Расчет шанса отказа подшипникового узла

СОДЕРЖАНИЕ
TOC \o "1-3" \h \z \u ВВЕДЕНИЕ PAGEREF _Toc80798367 \h 31 Теоретические аспекты выбора подшипников качения PAGEREF _Toc80798368 \h 41.1 Принцип работы подшипников PAGEREF _Toc80798369 \h 41.2 Выбор смазочного материала подшипников PAGEREF _Toc80798370 \h 92. МЕТОИКА РАСЕТА ШАНСА ОТКАЗА ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА PAGEREF _Toc80798371 \h 122.1 Выбор расчетной модели для определения долговечности подшипников………………………………………………………………….. PAGEREF _Toc80798372 \h 122.2 Определение вероятности безотказной работы подшипников качения PAGEREF _Toc80798373 \h 163 Прогнозирование остаточного ресурса подшипников качения Насосного оборудования ГНОМ для грязной воды……………………………………………………………………………. PAGEREF _Toc80798374 \h 213.1Назначение изделия и принцип работы PAGEREF _Toc80798375 \h 213.2Основные неисправности насосного оборудования PAGEREF _Toc80798376 \h 233.3Прогнозирование остаточного ресурса подшипников качения PAGEREF _Toc80798377 \h 25ЗАКЛЮЧЕНИЕ PAGEREF _Toc80798378 \h 32Список литературы PAGEREF _Toc80798379 \h 34ПРИЛОЖЕНИЯ PAGEREF _Toc80798380 \h 37Приложение 1 PAGEREF _Toc80798381 \h 37Приложение 2 PAGEREF _Toc80798382 \h 41

ВВЕДЕНИЕНасосное и вентиляционное оборудование составляет более 30% от общего числа технологического оборудования на различных установках и ремонтируется согласно графику планово-предупредительных ремонтов (ППР). При этом зачастую возникает необходимость проведения ремонта технически исправного оборудования, либо объем ремонта не соответствует (как правило превышает) степени дефектного состояния.
При переходе к обслуживанию по фактическому состоянию наблюдается снижение удельных эксплуатационных затрат на поддержание оборудования в исправном состоянии более чем в 1,5 раза, за счет строгого соответствия объема и характера требуемых ремонтных работ в определенный момент времени степени поврежденности механизма и его узлов.
Актуальность данного вопроса обусловлена необходимостью оптимизации эксплуатационных затрат на поддержание оборудования в исправном состоянии, правильном расчете и выборе подшипникового узла в насосах ГНОМ - дренажные погружные моноблочные для грязной воды.
Цель работы - повышение точности оценки фактического технического состояния насосного оборудования в процессе эксплуатации.
Основные задачи исследования:
1 Рассмотреть теоретические вопросы подшипников качения;
2 Изучить методику расчета и выбора подшипников качения;
3 Разработка методики расчета остаточного ресурса подшипника качения насосного оборудования.
1 Теоретические аспекты выбора подшипников качения1.1 Принцип работы подшипниковПоявление подшипников было обусловлено необходимостью передачи крутящего момента с наименьшими потерями, и, следовательно, с наименьшим трением.
Первые подшипники использовались в прядильных веретенах, позднее их начали помещать между колесом и осью, а для снижения потерь от трения использовали свиной жир.
Учитывая научно-технический прогресс, с течением времени конструкция подшипников видоизменялась и преображалась.
Леонардо да Винчи использовал в своих разработках опоры качения, поэтому его, наряду с другими, можно считать основателем идеи разработки подшипника качения.
Среди его работ существует изображение шарикоподшипника, состоящего из внешнего кольца и внутреннего кольца, между которыми находятся шарики, способствующие вращению.
Подшипники в современном представлении были разработаны в конце XIX века [1].
Подшипники качения – это опоры вращающихся или качающихся деталей, использующие элементы качения (шарики или ролики) и работающие на основе трения качения. Основные детали подшипников качения. Подшипники качения состоят из следующих деталей (рис. 1):
1 – наружного кольца с диаметром D;
2 – внутреннего кольца с диаметром отверстия d и шириной B;
3 – тел качения c диаметром Dw (шариков или роликов), которые катятся по дорожкам качения колец;
center775970004 – сепаратора, отделяющего и удерживающего тела качения в собранном состоянии.
Рисунок 1 – Виды и основные части подшипников качения
Функции подшипника:
Передача крутящего момента с наименьшим сопротивлением;
Опорная функция [2].
Классификация подшипников.
1. По виду трения:
А. Подшипники скольжения;
Б. Подшипники качения;
2. По способу восприятия нагрузки:
А. Радиальные;
Б. Упорные;
В. Радиально-упорные [3].
В зависимости от необходимого способа передачи крутящего момента, подшипники могут иметь свои особенности в конструкции.
Подшипники скольжения.
Участок вала (цапфа) скользит по внутренней поверхности подшипника, выполняющего функции опоры.
В цилиндрическом отверстии подшипника находится втулка (вкладыш), состоящая из антифрикционного материала. Во вкладыше находится вал, имеющий по отношению к вкладышу зазор, который заполнен смазывающим материалом, призванным снизить потери от трения.
Существует большое количество конструктивных типов подшипников
скольжения: самоустанавливающийся, сегментный, самосмазывающийся.
Так же распространение получили шарнирные подшипники скольжения.
Преимущества.
1. Имеют возможность допущения высокой скорости вращения;
2. Могут работать в различных условиях (в воде и при ударных нагрузках);
3. Имеют высокую экономичность при больших размерах валов;
4. Могут быть разъемными;
5. Имеют возможность регулировки зазора и настройку геометрической оси вала.
Недостатки.
1. Высокие потери на трение и сниженный КПД (0,95...0,98);
2. Необходимость постоянной подачи смазки;
3. Неравномерный износ подшипника и цапфы; Необходимость использования дорогостоящих материалов;
5. Относительно высокая трудоемкость изготовления [5].
Подшипники качения.
Состоят из двух колец (внутреннего и наружного), имеющих дорожку качения, шариков/роликов, выполняющих вращение по дорожке качения, а также из сепаратора, разделяющего шарики/ролики между собой [4]. Подшипники качения были призваны заменить подшипники скольжения ввиду меньшей зависимости от смазки.
Условный коэффициент трения качения мал и при этом упрощаются система смазки и обслуживание подшипника [6].
Преимущества.
1. Небольшие потери;
2. Нетрудоемкий ремонт;
3. Малый пусковой момент;
4. Отсутствие острой потребности к постоянной подаче смазки
Недостатки.
1. Чувствительность к механическим воздействиям;
2. Сравнительно большие радиальные размеры
3. Шум при высокой частоте вращения [5].
Радиальные шариковые подшипники имеют простую конструкцию и недороги в изготовлении. Наиболее простые и дешевые. Допускают небольшие перекосы вала (до 1/4°) и могут воспринимать осевые нагрузки, но меньше радиальных. Наибольшее распространение получили в машиностроении. Радиальные роликовые подшипники позволяют значительно большие нагрузки, чем шариковые, ввиду увеличенной контактной поверхности.
Но при этом не допускают осевых нагрузок и перекосов вала.
Самоустанавливающиеся подшипники (могут быть и шариковыми, и роликовыми) применяются тогда, когда необходимо учитывать перекос вала (до 3°). У нихсферическая поверхность наружного кольца и ролики бочкообразной формы.
Небольшие осевые нагрузки некритичны.
Игольчатых подшипники были призваны уменьшить габариты. Перекос оси, соответственно, не допускается. Осевые нагрузки приемлемы.
Обозначение подшипников качения. Подшипники имеют условное обозначение, состоящее из цифр и букв. Пятая или пятая и шестая справа цифры обозначают конструктивные разновидности подшипников: угол контакта шариков в радиально-упорных подшипниках; наличие защитных шайб, канавок под упорное кольцо и др. Перед основными знаками условного обозначения через дефис могут ставиться: класс точности (нормальный класс точности (0) не указывается), радиальный зазор в подшипниках и величина момента трения (в этом случае нормальный класс точности указывается). Справа от основного обозначения указываются дополнительные обозначения (буквы и цифры), учитывающие: отличия по материалам деталей, конструкции, покрытиям, зазорам, чистоте обработки; специальные требования по шуму (вибрации); обозначение сортов закладываемой смазки, специального отпуска деталей подшипников и др.
Итак, самые надёжные подшипники, которые используются в машиностроении, в сельскохозяйственных машинах и для авто, те, которые выпускают известные производители. От выбора подшипников зависит практически всё, как ваша безопасность, так и ваш финансовый расход.
Подшипник – это деталь, имеющая различные по ГОСТ размеры, и является важной в любом механизме, которая обеспечивает вращение конструкционных частей механизма. При выборе подшипников всегда стоит учитывать, где они применяются, так как любой механизм, имеют как недостатки, так и достоинства. Надёжность подшипника зависит от того какие функции и задачи он выполняет. Следует учесть ресурс подшипника, то есть время его эксплуатации и обратить внимание на биение. В случае если биение будет превышено, подшипник быстро износится. Главное при приобретении данной детали, следует обратить внимание на то, куда подшипники устанавливаются, в какое оборудование, так как в каждом оборудовании существует биение, и оно разное. А теперь вернёмся к главному вопросу о надёжности и можем сказать, что надёжные подшипники такие, которые подобраны конкретно для определённых условий и оборудовании, где они совершают свою работу вращения.
1.2 Выбор смазочного материала подшипниковВ течение последних десятилетий проведены большие теоретические и экспериментальные исследования в области расчетов ресурса подшипников качения. Выявлено значительное влияние на ресурс не только частоты вращения подшипника и контактных напряжений, но и вязкости смазочного материала, а также степени его загрязнения. Было установлено наличие горизонтального участка кривой усталости, определен предел усталостной нагрузки. Уточнено значение коэффициента надежности и введен новый системный коэффициент модификации ресурса. Все это нашло отражение в новом стандарте [1], посвященном расчету подшипников качения и введенном в РФ в 2015 г.
Основная цель смазки состоит в том, чтобы отделить металлические поверхности компонентов подшипника тонкой смазочной пленкой для предотвращения износа. В тоже время, смазывая пленка уменьшает трение и поэтому диссипация силы, приводит к уменьшению энергопотреблении всей системы.[1]
Смазка является важным элементом всей системы подшипников и должна быть тщательно продумана. Около 40 процентов всех преждевременных отказов подшипников вызваны проблемами со смазкой.
Причины этого различны и начинаются с ошибок, возникающих во время установки подшипников, а также неправильного обслуживания, таких как неспособность вовремя восстановить смазку. Другими критериями выбора подходящей смазки являются нагрузка на подшипник, рабочая температура, температура окружающей среды подшипников, диапазон скоростей подшипников и возможное загрязнение подшипников. Используя три примера применения, влияние смазки на работу подшипников проиллюстрировано ниже.
Несмотря на правильную обработку, установку и проектирование, могут возникать сбои, если не принимать во внимание проблемы в операционной среде. Вот некоторые из важных деталей для рассмотрения:
Воздушные загрязняющие элементы как пыль и грязь, которые могут загрязнить подшипник со временем. Правильные методы запечатывания в этих случаях необходимы.
Агрессивные вторжения среды или воды. Уплотнение имеет решающее значение для правильной работы, и рекомендуются специальные уплотнения.
Внешняя температура диктует много факторов, как высокотемпературная смазка, радиальный внутренний зазор, прерывистый или непрерывный ход и другие кретерии, которые повлияют на жизнь подшипника. Прохождение электрического тока. В энергогенерирующем оборудовании важно быть внимательным к протеканию тока через элементы качения. В противном случае на опорных поверхностях могут образоваться ямки или рифления. Для поддержания оптимальной работы подшипника необходимо проводить регулярные проверки. Во время работы сотрудник должен всегда проверять подшипник на наличие ненормального шума и/или вибрации. Анализ вибрации является частью мониторинга состояния, который может включать термографию, анализ вибрации с помощью таких инструментов, как вибрационная ручка, и анализ масла, который может сравнивать текущие состояния подшипника с историческими данными и обеспечивать оценку оставшегося срока службы подшипника.
При проведении осмотра подшипник должен быть тщательно проверен и немедленно удален, если условия ухудшаются, прежде чем отказ станет катастрофическим. Если условия остаются такими же, то подшипники могут остаться в работе. Со временем изучение и регистрация типа отказа и его возможных причин поможет обосновать типы проблем подшипников, упомянутых выше, что приведет к меньшему количеству отказов как подшипника, так и связанного с ним оборудования в будущем. [2]
При испытательной эксплуатации большого насоса охлаждающей воды – бетононасоса, т. е. центробежного насоса с вертикальным валом в литом бетонном корпусе– осевой подшипник на приводном конце многократно превышал допустимую рабочую температуру, что приводило к автоматическому отключению. При ближайшем рассмотрении в качестве виновника было установлено использование неподходящей смазки для этого применения. Рассматриваемое масло было чистым гидравлическим маслом, которое никоим образом не отвечало требованиям подшипника с точки зрения состава, т. е. добавок, или вязкости.
Высокая измеренная рабочая температура была прямым результатом металлического контакта и возникающего трения, особенно между боковыми поверхностями тел качения и направляющими кромками установочных шайб вала. Это привело к необратимому повреждению функциональных зон подшипников в течение короткого времени, фактически предотвращая надежную долгосрочную эксплуатацию. Подшипники пришлось заменить с большими затратами времени. Путем изменять к подходяще вязкостному маслу, выбранному для параметров применения и пользы с сферически подшипниками тяги ролика, было достигнуто надежное разъединение контактных поверхностей и низкая рабочая температура.
Как видно из приведенных выше примеров, эксплуатационная надежность и долговечность подшипников может быть значительно повышена путем правильной оценки и регулировки смазки. Как правило, чем раньше будет решен вопрос смазки, тем легче и экономичнее можно будет решить проблему или избежать её.
2. МЕТОИКА РАСЕТА ШАНСА ОТКАЗА ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА2.1 Выбор расчетной модели для определения долговечности подшипниковРассмотрим методы расчета параметров подшипников, применяемые различными производителями.
Начнем с одного из ведущих международных производителей подшипников - компании SKF.
Каталог продукции SKF даёт возможность подобрать требуемый подшипник, отталкиваясь от целого ряда определяющих факторов:
полезное пространство;
действующие нагрузки (их значение и характер);
возможность и величина перекоса;
точность изготовления и жёсткость элементов конструкции;
частота вращения;
достигаемые значения температуры;
величина вибрации;
величина загрязнения;
тип и метод смазывания;
точность вращения;
величина трения;
уровень шума;
величина осевого смещения;
параметры монтажа и демонтажа;
подбор уплотнений.
Выбор подшипника может определяться как общей стоимость всего подшипникового узла, так и затратами хранение подшипников, однако в данной работе этот фактор отходит на задний план.
Отметим особо значимые факторы, такие как действующие нагрузки, частота вращения, величина трения, достигаемая температура и рассмотрим варианты подшипников, предлагаемые компанией SKF для наиболее эффективного функционирования в различных условиях для каждого из факторов.
Действующие нагрузки — это один из факторов, на основании которого определяется подбор габарита используемого подшипника. В общем случае, роликовые подшипники способны воспринимать большие нагрузки, чем шариковые подшипники тех же габаритов. Как правило, шариковые подшипники применяются в случае воздействия на них лёгких и средних нагрузок, в отличие от роликовых, применяют при более высоких нагрузках.
Характер нагрузки:
Радиальные нагрузки. Цилиндрические роликовые подшипники, игольчатые роликовые подшипники и тороидальные роликовые подшипники предназначены для восприятия только радиальных нагрузок. Другие типы радиальных подшипников, кроме радиальных нагрузок, могут применяться при воздействии разных значений осевых нагрузок.
Осевые нагрузки. Упорные шариковые подшипники и шариковые подшипники с четырёхточечным контактом предназначены для восприятия лёгких и средних осевые нагрузки. Одинарные упорные шариковые подшипники способны воспринимать осевые нагрузки, которые действуют исключительно в одном направлении. Для осевых нагрузок, действующих в обоих направлениях, требуется использование двойных упорных шариковых подшипников.
Комбинированные нагрузки. Комбинированная нагрузка представляет собой радиальную и осевую нагрузки, действующие в одномоментно.
Эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник. В случае равенства значения действующей на подшипник нагрузки и динамической грузоподъёмности подшипника С, можно принять, что данная нагрузка неизменна по величине и направлению и действует в радиальном направлении на радиальный подшипник или в осевом направлении по центральной оси на упорный подшипник, тогда Р = F и величина нагрузки возможно подставлять напрямую в формулы для расчета ресурса подшипника. При других значениях действующей нагрузки эквивалентная динамическая нагрузка в большинстве случаев подлежит расчёту. Эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник определяется как предположительная нагрузка, неизменная по значению и направлению, которая действует в радиальном направлении на радиальный подшипник или в осевом направлении по центральной оси на упорный подшипник и оказывает влияние на ресурс подшипника, равное 2161540214185500фактической нагрузке, действующей на подшипник (Рис. 2).
Рисунок 2 - Эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник
Радиальные подшипники зачастую подвергаются синхронному влиянию радиальных и осевых нагрузок. В случае, когда общая нагрузка неизменна по величине и направленности, появляется возможность вычисления эквивалентной динамической нагрузки на подшипник Р по общей формуле:
Р - XFf.+ YFa, [1] где:
Р - эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник [кН];
Ff - фактическая радиальная нагрузка на подшипник [кН];
Fa - фактическая осевая нагрузка на подшипник [кН];
X - коэффициент радиальной нагрузки для подшипника;
Y- коэффициент осевой нагрузки для подшипника.
122268156900
Рисунок 3 – Модель распределения сил в коническом подшипнике
Рассмотрим расчетную модель подшипника, применяемую компанией ЕРК.
Расчет динамической эквивалентной нагрузки.
Динамической эквивалентной радиальной нагрузкой (Р) именуется непрерывная постоянная радиальная нагрузка, при влиянии которой подшипник будет иметь ресурс, сопоставимый с ресурсом, получаемым в условиях реального воздействия нагрузки в эксплуатации. Динамическая эквивалентная радиальная нагрузка (Р) в случае применения шариковых радиальных и радиально-упорных подшипников при стабильных радиальной и осевой нагрузках будет принимать значения, получаемые при расчете по следующим формулам:
Рr = (XV Fr + Y Fa) Кσ КT,. [2], где:
Рr - эквивалентная динамическая радиальная нагрузка, Н;
Fr - радиальная нагрузка или радиальная составляющая практической нагрузки, действующей на подшипник, Н;
Fa - осевая нагрузка или осевая составляющая практической нагрузки, действующей на подшипник, Н;
X - коэффициент динамической радиальной нагрузки;
Y- коэффициент динамической осевой нагрузки;
V - коэффициент вращения; в случае вращения наружного кольца относительно направленности нагрузки V = 1,2; в остальных случаях V = 1.
Кσ - коэффициент нагружения;
КT, - температурный коэффициент;
В случае если Fa / Fr < е, применяется формулa:
Pr=Ff Кσ Кт, где:
е - максимальное значение отношения Fa / Fr, на основании которого подбираются коэффициенты X и Y.
Величины X, Y и е приводятся в ГОСТ 18855-94 «Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и расчетный ресурс (долговечность)».
Расчет динамической эквивалентной осевой нагрузки.
Динамической эквивалентной осевой нагрузкой (Ра) именуется стабильная осевая нагрузка действующая по центру подшипника, и при воздействии которой подшипник ресурс подшипника будет равнозначен, нагрузке, полученной в реальных условиях эксплуатации.
Динамическая эквивалентная осевая нагрузка (Рa) для шариковых упорно-радиальных подшипников с углом контакта α≠90° при постоянных радиальной и осевой нагрузках принимается:
Pa = (XV Fr + Y Fa) Кσ Кт2.2 Определение вероятности безотказной работы подшипников каченияОбщепринятая методика расчетов подшипников позволяет рассчитать характеристики подшипника, которые позволят ему с 90% вероятностью безотказно работать в течение требуемого ресурса. В виду важности подобных элементов подобная надежность недостаточна. Поэтому подшипники проектируют с запасами по ресурсу. Для определения вероятности безотказной работы можно воспользоваться одним из следующих методов.
center136975300Первый метод основывается на распределении Вейбулла, входе многочисленных ресурсных испытаний подшипников были найдены коэффициенты необходимые для распределения Вейбулла [2]. Для подшипников данное распределение имеет вид:
где Lтреб. – ресурс подшипника, требуемый в конструкции в миллионах
оборотов;
L90 – ресурс, обеспечиваемый с вероятностью 90 %, рассчитывается по
347027524003000формуле:
С помощью данных вычислений можно найти вероятность безотказной работы для различных соотношений ресурсов.
Второй метод основывается на отношении требуемого ресурса к
234696029259500расчетному ресурсу.
ГОСТ 18855-2013 содержит значения коэффициента, зная его можно определить вероятность безотказной работы подшипника.
Для получения ВБР для промежуточных значений а1 можно провести интерполяцию или воспользоваться рис. 4.

183328619000
Рисунок 4 - Вероятность безотказной работы в зависимости
от коэффициента а1
2339340136652000Третий метод основывается на запасе по ресурсу. Полагаем, что динамическая грузоподъемность и эквивалентная нагрузка распределены по нормальному закону. Тогда ВБР определяется по квантилю нормированного нормального распределения:
243590235865100где запас n определяется согласно формуле:
Uc - коэффициент вариации динамической грузоподъемности;
Up - коэффициент вариации динамической эквивалентной нагрузки.
Коэффициент вариации динамической грузоподъемности определяется по формуле:
center4200
где 1,28 - 90% квантиль нормированного нормального распределения.
Коэффициент вариации динамической эквивалентной нагрузки зависит от характера нагрузки [3].
Использование этих методов позволяет рассчитать вероятность безотказной работы подшипника при различных нагрузках, действующих на него. Расчет ВБР элементов системы позволяет использовать структурные схемы надежности для расчета надежности всей системы.
Итак, сравнивая расчетные модели, применяемые компаниями SKF и ЕРК можно выделить следующие особенности:
При расчете эквивалентной нагрузки модель ЕРК учитывает гораздо больше параметров, нежели модель SKF, таких как:
коэффициент вращения V, зависящий от вращения наружных и внутренних колец.
коэффициент безопасности Кσ, учитывающий характер нагрузки на подшипник.
температурный коэффициент Кт.
Вместе с тем, обе модели не учитывают влияние формы тела качения и геометрии подшипника с конусными роликами.
Также обе модели не подразумевают распределение нагрузки между телами качения, в том числе для определения тела качения, на которое действует наибольшая нагрузка [3], которая составляет 30-50 % от общей радиальной нагрузки. Данный фактор в обязательном порядке должен учитываться при разработке подшипника, так как прямым образом влияет на долговечность и надежность подшипника.
Модель SKF, в отличие от модели ЕРК, рассматривает влияние трения на долговечность подшипника. В ней учитываются момент трения, внутренние зазоры и перекосы, влияние смазочного материала на величину трения, в том числе учитывается нагрев смазки.
Однако, обе модели полностью упускают из поля зрения один из важнейших параметров - работа сил трения, который в наибольшей степени влияет на уровень нагрева подшипника
Хоть такой фактор как контакт торца ролика с буртами колец подшипника и упоминается в описании расчетной модели SKF, при подборе подшипников как SKF, так и ЕРК он не принимается во внимание, несмотря на свое огромное значение.
И, наконец, обратим внимание, что обе расчетные модели сводят тело качения к шарику, в отличии, например, от представленной на рисунке 2 модели. Из данного обстоятельства как раз и вытекает упущение из поля зрения влияния контакта торца ролика с буртами колец подшипника и геометрии тел качения.

3 Прогнозирование остаточного ресурса подшипников качения Насосного оборудования ГНОМ для грязной водыНазначение изделия и принцип работыЭлектронасосы центробежные погружные Гном 25-20, Гном 40-25, Гном 53-10, Гном 50-25 и Гном 100-25 (в дальнейшем электронасосы) предназначены для откачивания загрязненных вод температурой до 35 0С, исполнение Тр – до 60 єС плотностью до 1100 кг/м3, при содержании твердых механических примесей до 10 % по массе с плотностью твердых частиц не более 2500 кг/м3 и максимальным размером до 5 мм.
Электронасосы не предназначены для эксплуатации во взрыво и пожароопасных помещениях.
Электронасосы относятся к изделиям общего назначения вид I (восстанавливаемые).
Электронасосы изготавливаются в климатическом исполнении У*, предназначенные для работы в воде.
Режим работы продолжительный.
Условия работы – под надзором. Электронасос представляет собой переносной моноблок, состоящий из погружного асинхронного двигателя и центробежного одноступенчатого насоса.
Конструкции электронасоса приведены на рис. 5.
Двигатели электронасосов имеют сухую обмотку.
Конструкции электронасосов имеют открытые и закрытые рабочие колеса.
Уплотнение рабочих колес по торцу и ступице обеспечивается регулируемой диафрагмой или армированным резиновым кольцом.
Нижний подшипник установлен в корпусе наклею. Герметизация двигателя осуществляется торцовым уплотнением, манжетой и разделительной масляной камерой.
Масло заливается через резьбовое отверстие в нижней части корпуса.
Отверстие закрывается пробкой с резиновым кольцом.
right53657500left31082900В крышке имеется технологическое отверстие, закрытое пробкой.
Рисунок 5 - Конструкции электронасоса Гном 25-20

Основные неисправности насосного оборудованияРазнообразие конструкций и условий применения насосов определяет разнообразие возможных неисправностей. В руководстве по эксплуатации каждого насоса приводится подробный список характерных неисправностей и способов их устранения.
Приведем краткий обзор типичных неисправностей насосного оборудования.
Основные признаки неисправностей, проявляющиеся в процессе эксплуатации: вибрация агрегата, повышенный уровень шума и изменение его тональности, повышенные рабочие токи, пульсации давления.
Причины выхода насоса из строя можно разделить на несколько групп.
1. Механические неисправности:
1.1. дефекты изготовления, сборки и монтажа насосного агрегата;
1.2. вызванные износом насосного агрегата.
2. Неисправности системы управления:
2.1. работа в недопустимых режимах (вне рабочей зоны);
2.2. неисправности системы электропитания;
2.3. неисправности электродвигателя.
3. Неисправности гидравлической системы:
3.1. неправильный подбор насоса;
3.2. изменение параметров сети.
4.1. Механические неисправности.
Дефекты изготовления или сборки определяются во время предпусковой подготовки и во время пробного пуска. Часть заводских дефектов проявляется лишь через некоторое время работы.
В процессе работы происходит износ подшипников, рабочих колес или роторов, уплотнений, резиновых деталей муфт.
Износ подшипников приводит к повышенной вибрации агрегата. При длительной работе на изношенных подшипниках возможен перекос ротора. Последствия—рост потребляемой мощности, повышенный нагрев подшипников и стойки, задевание за корпус рабочего колеса, перекос и задевание за корпус сальникового уплотнения.
Износ рабочих колес приводит к падению подачи и напора при практически неизменной потребляемой мощности. При сильном износе колеса и щелевого уплотнения на входе нарушается балансировка: возникает неуравновешенная осевая сила. Последствия—нагрузка на подшипники и их износ, смещение рабочего колеса в полости насоса, трение его о корпус (всасывающий патрубок) и износ колеса и корпуса.
Износ торцовых уплотнений особенно опасен для погружных насосов (ГНОМ, НПК, ЦМК...), так как вода попадает в полость электродвигателя и вызывает повреждение обмотки.
Для всех насосов недопустима работа «всухую» (без заполнения полости насоса жидкостью).
Это особенно опасно для погружных насосов (ЭЦВ, ГНОМ, НПК и др.), т.к. нарушается охлаждение двигателя и далее происходит разрушение изоляции. Работа «всухую» приводит к перегреву и разрушению уплотнений. В сальниковом уплотнении истирается набивка, а затем повреждается защитная втулка. В торцовом уплотнении разрушаются кольца. У ряда насосов (ЭЦВ, UPS, ХЦМ) разрушаются подшипники скольжения, которые в нормальных условиях смазываются и охлаждаются перекачиваемой жидкостью.
Для защиты от работы «всухую» необходима установка датчика сухого хода или датчика давления на входе, установка защиты по току (от работы с током, меньшим номинального).
В ряде случаев при вероятности работы «всухую» возможно использование центробежных насосов с двойными уплотнениями (с подводом затворной жидкости).
Для динамических насосов недопустимым режимом является также выход за пределы рабочей зоны (подача меньше Qmin или больше Q max),т.к. при этом возрастает вероятность возникновения кавитации. Работа с подачей, большей максимальной, приводит также к перегрузке электродвигателя.
Прогнозирование остаточного ресурса подшипников каченияЗадачу прогнозирования отказов роторного оборудования можно обоснованно свести к вопросу расчета остаточного ресурса его подшипников, поскольку практически половина отказов приходиться по причине выхода из строя подшипниковых узлов [28].
Известно, что наиболее эффективными функциональными методами диагностирования машин и механизмов с вращающимися роторами являются виброакустические методы [23]. Большинство из них предполагает наличие норм вибрации диагностируемых машин и механизмов.
Пороговые уровни вибрации, превышение которых может дать основание рассматривать механизм как находящийся в плохом ТС, рекомендовались многими авторами на основании эмпирических данных, которые, однако, редко научно обосновывались. Было установлено, что в 90% случаев событию отказа предшествовало повышение уровня вибрации [15].
Уровень вибрации работающих машин и механизмов зависит от того, насколько качественно они были спроектированы и собраны, а также установлены на объекте. Практика виброконтроля и диагностирования машин и механизмов показала, что между их характеристиками вибрации и ТС существует прямая связь.
Эксплуатационные показатели роторного оборудования определяются состоянием подшипниковых узлов, лимитирующий его ресурс. Поскольку практически все повреждения подшипников непременно ведут к аварийному входу из строя механизма в целом, и соответственно, к экономическим потерям, поэтому мониторинг ТС подшипников является основным и наиболее важным аспектом работ по диагностированию состояния роторного оборудования.
На практике диагностирование подшипников для обслуживающего персонала сводится к информации о возможности дальнейшей эксплуатации, сроках и объемах проведения ремонта, и ограничениях, накладываемых обнаруженным дефектом на функциональные возможности. На данные вопросы позволяет ответить решение задач прогнозирования ТС и остаточного ресурса подшипника и механизма, совместно с применяемой системой обслуживания оборудования.
Под прогнозированием ТС подшипника и механизма подразумевается определение состояния диагностируемого объекта на установленный интервал времени с данной вероятностью [46]. Это может быть либо определение интервала времени (остаточного ресурса), в течение которого сохранится исправное состояние объекта, либо определение вероятности сохранения исправного состояния в течение заданного периода времени [46].
На состояние подшипника оказывает влияние множество внешних (рабочая температура, динамическая и статическая нагрузка, ударное воздействие, условия смазки, скоростные режимы работы, эксплуатации и др.) и внутренних факторов (конструкционные особенности, состояние смазки и др.). Уровень вибрации (как энергетический показатель) совмещает в себе совокупность данных факторов влияния, и несет информацию о ТС и уровне развития повреждений подшипника.
Анализ условий эксплуатации проводят с целью определения возможности достоверной оценки прогнозируемого остаточного ресурса оборудования, выявления наиболее информативных параметров и источников получения исходных данных, необходимых для расчета. Поэтому условия эксплуатации и состояние смазки являются определяющими факторами надежной, долговечной и безотказной работы подшипника, и соответственно, в решении задач расчета остаточного ресурса следует принимать во внимание степень и качество смазки тел качения.
Исходя их приведенных ранее формул и математических преобразований получена формула корректировки базового расчетного ресурса подшипника в зависимости от уровня смазки тел качения (а3), температурного режима работы (Кт) и уровня виброускорения (А) механизма:
center24121700
где n – частота вращения внутреннего кольца, Гц; А – виброускорение механизма, мм/с2.
Данная зависимость универсальна, но при расчете возникают сложности ввиду необходимости проведения громоздких расчетов и поиска индивидуальных справочных значений соответствующих коэффициентов и параметров представленной формулы.
Поэтому в ЭС был разработан алгоритм (приложение Л), позволяющий произвести корректировку базового остаточного ресурса подшипника в зависимости от типа, вида и условий работы подшипника.
В основном окне программы, после выбора марки механизма (рис. 6 поз.1) автоматически по умолчанию задаются следующие параметры механизма, которые поддаются корректировке при необходимости:
– частота вращения ротора механизма (поз.2);
– марка подшипника, установленного в соответствующем узле (поз. 4);
– масса механизма (поз.6).
В зависимости от номера подшипника, задаваемые программой после выбора марки механизма, автоматически устанавливаются габаритные характеристики:
- диаметр внутреннего кольца (поз. 16);
- диаметр наружного кольца (поз.17);
- угол контакта тел качения (поз.18);
- диаметр тел качения (поз.19);
- количество тел качения (поз.20).
Данные параметры необходимы для спектрального анализа, путем расчета частот:
- перекатывания тел качения по наружному кольцу (поз. 21);
- перекатывания тел качения по внутреннему кольцу (поз. 22);
- вращения тел качения (поз. 23);
- вращения сепаратора (поз. 24).
-5937736466300
Рисунок 6 - Программа корректировки базового расчетного ресурса подшипника
Корректировка долговечности подшипника Lh (поз. 25) производится согласно формуле выше, где значения коэффициентов, приведенных ниже, устанавливаются программой по умолчанию, но при необходимости могут изменяться пользователем в зависимости от условий эксплуатации [9]:
1 Коэффициент вращения (поз.7) колец подшипника (по умолчанию V=1, соответствующий вращению внутреннего кольца подшипника относительно неподвижного наружного). Для иных условий, т.е. при вращении наружного кольца (V=1,2), корректировку можно произвести в графе «уточнение условий» (поз. 26).
Коэффициенты динамической радиальной X (поз.8) и осевой нагрузки Y (поз.9), значения которых задаются программой в зависимости от марки подшипника (поз. 1).
Коэффициент безопасности (поз.10), учитывающий влияние динамических условий работы подшипника (для спокойной нагрузки без толчков по умолчанию KБ =1). Для различного характера нагрузки и области применения, в программе в графе «уточнение условий» реализован выбор значения коэффициента безопасности (поз.27).
Коэффициент температурного режима Кт (поз. 11) определяется в зависимости от рабочей температуры подшипника (поз. 28).
Коэффициент надежности (а1), определяющий ресурс подшипника в зависимости от надежности подшипника.
Коэффициент конструкции подшипника (поз. 13), определяющий ресурс в зависимости от конструкции либо особых заводских свойств подшипника. При применении специализированных технологий изготовления, других материалов и др., завод-изготовитель устанавливает значение коэффициента. При отсутствии информации коэффициент равен единице [39].
7 Коэффициент условий работы подшипника (поз.14), определяющий ресурс в зависимости от условий эксплуатации, степени и качества смазки, наличия механических примесей и инородных тел, факторов,
вызывающих изменения свойств материала [39]. Различные источники нормируют уровень смазки подшипника, но не дают однозначного ответа на вопрос влияния степени смазки на долговечность подшипника. Для характеристики степени смазки подшипника использован параметр «LUB», реализованный в анализаторе «LEONOVA INFINITY» [8] шведской компанией «SPM». Число «LUB» принимает значение в относительных единицах от 6 до 0, математический расчет которого производится на основании замера уровня ударных импульсов в децибелах [16]. Примем нормированную степень смазки по 7 - бальной шкале показателя «LUB» (где 0 – отсутствие смазки, 6 – полная смазка), для расчета прогнозируемого ресурса подшипника, путем сопоставления с коэффициентом смазки а3 (поз.14, 30). Для подшипника № 6-180206 шариковый радиальный однорядный (Приложение 2), установленного на рассматриваемом насосе, при фактических условиях эксплуатации был произведен расчет остаточного ресурса подшипника, который составил 10172 часа (это значит, что при данных сложившихся неизменных условиях эксплуатации исследуемый подшипник теоретически проработает 424 суток). Полученные теоретические результаты не противоречат получаемым практическим данным по реальной наработке на отказ подшипников качения, которые, как правило, составляют 12 000 – 14 000 ч. при обычном режиме эксплуатации насосного оборудования.
Полученная аналитическая зависимость позволяет производить расчет остаточного ресурса подшипника Lh в зависимости от его конструктивных особенностей, условий эксплуатации (температура, смазка), режима нагрузки и уровня вибрации механизма. Подобная коррекция ресурса математически описанными параметрами фактических условий эксплуатации подшипника значительно повышает вероятность получения достоверного прогноза остаточного ресурса.
Реализация данной формулы в виде программы с загруженными справочными данными для различных марок механизмов и подшипников позволила максимально автоматизировать процессы вычисления остаточного ресурса и фактического состояния подшипникового узла, что особо актуально на производстве в условиях ограниченного времени и различной степени квалификации обслуживающего и ремонтного персонала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕПерекачку жидкостей осуществляют с помощью насосов. В них происходит вращение, которое обеспечивают подшипники насоса. Вне зависимости от того, это насос местного водопровода, нефтяной скважины на удаленном месторождении или насос для едких реагентов на химическом заводе, везде требуется надежность и эффективность насосов и подшипников.
Подшипники насосов работают в тяжелых условиях, от них требуется долговечность и надежность. Их отличает повышенная точность и максимальная скорость вращения, низкий момент трения и, соответственно, малые потери на вращение. В большинстве случаев они оснащаются уплотнениями для защиты от проникновения жидкостей и твердых частиц внутрь подшипника.
Раньше в насосах использовали подшипники скольжения, в том числе, смазываемые перекачиваемой жидкостью. Но такие подшипники имеют ограниченные характеристики, особенно по грузоподъемности и жесткости. Внедрение подшипников качения для насосов позволило многократно повысить скорость, производительность и ресурс насосов, снизить их шумность и объем требуемого техобслуживания.
Особые требования к подшипникам, применяемых в насосах Гном 25-20 это: удержание смазки внутри; способность долго работать без смазывания или замены; низкие потери на трение, так как энергопотребление насосов может достигать половины всех расходов на их эксплуатацию.
Установлено, что основной причиной выхода из строя подшипников качения является недостаточное количество и ухудшение качества смазки.
Задачу прогнозирования отказов роторного оборудования можно обоснованно свести к вопросу расчета остаточного ресурса его подшипников, поскольку практически половина отказов приходится по причине выхода из строя подшипниковых узлов. Разработана методика, позволяющая производить корректировку базового расчетного ресурса подшипника насосного и вентиляционного оборудования, в зависимости от уровня виброускорения механизма, степени смазки и температурного режима работы. Это позволяет оценить остаточный ресурс подшипника в любой момент времени в зависимости от условий эксплуатации.
Реализованы в экспертной системе алгоритмы диагностирования подшипников качения по параметрам и спектру ударных импульсов, и методика корректировки базового расчетного ресурса подшипника. Это позволяет производить диагностирование и корректировку ресурса подшипника в автоматизированном режиме эксплуатационным персоналом предприятия любой квалификации и предоставлять результат в виде отчета о ТС механизма.

Список литературыГОСТ 18855-2013. Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный ресурс // М.: «Стандартинформ», 2014.
ГОСТ Р ИСО 15242-1-2004 Подшипники качения. Методы измерения вибрации. Часть 1. Основные положения. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2005. – 26 с.
ГОСТ 18855-94 Подшипники качения. Динамическая расчетная грузоподъемность и расчетный ресурс (долговечность). – М.: Стандартинформ, 2009. – 19 с.
ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – М.: Издательство стандартов, 1990. – 37 с. ГОСТ 27.103-83 Критерии отказов и предельных состояний. Основные положения. (СТ СЭВ 3943-82). – М.: Изд-во стандартов, 1984. – 5 с.
ГОСТ 27.302-86 Надежность в технике. Методы определения допускаемого отклонения параметра технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса составных частей агрегатов машин. – М.: Изд-во стандартов, 1987. – 33 с.
ГОСТ 3189-89 Подшипники шариковые и роликовые. Система условных обозначений. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. – 13 с.
Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т.: Т.2– 8-е изд., перераб. и доп. под ред. Жестковой. – М.: Машиностроение, 2001. – 912 с.
Бажайкин С.Г. Исследование характеристик и модернизация насосных агрегатов нефтяных промыслов: дис. …докт. тех. наук: 05.04.07/ Бажайкин Станислав Георгиевич. – Уфа: 2000. – 126 с.
Барков Г. А. Надежная работа подшипниковых узлов оборудования. Применение метода ударных импульсов SPM. – Санкт-Петербург: ООО «Техническая Диагностика и Мониторинг», 2010. – 18 с.
Барков Г. А. Надежная работа подшипниковых узлов оборудования // Контроль. Диагностика. – 2015. – № 3. – С. 45–50.
Бесконтактные магнитные подшипники [электронный ресурс] URL:http://electricalschool.info/spravochnik/poleznoe/1891-beskontaktnye-magnitnye-podshipniki.html (дата обращения 20. 08.2021)
Галеев А.С., Рязанцев А.О., Сулейманов Р.Н., Филимонов О.В. Вибродиагностика насосных агрегатов: Учебное пособие. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2017. – 162 с.
Гареев Р.Р., Ямалиев В.У. Определение технического состояния динамического оборудования по результатам диагностических измерений // Нефтегазовое дело. – 2012. – Т.10. – № 3. – С.78-82.
История появления подшипника [электронный ресурс] URL:http://www.podshipnik.ru/analyst/80/elementhtml (дата обращения 20.08.2021)
Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с.
Какие функцию выполняют подшипники? [электронный ресурс] URL:https://newpodshipnik.ru/kakie-funktsii-vypolnyayut-podshipniki (дата обращения 20.08.2021)
Классификация подшипников [электронный ресурс] URL:http://themechanic.ru/bearings/b-articles/klassifikachia-podshipnikov (датаобращения 20.08.2021)
Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин. Конспект лекций по курсу "Детали машин". – М.: Машиностроение, 2002. – 440 с.
Определение технического состояния подшипников качения методом ударных импульсов (методика измерений). [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://intron-set.com.ua/files/File/catalogue/Metodika.pdf
Приводы машин: Справочник/В. В. Длоугий, Т. И. Муха, А. П. Цупиков, Б. В.
Подшипники сухого трения/ Воронков Б.Д. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 2016
Причины шума вибраций в подшипниках качения. – М.: Изд-во ВНИИПП, 1967. – 114 с.
Решетов Д.Н. Надежность машин / Д.Н. Решетов, А.С. Иванов, В.З. Фадеев // М.: Высшая школа, 1988. – 237 с.
РД 26.260.004-91 Методические указания. Прогнозирование остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатации. – «НИИхиммаш», 1992. – 50 с.
Руководство пользователя по составлению графиков планово предупредительного ремонта оборудования и отчетов о его выполнении, с использованием программных средств Visual Basic+MS Exel. Версия 3.0 – Новый Уренгой: ОАО «Газпром», 2017. – 19 с.
Что такое подшипник? [электронный ресурс] URL:https://www.nskeurope.ru/ru/products/what-s-a-bearing.html (дата обращения 20.08.2021)
Что такое подшипники и основные их разновидности [электронный ресурс] URL:http://www.snr.com.ru/e/about_bearings/about_bearing.html (дата обращения 20. 08.2021)
Януш; Под общ. ред. В. В. Длоугого. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.:Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 2017. — 383 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1Реализация на языке программирования «DELPHI» алгоритма корректировки остаточного ресурса подшипника.

left381000

right381000

left381000

Приложение 2Характеристики Подшипник 6-180206 шариковый радиальный однорядный