Вибрация подшипников качения

В общем случае для авиационного ГТД можно выделить несколько видов источников возникновения вибрации:
- роторная вибрация;
- вибрация аэродинамического происхождения;
- вибрация, возбуждаемая процессами, происходящими в газовоздушном тракте;
- вибрация, возбуждаемая редукторами и зубчатыми передачами;
- вибрация подшипниковых узлов;
- колебания лопаток и дисков компрессора и турбины

Подшипник качения является, пожалуй, наиболее распространенным элементом конструкции любого роторного механизма и, в то же время, наиболее уязвимым элементом. Подшипники осуществляют пространственную фиксацию вращающихся роторов и, следовательно, именно подшипники воспринимают большую часть статических и динамических усилий, возникающих в работающем механизме. Состояние подшипников является важнейшей составляющей технического состояния механизма, его исправности и работоспособности.
Вибродиагностика состояния подшипников качения является в настоящее время одной из наиболее развитых, разработанных областей виброметрии как в теоретическом плане, так и в плане практической аппаратурной реализации.

Пример временного сигнала вибрации подшипника с дефектом

Вибрация подшипниковых узлов
Вибрация, возбуждаемая подшипниками качения - следствие геометрических погрешностей, зазоров и переменной податливости элементов подшипников. Например, разностенность внутреннего кольца подшипника приводит к вибрации с частотой первой гармоники ротора, овальность – с частотой второй гармоники. Вибрацию вызывают также волнистость беговых дорожек и тел качения, различные размеры тел качения, искажение формы сепаратора. Например, частота вибраций из-за волнистости колец
f = (D0 ± d) ⋅ zв ⋅ zш ⋅ nc / (2 ⋅ D0 ⋅ q) ,
где D0 - диаметр окружности, проходящей через оси тел качения (шариков или роликов); d - диаметр тел качения; zв - число волн; zш - число тел качения; q - наибольший общий делитель между zв и zш ; nc - секундная частота вращения ротора.
При волнистости внешнего кольца ставится знак «+», внутреннего кольца - « – ».
При огранке тел качения
f = (D02 - d2) ⋅ zв ⋅ zш ⋅ nc / (2 ⋅ D0 ⋅ d) ,
где zв - число граней на поверхности тела качения.

Вибрация, возникающая вследствие упругих деформаций обоймы и переменной контактной податливости из-за неравномерного распределения нагрузки на тела качения, имеет основную частоту, равную частоте прокатывания по внешнему кольцу:
f = (D0 - d ⋅ cosβ) ⋅ zш ⋅ nc / (2 ⋅ D0) ,
где β - угол контакта.
Амплитуда такой вибрации зависит от соотношения нагрузки и радиального зазора. В рабочих условиях процесс выхода из строя подшипника складывается из последовательного разрушения нескольких элементов: разрушения сепаратора, износа тел качения, проворачивания наружной обоймы в корпусе и т.д. Соответственно этому, процесс разрушения отображается на спектрограммах изменением амплитуд целого ряда составляющих

Вибродиагностика подшипников качения является прекрасной иллюстрацией того, как можно диагностировать один и тот же узел различными методами, основанными на различных вибрационных процессах, генерируемых дефектами этого узла.
В настоящее время в вибродиагностике используются несколько методов оценки технического состояния подшипников качения:
- диагностика по общему уровню вибрации;
- метод ПИК-фактора;
- метод прямого спектра;
- метод спектра огибающей.

Вибродиагностика подшипников качения является прекрасной иллюстрацией того, как можно диагностировать один и тот же узел различными методами, основанными на различных вибрационных процессах, генерируемых дефектами этого узла.
В настоящее время в вибродиагностике используются несколько методов оценки технического состояния подшипников качения:
- диагностика по общему уровню вибрации;
- метод ПИК-фактора;
- метод прямого спектра;
- метод спектра огибающей.

Шариковый подшипник:
число шариков – 10
диаметр шарика – 9,52 мм
диаметр по оси тел вращения – 46 мм
Роликовый подшипник:
число роликов – 10
диаметр ролика – 5,0 мм
диаметр по оси тел вращения – 25 мм

Сигналы с датчика частоты вращения и вибродатчика

Вибродиагностика подшипников качения является прекрасной иллюстрацией того, как можно диагностировать один и тот же узел различными методами, основанными на различных вибрационных процессах, генерируемых дефектами этого узла.
В настоящее время в вибродиагностике используются несколько методов оценки технического состояния подшипников качения:
- диагностика по общему уровню вибрации;
- метод ПИК-фактора;
- метод прямого спектра;
- метод спектра огибающей.

Частота перекатывания тел качения по внешней обойме (в иностранной литературе часто обозначается BPFO)
Частота перекатывания тел качения по внутренней обойме (в иностранной литературе часто обозначается BPFI)
Частота сепаратора (FTF)

Частота вращения тел качения (BSF)
Овальность колец подшипников
Срабатывание сепаратора и увеличение зазоров в гнездах установки тел качения

Гармоническое разложение сигналов с датчика частоты вращения и вибродатчика

Гармонические составляющие вибраций подшипников

Частоты «подшипниковых» вибраций
№ Частота Причина
1 ω - неуравновешенность, разностенность и перекос внутреннего кольца
2 2ω - овальность внутреннего кольца
3 Kω (K = 3,4,5...) - некруглость дорожки качения внутреннего кольца
4 ωc=K1ω - неуравновешенность сепаратора
5 Zωc - нериодическое изменение жесткости при групповом вращении тел качения
6 K2ωZ - единичные дефекты на дорожках качения внутреннего кольца
7 K1ωZ - единичные дефекты на дорожках наружного кольца
8 K2ωZn - волнистость n-го порядка дорожки качения внутреннего кольца
9 K1ωZ - огранка n-го порядка тел качения
10 ωшZn - волнистость n-го порядка дорожки качения наружного кольца
где ω - частота вращения ротора;
ωc - частота вращения сепаратора;
ωш - частота вращения тела качения;
Z - количество тел качения;
n - количество волн, укладывающихся по длине окружности дорожки качения