В данной статье представлено исследование применения электрорезистивного метода для диагностирования и прогнозирования состояния подшипников качения. Подчеркивается его преимущество перед традиционными методами диагностирования.
Ключевые слова: подшипник качения, диагностирование, метод, мониторинг, анализ.
Отказ подшипникового узла — серьезная проблема для любого механизма. Критичность узла означает, что его выход из строя влечет к остановке всего процесса или системы. Короткий срок службы только усугубляет ситуацию, требуя частой замены и увеличивая затраты на обслуживание.
Опасность отказа подшипникового узла заключается в том, что поломка может быть обнаружена уже на поздней стадии, когда появляются вторичные признаки, такие как шум, вибрация или перегрев. К этому моменту повреждения обычно уже значительны и могут привести к дорогостоящему ремонту или даже замене всего оборудования.
Подшипники должны обладать определенным запасом работоспособности, зависящим как от материала деталей подшипника, так и от условий эксплуатации.
В зависимости от конкретных условий эксплуатации к подшипникам предъявляются определённые требования, направленные на обеспечение бесперебойной работы машины в течение всего установленного срока её службы. Для подшипников механизмов управления важнейшим параметром является способность выдержать заданное количество циклов качения без потери функциональных характеристик, что напрямую влияет на надёжность и долговечность узла в целом [1].
В связи с многообразием условий, в которых работают подшипники, причины, по которым они могут быть признаны непригодными к дальнейшей работе, самые различные. Исследование состояния подшипников показывает, что основными причинами, которые делают подшипник не пригодным к дальнейшей работе, являются:
– увеличение или уменьшение внутренних зазоров в подшипнике (по этим причинам отбраковывается основная масса подшипников);
– поражение коррозией поверхностей деталей подшипников;
– износ сепаратора;
– повышенное трение в подшипнике (тугое вращение) [1].
Ранняя диагностика является ключом к решению проблемы. Она позволяет выявлять начальные признаки износа и предотвращать внезапные отказы подшипникового узла.
Для повышения надежности и безопасности машин и механизмов с подшипниковыми узлами необходимо применять методы диагностирования подшипников качения, основанные на анализе параметров различной физической природы. Традиционные методы диагностирования подшипников качения сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Традиционные методы диагностирования подшипников качения
|
Метод |
Описание метода диагностирования |
|
Вибродиагностика |
Анализ вибраций позволяет выявлять изменения состояния подшипников, которые возникают из-за износа или других дефектов. |
|
Температурный мониторинг |
Измерение температуры подшипников в процессе работы дает возможность обнаруживать отклонения, так как повышение температуры может свидетельствовать о трении, износе или недостаточной смазке. |
|
Ультразвуковая диагностика |
Ультразвуковые методы позволяют фиксировать изменения в звуковых эмиссиях подшипников, которые возникают в результате их повреждения или износа. |
|
Анализ смазочных материалов |
Контроль состояния смазки (анализ на наличие металлических частиц, загрязнений и изменений химических свойств) может сигнализировать о состоянии подшипников и необходимости их замены. |
|
Статистический анализ данных |
Применение статистических методов и алгоритмов машинного обучения для выявления закономерностей и трендов в данных, получаемых из различных измерений. |
|
Электромагнитная диагностика |
Использование методов, основанных на электромагнитных полях для определения состояния подшипников. |
В таблице представлены основные традиционные методы диагностирования подшипников качения. Зачастую их эффективность проявляется лишь при комплексном применении, при этом обеспечивая ограниченную информативность и недостаточную достоверность о реальном состоянии подшипника.
Электрорезистивный метод даёт более универсальный способ обнаружения неисправностей подшипников по сравнению с традиционными подходами [2]. Этот метод хорошо работает при любом типе смазки, что делает его отличным инструментом для подробного анализа состояния подшипников. Оценка состояния подшипников требует одновременного отслеживания нескольких факторов.
Качество изготовления, точность сборки, эффективность системы смазки и условия эксплуатации — основные параметры, которые влияют на работу подшипника. Его состояние также существенно зависит от внутренних факторов, особенно когда есть геометрические отклонения рабочих поверхностей, такие как шероховатость и погрешности формы.
Знание распространённых механизмов отказа позволяет выявлять развивающиеся проблемы до того, как произойдёт катастрофическое повреждение. Электрорезистивный метод дал объяснение этим механизмам через закономерности измерений сопротивления, которые помогают обнаруживать проблемы на ранней стадии.
Контактная усталость при качении (RCF) является одним из наиболее распространенных способов разрушения компонентов подшипника. Контактная усталость создает подповерхностные трещины всего в несколько микрометров [3]. Эти трещины происходят из-за поверхностного растяжения и напряжений, отклонений профиля и углублений.
Контактная усталость при качении проходит три отдельные стадии:
- Предварительный период продолжительностью 50–60 миллионов оборотов без видимых повреждений.
- Начальная прогрессия повреждения продлевает 30–40 миллионов оборотов с экспоненциальным ростом.
- Ускоренная фаза роста, охватывающая 20–25 миллионов оборотов, где темпы роста выше более чем в два раза в сравнении с предыдущими периодами.
Различные типы подшипников характеризуются специфическими паттернами повреждений, вызванных отслаиванием. Шариковые подшипники создают поверхностные шлицы с V-образными формами на задних кромках углубления, которые растут быстрее в направлении прокатки. Роликовые подшипники начинают показывать повреждения на сторонах исходного места, распространяясь по дорожке качения перед перемещением по ней [3].
Категории ISO включают растрескивание как под поверхностью, так и на поверхности материалов при воздействии коррозионной среды и механических нагрузок. Такое растрескивание приводит к образованию более глубоких полостей, размеры которых составляют от 20 до 100 мкм, что значительно превышает глубину обычной поверхностной точечной коррозии. Эти локализованные дефекты играют роль концентраторов напряжений, что способствует ускоренному накоплению повреждений при циклическом нагружении и повторном контакте с агрессивной средой.
Данные дефекты нарушают однородность структуры и меняют электрическое сопротивление. Электрорезистивный метод позволяет зафиксировать такие изменения и выделить участки с начальными стадиями контактной усталости, даже если они ещё не видны визуально или акустически.
Отказ смазки и сухой контакт. Около 80 % преждевременных отказов подшипников происходит из-за неправильной смазки. Плохая смазка предотвращает образование защитных пленок между контактными поверхностями. Металл соприкасается с металлом напрямую, вызывая износ смазочного слоя, такой как задирание, истирание, заедание и потертости [4].
Одним из характерных признаков недостаточной вязкости смазочного материала являются сильно остекленные или глянцевые поверхности. По мере развития повреждения на таких поверхностях могут образовываться сколы, а на ранних стадиях повреждения формируются тонкие металлические частицы, которые уносятся с дорожки качения, оставляя после себя характерную текстуру.
Смазка не обеспечивает требуемой эффективности по нескольким основным причинам:
– слишком длительное ожидание между сменами смазки (около 20 % отказов);
– использование неправильных смазочных материалов, которые не соответствуют условиям эксплуатации (около 20 % отказов);
– загрязнение водой, химическими веществами и частицами (около 25 % преждевременных отказов) [4].
Загрязнённая смазка может вызывать образование постоянных микротрещин на дорожках качения подшипников в результате перекатывания абразивных частиц между трущимися поверхностями. При этом как чрезмерное, так и недостаточное количество смазки приводит к возникновению проблем. Избыток смазочного материала увеличивает силу трения, особенно при высоких температурах, что может привести к перегреву узла. Недостаток смазки ускоряет износ подшипника вследствие прямого контакта металл-металл.
Формирование смазочной плёнки изменяет электрическое сопротивление в процессе работы подшипника. Электрорезистивный метод позволяет регистрировать непрерывные изменения сопротивления в процессе работы механизма. При постепенном ухудшении смазки сопротивление начинает снижаться, что может служить ранним предупредительным сигналом.
Несоосность и геометрические отклонения. Несоосность является распространённым дефектом подшипников качения, оказывающим существенное влияние на их тепловые, механические и смазочные характеристики. В зонах нарушения сплошности смазочного слоя возникают резкие пики давления, обусловленные отклонением от идеального контакта между дорожками качения и телами качения, что приводит к значительному возрастанию эквивалентных напряжений по Мизесу. Концентрация этих напряжений снижает номинальный срок службы подшипника и ускоряет развитие усталостных повреждений.
Реальные компоненты подшипников качения всегда обладают определёнными отклонениями от идеальных геометрических форм. Незначительные отклонения могут существенно влиять на характер распределения внутренних нагрузок и общую усталостную долговечность подшипника, поскольку даже малые смещения или искажения формы приводят к неравномерному нагружению контактных поверхностей. Изменения в пределах 0,01/10 мм способны спровоцировать увеличение уровня вибрации и повышение температуры работающего подшипникового узла.
Электрорезистивный метод представляет собой эффективный инструмент для выявления геометрических отклонений в подшипниках качения [5]. Он позволяет с высокой точностью определять изменения, обусловленные несоответствиями формы рабочих поверхностей. Объединение данного метода с электрическими и электронными измерительными устройствами обеспечивает возможность регистрации локальных изменений электрического сопротивления, связанных с нарушением сплошности контакта. Это делает электрорезистивный метод высокоэффективным инструментом для выявления ранних стадий отказов подшипников и прогнозирования их работоспособности [6].
Литература:
- Черменский, О. Н. Подшипники качения: справочник / О. Н. Черменский, Н. Н. Федотов. — М.: Машиностроение, 2003. — 576 с.
- Подмастерьев К. В., Пахолкин Е. В., Мишин В. В., Марков В. В. Диагностический комплекс для трибологических исследований электрофлуктуационными методами / К. В. Подмастерьев, Е. В. Пахолкин, В. В. Мишин, В. В. Марков // Контроль. Диагностика. — 2000. — № 12.
- Пенкин, Н. С., Пенкин А. Н., Сербин В. М. Основы трибологии и триботехники: учеб. пособие / Н. С. Пенкин, А. Н. Пенкин, В. М. Сербин. — М.: Машиностроение, 2008. — 208 с.
- Чичинадзе, А. В. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А. В. Чичинадзе. — М.: Машиностроение, 2001. — 576 с.
- Селихов А. В., Мишин В. В., Майоров М. В., Катыхин А. А., Шаталов К. В., Некрасов В. И. Экспериментальное исследование электрического сопротивления (проводимости) подшипника качения, как диагностического параметра / А. В. Селихов, В. В. Мишин, М. В. Майоров, [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. — 2010. — № 6–2. — С. 25.
- Майоров М. В., Мишин В. В., Чернышов В. Н. Диагностирование ступичных подшипников автомобиля / М. В. Майоров, В. В. Мишин, В. Н. Чернышов // Мир транспорта и технологических машин. — 2013. — № 2 (41). — С. 9–16.
