Различие в величинах начального и посадочного радиального зазора связана с тем, что при посадке внутреннего кольца на вал механизма и внешнего кольца в опору возникает нагрузка на кольца, изменяющая их диаметр [1].

При работе механизма в силу различных факторов, таких как повышение температуры узла трения, нагрузка со стороны крутящегося вала радиальный зазор также изменяется. Величина радиального зазора, возникающего при установившемся температурном режиме подшипника, называется рабочим радиальным зазором [1].

На сегодняшний день разработано множество различных систем мониторинга и диагностики состояния оборудования, предлагающих различные подходы к представлению измеренной информации, но, тем не менее, имеющие много общего между собой [2,3].  При работе подшипника качения под действием сил трения в подшипнике развивается абразивный износ, виляющий на работу механизма в процессе его эксплуатации, а, следовательно, и на вибрационную картину диагностируемого оборудования [4-6].

Именно значение рабочего радиального зазора является наиболее важным для мониторинга состояния подшипника качения наряду с другими дефектами, характерными для данного типа подшипника. Существует множество различных способов измерения радиального зазора подшипника, как бесконтактные, так и традиционные [7,8]. Рабочий радиальный зазор не поддается измерению с помощью традиционных методов измерения зазора, предполагающих останов оборудования.

В данной работе предлагается измерять рабочий радиальный зазор без остановки механизма, используя датчик вибрации на основе пьезоэлектрического преобразователя. В качестве датчика вибрации использовался датчик VSA001 производства компании ifm electronics.

В качестве объекта для проведения эксперимента по измерению рабочего радиального зазора подшипника качения был выбран двигатель скиповой лебедки доменной печи № 8 Доменного цеха ОАО «ММК». На данном объекте установлена стационарная система мониторинга и вибродиагностики основного оборудования скипового подъемника. Мнемосхема системы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Мнемосхема системы вибромониторинга и диагностики  состояния оборудования скиповой лебедки ДП №8 ДЦ ОАО «ММК»

Система реализована на оборудовании фирмы ifm electronics с использованием датчиков вибрации VSA001 вместе с устройствами для анализа сигналов вибрации (контроллеров) VSE002.

Анализу был подвергнут сигнал с датчика вибрации VD10, установленного на опоре правого электрического двигателя скиповой лебедки (см. рисунок 1). Основным элементом опоры данного двигателя является сферический роликовый двухрядный радиальный самоустанавливающийся подшипник 3532 (рисунок 2).

Рисунок 2. Подшипник 3532

Радиальный зазор подшипника качения представляет собой среднее значение смещений d внутреннего кольца относительно внешнего между двумя диаметрально противоположными положениями (рисунок 3). Серым цветом на рисунке 3 выделена область возможных перемещений внутреннего кольца подшипника относительно внешнего. Для наглядности она показана преувеличенной в размере.

Рисунок 3. Величина радиального зазора

Датчик вибрации VD10 измеряет величину виброускорения механических колебаний вала двигателя, а, значит, и внутреннего кольца подшипника, установленного на валу. Из сказанного можно сделать вывод о том, что о величине радиального зазора можно судить по значению виброперемещения, соответствующему зафиксированному датчиком вибрации виброускорению.

Известна формула пересчета величины виброускорения в значение виброперемещения, предполагающее наличие в сигнале вибрации наличие только одной гармоники [1]. В качестве такой гармоники в данном случае выступает частота вращения вала электродвигателя.

d = |а_max|/(f₀)²,

где а_max – максимальная величина виброускорения, измеряемая в мм/с², f₀ – частота вращения вала, измеряемая в Гц.

Зафиксированные датчиком вибрации максимальные отрицательное и положительное значения виброускорения составили – 21,04 мм/с² и + 23,38 мм/с², соответственно. При расчете зазора, нужно выбрать из них большее. Это означает, что |а_max| = 23,38 мм/с². Учитывая, что вал электродвигателя, на который установлен исследуемый подшипник, вращается с постоянной частотой вращения, равной 8,75 Гц, получим величину зазора, равную 0,3054 мм, или 305,4 мкм.

Для данного типа подшипника рекомендуемое значение радиального зазора лежит в пределах 45 мкм – 350 мкм [9]. Рассчитанная предложенным методом величина рабочего радиального зазора показала, что исследованный подшипник функционирует в нормальном режиме и возможна его дальнейшая эксплуатация без необходимости проводить техническое обслуживание. В целом, можно сделать вывод о возможности измерения рабочего радиального зазора в процессе эксплуатации оборудования с помощью датчиков вибрации.

На сегодняшний день существует множество систем для анализа вибрации механических узлов оборудования [1-6].

В данной работе предлагается использовать для построения орбиты вала сигналы с двух датчиков вибрации, установленных на подшипнике скольжения под углом 90^о друг относительно друга (рисунок 1). Один датчик установлен горизонтально, второй – вертикально.

Рисунок 1. Подшипник скольжения

Возможность использования датчиков вибрации для построения орбиты вала основана на том факте, что при вращении вал совершает колебания, следовательно, перемещение его центральной оси пропорционально этим колебаниям. Поэтому для построения орбиты вала можно использовать сигналы виброперемещения с двух датчиков, установленных под углом 90^о друг к другу в вертикальной плоскости, перпендикулярной центральной оси вала.

Орбита вала в данном случае будет представлять собой круговое движение вектора, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Определение траектории вращения вектора, описывающего орбиту вала

Модуль вектора r_i рассчитывается по выражению:

,

где x_i и y_i – значения виброперемещения, полученные с горизонтально и вертикально установленных датчиков, соответственно.

Текущее значение угла наклона вектора φ_i можно найти по выражению:

.

В случае использования датчиков вибрации на подшипнике скольжения наблюдается некоторое ослабление сигнала, полученного с датчиков, связанное с наличием достаточно толстого смазочного слоя между шейкой вала и чувствительным элементом датчика. Однако такое ослабление не должно существенно повлиять на результаты измерения [6].

Для проверки предлагаемой системы расчета орбиты вала был проведен эксперимент в условия производства листовой стали листопрокатного цеха № 4 (ЛПЦ4) ОАО «ММК».

В качестве датчиков вибрации использовались датчики VSA001 производства компании ifm electronics. Для чтения сигналов с датчиков использовались контроллеры ifm electronics VSE002. Данная система мониторинга и виброконтроля установлена при непосредственном участии авторов на оборудовании чистовой группы клетей прокатного стана горячей прокатки ЛПЦ4 ОАО «ММК». Мнемосхема системы приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Мнемосхема системы виброконтроля основного оборудования ЛПЦ4 ОАО «ММК»

Контроллер VSE002 считывает с датчиков вибрации VSA001 величину виброускорения вала. Полученные значения виброускорений с двух датчиков пересчитываются в величины виброперемещений [1]. После синхронизации во времени результирующих сигналов виброперемещения и их фильтрации вычисляется траектория вращения вектора r_i по вышеприведенным выражениям. В результате этого были получены графики орбиты вала, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Орбита вала

По результатам проделанной работы можно сделать вывод о том, что для построения орбиты вращающегося вала подшипника скольжения возможно использование датчиков вибрации. Датчик вибрации является хорошей альтернативой датчику приближения, обычно применяемого для данной цели. Разработанная система позволяет контролировать орбиту вала с целью диагностики дефектов оборудования.