СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01M13/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть преимущественно использовано для диагностирования поверхностей качения колец подшипников в узлах в процессе эксплуатации и ремонта машин и механизмов.

Известен способ диагностирования колец подшипника, включающий вращение одного из его колец и оценку легкости вращения. При этом о наличии дефектов на поверхностях качения судят по характерным заеданиям, хрусту, щелканию [1] Недостатком способа является то, что легкость вращения определяет оператор, поэтому такая оценка носит субъективный характер.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ диагностирования колец подшипника, заключающийся в том, что вращают одно из колец смазанного и нагруженного постоянной радиальной нагрузкой подшипника с рабочей частотой, а другое кольцо вращают с частотой, на два-три порядка меньшей, и проводят последовательно измерения интегрального параметра режима смазки подшипника для различных участков дорожки качения медленно вращающегося контролируемого кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность. О качестве поверхности участка дорожки качения судят по отклонениям значения интегрального параметра режима смазки, измеренного для этого участка, от наименьшего значения параметра. Под действием постоянной радиальной нагрузки в подшипнике образуется зона нагружения в виде углового сектора, расположенного симметрично линии действия нагрузки. Значение диагностического параметра определяется качеством участков поверхностей качения деталей подшипника, попадающих за время его измерения в зону нагружения. В известном способе за время каждого измерения в зону нагружения попадают различные участки дорожки качения быстро вращающегося кольца и все тела качения, при этом воспринимает нагрузку, и, следовательно, подвергается контролю лишь участок дорожки качения контролируемого кольца, размер которого превышает размер зоны нагружения на величину угла поворота контролируемого кольца за время измерения параметра. При последующих измерениях в зону нагружения попадают другие участки дорожки качения кольца, и так контролируют всю его поверхность. В качестве интегрального параметра смазки используют, например, нормированное интегральное время разрушения смазочной планки, численно равное отношению суммарного времени разрушений смазочной пленки в контактных зонах деталей подшипника ко времени измерения. При наличии в зоне нагружения дефектного участка дорожки качения медленно вращающегося кольца значение интегрального параметра резко возрастает [2]
Существенным недостатком известного способа является то, что для его реализации необходимо вращать на специальном стенде оба кольца подшипника, что делает невозможным проведение функционального диагностирования подшипника непосредственно в сборочном узле, когда одно из колец, как правило, вращается с рабочей частотой, а другое неподвижно установлено в корпусе. При проведении диагностирования необходим демонтаж подшипника, что значительно усложняет диагностирование и снижает его производительность, кроме того, осуществление этого способа усложняется требованиями, предъявленными к выставлению и точному поддерживанию частот вращения колец подшипника.

Изобретение решает задачу упрощения и расширения функциональных возможностей за счет поиска дефектов неподвижного кольца при функциональном диагностировании подшипника в сборочном узле.

Это достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что вращают с рабочей частотой одно из колец смазанного подшипника, проводят измерения интегрального параметра режима смазки подшипника для различных участков дорожки качения контролируемого кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность, и по отклонениям параметра для каждого участка от наименьшего значения определяют качество поверхности этого участка, согласно изобретению фиксируют неподвижно второе кольцо, создают дисбаланс вращающегося кольца, а при выполнении каждого измерения интегральный параметр режима смазки определяют в периоды времени прохождения вектором вызванной дисбалансом радиальной нагрузки углового сектора ± 2π/z от положения центра одного и того же присущего только данному измерению участка неподвижного кольца, где Z число тел качения подшипника, при этом число участков дорожки качения контролируемого кольца выбирают кратным Z из условия n ≥ 2π/Φ где v - - допустимый угловой шаг дискретизации, определяемый требуемой точностью установления местоположения дефекта.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления способа при диагностировании колец подшипника в сборочном узле по параметру нормирование интегральное время разрушения смазочной пленки; на фиг.2 схема нагружения подшипника; на фиг. 3 временные диаграммы, поясняющие работу устройства (в качестве примера диаграммы представлены для подшипника с числом тел качения
16 и числом контролируемых участков дорожки качения контролируемого кольца
48); на фиг. 4 диаграмма, иллюстрирующая пример реализации способа.

Внутреннее кольцо смазанного испытуемого подшипника 1 (фиг. 1) установлено на валу 2 сборочного узла, наружное кольцо в корпусе 3. Устройство 4 нагружения создает через вал 2 дисбаланс внутреннего кольца. Один полюс источника 5 электрического напряжения через формирователь 6 импульсов и токосъемник 7 подключен к валу 2, в 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 через ключ 10 подключен к счетчику 11 канала 12 дискретного счета. Преобразователь углового положения вала выполнен в виде закрепленного на валу 2 диска 13 и датчика 14, который вместе с одновибратором 15 подключен ко входам делителей 16 и 17 частоты, выходы которых через триггер 18 связаны с управляющим входом ключа 10 канала 12 дискретного счета.

Датчик 14 установлен в непосредственной близости от диска 13 на угловом расстоянии 2π/z от положения центра первого контролируемого участка дорожки качения неподвижного кольца в направлении, противоположном направлению вращения внутреннего кольца. Так, например, на фиг. 2 указано местоположение датчика 14 в случае, когда первый контролируемый участок имеет центр в нижней точке неподвижного наружного кольца. В момент прохождения против датчика 14 одной из меток, выполненных в виде отверстий на диске 13, равномерно расположенных по окружности, датчик 14 вырабатывает импульс напряжения. В качестве датчика 14 может использоваться, например, параметрический накладной электромагнитный преобразователь, включенный в мостовую схему. Число n отверстий равно числу контролируемых участков дорожки качения исследуемого кольца.

Делители 16 и 17 частоты имеют одинаковые коэффициенты деления, равные n, однако, начальная фаза одного из них сдвинута относительно другого на 2n/Z. Делители 16 и 17 частоты могут быть выполнены, например, на микросхемах типа К 555 ИЕ6, а формирователь 6 импульсов на интегральном компараторе К 554 СА2. В качестве триггера 13 может использоваться любой триггер, работающий в счетном режиме. Временной селектор 8 и ключ 10 выполняют функцию логического умножения "2И". В качестве генератора 9 опорной частоты и счетчика 11 могут использоваться блоки стандартного электронного частотомера, например, типа ЧЗ-34А. Устройство 4 нагружения может быть выполнено, например, в виде закрепленной на валу втулки со штоком, на котором устанавливается груз.

Способ осуществляют следующим образом. Выбирают число Z участков дорожки качения контролируемого наружного кольца кратным из условия n ≥ 2π/Φ С помощью вала 2 вращают с рабочей частотой закрепленное на нем внутреннее кольцо смазанного подшипника 1. Наружное кольцо подшипника 1 фиксируют неподвижно с корпусе 3. Устройством 4 нагружения создают через вал 2 дисбаланс внутреннего вращающегося кольца. Проводят измерения интегрального параметра режима смазки подшипника 1 для каждого из n участков дорожки качения контролируемого наружного кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность. При выполнении каждого измерения интегральный параметр режима смазки определяют в периоды времени прохождения вектором вызванной дисбалансом радиальной нагрузки углового сектора ± 2π/z от положения центра одного и того же присущего только данному измерению участка от минимального значения определяют качество поверхности этого участка.

Рассмотрим осуществление одного из измерений.

При разрушении смазочной пленки в подшипнике его электрическое сопротивление резко уменьшается, следствием чего является импульс тока в цепи, составленной последовательно соединенными источником 5 электрического напряжения, формирователем 6 импульсов и токосъемником 7 (фиг. 1). Длительность этого импульса равняется времени разрушения пленки. Формирователь 6 импульсов выдает 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 импульсами генератора 9 опорной частоты, прошедшими через второй вход селектора 8. Счетчик 11 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 (K): K N_иT_г/T, где T_г - период импульсов генератора 9 опорной частоты.

Автоматическое измерение интегрального параметра режима смазки подшипника в периоды времени прохождения вектором радиальной нагрузки углового сектора ± 2π/z от положения центра одного и того же участка дорожки качения неподвижного контролируемого кольца согласно предлагаемому способу реализуется следующим образом.

Вследствие вращения вала 2 на выходе датчика 14 формируются импульсы напряжения, соответствующие нахождению меток диска 13 на угловом расстоянии 2π/z от положения центра первого контролируемого участка (фиг. 3а, где метки диска 13 обозначены условными порядковыми номерами), что обеспечивается соответствующим положением датчика 14 (фиг. 2). Эти импульсы поступают на входы делителей 16 и 17 частоты канала 12 дискретного счета. Делители имеют коэффициенты деления, равные числу контролируемых участков, поэтому на выходах формируются импульсы, соответствующие расположению на угловом расстоянии 2π/z от положения центра первого контролируемого участка одной и той же в каждом случае своей метки на диске. Диск 13 и устройство 4 нагружения закреплены неподвижно на валу 2, при этом из меток, например N 1, всегда лежит на линии действия вектора создаваемой дисбалансом за счет центробежной силы радиальной нагрузки и, фактически, указывает направление этого вектора ври любом текущем положении вала. Поэтому импульсы на выходах каждого из делителей соответствуют одному и тому же положению вектора нагружения. Наличие относительного сдвига фаз делителей 16 и 17 на 2n/Z импульсов позволяет зафиксировать поворот вращающегося внутреннего кольца и, следовательно, вектора радиальной нагрузки на угол 4π/z относительно положения датчика 14 (между метками 1 и 7 на фиг. 3б, в), что соответствует прохождению вектором вызванной дисбалансом радиальной нагрузки углового сектора ± 2π/z от положения центра контролируемого участка N 1. Триггер 18, на вход которого поступают сигналы с делителей 16 и 17 частоты, работает в счетном режиме, поэтому на его выходе формируются импульсы напряжения, соответствующие прохождению вектором радиальной нагрузки одного и того же присущего только данному измерению контролируемого участка (фиг. 3г). Сигналом с выхода триггера 18 открывают ключ 10, в результате чего на вход счетчика 11 через временной селектор 8 поступают импульсы с генератора 9 опорной частоты.

Таким образом, интегральный параметр режима смазки подшипника согласно изобретению определяют в периоды времени прохождения вектором вызванной дисбалансом радиальной нагрузки углового сектора ± 2π/z от положения центра одного и того же участка неподвижного кольца (в данном случае участка N 1).

Для оценки качества дорожки качения контролируемого кольца проводят n измерений интегрального параметра режима смазки подшипника для n его участков. При этом измерении могут проводиться последовательно и параллельно. При последовательном измерении параметра для следующего (второго участка дорожки качения неподвижного кольца, начало которого смещено на величину углового шага дискретизации 2π/n относительно начала первого участка, одновибратором 15 подают на входы делителей 16 и 17 один дополнительный импульс. В этом случае фазы делителей синхронно изменяются на период (фиг. 3д, е) и интегральный параметр измерят в периоды времени прохождения вектором нагрузки углового сектора ± 2π/z от положения центра следующего (второго) участка неподвижного наружного кольца, смещенного относительно первого участка на величину углового шага дискретизации 2π/n по направлению вращения внутреннего кольца (фиг. 3ж). И так n раз. Для параллельного измерения параметра достаточно включить параллельно рассмотренному каналу 12 дискретного счета еще (n 1) аналогичных каналов, при этом начальные фазы делителей 16 и 17 частоты в i-ном канале должны быть смещены на (i-1) импульс по отношению к фазам делителей первого канала.

Разрушения смазочной пленки дефектами рабочих поверхностей деталей подшипника происходят в нагруженных зонах контактов, и с ростом нагрузки возрастает вероятность разрушения пленки. Условия радиального нагружения обеспечивает образование в подшипнике зоны нагружения в виде углового сектора, размеры которого равны ± 2π/z относительно линии действия радиальной нагрузки. При вращении внутреннего кольца вызванная дисбалансом за счет центробежной силы радиальная нагрузка также изменяет свое направление, и зона нагружения перемещается вместе с вектором нагрузки.

За время каждого измерения под нагрузкой будет находиться один и тот же участок дорожки качения вращающегося внутреннего кольца, все тела качения и участок дорожки качения контролируемого наружного кольца, размер которого ограничен угловым сектором ± 4π/z относительно центра.

При названных условиях результат каждого измерения интегрального параметра содержит постоянную для всех измерений составляющую, характеризующую качество участка дорожки вращающегося кольца и качество всех тел качения, каждое из которых попадает в зону нагружения много раз за время измерения, а также переменную составляющую, которая характеризует качество поверхности контролируемого при данном измерении участка дорожки качения неподвижного кольца, находящегося за время данного измерения в зоне нагружения. Причем центр контролируемого участка на i-ом измерении смещения от центра первого участка на угол 2π(i-1)n в направлении вращения внутреннего кольца, а центр первого участка при рассмотренном положении 14 расположен в нижней точке наружного кольца. Очевидно, что наименьшее значение интегрального параметра определяется постоянной составляющей. Отклонения же каждого значения параметра определяются переменной составляющей и, следовательно, характеризуют качество поверхности соответствующего участка дорожки качения контролируемого кольца.

Нагрузка в зоне нагружения распределена неравномерно и изменяется от максимального значения в центре до нуля на границах. За время одного измерения воспринимают нагрузку, и, следовательно, влияют на диагностический параметр все точки контролируемого участка дорожки качения, ограниченного угловым сектором ± 4π/z При этом вследствие вращения вектора радиальной силы нагрузка, воспринимаемая каждой точкой, за время измерения изменяется, а среднее значение нагрузки уменьшается от центра к граням. Таким образом, наибольшее влияние на результат измерения оказывает центральная часть участка, что позволяет определить местоположение дефекта на дорожке качения контролируемого кольца, как центр участка, которому соответствует наибольшее значение параметра режима смазки подшипника. Таким образом, местоположение дефекта может быть установлено с точностью до принятого шага дискретизации.

Пример. Проводили диагностирование колец шарикоподшипника 7000108 (ГОСТ 8338-75), смазанного материалом состава: 50% масла МС-20 и 50% трансформаторного масла. При требуемой точности установления местоположения дефекта Φ = 10^°= π/18 выбрали число n участков дорожки качения контролируемого кольца кратным Z из условия n ≥ 2π/Φ Поскольку 2π/Φ 36, учитывая требование кратности Z (Z 16), выбрали n 48, при этом шаг дискретизации был равен 2π/48 = 7,5^° Вращали внутреннее кольцо с частотой 1000 мин^-1, наружное кольцо фиксировали неподвижно. За счет груза массой 0,1 кг, закрепленного на расстоянии 46 мм от оси вала, создавали дисбаланс внутреннего кольца, обеспечивающий при данной частоте вращения радиальную нагрузку 50 H. Проводили 48 измерений нормированного интегрального времени разрушения смазочной пленки. При выполнении каждого измерения интегральный параметр определяли в периоды времени прохождения вектором вызванной дисбалансом радиальной нагрузки углового сектора ± 2π/16 = ± 22,5^° от центра одного и того же присущего только данному измерению участка наружного кольца. По отклонениям параметра для каждого участка от наименьшего значения определяли качество поверхности этого участка.

На фиг. 4 представлена диаграмма изменения значений отклонений диагностического параметра от минимального значения (K_min 0,85•10^-5) в зависимости от порядкового номера N контролируемого участка.

Существенное возрастание значения параметров с максимумом, соответствующим участку с N 6 (K 34•10^-5) свидетельствует о наличии дефекта на дорожке качения наружного кольца в центре этого участка - на угловом расстоянии 2π(N-1)/n = 0,65 рад (37,5^o) от нижней точки кольца в направлении вращения вала.

После диагностирования подшипник разобрали и контролировали дорожку качения наружного кольца с помощью микроскопа. На дорожке качения в предполагаемом месте обнаружили коррозионное пятно размером около 1,5 мм, что подтвердило достоверность предложенного способа.

Предложенный способ выгодно отличается от прототипа, являющегося лучшим образцом и принятого за базовый объект. Возможность поиска дефектов дорожки качения колец подшипника при одном неподвижном кольце существенно расширяет функциональные возможности способа, поскольку позволяет осуществлять диагностирование подшипника непосредственно в сборочном узле при эксплуатации и ремонте машин и механизмов. Это наряду с упрощением способа, выраженном в присутствии необходимости вращать второе кольцо, точно выставлять и поддерживать частоты вращения колец, позволяет значительно повысить производительность контроля за счет исключения операции демонтажа подшипника из сборочного узла.

Использование: в измерительной технике и может быть, преимущественно, для диагностирования поверхностей качения колец подшипников в узлах в процессе эксплуатации и ремонта машин и механизмов. Сущность: изобретение решает задачу упрощения и расширения функциональных возможностей за счет поиска дефектов неподвижного кольца при функциональном диагностировании подшипника в сборочном узле. Способ диагностирования колец подшипника заключается в том, что вращают с рабочей частотой одно из колец смазанного подшипника при неподвижном втором кольце. Создают дисбаланс вращающегося кольца и проводят измерения интегрального параметра режима смазки подшипника для каждого из контролируемых участков дорожки качения неподвижного кольца. При выполнении каждого измерения интегральный параметр определяют в периоды времени прохождения вектором вызванной дисбалансом радиальной нагрузки углового сектора от положения центра одного и того же присущего только данному измерению участка дорожки качения неподвижного кольца. При этом по отклонениям параметра для каждого участка дорожки качения от наименьшего значения судят о качестве поверхности этого участка. А число участков дорожки качения контролируемого кольца выбирают кратными из определенного условия. Это позволяет определять дефекты неподвижного кольца при функциональном диагностировании подшипника в сборочном узле. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ диагностирования колец подшипников качения, заключающийся в том, что вращают с рабочей частотой одно из колец смазанного подшипника, проводят измерения интегрального параметра режима смазки подшипника для различных участков дорожки качения контролируемого кольца, охватывающих всю его рабочую поверхность, и по отклонениям параметра для каждого участка от наименьшего значения определяют качество поверхности этого участка, отличающийся тем, что фиксируют неподвижное второе кольцо, создают дисбаланс вращающегося кольца, а при выполнении каждого измерения интегральный параметр режима смазки определяют в периоды времени прохождения вектором вызванной дисбалансом радиальной нагрузки углового сектора ± 2π/z от положения центра одного и того же присущего только данному измерению участка неподвижного кольца, где z число тел качения подшипника. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число n участков дорожки качения контролируемого кольца выбирают кратным z из условия n ≥ 2π/Φ , где Φ - допустимый угловой шаг дискретизации, определяемый требуемой точностью установления местоположения дефекта.