Пример исследования аномального шума в подшипниках российских электродвигателей: как определить истинную причину неисправности по данным вибрации? 

Частые аномальные шумы, чрезмерные вибрации и аномальное повышение температуры в подшипниках российских промышленных электродвигателей чаще всего обусловлены не дефектами самих подшипников, а неправильной адаптацией оборудования к особым условиям эксплуатации, таким как низкие температуры, высокий уровень запыленности и непрерывные высокие нагрузки в течение 24 часов. В данной статье, основанной на реальных сценариях эксплуатации и технического обслуживания в российских шахтах, подходах инженеров к поиску и устранению неисправностей и измеренных данных о вибрации, используется сравнение спектров и отслеживание условий эксплуатации для выявления истинных причин преждевременного выхода подшипников из строя. В ней представлены оптимизированные методы выбора, смазки и установки подшипников, подходящие для российской промышленной среды, что помогает компаниям улучшить условия эксплуатации электродвигателей, сократить время простоя из-за отказов подшипников и продлить срок их службы.

Глава 1: Почему в российских промышленных двигателях часто встречаются ненормальные шумы подшипников?

1.1 Характеристики условий эксплуатации электродвигателей на промышленных предприятиях России

В условиях тяжелой промышленности, таких как шахты, цементные заводы, металлургические комбинаты, металлургические заводы и насосные станции в России, промышленные двигатели работают в условиях низких температур, высокой запыленности и длительной непрерывной высокой нагрузки. Это приводит к высокой частоте неисправностей подшипников, таких как аномальный шум, износ и преждевременный выход из строя, что предъявляет гораздо более высокие требования к совместимости подшипников, чем в обычных условиях эксплуатации.

У обслуживающего персонала на местах часто встречается ошибочное мнение: когда подшипники двигателя издают ненормальные шумы или усиливают вибрацию, они сразу же предполагают, что это проблема с качеством подшипников, и немедленно прибегают к их замене, как только слышат шум. Однако реальные отзывы с мест показывают, что, хотя большинство оборудования работает нормально в течение короткого периода после замены подшипников, та же неисправность повторяется, не приводя к существенному улучшению работы оборудования.

Обширные данные по техническому обслуживанию оборудования в России показывают, что аномальный шум подшипников и преждевременный износ являются лишь внешними проявлениями неисправности оборудования. Истинные причины большинства отказов кроются в отклонениях при монтаже на месте, неправильном выравнивании муфт, недостаточной низкотемпературной смазке и неправильном выборе зазоров подшипников — проблемах, связанных с совместимостью условий эксплуатации, — и имеют относительно низкую корреляцию с качеством самого подшипника.

Глава 2: Типичные условия эксплуатации. Анализ конкретного случая – Аномальный шум, возникший в подшипнике российского горнодобывающего оборудования после 3 месяцев эксплуатации.

Для реконструкции фактической логики отказов подшипников электродвигателей в суровых условиях эксплуатации в России в данной статье в качестве практического примера используется приводной двигатель ленточного конвейера на российском руднике. Сочетая полный процесс поиска и устранения неисправностей, проводимый инженерами на местах, изменения условий работы на объекте и данные измерений вибрации, статья постепенно анализирует явления отказов, спектр методов поиска и устранения неисправностей, выявляет первопричины отказов и разрабатывает методы оптимизации их применения, предоставляя практический опыт, который может быть использован для поиска и устранения неисправностей аналогичного промышленного и горнодобывающего оборудования в России.

2.1 Информация об оборудовании

Тип оборудования : Приводной двигатель для ленточного конвейера в горнодобывающей промышленности.

Основные параметры : мощность двигателя 75 кВт, номинальная скорость 1500 об/мин, непрерывная работа промышленного класса.

Условия эксплуатации на объекте : Оборудование было установлено и введено в эксплуатацию весной, и на начальном этапе температура окружающей среды была умеренной, что обеспечило стабильную работу. После наступления зимы температура окружающей среды опустилась до -25℃, и оборудование работало непрерывно 24 часа в сутки в условиях открытой горнодобывающей промышленности с высокой запыленностью, с 3-5 запусками и остановками под высокими нагрузками в день.

Конфигурация подшипника в оригинальной комплектации : универсальный подшипник двигателя 6206-2RS C3.

2.2 Явления, связанные с неисправностями, и предварительная оценка на месте

Весной были установлены совершенно новые подшипники общего назначения, которые исправно работали около 3 месяцев. Однако после перехода к зимним условиям низких температур начали проявляться явные неисправности: при запуске на низких оборотах появлялся регулярный ненормальный «гудящий» шум, значительно увеличился общий уровень шума работы машины, наблюдалось аномальное повышение температуры в месте установки подшипников, значительно превысился допустимый уровень вибрации, и постепенно снизилась общая стабильность работы оборудования.

После первоначального расследования бригада на месте определила, что проблема связана с качеством самого подшипника, и запланировала его замену на аналогичный подшипник модели 6206. Чтобы избежать неэффективной замены и повторной доработки, инженеры на месте вмешались, используя численное тестирование вибрации и спектральный анализ для поэтапного выявления истинной причины неисправности.

Глава 3: Не ограничивайтесь только звуком — как выявить проблемы, используя данные о вибрации?

Полагаться исключительно на слух, повышение температуры поверхности и визуальный осмотр недостаточно для точного различения различных типов неисправностей, таких как дисбаланс ротора, механические отклонения при установке и повреждение подшипников. Наиболее надежным методом поиска и устранения неисправностей в промышленных условиях является использование обнаружения среднеквадратичного значения вибрации в сочетании со спектральным анализом для поэтапного выявления неисправностей, что позволяет избежать ненужной замены деталей и увеличения затрат на техническое обслуживание.

3.1 Первый шаг: Определить общее эффективное значение вибрации и уровень неисправности.

В ходе этого испытания использовался профессиональный анализатор вибрации и высокоточный акселерометр для сбора данных о вибрации как с приводного конца двигателя (DE), так и с неприводного конца (NDE). На основе промышленной системы оценки вибрации ISO 10816/20816 и с учетом условий эксплуатации данного промышленного двигателя мощностью 75 кВт, жесткой установки и постоянной нагрузки, в качестве порогового значения срабатывания сигнализации было выбрано значение 2,8 мм/с . Фактически измеренные данные приведены ниже:

Измеренные значения вибрации значительно превысили пороговое значение срабатывания сигнализации, что указывает на существенную аномалию в работе оборудования. Однако, полагаясь исключительно на общее эффективное значение вибрации, можно лишь определить, что оборудование «работает ненормально», и нельзя установить, связана ли проблема с ротором, неправильной установкой или самим подшипником. Поэтому для точного определения места проблемы необходим более детальный спектральный анализ.

3.2 Второй шаг: анализ спектра вибрации для точного определения места неисправности.

Повреждения подшипников имеют характерные спектральные особенности: различные места повреждений соответствуют определенным пикам частоты неисправностей, которые являются основной основой для различения механических несоосностей, неисправностей ротора и неисправностей корпуса подшипника. Соответствие частот четырех основных типов неисправностей выглядит следующим образом:

BPFO (частота отказа наружного кольца) : пиковая частота, характерная для износа, образования точечных повреждений и отслаивания дорожки качения наружного кольца.

BPFI (частота отказа внутреннего кольца) : пиковая частота, характерная для повреждений, износа и усталостного разрушения дорожки качения внутреннего кольца.

BSF (частота отказов элементов качения) : пиковая частота, характерная для износа, деформации и разрушения стальных шариков.

FTF (частота отказов сепаратора) : специфические пиковые значения на низких частотах, связанные с ослаблением, износом и смещением сепаратора.

После завершения спектрального анализа инженеры сначала проверили основной диапазон рабочих частот двигателя и не обнаружили аномальных пиков, тем самым исключив механические неисправности самого двигателя, такие как дисбаланс ротора, изгиб вала или износ ротора . Дальнейшее сравнение характеристических частот выявило только значительные пики, характерные для неисправности наружного кольца подшипника BPFO, в спектре, без соответствующих сигналов неисправности от внутреннего кольца, элементов качения или сепаратора. Проще говоря: когда на наружной дорожке качения подшипника происходит усталостное разрушение или локальное отслаивание, элементы качения будут испытывать регулярные удары в поврежденном месте с каждым оборотом двигателя. При длительной непрерывной работе это приводит к пику вибрации на фиксированной частоте, что является основной причиной постоянного аномального шума и чрезмерной вибрации оборудования после зимы.

На основании всесторонних данных спектрального анализа и условий эксплуатации инженеры определили, что чрезмерный шум и вибрация в оборудовании были вызваны усталостным повреждением наружной дорожки качения подшипника и не имели отношения к ротору двигателя или самому главному валу.

Глава 4: Дальнейшая разборка – Почему подшипник 6206 вышел из строя преждевременно?

4.1 Результаты визуального осмотра после разборки подшипника

Для проверки выводов спектрального анализа мы разобрали неисправный подшипник для осмотра, и его состояние в разобранном виде полностью совпало с результатами спектрального анализа:

Состояние наружного кольца подшипника : на поверхности дорожки качения появляются следы усталостной коррозии и локальные сколы, а плоскостность дорожки качения сильно нарушена, что является непосредственной причиной периодических аномальных шумов и пиков вибрации.

Состояние смазки : Внутренняя смазка черного цвета, имеет высокое содержание примесей, вязкая и комковатая, обладает крайне низкой текучестью и полностью утратила свои функции низкотемпературной смазки и защиты от трения.

Состояние уплотнительной конструкции : двухсторонние резиновые уплотнения имеют незначительный износ, а небольшое количество мелкой пыли из зоны добычи полезных ископаемых попало в подшипник, что ускорило выход из строя системы смазки и износ дорожки качения.

Глава 5: Анализ истинной причины

Инженеры объединили данные об изменениях температуры на месте установки, записи о работе оборудования, спектральные характеристики и состояние разборки подшипников для всестороннего анализа. Они пришли к выводу, что кратковременный износ подшипников и частые ненормальные шумы после наступления зимы были вызваны сочетанием трех проблем на месте установки : недостаточной адаптацией к низкотемпературной смазке, неправильным выбором зазоров и несоосностью при установке . Это не было связано с низким качеством самих подшипников.

Причина 1: Чрезвычайно низкая температура привела к полному выходу из строя системы смазки.

В России зимой в промышленных условиях обычно наблюдаются температуры от -25°C до -40°C. Низкотемпературная стойкость используемых в полевых условиях смазочных материалов общего назначения недостаточна, вязкость резко возрастает, а смазка частично затвердевает и образует комки при сверхнизких температурах.

При запуске двигателя при низких температурах эффективная смазочная пленка не может образоваться, что приводит к прямому сухому трению между дорожкой качения и элементами качения. Это вызывает резкое увеличение сопротивления запуску и резкое локальное повышение температуры. Чередование высоких и низких температур ускоряет карбонизацию, почернение и разрушение смазочной смазки. Длительная работа в режиме сухого трения в конечном итоге приводит к усталостному разрушению и отслаиванию наружной дорожки качения, что вызывает постоянный ненормальный шум и чрезмерную вибрацию.

Причина 2: Неправильный выбор зазора подшипника, недостаточная совместимость.

В оригинальной комплектации использовался стандартный универсальный подшипник С3, который подходит только для работы при стабильной комнатной температуре и не справляется с переменными перепадами температур, характерными для России, например, «пуск при низкой температуре + непрерывная работа при высокой температуре». При непрерывной работе двигателя под высокой нагрузкой температура подшипника повышается, а тепловое расширение металла значительно уменьшает внутренний зазор.

Недостаточный зазор приводит к значительному увеличению контактного напряжения качения в подшипнике. Наружная дорожка качения длительное время подвергается чрезмерной радиальной нагрузке, что приводит к быстрому накоплению усталостных повреждений и, в конечном итоге, к преждевременному отслаиванию и ненормальному шуму при работе.

Причина 3: Неправильная установка двигателя создает дополнительную ударную нагрузку.

В ходе проверки было выявлено отклонение соосности соединительного элемента оборудования на 0,15 мм, что является типичным случаем неправильной установки. Хотя это отклонение оказывает незначительное влияние в нормальных условиях эксплуатации, оно будет постоянно создавать периодические дополнительные радиальные нагрузки в условиях круглосуточной непрерывной работы под высокими нагрузками в России.

Длительная концентрация напряжений в локализованной области на наружном кольце подшипника значительно ускоряет износ. Это, в сочетании с последствиями плохой низкотемпературной смазки, в конечном итоге приводит к кратковременному выходу подшипника из строя и появлению посторонних шумов.

Глава 6: Оптимизация решения – Как снизить шум подшипников в российских двигателях?

Учитывая особенности сложных условий эксплуатации в России, включая низкие температуры, высокую запыленность и круглосуточную непрерывную высокую нагрузку, а также три типа причин неисправностей, выявленных в ходе данного исследования, мы разработали план усовершенствования, адаптированный к условиям эксплуатации на месте, в трех направлениях: адаптация конструкции подшипников, оптимизация системы смазки и заводские испытания и калибровка. Этот план эффективно снижает вероятность отказа подшипников, уменьшает частоту простоев оборудования и продлевает срок службы подшипников.

Вариант 1: Модернизация и оптимизация конструкции и модели подшипника.

На основе опыта, полученного в ходе устранения неисправностей, было установлено, что двигатели в российских горнодобывающих районах, как правило, сталкиваются с такими проблемами, как затрудненный запуск при низких температурах, значительное повышение рабочей температуры, попадание пыли и большие колебания нагрузки. Стандартные подшипники трудно адаптировать к длительным условиям эксплуатации с чередованием зимних и летних температур. Для снижения уровня шума и преждевременного износа необходимо одновременно решить три задачи: снижение трения при запуске при низких температурах, защита от пыли и компенсация теплового расширения зазора. Поэтому в конструкции подшипника вместо обычного подшипника общего назначения 6206-2RS C3 используется комбинация большого зазора C3, усиленной уплотнительной конструкции и низкотемпературной смазки : большой зазор C3 компенсирует потери зазора из-за теплового расширения металла при работе двигателя под высокой нагрузкой, предотвращая чрезмерную затяжку и чрезмерное контактное напряжение; утолщенная двухсторонняя уплотнительная конструкция адаптирована к высокопылевой среде горнодобывающих районов, уменьшая попадание примесей и повреждение системы смазки; Строгий контроль стабильности сопротивления вращению подшипников снижает сопротивление пусковому трению в условиях отрицательных температур, эффективно устраняя такие распространенные проблемы, как сухое трение при низких температурах, усталостное отслаивание и ненормальный шум оборудования.

Вариант 2: Специальная оптимизация низкотемпературной системы смазки

Крайне низкие температуры от -25°C до -40°C в российских зимах являются ключевым фактором, способствующим высокой частоте возникновения шума в подшипниках в зимний период. Обычные смазки для нормальных температур склонны к затвердеванию и слипанию при сверхнизких температурах, теряя свою текучесть и не обеспечивая надлежащего снижения трения. Для адаптации к колебаниям высоких и низких температур окружающей среды традиционные смазочные материалы можно заменить синтетической низкотемпературной смазкой широкого диапазона температур (от -40°C до 120°C) . Фактические преимущества этого решения заключаются в следующем: оно сохраняет хорошую текучесть при сверхнизких температурах, быстро образуя полную смазочную пленку при запуске и остановке двигателя при низких температурах, снижая износ от сухого трения при запуске; оно менее подвержено карбонизации и разрушению при работе с высокими нагрузками и высокими температурами, обеспечивая долговременную смазку и защиту дорожек качения, а также эффективно снижая вероятность шума в подшипниках и усталостного повреждения в условиях низких температур.

Вариант 3: Оптимизация всесторонней заводской инспекции.

Российские промышленные условия сложны и требовательны, и подшипники, изготовленные по стандартным спецификациям, часто не выдерживают нагрузок низких температур и непрерывной работы при высоких нагрузках. Многие отказы в полевых условиях происходят не из-за дефектов подшипников, а из-за недостаточного заводского тестирования на совместимость. Для решения этой проблемы мы оптимизировали стандарты заводского тестирования с учетом российских условий эксплуатации, снизив риск отказов в полевых условиях с самого начала: точная калибровка размеров и зазоров в соответствии с характеристиками теплового расширения оборудования; тщательное тестирование момента трения подшипника и сопротивления вращению для обеспечения стабильности при запуске при низких температурах; и добавление фильтрации по уровню вибрации и шума для исключения неисправных компонентов, что повышает эксплуатационную стабильность подшипника в суровых условиях.

Глава 7: Таблица оценки проблем с подшипниками при различных частотах вибрации

Для облегчения оперативной диагностики аномальных шумов и вибраций в подшипниках двигателей на российских промышленных объектах была составлена таблица, сравнивающая характеристики вибрации, причины отказов и пути их устранения на основе многочисленных полевых случаев. Эта таблица позволяет проводить предварительную диагностику неисправностей без необходимости использования специализированного спектрального оборудования, тем самым повышая эффективность технического обслуживания.

Глава 8: Точные рекомендации по выбору подшипников для российских электродвигателей

С учетом особенностей условий промышленных объектов в России, мы составили справочник по выбору подшипников с повышенной адаптивностью к промышленным двигателям различной мощности и нагрузки. Это снижает вероятность возникновения аномальных шумов и преждевременных отказов на этапе выбора и повышает стабильность работы оборудования.

8.1 Выбор промышленных электродвигателей малого и среднего размера

Для малогабаритных и средних промышленных двигателей, используемых, например, в шахтах, насосных станциях и вентиляторах, предпочтительным выбором являются шариковые подшипники глубокого паза серии 6200 (6204, 6205, 6206). Они оснащены большим зазором C3, двухсторонними уплотнениями 2RS и специальной низкотемпературной смазкой, что обеспечивает баланс между пусковыми характеристиками при низких температурах, пылезащитой и стабильностью работы. Они подходят для большинства малогабаритных и средних двигателей при нормальных условиях нагрузки и эффективно снижают вероятность отказов при низких температурах.

8.2 Выбор крупных промышленных электродвигателей с высокой нагрузкой

Для приводных двигателей крупного высоконагруженного оборудования в таких отраслях, как металлургия, где наблюдаются большие радиальные нагрузки и частые удары, предпочтительным выбором являются цилиндрические роликовые подшипники серии NU благодаря их превосходной несущей способности и ударопрочности, что делает их пригодными для длительной непрерывной работы при высоких нагрузках. Для приводных концов обычных мощных двигателей можно выбрать усиленные шариковые подшипники с глубоким пазом, что позволит сбалансировать эксплуатационную стабильность и экономичность, снижая долгосрочные затраты на техническое обслуживание.

Глава 9: Индивидуальные заводские услуги – Решение проблемы шума российских подшипников в корне.

В суровых, нестандартных условиях эксплуатации в России стандартные подшипники и плановое техническое обслуживание часто не позволяют предотвратить повторные поломки. Поэтому мы не просто поставляем готовые подшипники; мы предлагаем комплексные решения, адаптирующиеся к условиям эксплуатации . Благодаря первоначальной диагностике состояния, среднесрочной адаптации решений и строгому контролю качества после отгрузки, мы помогаем клиентам повысить производительность оборудования и сократить время простоя.

9.1 Услуга точного анализа условий эксплуатации

Сочетая параметры, измеряемые на месте эксплуатации, такие как фактическая температура, рабочая скорость, интенсивность нагрузки, частота пусков и остановок, а также уровень пыли и влажности в окружающей среде, мы можем помочь определить, связана ли неисправность со смазкой, выбором, установкой или нагрузкой, избегая таким образом слепой замены деталей и неэффективного технического обслуживания.

9.2 Индивидуальные решения, разработанные с учетом потребностей клиента

Адаптивные корректировки были внесены с учетом реальных условий эксплуатации на объекте: выбор зазора подшипника был оптимизирован для переменных температурных условий, конструкция уплотнения была модернизирована для работы в условиях высокой запыленности, а соответствующие системы смазки были подобраны для низкотемпературных условий, что позволило адаптироваться к большинству сценариев промышленной эксплуатации в России и снизить вероятность повторного возникновения неисправностей.

9.3 Тщательная проверка всех товаров перед отправкой

Все подшипники, адаптированные к российским условиям эксплуатации, прошли всесторонние испытания, включая калибровку размеров, повторный контроль зазоров, испытания на момент трения и сопротивление вращению, а также проверку на вибрацию и шум, чтобы соответствовать местным требованиям к работе при низких температурах и непрерывных нагрузках, что повышает эксплуатационную стабильность оборудования и продлевает срок службы подшипников.

CTA

Для подшипников российских промышленных электродвигателей, издающих ненормальный шум, повышающихся температур и чрезмерно вибрирующих, прямая замена подшипников не рекомендуется. Большинство повторяющихся неисправностей в эксплуатации вызваны неправильными условиями работы. Анализ данных о вибрации и спектральный анализ позволяют точно определить истинную причину неисправности, эффективно улучшая работу оборудования.

Если у ваших двигателей, используемых в горнодобывающей, цементной, металлургической промышленности или на насосных станциях, возникли проблемы, такие как ненормальный шум подшипников или короткий срок службы, вы можете обратиться к нам за решениями по адаптации к российским криогенным условиям эксплуатации и услугами по анализу неисправностей, которые помогут сократить время простоя, продлить срок службы подшипников и снизить затраты на техническое обслуживание оборудования.