Способ определения износа подшипников скольжения

Изобретение относится к методам диагностики узлов трения, в частности подшипников скольжения, на прогнозирование износа их в процессе эксплуатации в условиях запыленной среды и может широко применяться в машиностроительной, металлургической, строительной и других отраслях промышленности. Технический результат - снижение износа, повышение эффективности, работоспособности, прочности, надежности сопряжения вал-втулка, повышение достоверности прогнозирования износа подшипников скольжения. Для достижения данного результата в способе дополнительно определяют износ втулки с учетом динамического нагружения и процентного содержания абразивных частиц в пыли расчетным путем. 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к методам диагностики узлов трения, в частности подшипников скольжения, на прогнозирование износа их в процессе эксплуатации в условиях запыленной среды и может широко применяться в машиностроительной, металлургической, строительной и других отраслях промышленности.

Известен способ определения износа подшипников скольжения, по которому определяют оценку среднего ресурса , НДГ Т_0.9 при доверительной вероятности q, равной 0.9, точечную оценку среднего срока службы _T согласно зависимостям

причем

где N - количество наработок;

t_i - наработка, сутки;

И_q - квантиль нормального распределения, определяемый согласно табличным данным;

- отклонение;

U - предельно допустимая величина износа, мм;

- зазор в начальный момент времени, мм;

- износ в сутки, мм/ сутки;

N_З - количество замеров;

µ_2o - зазор через определенный промежуток времени, мм;

Т - время работы узла, час;

(Ю.В.Жиркин. Надежность, эксплуатация и контакт деталей машин. - М.: Машиностроение: МГТУ, 2002, 330 с.).

Недостатком известного способа является учет только статической нагрузки, прикладываемой к узлам механизмов машин, без учета быстро меняющейся во времени динамической нагрузки при наличии ускорений в рассматриваемых узлах механизмов. Оценка выполняется без учета процентного состава пыли, соотношения абразивных частиц различной твердости. В результате, как видно из табл.1, 2 и 3, полученные средняя наработка узла и износ за 1 час работы значительно отличаются от промышленных данных.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ определения износа подшипников скольжения, по которому расчет износа вала И₁ и втулки И₂ подшипникового узла выполняют согласно зависимостям

причем

где h₁, h₂ - глубины внедрения абразивной частицы в поверхность соответственно вала и втулки, мкм;

R - радиус среднего размера абразивной частицы, мкм;

а - радиус пятна контакта в направлении скольжения, мкм;

n_p1, n_p2 - число циклов, приводящих к разрушению соответственно вала и втулки;

l - длина подшипника, мм;

n_a - число одновременно находящихся абразивных частиц в зазоре;

ω - частота вращения вала, с^-1;

S_max, S_min - соответственно максимальный и минимальный размеры частиц в зазоре, мкм;

d_cp - средний размер абразивной частицы, мкм;

φ - угол, ограниченный участком износа, рад;

N_a - сила, действующая на единичную абразивную частицу, МПа;

С - коэффициент формы абразивной частицы, учитывающий повышение несущей способности контакта вследствие дополнительных напряжений в перпендикулярных направлениях;

σ_T - предел текучести материала, МПа;

µ - коэффициент трения;

Е - постоянная, равная 2,1*10⁵ Н/мм²;

σ_b - прочность пальца, МПа;

К - постоянная, равная по У.А.Икрамову 1.73;

τ - удельная сила трения, МПа;

t - показатель степени, равный по У.А. Икрамову 1,1-1,3;

ε_cp - средняя концентрация абразивных частиц в зазоре, %;

Q_n - расход смазки, м³/ч;

γ_м - плотность смазки, г/см³;

k₁, k₂ - коэффициенты;

γ_a - плотность частиц, г/см³;

r₁, r₂ - радиусы соответственно вала и втулки, мм;

δ - толщина слоя смазки, мкм;

R_a1, R_a2 - среднее значение высот микронеровностей, мкм;

h_i - глубина внедрения абразивной частицы, мкм;

р_ч - твердость абразивной частицы, МПа;

f - коэффициент трения;

ϑ - упругая постоянная материала (У.А.Икрамов. Расчетные методы оценки абразивного износа. - М.: Машиностроение, 1987, 288 с.).

Недостатком известного способа является учет только статической нагрузки, прикладываемой к узлам механизмов машин, без учета быстро меняющейся во времени динамической нагрузки и наличия ускорений в рассматриваемых узлах механизмов, принятием ряда допущений о недеформируемости абразивной частицы повышенной твердости при фактически изменяющихся условиях влияния абразивных частиц различной твердости на сопрягаемые поверхности узлов механизмов машин оценка выполняется без учета процентного состава пыли, соотношения абразивных частиц различной твердости. В результате, как видно из табл.1, 2 и 3, полученные средняя наработка узла и износ за 1 час работы также значительно отличаются от промышленных данных.

Технический результат использования изобретения заключается в снижении износа, повышении эффективности, работоспособности, прочности, надежности сопряжения вал-втулка, повышении достоверности прогнозирования износа подшипников скольжения за счет учета при расчете и моделирования процессов прогнозирования износа подшипников скольжения быстро меняющейся во времени динамической нагрузки и наличия ускорений в рассматриваемых узлах механизмов в зависимости от материала вала, втулки, режима работы, содержания абразивной пыли, структуры, твердости абразивных частиц и процентного соотношения видов абразивных частиц различной твердости.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в способе определения износа подшипника скольжения, включающем определение износа втулки И₂ за один час работы, дополнительно определяют износ втулки с учетом динамического нагружения и процентного содержания абразивных частиц в пыли согласно зависимости

причем

где - максимальный размер абразивных частиц с учетом динамического прогиба f_Д мкм;

d_cp - средний размер абразивной частицы, мкм;

- глубина внедрения абразивной частицы в поверхность соответственно вала и втулки с учетом динамической нагрузки, мкм;

φ - величина угла, ограниченного участком износа, рад;

n_p2 - число циклов, приводящих к разрушению втулки;

S_max, S_min - соответственно максимальный и минимальный размер частиц в зазоре, мкм;

l - длина подшипника, мм;

R - радиус среднего размера абразивной частицы, мкм;

n_a - число одновременно находящихся абразивных частиц в зазоре;

ω - частота вращения вала, с^-1.

Т - время работы узла, час;

К - установленный опытным путем эмпирический поправочный коэффициент, величину которого выбирают в зависимости от процентного соотношения абразивных частиц в пыли;

К_Д - динамический коэффициент;

f_Д - величина динамического прогиба, мкм;

Р_Д - величина динамической нагрузки, МПа;

С - коэффициент формы абразивной частицы, учитывающий повышение несущей способности контакта вследствие дополнительных напряжений в перпендикулярных направлениях;

σ_T - предел текучести материала, МПа;

δ - толщина слоя смазки, мкм;

R_a1, R_a2 - среднее значение высот микронеровностей, мкм;

ε_cp - средняя концентрация абразивных частиц в зазоре, %;

Q_n - расход смазки, м³/ч;

γ_m - плотность смазки, г/см³;

k₁, k₂ -коэффициенты;

γ_a - плотность частиц, г/см³;

r₁, r₂ - радиусы соответственно вала и втулки, мм;

h - расстояние динамического удара, мм;

f_cm - величина статического прогиба, мм;

Р_cm- статистическая нагрузка, нагруженная к узлу, принимаемая из условий эксплуатации, МПа;

Q - объем смазки в системе, м³;

Е - постоянная, равная 2,1*10⁵, Н/мм;

j - осевой момент инерции;

Д - диаметр рабочего вала, мм.

Условия работы подшипников скольжения машин, эксплуатируемых в запыленной среде, характеризуются высоким содержанием в смазывающей жидкости частиц пыли, для исследования износостойкости трущихся сопряжений разработано заявляемое изобретение аналитического расчета анализа механизма взаимодействия абразивной частицы с поверхностью трения при изнашивании сопряженных поверхностей, при котором значительное влияние на интенсивность изнашивания оказывает кинематическое взаимодействие абразивной частицы с поверхностями пары трения. В зависимости от шероховатости, твердости поверхностей пары трения скольжения абразивные частицы склонны закрепляться в неподвижной или более шаржируемой поверхности, изнашивая сопряженную поверхность. Известно, что материалы с меньшей твердостью, например ковкий чугун, бронза, пластмассы, сильнее шаржируют абразивные частицы. Так как с уменьшением твердости изнашиваемого материла износостойкость снижается, то хорошо шаржируемые материалы являются менее износостойкими. Однако специфика абразивного износа такова, что уже само шаржирование поверхностей трения абразивными частицами уменьшает интенсивность их изнашивания: абразивные частицы не скользят по поверхности, следовательно, не могут ее изнашивать. В то же время сопряженная поверхность изнашивается более интенсивно, так как абразивные частицы скользят по ней. Появляется возможность управлять процессом абразивного изнашивания. Исчезает необходимость повышения износостойкости обеих поверхностей трения. Кроме того, заявляемое изобретение учитывает действие важных динамических нагрузок на сопряженные поверхности деталей, оказывающих разрушающее воздействие на 72% объема сопряженных деталей. Динамическая нагрузка, приложимая к сопряженным деталям узлов механизмов, сравнительно быстро меняется во времени, динамическое действие сил характеризуется наличием ускорений в сопряженных деталях. В зависимости от знака ускорения меняется характер деформации и разрушения тела, появляются колебания, ударные явления, многие материалы, которые при статическом нагружении являются пластичными, при ударе работают как хрупкие, при действии многократно повторяющейся нагрузки прочность материалов резко снижается.

В таблице 1 приведены результаты сравнения средних наработок подшипникового узла, рассчитанных по аналогу (см. чертеж позиция (а)) и прототипу (см. чертеж позиция (б)), с промышленными данными (см. чертеж позиция (г)). В табл.2 приведены результаты сравнения износа втулки за 1 час работы подшипникового узла при различных схемах нагружения, приложения нагрузки - статической по аналогу (см. чертеж позиция (а)) и динамической - по прототипу (см. чертеж позиция (б)). В табл.3 приведены результаты сравнения износа за 1 час работы подшипникового узла при различных (50, 100, 150 и 200 МПа) нагрузках, приложенных на узел, при статическом нагружении по аналогу (см. чертеж позиция (а)), при динамическом нагружении по прототипу (см. чертеж позиция (б)), при динамическом нагружении с поправочным коэффициентом на состав абразивной пыли из частиц различной твердости по заявляемому изобретению (см. чертеж позиция (в)) и промышленные данные (см. чертеж позиция (г)). В соответствии с данными табл.3 на фигуре приведены графики зависимости износа подшипникового узла от нагрузки при различных условиях, позиция а - статистическое нагружение (по аналогу); 6 - динамическое нагружение (по прототипу); в - динамическое нагружение с учетом поправочного коэффициента на состав абразивной пыли из частиц различной твердости (по заявляемому изобретению); г - промышленные данные.

Способ осуществляют следующим образом.

С учетом того, что износ втулки сопряжения происходит интенсивнее, чем износ пальца, износостойкость узла зависит от долговечности работы втулки, в заявляемом изобретении износостойкость сопряжения определяют по износу втулки с учетом динамического нагружения и процентного содержания абразивных частиц в пыли.

Для расчета износа вала определяют средний размер d_cp абразивной частицы, затем последовательно определяют величины R радиуса среднего размера абразивной частицы, максимального S_max и минимального S_min размеров частиц в зазоре, числа n_a одновременно находящихся абразивных частиц в зазоре, момента инерции j, статического прогиба f_cm, динамического коэффициента К_Д, динамического прогиба f_Д, максимального и минимального размеров абразивных частиц с учетом динамического прогиба f_Д, динамической нагрузки Р_Д, глубин внедрения и абразивной частицы в поверхность соответственно вала и втулки с учетом динамической нагрузки.

Износ втулки с учетом динамического нагружения и процентного содержания абразивных частиц в пыли окончательно определяют по зависимости

где К - установленный опытным путем эмпирический поправочный коэффициент, величину которого выбирают в зависимости от процентного соотношения абразивных частиц в пыли.

Пример конкретного выполнения способа

Для расчета износа втулки с учетом динамического нагружения и процентного содержания абразивных частиц в пыли сначала определяют средний размер d_cp абразивной частицы при максимальном и минимальном размерах абразивной частицы, равных соответственно 4.0 мкм и 0.4 мкм, d_cp по зависимости равен

Радиус R среднего размера абразивной частицы равен по зависимости

При радиусе втулки подшипника r₂, равном 38.09 мм, при радиусе вала подшипника r₁, равном 38.075 мм, максимальный размер S_max частиц в зазоре по зависимости равен

При толщине δ слоя смазки, равной 0.8 мкм, минимальном R_a1 и максимальном R_a2 значениях микронеровностей поверхности, равных соответственно 025 мкм и 0.85 мкм, минимальный размер S_min частицы в зазоре по зависимости равен

При условии средней концентрации ε_cp абразивных частиц, равной 0.5%, расходе смазки Q_n, равном 0.1 м³/ч, плотности смазки γ_м, равной 0,91 Гр/см³, равенстве коэффициентов k₁, k₂ соответственно 0.9 и 0.95, длине подшипника l, равной 0.157 мм, плотности абразивных частиц γ_a, равной 2,61 Гр/см³, частоте вращения ω, равной

0.4 с^-1, число n_a одновременно находящихся абразивных частиц в зазоре по зависимости равно

Осевой момент инерции j при диаметре рабочего вала Д, равном 76.15 мм, равен по зависимости

При объеме смазки в системе Q, равном 0.001 м³, силе Е, приложенной на частицу, равной 2,1*10⁴ МПа, статический прогиб f_cm равен по зависимости

Динамический коэффициент К_Д при расстоянии h динамического удара, равном 0.03 мм, равен по зависимости

Величина динамического прогиба f_Д равна по зависимости

Максимальный размер абразивных частиц с учетом динамического прогиба f_Д равен по зависимости

При статистической нагрузке Р_cm, приложенной к узлу, принимаемой из условий эксплуатации равной, например, 100 МПа, величина динамической нагрузки Р_Д равна по зависимости

При коэффициенте С формы абразивной частицы, учитывающем повышение несущей способности контакта вследствие дополнительных напряжений в перпендикулярных направлениях, равном по У.А.Икрамову 10, при пределе текучести σ_T стали 45 вала, равном 786 МПа, при пределе текучести σ_T бронзы втулки, равном 372 МПа, глубины внедрения абразивной частицы в поверхность соответственно вала и втулки равны по зависимостям

где К - установленный опытным путем эмпирический поправочный коэффициент.

Величину поправочного коэффициента К, который для разных шлаковых пылей имеет различные полученные опытным эмпирическим путем значения (K_{доменный} - 0,2, K_{конвертерный} - 0,9, K_{мартеновский} - 0,4, K_{горная порода} = 1), выбирают в зависимости от процентного соотношения абразивных частиц в пыли. На УПМШ рудника ГОП ОАО «ММК» в течение месяца перерабатывается 401000 тонна шлаков, в том числе 205000 т (51%) - доменного шлака, 82000 т (20.4%) - конвертерного шлака, 114000 т (28.6%) - мартеновского шлака, т.е. в зависимости от процентного соотношения переработанных шлаков в месяц коэффициент доменных шлаков

K_{доменный} (при условии 51% доменного шлака) равен

K_{доменный}=0.2×0.51=0.102; коэффициент конвертерных шлаков K_{конвертерный} (при условии 20.4% конвертерного шлака) равен

K_{конвертерный}=0.9×0.204=0.184; коэффициент мартеновских шлаков K_{мартеновский} (при условии 28.6% конвертерного шлака) равен

K_{мартеновский}=0.4×0.286=0.114. Исходя из этих условий поправочный коэффициент К равен

K=0.102+0.184+0.114=0.4.

При частоте вращения вала ω, равной 0.4 с^-1, величине угла, ограниченного участком износа φ, равном 1.74 рад, числе циклов n_p2, приводящих к разрушению втулки, равном 500, износ втулки с учетом динамического нагружения и процентного содержания абразивных частиц в пыли за время Т один час работы равен по зависимости

Способ дает возможность прогнозировать износ, изменяя материал вала и втулки в сопряжении подшипников скольжения и режим работы узлов, повышать износостойкость сопряженных деталей оборудования.

Способ определения износа подшипников скольжения внедрен на УПМШ рудника ГОП ОАО «ММК». Внедрение обеспечило снижение износа, повышение прочности, надежности, эффективности работы сопряжения вал-втулка подшипникового узла, достоверности прогнозирования износа подшипников скольжения за счет достоверного, объективного расчета и моделирования процессов прогнозирования износа подшипников скольжения в зависимости от материала вала, втулки, режима работы, содержания абразивной пыли, структуры, твердости абразивных частиц и процентного соотношения различных видов абразивных частиц с учетом динамической быстро меняющейся во времени нагрузки и наличия ускорений в рассматриваемых узлах механизмов. Как видно из чертежа и табл.3, предлагаемое изобретение соответствует промышленным данным с высокой (95%) степенью вероятности.

Таблица 1
№ п/п	Способ	Средняя наработка узла, сутки
1	Промышленные данные	78
2	Аналог, позиция (а)	93
3	Прототип, позиция (б)	35

Таблица 2
№ п/п	Схема нагружения	Приложенная нагрузка	Износ втулки за 1 час работы узла
1	По аналогу, позиция (а)	Статистическая	31,6 мкм
2	По прототипу, позиция (б)	Динамическая	54,34 мкм

Таблица 3
Схема нагружения, износ за 1 час работы, мкм	Нагрузка, приложенная на узел, МПа
50	100	150	200
Статистическое нагружение по аналогу, позиция (а)	23,46	32,8	40,77	47,47
Динамическое нагружение по прототипу, позиция (б)	42,39	54,34	64,09	71,9
Динамическое нагружение с поправочным коэффициентом по заявляемому изобретению, позиция (в)	1.8	4.1	5.7	7.3
Промышленные значения, позиция (г)	1.9	4.0	5.24	6.9

Способ определения износа подшипников скольжения, включающий определение износа втулки И₂ за один час работы, отличающийся тем, что дополнительно определяют износ втулки И₂ ^дин с учетом динамического нагружения и процентного содержания абразивных частиц в пыли согласно зависимости

где - максимальный размер абразивных частиц с учетом динамического прогиба, f_д мкм;
d_cp - средний размер абразивной частицы, мкм;
, - глубина внедрения абразивной частицы в поверхность соответственно вала и втулки с учетом динамической нагрузки, мкм;
φ - величина угла, ограниченного участком износа, рад;
n_р2 - число циклов, приводящих к разрушению втулки;
S_max, S_min - соответственно максимальный и минимальный размер частиц в зазоре, мкм;
l - длина подшипника, мм;
R - радиус среднего размера абразивной частицы, мкм;
n_а - число одновременно находящихся абразивных частиц в зазоре;
ω - частота вращения вала, с^-1;
Т - время работы узла, ч;
K - установленный опытным путем эмпирический поправочный коэффициент, величину которого выбирают в зависимости от процентного соотношения абразивных частиц в пыли;
К_д - динамический коэффициент;
f_д - величина динамического прогиба, мкм;
Р_д - величина динамической нагрузки, МПа;
С - коэффициент формы абразивной частицы, учитывающий повышение несущей способности контакта вследствие дополнительных напряжений в перпендикулярных направлениях;
σт - предел текучести материала, МПа;
δ - толщина слоя смазки, мкм;
R_a1, R_a2 - среднее значение высот микронеровностей, мкм;
ε_cp- средняя концентрация абразивных частиц в зазоре, %;
Q_n - расход смазки, м³/ч;
γ_м - плотность смазки, г/см³;
k₁, k₂ - коэффициенты;
γ_м - плотность частиц, г/см³;
r₁, r₂ - радиусы соответственно вала и втулки, мм;
h - расстояние динамического удара, мм;
f_cm - величина статического прогиба, мм;
P_cm - статистическая нагрузка, нагруженная к узлу, принимаемая из условий эксплуатации, МПа;
Q - объем смазки в системе, м³;
Е - постоянная, равная 2,1·10⁵ Н/мм²;
j - осевой момент инерции;
Д - диаметр рабочего вала, мм.