СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ
DIAGNOSTIC METHOD OF TURBOMACHINE ROTOR ROLLING BEARING TECHNICAL STATE

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при диагностировании технического состояния турбомашины, включая диагностику зарождающихся дефектов в процессе стендовых испытаний, преимущественно к способам технической диагностики дефектов подшипников качения турбомашины, а также для создания систем диагностики.
Для диагностики технического состояния подшипников необходимо расширение частотного диапазона анализируемых сигналов. Кроме того целесообразна постановка дополнительных малогабаритных датчиков корпусной вибрации вблизи диагностируемого подшипника непосредственно внутри силовых корпусов, что связано с высокими материальными затратами. Поэтому обычно измеряют широкополосную корпусную вибрацию в полосе частот, охватывающей, как минимум, частоты численно равные произведению частоты вращения ротора на наибольшее количество тел качения в подшипниках. Этого обычно бывает достаточно, поскольку дефекты в подшипниках качения возникают, прежде всего, на беговых дорожках колец и диагностируются при появлении составляющих на частотах мелькания шариков. Установив, какое кольцо подшипника деградирует, определяют причину дефекта. Например, причиной износа наружного кольца может быть чрезмерная нагрузка на ротор относительно корпуса, а появление дефекта по внутреннему кольцу может быть следствием дисбаланса [Тейлор Д.И. Идентификация дефектов подшипников с помощью спектрального анализа: пер. с англ. // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1980. Т. 102, №2. С. 7]. Кроме того, выяснение локализации зарождающегося дефекта подшипника позволяет дать прогноз о дальнейшей его работе, например, дефект по наружному кольцу развивается медленнее, чем по внутреннему кольцу [Линн Д. Выявление дефектов подшипников качения с помощью анализа вибрации: пер. с англ.; под ред. B.А. Смирнова // Вибродиагностика для начинающих и специалистов. http://www.vibration.ru/v_defekt.shtml (дата обращения 28.12.2018)].
Диагностика подшипников состоит из определения диагностических частот и идентификации составляющих на этих частотах в спектре широкополосной вибрации. При этом расчетная диагностическая частота может отличаться от частоты спектра [Тейлор Д.И. Идентификация дефектов подшипников с помощью спектрального анализа: пер. с англ. // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1980. Т. 102, №2. C. 3].
В известных способах диагностика технического состояния турбомашины выполняется по наличию информативных составляющих в спектре корпусной вибрации при развитом дефекте. При диагностике технического состояния подшипника качения эти составляющие генерируются на частотах порядка нескольких тысяч герц. Для облегчения их идентификации диагностирование обычно выполняют по информации с акселерометра в амплитудно-частотном спектре сигнала, пропорционального виброускорению (параметр вибрации), т.к. в этом случае с увеличением частоты колебаний происходит «подъем» амплитуды составляющих спектра виброускорения. При использовании, например, в качестве параметра вибрации виброскорости такого подъема амплитуд составляющих не происходит. Обычно анализируют «сырой» нефильтрованный сигнал, пропорциональный виброускорению, который используют в качестве параметра вибрации. Однако в ряде случаев, особенно при диагностировании зарождающихся дефектов, «подъема» амплитуды информативных составляющих во виброускорению бывает недостаточно. Кроме того уровни информативных составляющих могут различаться на порядок и более, что затрудняет диагностику технического состояния турбомашины.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ диагностики технического состояния подшипника качения ротора турбомашины, при котором измеряют частоту вращения ротора и сигнал, пропорциональный параметру вибрации, строят амплитудно-частотный спектр сигнала, в котором выполняют поиск составляющих на диагностических частотах подшипника (Фирсов А.В., Посадов В.В. Диагностика дефектов подшипников качения при стендовой доводке малоразмерного высокооборотного газотурбинного двигателя с помощью спектрального анализа вибрации // Контроль. Диагностика. 2013. №7. С. 40-47).
В качестве параметра вибрации используют виброускорение. Способ позволяет выполнять диагностику дефекта подшипника лишь на заключительной стадии развития дефекта и не применим для диагностирования зарождающегося дефекта, т.к. в этом случае в спектре вибрации еще не выделяются на фоне шумов информативные составляющие на диагностических частотах подшипника. В связи с тем, что вблизи с составляющей на диагностической частоте подшипника, может находиться составляющая, не принадлежащая ему, то при диагностике дефекта на ранней стадии его развития возможна грубая ошибка диагностирования (Тейлор Д.И. Идентификация дефектов подшипников с помощью спектрального анализа: пер. с англ. // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1980. Т. 102, №2. С. 2).
Технической задачей изобретения является создание способа диагностики технического состояния подшипника качения ротора турбомашины, позволяющего уже на ранней стадии развития дефекта сделать информативные составляющие на диагностических частотах подшипника хорошо различимыми на фоне шумов в спектре вибрации за счет усиления их уровней и сближения составляющих по уровню.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности диагностики технического состояния подшипника качения ротора турбомашины на ранней стадии развития дефекта за счет использования в качестве параметра вибрации резкости вибрации, измерения сигнала пропорционального резкости вибрации и преобразования его.
Дополнительным техническим результатом является расширение возможностей способа диагностики технического состояния подшипника, т.к. он позволяет выполнять диагностирование подшипника в случаях, когда датчик корпусной вибрации удален от подшипника.
Технический результат достигается тем, что в способе диагностики технического состояния подшипника качения ротора турбомашины, при котором измеряют частоту вращения ротора и сигнал, пропорциональный параметру вибрации, строят амплитудно-частотный спектр сигнала, в котором выполняют поиск составляющих на диагностических частотах подшипника, в отличие от известного, в качестве параметра вибрации используют резкость вибрации, измеряют сигнал, пропорциональный резкости вибрации, преобразуют его, логарифмируя по амплитуде, и строят амплитудно-частотный спектр преобразованного сигнала, по наличию в котором по меньшей мере одной составляющей на диагностической частоте подшипника делают вывод о его дефекте.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - амплитудно-частотный спектр преобразованного сигнала; фиг. 2 - временная реализация сигнала, пропорционального виброускорению; фиг. 3 - амплитудно-частотный спектр сигнала, пропорционального виброускорению.
Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно определяют диагностические частоты подшипника, характеризующие вид дефекта, например, частоту мелькания шариков по наружной и внутренней беговым дорожкам подшипника, частоту вращения тел качения и др. (Генкин, М.Д. Виброакустическая диагностика машин и механизмов [Текст] /М.Д. Генкин, А.Г. Соколова. - М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.: ил.).
В качестве параметра вибрации используют резкость вибрации (производную по времени параметра вибрации - виброускорения).
При работе турбомашины измеряют частоту вращения ротора и с помощью аппаратных средств измерительной аппаратуры (измерительного модуля) измеряют сигнал, пропорциональный параметру вибрации - резкости вибрации, например, При этом усиливаются уровни информативных составляющих на диагностических частотах подшипника и улучшается соотношение сигнал/шум в высокочастотной области спектра вибрации.
Преобразуют измеренный сигнал, логарифмируя его по амплитуде, и строят амплитудно-частотный спектр преобразованного сигнала - логарифма резкости вибрации (фиг. ). Выполняют в нем поиск информативных составляющих на предварительно определенных диагностических частотах для установления источников возбуждения вибрации. Логарифмическая шкала по оси ординат позволяет сделать информативные составляющие спектра вибрации соразмерными по уровням (амплитудам).
По наличию в спектре составляющих диагностируют зарождающийся (развивающийся) дефект. Например, дефект на беговых дорожках колец подшипника диагностируют при появлении составляющих на частотах мелькания шариков. Кроме дефекта по беговым дорожкам подшипника может возникнуть дефект от перекоса, который определяют по наличию составляющей на диагностической частоте, равной произведению частоты вращения ротора на число тел качения [Линн Д. Выявление дефектов подшипников качения с помощью анализа вибрации: пер. с англ.; под ред. В.А. Смирнова // Вибродиагностика для начинающих и специалистов. http://www.vibration.ru/v_defekt.shtml (дата обращения 28.12.2018)], дефект сепаратора, проявляющийся на частоте собственного вращения шарика [Тейлор Д.И. Идентификация дефектов подшипников с помощью спектрального анализа: пер. с англ. // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1980. Т. 102, №2. С. 5].
Способ диагностики был реализован при стендовых испытаниях газотурбинного двигателя.
изм
p
В процессе испытаний на стационарном режиме на измеренной частоте вращения ротора n=21000 об/мин (ƒ=350 Гц) во временной области наблюдался монотонный рост вибрации (фиг. 2) с нероторной и некратной частоте вращения ротора частотой.
Анализ спектра виброускорения (по способу-прототипу) (фиг. 3) показал наличие в спектре доминирующей на фоне шумов составляющей на частоте 1910 Гц.
н
p
в
p
н
в
Определенные перед испытаниями диагностические частоты подшипника, наличие составляющих на которых свидетельствует о дефекте подшипника (например, модулированную ротором частоту мелькания шариков по наружной ƒ+ƒ, и внутренней ƒ-ƒ обоймам подшипника, частоту мелькания шариков по наружной ƒ и по внутренней ƒ обоймам подшипника и др.) позволили предположить, что данная частота может являться одной из диагностических частот подшипника качения.
н
p
в
p
н
в
Эта составляющая могла генерироваться на модулированной ротором частоте мелькания шариков как по наружной ƒ+ƒ, так и по внутренней ƒ-ƒ обоймам подшипника. Однако чем вызвано ее доминирование было непонятно, т.к. отсутствие вблизи этой доминирующей составляющей других различимых на фоне шумов составляющих на других диагностических частотах подшипника, например, ƒ или ƒ, не позволяло идентифицировать дефектную беговую дорожку подшипника.
p
р
р
р
р
p
н
н
p
При использовании предложенного способа диагностики в амплитудно-частотном спектре преобразованного сигнала, пропорционального логарифму резкости вибрации (фиг. 1), наряду с доминирующей составляющей на частоте 1910 Гц и составляющими, кратными частоте вращения ротора ƒ (4ƒ, 5ƒ, 6ƒ, 7ƒ, 8ƒ), стала хорошо различима составляющая на диагностической частоте мелькания шариков по наружной обойме подшипника ƒ. Ее наличие позволило установить, что рост вибрации (фиг. 2) происходил на модулированной ротором частоте мелькания шариков по наружной беговой дорожке ƒ+ƒ=1910 Гц, что свидетельствовало о появлении дефекта наружного кольца подшипника качения.
Это позволило установить и причину дефекта подшипника -чрезмерную нагрузку на ротор относительно корпуса, что необходимо для устранения дефекта. Кроме того, локализация дефекта по наружному кольцу позволила сделать прогноз о дальнейшей работе подшипника - в отличие от деградации внутреннего кольца этот дефект не приводит к быстрому износу подшипника.
Предложенный способ с использованием в качестве параметра вибрации - резкости вибрации позволяет осуществлять диагностику на ранней стадии появления дефекта в отличие от способа прототипа, использующего в качестве параметра вибрации - виброускорение, по которому диагностика возможна только при уже развитом дефекте.
При других испытаниях турбомашины предложенный способ по наличию составляющей на диагностической частоте, равной произведению частоты вращения ротора на число тел качения, позволил определить зарождающийся дефект перекоса в подшипнике. Кроме того, способ позволил по наличию составляющей на диагностической частоте собственного вращения тел качения определить зарождающийся дефект сепаратора подшипника.
Идентификация неисправностей в подшипниковых узлах на ранней стадии их развития позволяет своевременно вмешаться в процесс работы турбомашины и предотвратить серьезные неполадки и аварийные ситуации. Кроме того, предложенный способ позволяет обнаружить дефект подшипника ротора турбомашины не только когда датчик вибрации установлен на корпусе турбомашины в плоскости расположения опоры подшипника или непосредственно на опору, но и даже в случаях, когда датчик вибрации удален от подшипника.