Понимание дефектов тел качения
Дефекты элементов качения это повреждения, дефекты или недостатки шариков или роликов подшипника качения. К ним относятся поверхностные сколы, трещины, вкрапления загрязнений, включения материала, коррозия и геометрические несовершенства. Когда поврежденный шарик или ролик вращается в подшипнике, он ударяется как о внутренние, так и о внешние дорожки качения, создавая вибрация в частота вращения тела качения (BSF) с характеристикой боковые полосы с интервалом в клетка, или основная частота поезда (FTF). Дефекты элементов качения являются одной из четырех классических локализованных дефектов подшипников, наряду с неисправностями внутреннего кольца, наружного кольца и сепаратора.
Они встречаются реже, чем дефекты дорожек качения, составляя примерно 10-15% отказов подшипников, но когда они возникают, то дают характерный, иногда непонятный сигнал и могут быстро привести к полному разрушению подшипника. Поскольку дефект вращается вместе с элементом, а не остается неподвижным в зоне нагрузки, его вибрация ведет себя иначе, чем при дефекте дорожки качения, - причуда, которая является одновременно диагностической подсказкой и головной болью.
1. Определение: Что такое дефекты элементов качения?
Элемент качения - шарик в шарикоподшипнике, цилиндр, игла или конический ролик в роликоподшипнике - это деталь, которая при качении несет нагрузку между двумя дорожками качения. Его поверхность - это точно обработанная, закаленная насквозь поверхность подшипниковой стали, которая должна оставаться геометрически идеальной для чистого качения. Любое нарушение этой поверхности, будь то рожденное на сталелитейном заводе или полученное в процессе эксплуатации, становится источником повышения напряжения и удара.
Каждый раз, когда дефект на элементе соприкасается с дорожкой, он создает небольшой импульс. За полный оборот сепаратора элемент контактирует с внешней и внутренней дорожками один раз, поэтому один дефект, как правило, генерирует два удара за оборот элемента - вот почему вторая гармоника, 2×BSF, так заметна в спектре. Частота повторения этих ударов определяется геометрией подшипника (диаметр шарика, диаметр шага, угол контакта и количество элементов), что дает дефекту поддающуюся расчету частоту сигнатуры, которая безошибочно отличается от рабочая скорость или его гармоники.
2. Виды дефектов элементов качения
Поверхностные сколы
Наиболее распространенный дефект элементов качения. Усталость при контакте с качением приводит к тому, что чешуйка материала отрывается от поверхности, оставляя кратер или яму. Вначале размер скола обычно составляет 0,5-3 мм, но затем он увеличивается, поскольку острые кромки впадины ударяются о дорожки качения и выбрасывают новые обломки. Каждый проход осколка по расе вызывает удар, генерирующий вибрацию на уровне BSF и часто доминирующую 2×BSF. (См. отслоение для определения механизма, лежащего в основе усталости).
Трещины
Трещины возникают в результате перегрузки, ударных повреждений или усталости и могут быть поверхностными или подповерхностными. Трещина распространяется до тех пор, пока часть не вырвется на свободу - в этот момент она превращается в скол. Трещины трудно обнаружить до того, как это произойдет, а в тяжелых случаях шар может разрушиться и разлететься на фрагменты, что приведет к внезапному катастрофическому разрушению.
Материальные включения
Производственный дефект: инородный материал или пустота, застрявшие в подшипниковой стали. Включения создают концентрацию напряжений, которая инициирует преждевременную усталость, обычно не обнаруживаемую до тех пор, пока вокруг включения не образуется скол. Чистая, высококачественная подшипниковая сталь - единственная реальная профилактика.
Встроенное загрязнение
Твердые частицы - грязь, шлифовальная крошка, металлическая стружка - вдавливаясь в поверхность элемента, образуют рельефный бугорок, который при каждом проходе ударяет по дорожкам качения. Вмятина также становится источником напряжения, которое может привести к образованию скола. В результате возникает ударная вибрация в BSF, а первопричиной почти всегда является недостаточное уплотнение или фильтрация - та же цепочка событий, о которой говорится в разделе смазка подшипников чистота.
Коррозия и повреждение от влаги
Попадание воды или конденсата приводит к образованию пятен ржавчины, питтинг, и шероховатость поверхности. Корродированные участки служат местами возникновения усталости. Правильное уплотнение и смазочные материалы, препятствующие коррозии, предотвращают ее.
Бриннелирование и вмятины
Ударная нагрузка - падение подшипника, удар при перемещении или статическая перегрузка - оставляет на поверхности элемента постоянные вмятины. Ложные щербины также могут возникать из-за вибрации при неподвижной машине. Эти вмятины создают удары и концентрацию напряжений; лечением являются осторожное обращение и правильная установка.
3. Вибрационная характеристика
Содержание частоты
Дефекты элементов качения создают узнаваемый рисунок в спектр вибрации:
- Основная частота: BSF, обычно 2-3× скорость бега.
- Сильная вторая гармоника: 2×BSF часто больше основной гармоники, поскольку дефект бьёт по обеим дорожкам качения при каждом обороте элемента.
- Расстояние между боковыми полосами: Боковые полосы FTF (частота сепарации) - не являются 1× боковые полосы. Это ключевой признак, позволяющий отличить его от внутрирасового дефекта.
- Шаблон: BSF ± FTF, BSF ± 2×FTF и так далее, выстраивая “пикетный забор” из пиков, разнесенных по частоте клетки.
Поскольку воздействия кратковременны и высокочастотны, они обычно скрыты в необработанном спектре и отчетливо проявляются только после демодуляции. Анализ огибающей выпрямляет и фильтрует сигнал полосовым фильтром, чтобы выявить частоту повторения, и получившийся спектр огибающей это место, где семейство BSF/FTF наиболее заметно. Близкородственные частот дефектов подшипника для внутренней, внешней и сепараторной обойм дополняют набор диагностических инструментов.
Различают четыре неисправности подшипников
| Особенность | Наружное кольцо (BPFO) | Внутреннее кольцо (BPFI) | Элемент качения (BSF) |
|---|---|---|---|
| Первичная частота | BPFO (3-5×) | BPFI (5-7×) | BSF (2-3×) |
| Разнос боковых полос | Отсутствует или минимальный | ±1× (частота вращения вала) | ±FTF (скорость сепаратора) |
| Стабильность амплитуды | Относительно стабильный | Стабильный | Переменная величина (зависит от положения мяча) |
| Событие | Наиболее распространённые (~40 %) | Часто (~35 %) | Наименее распространенные (~10-15%) |
Изменчивость амплитуды
Характерной особенностью шаровых дефектов является то, что измеренная амплитуда колеблется между показаниями:
- Когда дефектный элемент катится через зону нагрузки, удары получаются сильными и с большой амплитудой.
- Когда тот же элемент находится на ненагруженной стороне подшипника, контакт становится легким, а амплитуда падает.
- Эта модуляция обусловлена частотой сепаратора (отсюда боковые полосы FTF) и может сделать простое Тренд-анализ но сам факт того, что уровень дышит то вверх, то вниз, является диагностикой неисправности элементов качения.
4. Прогрессия и последствия
Развитие дефекта
- Возникновение: небольшая поверхностная трещина или подповерхностное включение.
- Микроразрыв: крошечный кусочек материала вырывается на свободу.
- Рост осколков: Удары по краям сколов способствуют распространению повреждений.
- Множественные сколы: Циркулирующий мусор истирает поверхность и создает новые дефекты.
- Разрушение шарика В тяжелых случаях весь шар трескается и распадается на части.
- Полное разрушение: подшипник теряет несущую способность, часто заедает.
Косвенный ущерб
- Повреждение дорожки качения: дефектный элемент забивает как внутреннюю, так и внешнюю дорожки качения.
- Циркуляция обломков: Отколовшийся материал приводит к трехкомпонентному абразивному износу по всему подшипнику.
- Повреждения клетки: шероховатый элемент изнашивает карманы сепаратора.
- Быстрое ухудшение состояния: Если поврежден один элемент, то за ним быстро следуют другие, поэтому промежуток между обнаружением неисправности и отказом короткий.
5. Общие причины
Производственные и материальные дефекты
- Внутренние включения или пустоты в материале элемента.
- Неправильная термическая обработка, оставляющая недостаточную или неравномерную твердость.
- Дефекты финишной обработки поверхности.
- Геометрические недостатки, например, некруглые шары.
Повреждения при установке
- Удар при обращении с подшипником — падение или удар по нему.
- Бриннелинг от статической перегрузки или ложный бриннелинг от вибрации в неподвижном состоянии.
- Загрязнения, вносимые при монтаже, вкрапляющие частицы в поверхность.
Условия эксплуатации
- Недостаточная смазка, вызывающая повреждение поверхности и микросварку.
- Перегрузка, ускоряющая усталость при контакте с катком.
- Блуждающий электрический ток, проходящий через подшипник, вызывает рифление и точечную коррозию.
- Коррозионная среда, воздействующая на поверхности элементов.
- Загрязнение твердыми частицами, создающее вмятины.
6. Обнаружение, диагностика и корректирующие действия
Анализ вибрации
- Рассчитайте BSF и FTF для конкретной геометрии подшипника - a Калькулятор частот дефектов подшипников преобразовывает скорость вращения вала и размеры подшипника прямо в BPFO, BPFI, BSF и FTF.
- Найдите в спектре огибающей пик BSF.
- Проверьте картину боковой полосы FTF - это самое надежное подтверждение неисправности тел качения.
- Проверьте 2×BSF, который часто превышает фундаментальный по амплитуде.
- Проведите несколько измерений; ожидаемая изменчивость амплитуды сама по себе является подтверждением.
В полевых условиях вся эта последовательность действий — измерение уровня широкополосного сигнала, съёмка спектра и анализ огибающей — является именно той диагностикой, для которой предназначен портативный двухканальный анализатор. The Balanset-1A Записывает спектр БПФ и временную осциллограмму с корпусов подшипников машины на рабочей скорости, так что аналитик может обнаружить семейство BSF и его боковые полосы FTF на месте, не разбирая машину, а затем классифицировать повреждение с помощью такого инструмента, как Классификатор повреждений подшипников (ISO 15243). Этот же прибор позволит вам убедиться в том, что неисправность подшипника является подлинной, а не просто конструктивным артефактом, прежде чем приступать к замене.
Физический осмотр
- Разберите подшипник и осмотрите каждый шарик или ролик в отдельности.
- Обратите внимание на сколы, трещины, посторонние включения и коррозию
- Почувствуйте шероховатость поверхности - гладкие и зернистые элементы.
- Проверьте геометрическую точность (не по кругу).
- Фотографируйте каждый дефект для записи технического обслуживания.
Корректирующие действия и первопричина
Немедленная реакция заключается в увеличении частоты мониторинга в соответствии с тяжесть дефекта, Планируйте замену подшипника и проверяйте дорожки качения на наличие вторичных повреждений. Долгосрочное решение проблемы заключается в анализе первопричин: пересмотрите выбор и номинал подшипника, проверьте достаточность смазки, найдите источники загрязнения, проверьте практику установки и рассмотрите возможность обновления спецификации подшипника, если поломка была преждевременной. Эти выводы следует включить в структурированную мониторинг состояния Программа - это то, что превращает единичную неудачу в предотвращенную.
Дефекты тел качения, хотя и встречаются реже, чем дефекты дорожек качения, требуют четкого понимания их характерной сигнатуры BSF с боковыми полосами FTF для точной диагностики. Раннее обнаружение с помощью анализа огибающей позволяет проводить плановое техническое обслуживание задолго до того, как дефект перейдет в серьезное повреждение подшипника и возможный катастрофический отказ.
