на выше описанной условной зубчатой паре. В этой зубчатой паре имеется дефект подшипника скольжения - у него за счет износа увеличен зазор.

В этой спектральной картине вибрации зубчатой пары можно при желании найти практически любой возможный дефект и, наверное весьма убедительно доказать, что он есть.

На самом деле здесь имеет место только один дефект подшипника входного вала - шестеренный эксцентриситет. Спектр вибрации за счет увеличенной подвижности входного вала, относительно идеальной оси вращения, за счет частых и непериодических ударов, приобретает столь замысловатую картину, что диагностика превращается в "искусство". Нужен практический опыт диагноста, чтобы правильно идентифицировать дефект и нужна осторожность в диагнозах.

Следует отметить самое главное, понятное и очевидное по итогам диагностики такого спектра:

четко видно, что дефект расположен на входном валу ( шаг по частоте боковых гармоник равен частоте входного вала - 10 Гц );
дефект вступил в стадию сильного развития - амплитуды боковых гармоник достаточно велики;
мультипликатор нуждается в остановке, а входной вал и все что к нему относиться - в тщательном осмотре, ревизии, ремонте

Если вибродиагност сделает заключение о необходимости остановки мультипликатора по техническому состоянию, он будет прав. Здесь основным вопросом является возможность дальнейшей эксплуатации, а не скрупулезность поставленного диагноза, которая и невозможна из - за неоднозначности спектральной картины.

4.7.5. Расцентровка передачи

При расцентровке редуктора или мультипликатора с приводным двигателем или с исполнительным механизмом изменяется спектральная картина не только первых трех оборотных гармоник частоты вращения расцентрованного вала, но и появляются характерные гармоники от частоты зубозацепления F_ЗП.

Практически также, как при расцентровке возрастают вторая, а иногда и третья гармоники оборотной частоты вращения вала, на спектре вибросигнала зубчатой пары появляется вторая, а иногда и третья, гармоники частоты зубозацепления - 2хF_ЗП и 2хF_ЗП.

При использовании в диагностических правилах информации по гармоникам частоты зубозацепления существенно повышается достоверность диагностики расцентровки.

На рисунке 4.7.5. показан спектр вибрации зубчатой передачи с расцентровкой по присоединенным к редуктору механизмам. На спектре хорошо видны первая и вторая гармоники частоты зубозацепления, окруженные боковыми гармониками частоты входного вала.

На приведенном на рисунке 4.7.5. спектре вторая гармоника частоты зубозацепления больше первой, что бывает в практике достаточно часто. Бывают случаи, когда в спектрах вибросигналов присутствует и третья гармоника зубозацепления, причем именно она может являться самой большой по амплитуде.

Данный дефект носит описан здесь потому, что он носит, в основном, методический характер, т. к. демонстрирует, что не только оборотная частота ротора модулирует боковые полосы вблизи частоты зубозацепления. "Механические гармоники" также могут модулировать частоту зубозацепления.

4.7.6. Треснутый ( сломанный ) зуб

Это серьезный дефект зубчатой передачи. На спектре вибрации зубчатой пары с треснутым зубом, иногда даже и при наличии выломанного зуба, будет очень много разных гармоник. В чистом виде сам такой дефект определить по спектру вибросигнала достаточно трудно, т. к. спектр будет перегружен несинхронными гармониками. По спектру видно, что состояние редуктора неудовлетворительное, но саму причину дифференцировать достаточно сложно.

Состояние же зубчатой пары с таким дефектом будет очень тревожным. Диагностика облегчается тем, что такой дефект уже приводит к значительному увеличению общего уровня вибрации на редукторе. При невысоких скоростях вращения валов удары о дефектный зуб будут слышны очень явственно и без приборов, и могут быть выявлены при помощи прослушивания.

Помощь в диагностике такого дефекта может оказать форма временного вибросигнала. В редукторе с подозрением на такой дефект необходимо зарегистрировать и просмотреть форму временного сигнала вибрации зубчатой пары. Если действительно будет иметь место такой дефект, то временной сигнал, в размерности виброскорости, будет иметь примерно такой вид, как это показано на рис. 4.7.6.

На временном сигнале хорошо видны периодические удары, следующие с интервалом времени в 0,1 сек, т. е. с частотой вращения входного вала редуктора, которая равна 10 Гц (F=1/Т ).

При таком виде временного сигнала следует очевидно предполагать значительный дефект одного из зубъев входного вала. Это как, минимум, трещина или скол на рабочей поверхности зуба. Редуктор нуждается в останове и разборке для проверки его технического состояния.

При рассмотрении только спектра вибросигнала поставить такой диагноз более сложно.

Скачать книгу в формате PDF (607 кб)