Шум и вибрация — две главные причины демонтажа подшипников. Среди подшипников, внесённых SKF в базу данных анализа повреждений, на чрезмерную вибрацию пришлось 32 % случаев демонтажа, а ещё 23 % — на чрезмерный шум. Далее следовали демонтаж для технического обслуживания — 12 %, повышенная температура — 11 % и заклинивание — 9 % (SKF Evolution, рис. 2). Более чем в половине случаев первым признаком становится то, что оператор может услышать или почувствовать.
Перед инженером при этом встают две совершенно разные задачи. Первая — диагностическая: машина шумит, и до разборки нужно определить, действительно ли источник находится в подшипнике. Вторая — договорная: при составлении спецификации формулировка «малошумный» не задаёт требования, выполнение которого можно проверить у поставщика. В этом руководстве рассмотрены обе задачи. Сначала разберём, как в действительности измеряют шум подшипника — без микрофона. Затем выясним, что показывает каждая измеряемая полоса, какой стандарт задаёт предельные значения и какие строки следует включить в заказ.
Уточним область применения. Материал предназначен для конструкторов, специалистов по закупкам и инженеров по надёжности, которые выбирают подшипники качения или устраняют их неисправности. Если вас привёл сюда гул автомобильного колеса, необходимые сведения приведены в нашем руководстве по автомобильным шарикоподшипникам.
Ключевые выводы
- Шум подшипника измеряют как виброскорость на шпиндельном стенде, а не как звуковое давление в помещении. Внутреннее кольцо вращается с частотой 1 800 об/мин, к неподвижному наружному кольцу прикладывается предварительный натяг, а датчик виброскорости снимает сигнал непосредственно с кольца (MinebeaMitsumi).
- Сигнал разделяют на три полосы: L от 50 до 300 Гц, M от 300 до 1 800 Гц и H от 1 800 до 10 000 Гц. Полоса, в которой превышен предел, сужает поиск до дефектов определённого масштаба.
- ISO 15242 определяет, как измерять, но не устанавливает допустимое значение. Части 1–4 задают методику и калибровку. Строка «ISO 15242» в технических данных говорит только о процедуре.
- Приёмочные пределы задаёт отдельный документ. Для радиальных однорядных шарикоподшипников GB/T 32325 определяет базовую группу V, затем V1, V2, V3, V4, а также VF3 и VF4 для наиболее строгих требований.
- Класс точности не является характеристикой шума. ISO 492 и шкала ABEC нормируют размерные допуски. Группа внутреннего зазора, класс точности и группа вибрации — три независимых параметра, которые необходимо указывать отдельно.
- Сначала докажите, что источник — подшипник. SKF подчёркивает, что шум электродвигателя «не обязательно вызван подшипниками» (SKF). Материал сепаратора, смазочный материал, зазор, геометрия сопряжённых деталей и качество монтажа могут определять исходный уровень шума ещё до того, как проявится вклад самого подшипника.
Как в действительности измеряют шум подшипника
Шум подшипника количественно оценивают по виброскорости, измеренной на кольце подшипника, а не по уровню звука в воздухе. Подшипник устанавливают на прецизионный шпиндель, который вращает внутреннее кольцо с частотой 1 800 об/мин, а к неподвижному наружному кольцу прикладывают предварительный натяг. Датчик виброскорости касается наружной цилиндрической поверхности, поэтому передаваемая кольцу вибрация непосредственно преобразуется в электрический сигнал (MinebeaMitsumi).
Такая схема позволяет исключить посторонние составляющие. Показание в децибелах, полученное в помещении, включает шум всей машины, монтажной конструкции и акустику здания наряду с шумом подшипника. Измерение виброскорости непосредственно на кольце, установленном на высокоточном шпинделе, исключает эти составляющие и даёт результат, относящийся к самому подшипнику. Поэтому подшипник может пройти стендовое испытание и при этом работать в шумной машине. По той же причине в заказе имеет смысл указывать именно результат стендового измерения.
Прибор для такого контроля обычно называют андерометром, а его показания выражают в андеронах — единице, применяемой специально для вибрации подшипников (MinebeaMitsumi). Сама методика измерения, включая калибровку и исходные определения, установлена в ISO 15242-1.
Три частотные полосы и информация, которую даёт каждая из них
Измеренный сигнал не представляют одним числом. Его разделяют на три частотные полосы, каждую из которых оценивают отдельно (MinebeaMitsumi):
Разделение полезно потому, что частота обратно пропорциональна размеру создающей её неровности. При постоянной частоте вращения длинноволновое отклонение дорожки качения — например, отклонение формы кольца или волнистость низкого порядка — реже проходит под телами качения и проявляется в нижней части спектра. Коротковолновая неровность, такая как шероховатость поверхности или небольшая вмятина от частицы, вызывает удары гораздо чаще и попадает в верхнюю часть спектра. Поэтому превышение предела только в полосе H указывает на качество поверхности, чистоту и загрязнение частицами, а превышение в полосе L — на геометрию, отклонение формы и условия закрепления подшипника.
Такую связь следует считать инженерной интерпретацией, а не положением стандарта. Границы полос установлены и опубликованы; вывод о причине по конкретной полосе является гипотезой, которую нужно подтвердить исследованием детали.
ISO 15242 определяет методику, а не предельное значение
Об этом почти не пишут в материалах о шуме подшипников, хотя это самый важный практический факт: ISO 15242 устанавливает методики измерения и калибровки, но не задаёт критерий годности. Часть 1 содержит основные положения измерения вибрации вращающихся подшипников качения при установленных условиях, а также требования к калибровке. Остальные части распространяют методику на отдельные типы подшипников.
| Часть | Редакция | Область применения |
|---|---|---|
| ISO 15242-1 | 2015 | Основные положения: условия измерения и калибровка |
| ISO 15242-2 | 2015 | Радиальные шариковые подшипники с цилиндрическим отверстием и цилиндрической наружной поверхностью |
| ISO 15242-3 | 2017 | Радиальные сферические и конические роликовые подшипники с цилиндрическим отверстием и цилиндрической наружной поверхностью |
| ISO 15242-4 | 2017 | Радиальные цилиндрические роликовые подшипники с цилиндрическим отверстием и цилиндрической наружной поверхностью |
На практике поставщик может обоснованно заявить о соответствии ISO 15242, ничего не сообщив о малошумности подшипника. Соответствие означает, что измерение выполнено правильно. Допустимость полученного значения определяется пределом из другого документа — стандарта на продукцию или чертежа заказчика.
Проверяемое требование к шуму всегда ссылается на два документа: один задаёт методику, другой — предельное значение. Если указать только стандарт на методику, получится процедура без критерия приёмки. Если указать только предел, не будет согласованного способа получить сравниваемое с ним значение.
Группы вибрации, которые можно указать в заказе
Для радиальных однорядных шарикоподшипников приёмочные пределы приведены в GB/T 32325-2015. Стандарт устанавливает технические требования, методики измерения и оценки, а также правила контроля виброскорости подшипников. Он задаёт последовательность групп, и именно группу следует указывать в заказе.
Группа V задаёт базовые требования к вибрации подшипника общего назначения. Группы V1, V2, V3 и V4 предназначены для подшипников со всё более строгими требованиями к вибрации, а VF3 и VF4 — для наиболее жёстких требований. Методика измерения заимствована из GB/T 24610.1 и GB/T 24610.2: описанное выше разделение методики и предела прямо закреплено в самом документе.
Ограничения области применения не менее важны, чем группы: если их не учитывать, требование формально окажется неприменимым.
Стандарт распространяется на радиальные однорядные шарикоподшипники серий диаметров 0, 2 и 3. Номинальный наружный диаметр должен быть свыше 10 мм до 200 мм включительно, а габаритные размеры — соответствовать GB/T 276. Группы VF3 и VF4 применимы только при наружном диаметре свыше 10 мм до 100 мм включительно. Если указать VF4 для подшипника с наружным диаметром 150 мм, получится требование, не охваченное стандартом.
Здесь же следует исправить распространённое заблуждение. В предложениях поставщиков и перечнях деталей встречается шкала шума «Z1/Z2/Z3» в сочетании с «V1/V2/V3», а покупатели повторяют обозначения вроде «Z2V2», не ссылаясь ни на один документ. Действующая спецификация в действительности определяет группы V, V1, V2, V3, V4, VF3 и VF4. Если в коммерческом предложении указан класс Z, выясните, какой стандарт и какая его редакция определяют этот класс, а затем запросите протокол стендовых испытаний по соответствующей группе. В нашем руководстве по закупке подшипников у китайских производителей объясняется, как закрепить такое подтверждение в заказе, а не ограничиться обещанием по телефону.
Численные пределы виброскорости для каждой группы намеренно не приводятся: это нормативное содержание GB/T 32325. Значения на сайтах продавцов не удаётся проследить до стандарта, а их перепечатка из вторичного источника противоречила бы принципу проверяемости данных этого сайта. Приобретите стандарт или запросите у поставщика таблицу пределов со ссылкой на редакцию.
Сопоставление GB/T и ISO
Китайский стандарт на методику измерения описывает ту же процедуру, часть за частью. GB/T 24610 состоит из четырёх частей, названия которых соответствуют четырём частям ISO 15242. Часть 1 содержит основные положения, часть 2 распространяется на радиальные шариковые подшипники с цилиндрическим отверстием и цилиндрической наружной поверхностью, часть 3 — на радиальные сферические и конические роликовые подшипники, а часть 4 — на радиальные цилиндрические роликовые подшипники. Действующая редакция GB/T 24610.1-2019 выпущена в октябре 2019 года и введена в действие 1 мая 2020 года взамен редакции 2009 года.
| Методика измерения | Китайский национальный стандарт | Область применения |
|---|---|---|
| ISO 15242-1 | GB/T 24610.1 | Основные положения |
| ISO 15242-2 | GB/T 24610.2 | Радиальные шариковые подшипники с цилиндрическим отверстием и цилиндрической наружной поверхностью |
| ISO 15242-3 | GB/T 24610.3 | Радиальные сферические и конические роликовые подшипники |
| ISO 15242-4 | GB/T 24610.4 | Радиальные цилиндрические роликовые подшипники |
Результаты измерений по GB/T 24610 и ISO 15242 относятся к одной и той же величине и получены по одной процедуре. Поэтому малошумный подшипник отличается от шумного не страной производства. Важно, какая приёмочная группа задана, какая редакция какого стандарта определяет эту группу и имеется ли протокол стендовых испытаний. Запрашивайте группу и протокол.
Как звучат разные виды шума и чем они вызваны
Производители классифицируют характерные шумы подшипников, связывая каждый из них с определённым механизмом. На этом принципе построен справочник Bearing Doctor компании NSK: в нём звуки характерных повреждений сопоставлены с мерами устранения шума дорожек качения, сепаратора, загрязнений и других источников (NSK).
| Звук | Характер | Вероятный механизм | Первоочередная мера |
|---|---|---|---|
| Шум дорожек качения | Непрерывный ровный гул, усиливающийся с ростом частоты вращения | Волнистость и качество поверхности дорожек, присущие самому подшипнику | Более строгая группа вибрации; проверить стендовый протокол |
| Шум от загрязнений | Нерегулярные щелчки или потрескивание без периодичности | Частицы в смазочном материале оставляют вмятины на дорожке или прокатываются по ней | Чистота при сборке, уплотнение, фильтрация |
| Шум дефекта шарика или дорожки | Регулярный периодический стук, связанный с частотой вращения | Отдельный участок выкрашивания или вмятина на одной из поверхностей | Заменить подшипник; исследовать механизм повреждения |
| Шум сепаратора | Дребезг или прерывистый стук, зависящий от нагрузки | Зазор в карманах и движение сепаратора, часто зависящие от смазочного материала | Выбор типа сепаратора и смазочного материала |
| Визг | Высокий тон, часто только на холодном пуске | Разрушение смазочной плёнки, поведение пластичной смазки при низкой температуре | Выбор пластичной смазки для рабочего диапазона температур |
| Щёлканье роликов | Щелчки при низкой частоте вращения в роликоподшипниках | Вход роликов в зону нагрузки при малой нагрузке | Пересмотреть предварительный натяг или минимальную нагрузку |
Шум дорожек качения, сепаратора и загрязнений — категории, используемые NSK. В остальных строках приведены распространённые практические описания тех же диагностических групп, а механизмы и меры представлены как инженерное обобщение.
Две причины стоит рассмотреть отдельно, поскольку их особенно часто ошибочно относят к качеству подшипника.
Шум дорожек качения возникает из-за их геометрии. Непрерывный гул исправного подшипника определяется формой колец, волнистостью и качеством поверхности, которые формируются при шлифовании и суперфинишировании. Поэтому шум дорожек — свойство технологического процесса, а единственный действенный способ ограничить его при закупке — задать группу вибрации.
Электроэрозия — источник шума, который не устранить установкой нового подшипника. В двигателях с инверторным питанием напряжение на валу может вызвать разряд через смазочную плёнку и разрушать дорожку качения, постепенно образуя регулярный рисунок параллельного рифления. В результате шум и вибрация подшипника, работавшего тихо после установки, начинают расти. ISO 15243:2017 выделяет электроэрозию в самостоятельный вид повреждения. Менее интенсивная разновидность — электроэрозия от тока утечки (пункт 5.4.3 ISO) — часто встречается в двигателях с частотно-регулируемым приводом без надлежащего заземления вала (SKF Evolution). Если не устранить путь прохождения тока, каждый следующий подшипник повторит судьбу первого.
Полная классификация этих повреждений приведена в нашем руководстве по анализу отказов подшипников. В нём рассмотрены шесть видов по ISO 15243 с номерами пунктов, а также четыре стадии развития вибрации, используемые при контроле состояния.
До замены докажите, что шумит именно подшипник
Перед демонтажом последовательно исключите другие причины. SKF формулирует это особенно прямо: шум электродвигателя «не обязательно вызван подшипниками» (SKF). Компания рассматривает шум как свойство всей системы. На него влияют материал сепаратора, смазочный материал и внутренний зазор, а также допуски вала, корпуса и крышки, определяющие возможный перекос.
Две ветви этой схемы требуют пояснения. Резонанс — системный эффект, который нельзя устранить одним лишь выбором другой группы вибрации подшипника. SKF разработала радиальные однорядные шарикоподшипники Quiet Running специально для предотвращения резонанса между ротором, статором и подшипниками генераторов. Их конструкция подавляет структурный резонанс, а не просто снижает собственный шум подшипника (SKF). Если шум резко усиливается при одной частоте вращения и исчезает по обе стороны от неё, причина — резонанс.
Повторный отказ сам по себе служит диагностическим признаком. Если новый подшипник начинает шуметь так же, как предыдущий, почти наверняка подшипник изначально не был причиной. Проверьте путь прохождения тока, посадки и соосность.
Как задать требования к малошумному подшипнику
Проверяемое требование к малошумности включает четыре пункта, и формулировки «малошумный» среди них нет. Рассмотрите каждый параметр отдельно.
1. Группа вибрации и определяющая её спецификация. Только этот пункт делает требование проверяемым. Укажите группу, стандарт и его редакцию, в которой она определена, а также стандарт на методику измерения.
2. Внутренний зазор. Избыточный рабочий зазор расширяет ненагруженную зону и повышает вибрацию и шум, а отрицательный зазор создаёт предварительный натяг и нагрев. SKF также относит зазор к трём основным факторам шума электродвигателя. В нашем руководстве по внутреннему зазору подшипников показано, как посадка и температура изменяют рабочий зазор и где применяется группа CM для электродвигателей.
3. Сепаратор. SKF предлагает подшипники Quiet Running со штампованными стальными или механически обработанными латунными сепараторами; они полностью взаимозаменяемы со стандартными радиальными однорядными шарикоподшипниками (SKF). Поэтому выбор сепаратора требует изменения спецификации, но не переработки конструкции.
4. Смазочный материал. Малошумные пластичные смазки проходят квалификационные испытания на специальных стендах. Klüber позиционирует Klüberquiet BQ 72-72 как малошумную пластичную смазку для подшипников качения электродвигателей и вентиляторов; её малошумность подтверждена на испытательных стендах, включая SKF BeQuiet+ (Klüber). Если шум имеет значение, пластичную смазку указывают по наименованию, а не оставляют на усмотрение поставщика. В нашем руководстве по смазыванию подшипников рассмотрены смазочная плёнка и температура, а в статье о подшипниках с уплотнениями и защитными шайбами — влияние типа защитного устройства на удержание пластичной смазки.
Класс точности в этот перечень не входит. ISO 492 и шкала ABEC нормируют размерные допуски и точность вращения, а не шум. Более строгие допуски действительно уменьшают некоторые геометрические погрешности, но стандарт на допуски не содержит требований к шуму. Поэтому высокий класс ABEC не является характеристикой малошумности. В нашем руководстве по классам точности ABEC подробно разобрано, что эта шкала регулирует, а что — нет. В ту же ловушку попадают покупатели миниатюрных подшипников, для которых люфт, момент трения и шум также необходимо задавать отдельно.
В совокупности строки заказа выглядят так:
ТРЕБОВАНИЯ К ШУМУ / ВИБРАЦИИ ПОДШИПНИКА
1. Группа вибрации : GB/T 32325-2015, группа V3
(подтвердить область применения: серии диаметров 0/2/3,
наружный диаметр свыше 10 до 200 мм включ.; VF3/VF4
только до наружного диаметра 100 мм)
2. Методика измерения : GB/T 24610.2 / ISO 15242-2, указать полосы L, M и H
3. Подтверждение : стендовый протокол на каждую партию с привязкой
к её номеру
4. Внутренний зазор : указать группу (например, CN, C3 или CM для двигателя)
5. Сепаратор : указать тип (штампованный стальной / точёный латунный /
полиамидный)
6. Смазочный материал : указать пластичную смазку и объём заполнения
7. Данные о применении : указать частоту вращения, нагрузку, температуру и посадки,
чтобы поставщик мог выявить несоответствие
Покупатели чаще всего пропускают пункт 3, хотя именно он превращает пожелание в контролируемое требование.
Часто задаваемые вопросы
В: Чем вызван шум подшипника?
Почти все случаи объясняются шестью механизмами. Волнистость и качество поверхности дорожек качения создают непрерывный гул, называемый шумом дорожек. Загрязнение частицами вызывает нерегулярные щелчки. Отдельный участок выкрашивания или вмятина создаёт периодический стук. Движение сепаратора вызывает дребезг. Разрушение смазочной плёнки приводит к визгу, нередко только на холодном пуске. В двигателях с инверторным питанием электрические разряды через смазочную плёнку разрушают дорожку качения, и со временем шум усиливается. Избыточный или отрицательный внутренний зазор и перекос усугубляют несколько из этих механизмов.
В: Как измеряют шум подшипника?
По виброскорости на кольце подшипника, а не по звуковому давлению в воздухе. Внутреннее кольцо устанавливают на прецизионный шпиндель и вращают с частотой 1 800 об/мин, к неподвижному наружному кольцу прикладывают предварительный натяг, а датчик виброскорости касается наружной цилиндрической поверхности. Сигнал разделяют на три полосы и оценивают каждую отдельно. Методика установлена в ISO 15242 и эквивалентном стандарте GB/T 24610.
В: Что измеряет андерометр?
Вибрацию подшипника в андеронах — единице, специально предназначенной для вибрации вращающегося подшипника. Показания приводят отдельно по полосам: L от 50 до 300 Гц, M от 300 до 1 800 Гц и H от 1 800 до 10 000 Гц. Поскольку высокоточный шпиндель приводит во вращение внутреннее кольцо, а сигнал снимается непосредственно с наружного кольца, малые вибрации можно обнаруживать без внешних воздействий (MinebeaMitsumi).
В: Что означают классы шума Z и V на подшипнике?
Группы V действительно существуют и установлены стандартом. GB/T 32325-2015 задаёт группу V как базовое требование к вибрации радиальных однорядных шарикоподшипников. Группы V1, V2, V3 и V4 соответствуют более строгим требованиям, а VF3 и VF4 — наиболее строгим; две последние применимы только до наружного диаметра 100 мм. Распространённая в предложениях поставщиков шкала «Z» является неформальным обозначением, а не классом действующей спецификации. Для любого предложенного класса запросите стандарт и его редакцию, а затем протокол стендовых испытаний.
В: Означает ли более высокий класс точности ABEC или ISO 492, что подшипник будет тише?
Нет. Эти стандарты нормируют размерные допуски и точность вращения, но не содержат требований к шуму или вибрации. Класс точности, группа внутреннего зазора и группа вибрации — три независимых параметра. Подшипник может соответствовать строгому классу допусков и не соответствовать группе вибрации, поэтому требования к шуму задают отдельной строкой.
В: Машина сильно шумит. Как определить, виноват ли подшипник?
Последовательно исключайте другие причины. Если тон не связан с частотой вращения вала, проверьте конструкцию и привод. Если шум исчезает после отсоединения от приводимого агрегата, проверьте муфту и соосность. Если замена пластичной смазки меняет звук или он появляется только на холодном пуске, исследуйте смазочный материал. Если привод инверторный и второй подшипник отказал так же, измерьте напряжение на валу. Если посадки и геометрия крышки выходят за допуск, проверьте монтаж. SKF прямо указывает, что шум двигателя не обязательно вызван подшипниками, поэтому подшипник должен быть последним кандидатом, а не первым.
Заключение
Шум подшипника чаще связан с неполной спецификацией, чем с качеством детали. Основные правила сводятся к следующему:
- Шум измеряют по виброскорости на кольце в отдельных полосах при 1 800 об/мин, а не в децибелах. Полосы составляют от 50 до 300, от 300 до 1 800 и от 1 800 до 10 000 Гц.
- ISO 15242 и GB/T 24610 определяют методику. Ни один из них не устанавливает предел, поэтому заявление о соответствии само по себе не является требованием к шуму.
- Предел задаётся группой. Для радиальных однорядных шарикоподшипников это группы V, V1–V4, VF3 и VF4 по GB/T 32325 в пределах установленного диапазона наружных диаметров.
- Класс точности не является характеристикой шума. Группа вибрации, зазор, сепаратор и пластичная смазка — независимые параметры, каждый из которых следует указывать отдельной строкой заказа.
- Перед заменой докажите, что источник находится в подшипнике. Это особенно важно для инверторных приводов, где повторный отказ указывает на путь прохождения тока, а не на саму деталь.
Если вы выбираете подшипник с требованиями к шуму, отправьте данные о применении инженерной команде ANDE Bearing. Мы предложим группу вибрации для ваших условий частоты вращения, нагрузки и монтажа, а также формат предоставляемого протокола стендовых испытаний. Подбор можно начать с требуемого типоразмера в разделе радиальных однорядных шарикоподшипников. В нашем руководстве по чтению обозначения подшипника показано, как на кольце маркируют зазор и суффиксы специального исполнения.
Об авторе
Jeff Li пишет о подшипниковой технике и международных закупках для ANDE Bearing. Он напрямую работает со специалистами по закупкам для первичной комплектации и вторичного рынка в автомобильной и тяжёлой промышленности, а также в возобновляемой энергетике. Связаться с ним можно в LinkedIn.
