Электрорезистивный метод и средства диагностирования подшипников качения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.11, кандидат технических наук Марков, Владимир Владимирович

• Марков, Владимир Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Марков, Владимир Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ погрешностей изготовления и сборки подшипниковых уз- 13 лов

1.2 Анализ состояния вопроса

1.3 Анализ электрических методов диагностирования подшипников

1.4 Анализ электрорезистивных диагностических параметров, поста- 19 новка задач исследований

1.5 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИИ 24 ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОДШИПНИКА

2.1 Разработка математической модели электрического сопротивления 24 с учетом влияния параметров подшипника и режимов его эксплуатации

2.1.1 Разработка схемы построения математической модели

2.1.2 Анализ составляющих сопротивления контакта в подшипнике

2.1.3 Описание геометрии рабочих поверхностей подшипника

2.1.4 Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхно- 37 стей подшипника на их сближение

2.1.5 Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхно- 40 стей подшипника на фактическую площадь контакта

2.1.6 Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхно- 42 стей подшипника на число вероятных контактов

2.1.7 Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхностей 44 подшипника на его электрическое сопротивление в условиях граничной смазки

2.1.8 Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхно- 48 стей подшипника на его сопротивление при смешанной и жидкостной смазке

2.1.9 Описание результатов моделирования и предпосылок к разра- 51 ботке метода диагностирования

2.2 Исследование влияния отклонений геометрии деталей подшипника 52 на составляющие функции его сопротивления

2.2.1 Постановка задач численного эксперимента

2.2.2 Анализ функции сопротивления работающего подшипника

2.2.3 Исследование влияния шероховатости тел и дорожек качения на 57 функцию сопротивления подшипника

2.2.4 Исследование влияния макроотклонений дорожек качения на 67 функцию сопротивления подшипника

2.3 Теоретические исследования возможности применения параметров 70 функции сопротивления для диагностирования подшипника

2.3.1 Общие положения

2.3.2 Исследование возможности применения параметров функции 72 сопротивления подшипника для оценки шероховатости

2.3.3 Исследование возможности применения параметров функции 76 сопротивления подшипника для оценки параметров макрогеометрии

2.4 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

3.1 Общие положения по разработке метода диагностирования

3.2 Обоснование выбора диагностических параметров

3.2.1 Особенности формирования сигнала измерительной информа- 89 ции

3.2.2 Анализ составляющих сигнала измерительной информации

3.3 Алгоритмы диагностирования

3.3.1 Общие положения по этапам и алгоритмам диагностирования

3.3.2 Алгоритм усредненной комплексной оценки состояния подшип- 94 ника по интегральным параметрам

3.3.3 Алгоритм оценки геометрии дорожки качения циркуляционно 96 нагруженного кольца

3.3.4 Алгоритм оценки геометрии дорожки качения местно нагру- 107 женного кольца

3.4 Обоснование выбора режимов диагностирования

3.4.1 Исследование влияния радиальной нагрузки на диагностические 109 параметры

3.4.2 Анализ влияния частоты вращения на результаты диагностирова- 114 ния

3.5 Метрологический анализ метода диагностирования

3.5.1 Общие положения

3.5.2 Оценка составляющей погрешности от несоответствия закона 117 распределения высоты микронеровностей нормальному распределению

3.5.3 Оценка погрешности измерения сопротивления подшипника

3.5.4 Оценка составляющей погрешности от нестабильности нагрузки

3.5.5 Влияние радиального зазора на погрешность диагностирования

3.5.6 Оценка суммарной погрешности метода диагностирования

3.6 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

4.1 Цель, задачи и объекты экспериментальных исследований

4.2 Экспериментальное оборудование

4.2.1 Экспериментальная установка

4.2.2 Измерительное оборудование

4.3 Обоснование режимов экспериментальных исследований и оценка 134 работоспособности оборудования

4.3.1 Исследование времени стабилизации толщины смазочной плен- 135 ки в подшипнике

4.3.2 Обоснование выбора типа и количества смазочного материала

4.3.3 Проверка работоспособности экспериментального оборудования

4.4 Исследование возможности диагностирования подшипника по параметру R

4.5 Исследование эффективности алгоритма определения вида и ориен- 146 тации макроотклонений дорожки качения местно нагруженного кольца

4.6 Исследование эффективности алгоритма диагностирования дорож- 150 ки качения циркуляционно нагруженного кольца

4.7 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

5.1 Общие требования к средствам диагностирования подшипников

5.2 Средства диагностирования промышленного назначения

5.2.1 Средство диагностирования циркуляционно нагруженного коль- 159 ца

5.2.2 Средство диагностирования местно нагруженного кольца

5.3 Средства для лабораторных исследований

5.3.1 Диагностический комплекс для трибологических исследований

5.3.2 Автоматизированная система сбора и анализа данных при три- 169 бомониторинге

5.4 ВЫВОДЫ 175 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 178 ПРИЛОЖЕНИЕ А 190 ПРИЛОЖЕНИЕ Б 201 ПРИЛОЖЕНИЕ В 216 ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрорезистивный метод и средства диагностирования подшипников качения»

Подшипники качения являются широко распространенными элементами механических систем и часто определяют их эксплуатационные показатели, в частности, показатели надежности. Поэтому при изготовлении, эксплуатации и ремонте ответственных механизмов и машин необходимо осуществлять контроль и диагностирование входящих в их состав подшипников.

Техническое состояние подшипника определяется совместным влиянием многих факторов, к которым относятся качество изготовления и сборки его деталей, эффективность системы смазывания, условия и режимы эксплуатации в конкретном изделии. Существенное влияние на состояние подшипника оказывают внутренние параметры, в частности, отклонения геометрических параметров рабочих поверхностей его деталей (шероховатость, отклонения формы и расположения). Эти факторы приводят к неблагоприятному распределению нагрузки между телами качения, создают дополнительные вибрации, биения, изменения условий смазывания, приводя в итоге к значительному снижению долговечности подшипника [1-3].

Поэтому при изготовлении и ремонте механических систем необходимо осуществлять диагностирование подшипника непосредственно в узле, обеспечивая комплексную оценку его состояния и оценку характеристик отклонений геометрических параметров деталей, в частности, дорожек качения.

Среди известных методов контроля и диагностирования подшипников выделяют электрические методы. Они получили широкую известность благодаря универсальности, сравнительной простоте реализации и относительной безынерционности [4].

Целью работы является создание универсального электрорезистивно-го метода и средств диагностирования подшипника качения с возможностью выявления вида и оценки параметров отклонений формы и расположения его дорожек качения.

Уже доказана принципиальная возможность использования электрических методов для комплексной оценки состояния подшипника. Существуют методы контроля и диагностирования по предложенному основателем одной из научных школ в области неразрушающего контроля С.Ф. Корндорфом диагностическому параметру - нормированное интегральное время (НИВ) электрического микроконтактирования тел и дорожек качения, являющимся точечной оценкой функции распределения сопротивления подшипника.

Методы контроля и диагностирования, использующие вероятность микроконтактирования в качестве диагностического признака, нашли развитие в работах А.Ф. Блинова, К.В Подмастерьева, Ю.М. Санько, А.А. Боб-ченко, В.П. Чечуевского, П.Н. Шкатова, В.Я. Варгашкина, В.А. Юзовой, В.И. Юзова, В.В. Мишина, Е.В. Пахолкина и др. В частности, К.В. Подмас-терьевым [5] проанализирована возможность оценки вероятности микроконтактирования по параметру НИВ и разработана математическая модель, связывающая вероятность микроконтактирования в подшипнике с основными факторами, характеризующими его состояние, а Е.В. Пахолкиным и В.В. Мишиным эта модель усовершенствована применительно к учету влияния локальных дефектов и параметров макроотклонений (отклонений формы и расположения) рабочих поверхностей деталей.

В настоящее время данные методы, обладая рядом преимуществ, обеспечивают решение многих задач, включая входной контроль новых [6] и де-фектацию бывших в эксплуатации подшипников [7], поиск локальных дефектов [8] и оценку параметров макрогеометрии [9] на рабочих поверхностях их деталей, функциональное диагностирование подшипников в процессе эксплуатации ответственных изделий [10], оптимизацию режимов работы систем минимального смазывания [11], оценку состояния смазки при триболо-гических исследованиях [12].

Не умаляя достигнутого уровня развития методов контроля и диагностирования по параметру НИВ, отметим, что они эффективны только при работе подшипника в условиях смешанной смазки. Другим фактором, ограничивающим области применения этих методов, является то, что при измерении НИВ за малые интервалы времени (необходимо при контроле макроотклонений поверхностей) имеет место значительная погрешность.

Электрическое сопротивление является более универсальным диагностическим признаком, пригодным к использованию во всех возможных условиях смазки в подшипнике. Однако, несмотря на известность методов усредненной комплексной оценки качества подшипника по его среднему сопротивлению, методы определения вида и оценки параметров отклонений формы и расположения его деталей пока неизвестны.

В связи с этим задачами данной работы являются:

1) разработка математической модели электрического сопротивления подшипника с учетом отклонений геометрических параметров рабочих поверхностей его деталей;

2) проведение теоретических исследований влияния отклонений геометрических параметров на числовые характеристики функции сопротивления подшипника;

3) разработка метода диагностирования, включая синтез и обоснование диагностических параметров, разработку алгоритмов диагностирования и рекомендаций по выбору режимов диагностирования;

4) проведение экспериментальных исследований по подтверждению правильности теоретических положений, работоспособности и эффективности предложенного метода диагностирования;

5) разработка средств диагностирования, реализующих метод.

Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнялась в рамках проектов единого заказ наряда ОрелГТУ (1999 — 2004 г.г.) при поддержке РФФИ (грант № 03-01-96471).

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

Заключение диссертации по теме «Методы контроля и диагностика в машиностроении», Марков, Владимир Владимирович

1 Разработанные средства диагностирования подшипников производ ственного назначения позволяют осуществить реализацию алгоритмов ус редненной комплексной оценки состояния подшипника, определения вида и ориентации доминирующего макроотклонения дорожки качения местно на груженного кольца, определения вида и оценки значения доминирующего макроотклонения дорожки качения циркуляционно нагруженного кольца.2 Разработанные технические средства для лабораторных исследова ний, в частности, система САДТ-1, позволяют выполнять градуировку средств диагностирования промышленного назначения по предложенной ме тодике, а также проводить комплекс фундаментальных и прикладных иссле дований по совместному использованию различных по природе диагностиче ских признаков и параметров.ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1 Результатом комплекса проведенных теоретических и эксперимен тальных исследований стало создание универсального электрорезистивного метода и средств диагностирования подшипников и опор качения.2 При диагностировании подшипника необходимо обеспечить усред ненную комплексную оценку его технического состояния и возможность оп ределения параметров (вид, значение, ориентация) макроотклонений доро жек качения.3 При решении поставленной задачи в качестве диагностического при знака целесообразно использовать электрическое сопротивление подшипни ка, однако для этого необходимо решить ряд задач по исследованию влияния отклонений геометрических параметров (шероховатость, макроотклонения) рабочих поверхностей деталей подшипника на выбранный диагностический признак и созданию на его основе метода и средств диагностирования.4 Разработанная математическая модель обеспечивает возможность ис следования влияния шероховатости тел и дорожек качения и макроотклоне ний дорожек качения на параметры функции электрического сопротивления подшипника при раздельном моделировании этих отклонений для тел и до рожек качения каждого из колец.5 При работе подшипника его электрическое сопротивление непрерыв но изменяется, при этом функция изменения сопротивления во времени име ет детерминированную составляющую, несущую информацию о виде и зна чении макроотклонений дорожек качения, и случайную, несущую информа цию о шероховатости этих поверхностей.6 При изменении высоты микронеровностей тел и дорожек качения со ставляющие функции сопротивления подшипника изменяются монотонно, причем наблюдается аналогичный характер изменения параметров R и CTR.7 Для усредненной комплексной оценки состояния подшипника с уче том шероховатости рабочих поверхностей его деталей рекомендуется исполь зовать в качестве диагностических параметров среднее значение функции со противления R и квадрат отношения среднеквадратического значения пере менной составляющей функции к среднему значению сопротивления (сг/^/л)^.8 Для оценки вида и ориентации доминирующего макроотклонения до рожки качения местно нагруженного кольца в качестве диагностического па раметра рекомендуется использовать амплитуды и фазовые углы соответст вующих этому виду макроотклонения гармонических составляющих функ ции среднего сопротивления от угла направления действия радиальной силы относительно контролируемого кольца подшипника (для эксцентриситета дорожки качения - первая гармоника, для овальности - вторая, для трехвер шинной огранки - третья и т. п.).9 Для выявления вида и оценки значения доминирующего макроот клонения дорожки качения циркуляционно нагруженного кольца в качестве диагностических параметров рекомендуется использовать коэффициенты К^, Km и Кп\ параметр Кп обладает наибольшей чувствительностью к изменению значений макроотклонений дорожки качения и является предпочтительным.10 Разработанные в рамках создания электрорезистивного метода диаг ностирования алгоритмы позволяют осуществлять как комплексную оценку технического состояния подшипника, так и определение вида, ориентации и значения макроотклонений, доминирующих на дорожках качения каждого из его колец.11 Проведенные теоретические исследования характера влияния раз личных факторов на значения диагностических параметров позволили обос новать рекомендации по выбору рациональных режимов диагностирования, при которых метод имеет наибольшую чувствительность к оцениваемым факторам.12 Проведенные экспериментальные исследования подтверждают ре зультаты теоретических исследований, работоспособность и эффективность предложенного электрорезистивного метода диагностирования подшипника, включающего в себя алгоритм усредненной комплексной оценки его техни ческого состояния и алгоритмы оценки доминирующего вида, значения и ориентации макроотклонений дорожек качения.13 Разработанные средства диагностирования и вспомогательное обо рудование для их градуировки позволяют как в лабораторных, так и в произ водственных условиях осуществить реализацию алгоритмов предложенного метода диагностирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Марков, Владимир Владимирович, 2004 год

1. 1.* ров.- М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.

2. Приборные шариковые подшипники. Справочник / Под ред. К.Н. Явленского.- М.: Машиностроение, 1981.-351 с.

3. Бальмонт В.Б. Опоры качения приборов / В.Б. Бальмонт, В.А. Матвеев.М.: Машиностроение, 1984. — 240 с.

4. Акустические и электрические методы в триботехнике / Под ред. В.А. Белого.- Минск: Наука и техника, 1987. - 265 с.

5. Подмастерьев К.В. Электрический метод и средства диагностированияподшипников качения (при ремонте и изготовлении машин и механизмов): Дисс... канд. техн. наук. М., 1986. — 244 с.

6. Подмастерьев К.В. Неразрушающий входной контроль подшипников качения при ремонте канатных машин ДВ-2 // Современные физические методы и средства неразрушающего контроля.- М.: МДНТП, 1988. - 90-93.

7. Корндорф Ф. О возможности дефектации неразборных подшипников качения электрически методом / Ф. Корндорф, К.В. Подмастерьев. // Дефектоскопия.- 1985. - № 5. - 88-90.

8. Подмастерьев К.В. Электрофлуктуационный метод и средство поиска локальных дефектов опор качения приборов и машин / К.В, Подмастерьев, Е.В. Пахолкин. // Изв. вузов. Приборостроение.- 1997. - № 9. - 28-31.

9. Мишин В.В. Метод и средства диагностирования подшипниковых узлов сучетом макрогеометрии дорожек качения: Дисс. канд. техн. наук. Орел, 2000. -265 с.

10. Патент 1834501 РФ, G 01 Ml3/04. Устройство для диагностики подшипниковых узлов / Ф. Корндорф, К.В. Подмастерьев, В.Я. Варгашкин.^ Опубл. 11.03.94., Бюл. № 5.

11. Дзюба В.И. Оценка состояния смазочной пленки в опорах качения / В.И.

12. Дзюба, К.В. Подмастерьев. // Вестник машиностроения.- 1986. - N 5. - 8-11.J 1.