Способ диагностирования колец подшипников качения

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть преимущественно использовано для диагностирования макрогеометрии дорожек качения колец подшипников. Объектом изобретения является способ диагностирования колец подшипников качения, заключающийся в том, что вращают с рабочей частотой одно из колец смазанного подшипника, нагружают подшипник постоянной по величине радиальной силой, проводят измерения интегрального параметра режима смазки подшипника для различных участков дорожки качения контролируемого кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность. О качестве дорожки качения судят по характеристике функции значения параметра от угловой координаты центра участка, причем при выполнении каждого измерения направление действия радиальной нагрузки совмещают с центром присущего данному измерению участка дорожки качения контролируемого кольца. Направление овальности дорожки качения определяют по аргументам минимума второй гармоники функции при контроле наружного кольца или по аргументам максимума второй гармоники функции при контроле внутреннего кольца. Технический результат - повышение достоверности диагностирования за счет установления направления овальности контролируемого кольца. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть преимущественно использовано для диагностирования макрогеометрии дорожек качения колец, установленных в узлах подшипников в процессе проведения механосборочных работ при изготовлении и ремонте машин и механизмов.

Известен способ диагностирования деталей, в частности колец подшипников качения, включающий измерение диаметра сечения кольца в различных направлениях и определение овальности дорожки путем вычисления полуразности между наибольшим (D_max) и наименьшим (D_min) диаметрами во взаимно перпендикулярных направлениях /1/.

Недостатком известного способа является то, что он не может быть реализован для собранного подшипника и тем более для подшипника в узле.

Известен способ диагностирования колец подшипника, заключающийся в том, что вращают одно из колец нагруженного постоянной радиальной нагрузкой подшипника с рабочей частотой и определяют параметры вибрации /2/. При этом оценивают вид и значения отклонений от круглости дорожки качения контролируемого кольца, в частности ее овальность.

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет выявить направление овальности, под которым понимается направление линии наибольшего диаметра дорожки качения. В то же время, направление овальности является важным параметром подшипника в узле, оказывающим существенное влияние на его эксплуатационные характеристики, например работоспособность и долговечность. В частности, известно, что совпадение направления овальности наружного кольца с направлением действия радиальной нагрузки является наиболее благоприятным по сравнению со случаем, когда эти направления перпендикулярны /3/. Следовательно, достоверность известного способа ограничена.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ диагностирования колец подшипников, заключающийся в том, что вращают одно из колец смазанного подшипника с рабочей частотой, нагружают подшипник постоянной по величине радиальной силой, проводят измерения интегрального параметра режима смазки подшипника для различных участков дорожки качения контролируемого кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность, а о качестве дорожки судят по характеристике функции значения параметра от угловой координаты центра участка.

В известном способе при выполнении каждого измерения интегральный параметр режима смазки определяют в периоды времени прохождения одним и тем же присущим только данному измерению участком дорожки качения вращающегося контролируемого кольца углового сектора ±γ = ±2π/Z от направления действия радиальной нагрузки, при этом о качестве поверхности дорожки качения судят по отклонениям параметра для каждого участка от наименьшего из полученных значений, а число n участков дорожки качения контролируемого кольца выбирают кратным Z из условия n≥2π/ϕ, где Z - число тел качения в подшипнике, γ- межцентровое расстояние между телами качения, ϕ- угловой шаг дискретизации. Данный способ принят за прототип /4/.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного, принятого за прототип способа, относится то, что при его реализации выявляются лишь локальные дефекты рабочих поверхностей и не возможна оценка параметров макрогеометрии дорожки качения контролируемого кольца подшипника, в частности направления овальности, что ограничивает достоверность способа.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения достоверности диагностирования за счет установления направления овальности контролируемого кольца.

Это достигается тем, что в известном способе диагностирования колец подшипников качения, заключающемся в том, что вращают с рабочей частотой одно из колец смазанного подшипника, нагружают подшипник постоянной по величине радиальной силой, проводят измерения интегрального параметра режима смазки подшипника для различных участков дорожки качения контролируемого кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность, а о качестве дорожки судят по характеристике функции значения параметра от угловой координаты центра участка, согласно изобретению при выполнении каждого измерения направление действия радиальной нагрузки совмещают с центром присущего данному измерению участка дорожки качения контролируемого кольца, проводят гармонический анализ функции значения параметра от угловой координаты центра участка, а направление овальности дорожки качения определяют по аргументам минимума второй гармоники функции при контроле наружного кольца или по аргументам максимума второй гармоники функции при контроле внутреннего кольца.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления способа при диагностировании колец подшипника в сборочном узле по параметру - нормированное интегральное время разрушения смазочной пленки, на фиг. 2 - пример схемы устройства радиального нагружения, на фиг. 3 - эскиз создания овальности при проведении эксперимента, а на фиг. 4 - диаграммы изменения диагностического параметра, поясняющие пример реализации способа.

Внутреннее кольцо испытуемого подшипника 1 (фиг. 1), нагруженного радиальной силой с помощью устройства 2 радиального нагружения, установлено на валу 3 сборочного узла, наружное кольцо - в корпусе 4. Устройство содержит источник 5 электрического напряжения, один полюс которого через формирователь 6 импульсов и токосъемник 7 подключен к валу 3, а другой полюс подключен к наружному кольцу подшипника 1. К выходу формирователя 6 импульсов подключен первый вход временного селектора 8, второй вход которого соединен с генератором 9 опорной частоты, а выход - со счетчиком 10. Датчик 11 углового положения вала расположен в непосредственной близости от вала и выходом связан со входом блока 12 управления устройством 2 радиального нагружения. К выходу счетчика 10 подключен первый вход вычислительного устройства 13, второй вход которого соединен с блоком 12 управления устройством 2 радиального нагружения.

Устройство 2 радиального нагружения может быть выполнено, например, согласно /5/ в виде четырех идентичных электромагнитов постоянного тока, создающих радиальные усилия (F₁, F₂, F₃, F₄) по взаимно перпендикулярным диаметральным осям в плоскости, перпендикулярной оси подшипника (фиг.2). При этом управляющие электромагнитами сигналы обеспечивают создание постоянной по величине результирующей радиальной силы, направление действия которой изменяется с заданной постоянной угловой скоростью. Датчик 11 углового положения вала может быть выполнен, например, в виде геркона при закреплении на поверхности вала магнитной метки.

Способ осуществляют следующим образом. Выбирают число n участков дорожки качения контролируемого кольца (согласно теореме Котельникова n следует выбирать из условия n ≥ 5). С помощью вала 3 вращают внутреннее кольцо испытуемого подшипника 1 с рабочей частотой. При контроле неподвижного наружного кольца устройством 2 радиального нагружения с помощью блока 12 управления создают постоянную по величине радиальную силу, направление действия которой совмещают с центром одного из участков с условной координатой ϕ =0. С помощью измерительной цепи, состоящей из блоков 5-10, определяют значение интегрального параметра режима смазки подшипника - нормированного интегрального времени разрушения смазочной пленки для данного участка. Затем с помощью блока 12 управления изменяют фазу электрических сигналов, поступающих на электромагниты устройства 2 радиального нагружения, на величину 2π/n, что приводит к изменению направления действия нагрузки на данный угол и совмещению этого направления с центром следующего участка дорожки качения контролируемого кольца. Вновь измеряют значение диагностического параметра, и так n раз. Полученную в результате функцию значения диагностического параметра от угловой координаты центра участка подвергают гармоническому анализу. С помощью вычислительного устройства 13 определяют аргументы минимума второй гармоники функции, которые характеризуют направление овальности дорожки качения контролируемого неподвижного наружного кольца.

Аналогично осуществляют способ при контроле вращающегося внутреннего кольца подшипника. При этом устройством 2 радиального нагружения создают постоянную по величине радиальную силу, направление действия которой изменяют с частотой вращения вала, совмещая его при этом с центром одного из участков дорожки качения контролируемого кольца. Синхронизация работы блока 12 управления осуществляется импульсным сигналом, поступающим с датчика 11 углового положения вала. Измеряют значение интегрального параметра режима смазки подшипника для данного участка. Изменяя синхронно фазу сигналов, поступающих на электромагниты устройства 2, на величину 2π/n, совмещают направление действия радиальной нагрузки с центром следующего участка дорожки качения контролируемого кольца и вновь измеряют значение параметра. И так n раз. Полученную в результате функцию значения диагностического параметра от угловой координаты центра участка подвергают гармоническому анализу. С помощью вычислительного устройства 13 определяют аргументы максимума второй гармоники функции, которые характеризуют направление овальности дорожки качения контролируемого вращающегося внутреннего кольца.

При контроле любого из колец по характеристикам второй гармоники функции значения параметра от угловой координаты центра участка определяют направление овальности его дорожки качения.

Рассмотрим процесс измерения нормированного интегрального времени разрушения смазочной пленки предложенным устройством. При разрушении смазочной пленки в контактных зонах какого-либо тела качения подшипника с обоими кольцами электрическое сопротивление между кольцами резко уменьшается, следствием чего является импульс тока в цепи, составленной последовательно соединенными источником 5 электрического напряжения (фиг. 1), формирователем 6 импульсов и токосъемником 7. Длительность этого импульса равняется времени разрушения пленки. Формирователь 6 импульсов выдает на выходе импульс напряжения прямоугольной формы той же длительности с амплитудой, соответствующей логической единице. Каждый отдельный импульс с выхода формирователя 6 поступает на временной селектор 8, где заполняется высокочастотными импульсами генератора 9 опорной частоты, прошедшими через второй вход селектора 8. Счетчик 10 определяет общее число N_и импульсов, поступивших с генератора 9 за время измерения T, при этом его показания однозначно характеризуют параметр - нормированное интегральное время разрушения смазочной пленки в подшипнике (K) : К = N_и Т_г/Т, где Т_г - период импульсов генератора 9 опорной частоты.

При реализации предложенного способа в течение времени измерения интегрального параметра режима смазки подшипника в зону нагружения неоднократно попадают различные участки дорожки качения неконтролируемого кольца и все тела качения. При этом в зоне нагружения постоянно находится один и тот же участок дорожки качения контролируемого кольца.

Наличие овальности дорожки качения контролируемого кольца приводит к характерному изменению интегрального параметра режима смазки - нормированное интегральное время разрушения смазочной пленки, измеренного для соответствующих участков дорожки качения при реализации предложенного способа.

Теоретические исследования показывают, что в случае, когда направление овальности дорожки качения наружного кольца подшипника совпадает с направлением действия радиальной силы, распределение нагрузки между телами качения становится наиболее благоприятным. Это заключается в том, что нагрузка наиболее нагруженного тела качения снижается, что приводит к уменьшению вероятности разрушения смазочной пленки в подшипнике, а следовательно, и значения интегрального параметра режима смазки. В случае, когда направление овальности дорожки качения наружного кольца становиться перпендикулярным направлению действия радиальной силы, распределение нагрузки между телами качения становится наименее благоприятным - нагрузка наиболее нагруженного тела качения возрастает, возрастает и значение диагностического параметра.

При реализации способа измерения значений интегрального параметра режима смазки подшипника проводят для различных участков дорожки качения контролируемого кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность, поэтому получаемая функция значения параметра от угловой координаты центра участка имеет два максимума и два минимума, а направление овальности соответствует аргументам минимума второй гармоники этой функции.

Аналогичные рассуждения показывают, что при контроле внутреннего кольца направление овальности его дорожки качения соответствует аргументам максимумов функции значения параметра от угловой координаты центра участка.

Предложенный способ выгодно отличается от прототипа, поскольку обеспечивает возможность определения направления овальности дорожек качения колец установленного в узле подшипника. Знание указанного направления позволяет более достоверно оценить техническое состояние подшипника в узле при его контроле и прогнозировании с учетом известной информации о зависимости долговечности подшипника от соотношения между направлениями овальности и радиальной нагрузки /3/. Кроме того, это позволяет при наличии конструктивной возможности задать наиболее рациональное направление радиальной нагрузки по отношению к подшипниковому узлу, при котором, например, обеспечивается совпадение направлений нагрузки и овальности дорожки качения наружного кольца. Таким образом, цель изобретения достигнута.

Пример. Проводили диагностирование наружного кольца шарикоподшипника 1000900 (ГОСТ 8338-75), нагруженного радиальной силой 100 Н, смазанного материалом состава: 50% масла МС-20 и 50% трансформаторного масла. При этом с помощью устройства, описанного в /6/, контролируемое кольцо подшипника предварительно подвергли деформации, моделируя овальность 20 мкм его дорожки качения согласно эскизу фиг. 3 (направление овальности определяется углами 90^o и 270^o относительно указанного начального направления радиальной нагрузки F).

Условно контролируемую дорожку качения разбили на n = 8 участков. Вращали внутреннее кольцо с частотой 1000 мин^-1, наружное кольцо фиксировали неподвижно. Проводили измерения нормированного интегрального времени разрушения смазочной пленки. При выполнении каждого измерения интегральный параметр определяли при совмещении направления действия нагрузки с центром присущего только данному измерению участка дорожки качения наружного кольца. Полученную в результате эксперимента функцию значения диагностического параметра от угловой координаты центра участка подвергли гармоническому анализу. Направление овальности дорожки качения определили по аргументам минимума второй гармоники функции.

На фиг. 4 представлены полученные значения функции интегрального параметра режима смазки (K) от угловой координаты центра участка (ϕ), а также расчетная кривая, соответствующая второй гармонике этой функции, полученная в результате проведения гармонического анализа экспериментальных данных.

Анализ полученных результатов показывает, что полученная при реализации предложенного способа функция интегрального параметра режима смазки от угловой координаты центра участка контролируемого наружного кольца имеет явно выраженную периодическую составляющую с частотой, соответствующей второй гармонике. При этом аргументами минимума второй гармоники являются углы 90^o и 270^o, что свидетельствуют о наличии овальности дорожки качения наружного кольца в данном направлении.

Полученные результаты соответствуют моделируемому в эксперименте направлению овальности (фиг. 3), что подтверждает работоспособность и эффективность предложенного способа диагностирования колец подшипников качения в узле.

Формула изобретения

Способ диагностирования колец подшипников качения, заключающийся в том, что вращают с рабочей частотой одно из колец смазанного подшипника, нагружают подшипник постоянной по величине радиальной силой, проводят измерения интегрального параметра режима смазки подшипника для различных участков дорожки качения контролируемого кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность, а о качестве дорожки судят по характеристике функции значения параметра от угловой координаты центра участка, отличающийся тем, что при выполнении каждого измерения направление действия радиальной нагрузки совмещают с центром присущего данному измерению участка дорожки качения контролируемого кольца, проводят гармонический анализ функции значения параметра от угловой координаты центра участка, а направление овальности дорожки качения определяют по аргументам минимума второй гармоники функции при контроле наружного кольца или по аргументам максимума второй гармоники функции при контроле внутреннего кольца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4