Обеспечение надежности и долговечности выпускаемых машин и обслуживание действующего парка вертолетов требует значительных средств и квалифицированного персонала. Поэтому использование современных методов обслуживания и ремонта позволяет получить существенный экономический эффект, обеспечить необходимую надежность и долговечность.


В настоящее время на передовых предприятиях уже применяются методы обслуживания машин по фактическому состоянию или идентификации деталей без их разборки на основе вибродиагностических испытаний. Их использование позволяет одновременно и снизить стоимость наладочных работ, и повысить их качество, так как проверяется не только состояние деталей изделия, но и как они собраны, имеются ли перекосы подшипников или шестерен при сборке.

Для определения параметров реальных объектов требуется составить модель, которая должна описать поведение деталей и узлов оборудования при работе, чтобы установить взаимосвязи между реальным состоянием механических элементов и характеризующими их показателями [1].

Для проведения идентификации элементов оборудования в первую очередь требуется составление математической модели с определенными параметрами, оказывающими существенное влияние на работоспособность машины [2]. Расчетная схема должна в полной мере отражать свойства диагностируемого объекта. Следует разделить существенные и несущественные факторы, выбрать приоритеты в измеряемых показателях, определить поведение оборудования в рабочем диапазоне частот, его состояния, при которых наблюдаются резонансы, величины амплитуд колебаний. По существу, задача идентификации объекта является обратной задачей конструирования самого объекта, поэтому желательна полная ясность по входящим комплектующим. Применительно к трансмиссиям вертолетов требуется информация по установленным подшипникам и зубчатым передачам. Также необходимо знать частоты вращения двигателей. Учитывая различные частоты, характеризующие частоты обкатки тел качения по наружному или внутреннему кольцу, собственную частоту сепаратора и т.д., можно определить и геометрические параметры установленных подшипников, а также диаметр и число их тел качения, что используется в дальнейшем для идентификации технического состояния деталей машин.

Наиболее информативным для идентификации параметров оборудования является получение вибрационных характеристик, которые непосредственно связаны с параметрами и напрямую определяют различные показатели его точности. Как известно, амплитуды вибрации изделий, наблюдаемые при его функционировании, непосредственно влияют на его надежность и долговечность [2, 3]. При работе вертолетов возникает широкий спектр колебаний, природа которых имеет как стационарный, так и нестационарный характер. В вертолетах могут действовать как вынужденные колебания, так и автоколебания. Для идентификации элементов вертолета более всего подходит режим его функционирования на определенных режимах, при котором вибрационные характеристики вертолета в целом определяются работой его деталей и узлов: подшипниками и шестеренными передачами.

Колебания валов узлов вертолетов являются основными источниками вибраций, возникающих при работе машин, причем их частотные составляющие и величины амплитуд вибраций определяются как дефектами отдельных элементов, установленных на валах, так и погрешностями сборки и эксплуатации [4].

Особенностью вибраций вращающихся узлов является то, что наибольшие амплитуды наблюдаются в радиальном направлении, причем вибрационный сигнал имеет способность хорошо передаваться по корпусным деталям. Поэтому при установке датчика на корпусе узла можно получить информацию о вибрационном состоянии каждого подшипника и каждой шестерни. При этом следует учитывать, что вибрационный сигнал значительно затухает при передаче его через сопряжение между деталями, особенно корпусными. Также наблюдается значительное затухание вибрационного сигнала на обшивке — вследствие того, что обшивка имеет очень низкие собственные частоты колебаний и передача средне- и высокочастотных сигналов затруднена. Поэтому установка акселерометров на обшивке не позволяет получить достаточно информативного сигнала и не проводится. В любом случае надо избегать установки акселерометра на тонкостенные детали, выбирая место для установки на корпусе диагностируемого узла.
При работе машин в подшипниках генерируются вибрации, что приводит к развитию вибраций в широком частотном диапазоне. Причин, приводящих к появлению вибраций в подшипниках, несколько. Конструктивные особенности подшипников, состоящих из нескольких элементов, совершающих сложное кинематическое движение с различными угловыми скоростями, приводит к возникновению составляющих спектра вибраций – от низкочастотного до высокочастотного. Также появлению вибраций способствуют неточности деталей подшипников, образовавшиеся при их изготовлении. К ним относятся разностенность наружного и внутреннего кольца, некруглость и шероховатость тел качения и дорожек качения колец, погрешности, вызванные дефектами сборки узлов, в том числе перекос наружных и внутренних колец, дисбалансом вращающихся валов. Следующие погрешности возникают при эксплуатации: износ беговых дорожек колец, образование на них задиров, износ тел качения и сепаратора, некруглость тел вращения, образование трещин в сепараторах.
Вибрация, создаваемая подшипником качения, характеризуется следующими основными частотами, связанными с элементами подшипников [2].

Частота вращения сепаратора относительно наружного кольца:

fc = ½ fвр{1 – dтк / dcos(a)},
где fвр — частота вращения подвижного кольца относительно неподвижного;
dтк — диаметр тела качения;
dc = ½ (dн + dв) — диаметр сепаратора;
dн — диаметр наружного кольца;
dв — диаметр внутреннего кольца;
a — угол контакта тел и дорожек качения.

Частота перекатывания тел качения по наружному кольцу:

fн = ½ fвр {1 – dтк / dc cos(a)} z = fz,
где z — число тел качения.


Частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу:

fв = ½ fвр {1 + dтк / dс cos(a)} z = = (fвр – fс) z

Частота вращения тел качения относительно поверхности колец:

fтк = ½ fврdc/dтк {1 – dтк 2/dс 2cos2 (a)},
где: fвр — частота вращения вала,
fв — частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу,
fн — частота перекатывания тел качения по наружному кольцу,
fтк — частота вращения тел качения,
fc — частота вращения сепаратора,
ВЧ — высокочастотная область спектра вибрации,
k1= 1,2,3,4,…, k2 = 1,2,3,4,…, k3 =1,2,3,4,…

Особое положение в работе механизмов занимают подшипники скольжения, при работе которых могут возникнуть автоколебания. Как показывает практический опыт, для механизмов на подшипниках скольжения автоколебания возникают на частоте, равной половине частоты вращения вала.

Значительные амплитуды вибраций наблюдаются на частотах, связанных с неуравновешенностью валов. Причинами могут быть как погрешности, связанные с изготовлением и сборкой валов, так и дефекты, возникшие при эксплуатации.

Вышеприведенные дефекты проявляются на частоте вращения вала, а также на частотах, кратных частоте вращения вала. При соединении валов муфтами, которые имеют дефекты изготовления, дефекты будут проявляться на частоте вращения вала, а при соединении муфтами, не имеющими дефектов изготовления, но установленных с перекосами, возникнут колебания с двойной частотой вращения.
Колебания в зубчатых передачах часто являются причиной возникновения вибраций в узлах машин, приводящих к увеличению деформаций как в самих шестернях, так и в валах, где они установлены. Возмущаемыми причинами в зубчатых передачах являются силы, обусловленные вхождением в зацепление шестерен с отклонением расчетной точки, связанным как с погрешностями изготовления самих шестерен, так и с упругими деформациями системы «вал — шестерня» [5].

Подробно возможности методики рассмотрены в [3, 4]. Время для проведения диагностики главного редуктора вертолета – 20 минут при использовании двухканальных систем и менее 10 минут при использовании четырехканальных систем. Предварительно перед испытаниями создается управляющая программа, в которую вводятся параметры подшипников, шестерен, устанавливается частотный диапазон для измерения вибрационных характеристик и показатели, характеризующие динамику работы узлов и деталей вертолета, выбираются опорные точки для установки акселерометра, показанные на рисунке справа. При выполнении работы используются акселерометры, установленные в выбранные точки. Экспресс-результат состояния готовится в течение 20 минут. Для составления полной детальной дефектной ведомости требуется три часа.

Выполнена диагностика главного редуктора вертолета в течение двадцати минут. По результатам вибродиагностических испытаний оценивается техническое состояние (без разборки редуктора) деталей каждого подшипника, зубчатого зацепления. На графике (рис. 2) экспериментальные данные, т.е. измеренный спектр огибающей вибрационного сигнала, показан линиями серого цвета, а расчетные значения собственных частот элементов приведены прямыми линиями красного цвета. При совпадении экспериментальных данных, характеризующих частоты, на которых наблюдаются дефекты, с расчетными данными, определенными для бездефектных деталей, идентифицируются виды дефектов. Величина дефектов определяется отношением значений амплитуд сигналов на частотах, характеризующих дефекты, к среднеквадратичному значению экспериментально полученного сигнала. Так, из представленных на рис. 2 результатов следует, что при установке подшипника 32220 имеется дефект: неоднородный радиальный натяг, характеризующийся дефектами на следующих частотах: fвр=133,2 Гц, 2fвр=266,3 Гц, 3fвр=399,4 Гц, то есть подшипник установлен с перекосом внутреннего кольца, что приведет к его преждевременному износу. На рис. 3 представлен спектр огибающей вибрационного сигнала, определенный для подшипника 1000905.

Рис. 2. Cпектр огибающей вибрационного сигнала, характеризующего состояние подшипника 32220

Рис. 3. Спектр огибающей вибрационного сигнала, определенный для подшипника 1000905

Из полученных данных следует, что подшипник 1000905 имеет следующие дефекты:

  1. Износ беговой дорожки наружного кольца, характеризующийся дефектами на следующих частотах: fвр = 27,1 Гц, 5fвр = 133,1 Гц, 7fвр = 189,9 Гц;
  2. Раковины на беговой дорожке наружного кольца, характеризующиеся дефектами на следующих частотах: 4fн = 1097,1 Гц, 4fн+ fвр = 1151,9 Гц, 5fн = 1369,5 Гц;
  3. Раковины на телах качения, характеризующиеся дефектами на следующих частотах: fтк = 164,0 Гц, 2fтк = 330,2 Гц, 2fтк + fс=354,0 Гц, 5fтк = 825,3 Гц, 6fтк = 990,1 Гц.

На основе имеющихся данных вибродиагностики представляем схему фактического состояния главного редуктора вертолета (рис. 4).

Рис. 4. Схема состояния деталей главного редуктора вертолета

По результатам проведенных испытаний возможно представление итоговых результатов или в виде таблицы дефектов каждой детали, или в графическом виде, согласно схеме состояния деталей вертолета. В качестве критерия на основе статистических данных, опробованных на предприятиях Роскосмоса, принята допустимая величина износа 10%. Детали, имеющие износ более 10%, подлежат замене; другие, имеющие меньший износ, допустимы к работе. Величины износа должны устанавливаться для каждой отрасли на основе статистических данных.

Хотелось бы отметить, что при безразборной вибродиагностике решается не только вопрос, какие детали износились, но и идентифицируется, какие составляющие определят износ. Так, в случае подшипников в главном редукторе вертолета произошел износ наружных и внутренних колец, а также сепараторов. Это важно, так как позволяет определить не только дефекты деталей, но и качество узлов, в том числе и перекосы колец подшипников, и дисбаланс, и т.д. Перечень определяемых дефектов механических узлов при существующем методе и инновационном приведен в таблице 1.

Таблица 1. Диагностические параметры, определяемые с помощью вибродиагностических методов

Следует обратить внимание, что в существующем методе определяются дефекты вала и дефекты зубчатого зацепления, а в инновационном — дополнительно определяются дефекты сборки, причем идентифицируются дефекты, связанные с неправильной установкой наружного кольца подшипника или его внутреннего кольца, что значительно упрощает сборку и регулировку. Также определяются для каждого подшипника дефекты износа наружного или внутреннего кольца, тел качения, задиры и раковины на деталях подшипника, идентифицируется состояние сепаратора подшипника, влияние которого на общий уровень вибрации весьма невысоко, но чрезвычайно важно, так как выход из строя сепаратора приводит к разрушению подшипника и заклиниванию механизма в целом.

Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве случаев поломка механизма происходит из-за наиболее слабого элемента, которым является подшипник. Инновационный метод позволяет в течение десяти минут проконтролировать состояние семисот пятидесяти показателей главного редуктора, то есть фактически осуществить тотальный контроль за состоянием каждого элемента деталей и узлов.

Для выполнения качественной и достоверной диагностики технического состояния деталей и узлов станков реализуется удаленная диагностика, приведенная на рис. 5.


Рис. 5. Схема удаленной диагностики технического состояния вертолетов

Благодаря использованию имеющейся базы данных по элементам машин, включающей десятки тысяч подшипников как отечественного производства, так и импортных, в том числе известных фирм SKF, FAG, INA, ZKL, NSK, TIMKEN и т.д., а также апробированным управляющим программам для диагностики машин, которые уже отработаны при заводских испытаниях, значительно сокращается время испытаний и упрощается работа заводских служб. Так, например, разработанная и проверенная управляющая программа для диагностики трансмиссий на одном из заводов при наличии аналогичного механизма на другом предприятии пересылается по интернету. На предприятии проводятся измерения, которые отсылаются в ситуационный центр. В ситуационном центре остается только провести анализ полученных данных и направить на предприятие полный отчет о состоянии деталей и узлов вертолета.
Преимущества вышеприведенной схемы в том, что на предприятии не надо иметь ни квалифицированных инженеров-диагностов, ни программное обеспечение, а необходим лишь измерительный прибор. Кроме того, разработанные и уже опробованные программы для диагностики вертолетов на нескольких предприятиях дают, несомненно, более высокую точность и достоверность результатов. Недостатком при внедрении работ является то, что большинство инженерно-технического персонала, прекрасно разбираясь в кинематике машин, знают вопросы динамики машин недостаточно. Поэтому в процессе обучения в вузах необходимо больше уделять времени освоению тем «динамика машин» и «вибродиагностика работающего оборудования». Для получения современных знаний по диагностике механизмов в настоящее время проводятся занятия в ОАО «ИПК МАШПРИБОР» (Институт повышения квалификации работников машиностроения и приборостроения Федерального космического агентства). Итак, мы видим, что при внедрении современных методов обслуживания вертолетного парка получаем существенный экономический эффект, важнейшими составляющими которого являются:

  1. Исключение необходимости разборки работоспособных узлов и деталей;
  2. Устранение дефектов на начальном этапе их возникновения;
  3. Предупреждение аварийных выходов из строя машин;
  4. Оптимизация реальных сроков проведения ремонтных работ;
  5. Планирование объемов работ по выявленным дефектам;
  6. Сокращение заказов запасных частей и снижение объемов механической обработки;
  7. Заказ необходимых комплектующих до начала проведения ремонтных работ;
  8. Уменьшение времени для проведения работ;
  9. Повышение качества обслуживания машин;
  10. Снижение стоимости обслуживания машин на 40—50%.

Журнал Prostoev.NET № 2(7) 2016
Автор: Юрий Савинов,
 к.т.н., начальник отделения отраслевой диагностики технологического оборудования ФГУП «НПО» Техномаш», Роскосмос

Список литературы:

  1. Ю.И. Савинов, Определение параметров механических систем станков. Станки и инструмент, №10, 2010 г., стр. 8–10.
  2. А.В. Барков, Н.А. Баркова, А.Ю. Азовцев, Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: Изд. Центр СПбГМТУ, 2000 г., 159 стр.
  3. Ю.И. Савинов, Обслуживание станков по фактическому состоянию. РИТМ, №4, 2011 г., стр. 130–133.
  4. Ю.И. Савинов, С.В. Шаронов, Патент на изобретение №2399033 «Способ определения люфтов в приводе станка», зарегистрировано 10.09.2010.
  5. Ф.М. Диметберг и др. Вибрации в технике: Справочник, Москва, Машиностроение, 1980 г., том 3, 544 стр.