СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01M13/04 

Изобретение относится к подшипниковой промышленности и может быть преимущественно использовано для контроля готовых изделий с целью определения качества изготовления путем анализа вибрационных характеристик подшипника.

Известен способ диагностики подшипников качения, который основан на наблюдении за изменениями среднеквадратичного уровня и спектральной плотности вибрационных сигналов /см. статью "Обнаружение повреждения подшипника качения путем статистического анализа вибрации", журнал "Конструирование", 1978, т. 100, N 2/.

Недостатками способа является невозможность определения качества изготовления всех его деталей в отдельности, а также степени их загрязненности.

Известно устройство для диагностики подшипников качения, в котором использован метод анализа вибрационных сигналов /см. авт. свид. СССР 540186, кл. G 01 M 13/04, 1977/. Оно содержит вибропреобразователь, усилитель, частотный анализатор, синхронизатор, счетчик, матричный дешифратор, блок совпадения, режимный переключатель, блок ввода вероятности дефекта, запоминающий блок, сумматор, пороговый блок и цифровой преобразователь-усилитель. Однако такое устройство является сложным по конструкции и позволяет определять лишь достаточно грубые местные дефекты деталей подшипника, образовавшиеся в результате механических импульсов (ударов), периодически повторяющихся с частотами, получившими название частот подшипника.

Известны также способ и устройство для оценки неидеальности геометрии поверхности колец или шариков посредством анализа вибросигналов, /см. журнал "Конструирование и технология машиностроения", 1987, N 1, с. 140 - 149/. Способ основан на анализе короткого вибрационного сигнала, возбуждаемого при встрече шариков с дефектами на вращающемся кольце или вращающегося кольца с дефектами шариков в собранном подшипнике. Устройство содержит прибор, воспроизводящий вибрационные сигналы, фильтр высоких частот, цифровой магнитофон, датчик, динамик, фильтр нижних частот, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ.

Недостатками устройства и способа являются низкие технологические возможности при диагностике подшипников, низкая точность оценки микрогеометрии поверхностей колец и шаров, а также низкая производительность процесса контроля, поскольку проверка щупом можно осуществить только после разборки подшипника.

Известно также устройство для вибродиагностики подшипников качения, снабженное двумя аналого-цифровыми преобразователями, интерфейсом, печатающим устройством, дисплеем, а также синтезатором и двумя параллельными каналами косинусной и синусной составляющих вибросигнала, /см. авт. свид. СССР 1620881, кл. G 01 M 13/04, 1991/.

Однако такой способ диагностики и устройство не позволяют быстро и точно проводить комплексную вибродиагностику всех деталей подшипника без его разборки для определения качества их изготовления, а также проводить оценку степени загрязненности подшипника.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении без разборки подшипника оценки с высокой степенью точности качества изготовления подшипника за счет учета фазовых изменений вибрационного сигнала во времени, а также степень его загрязненности.

Это достигается тем, что в способе комплексной вибродиагностики подшипников качения измеряют вибросигнал при вращении его под нагрузкой, вибросигнал дискретизируют и преобразовывают в цифровую форму и вводят его в рабочий буфер в разных режимах, меняя частоту дискретизации, частоту среза фильтра и время ввода, в каждом из режимов подбирают оптимальный коэффициент усиления, в каждом из режимов вибросигнал подвергают быстрому преобразованию Фурье, определяют индивидуальные для каждого подшипника частоты вращения ротора, сепаратора с шариками относительно наружного и внутреннего колец, шарика вокруг собственной оси и пиковую частоту, используя периодичность вибрационного сигнала, связанного с относительными частотами вращения деталей подшипника, и выделяют четыре составляющие этих сигналов, обусловленные качеством изготовления внутреннего и наружного колец, шариков и степенью загрязненности, для каждой из этих составляющих сигнала определяют уровень вибрации и долевой вклад по мощности в вибрацию каждой из составляющих в общую мощность вибросигнала и, используя заложенные в памяти ЭВМ известные свойства вибросигналов, судят о состоянии элементов. Вибросигнал может быть введен в трех режимах с использованием следующих параметров: частота дискретизации - 800 Гц, 5000 Гц, 25000 Гц, частота среза - 300 НЧ, Гц, 2000 НЧ, Гц, 10000 НЧ, Гц, время ввода: первый режим - 40 с, второй 10 с, третий - 2 с.

Устройство для комплексной вибродиагностики подшипников содержит вибропреобразователь, усилитель-корректор, фильтр верхних и низких частот, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь Фурье, определитель частоты и периодов вращения, разделитель линейчатого и непрерывного спектров, частотомер пиковых частот, формирователи вибросигнала наружного кольца, внутреннего кольца, шариков и загрязненности, выход последнего подключен с дисплеем и печатающим устройством, при этом второй выход и вход определителя частоты и периодов вращения подключены к частотомеру пиковых частот, вторые выходы и входы формирователей вибросигналов наружного кольца и внутреннего и шариков подключены к блоку включения и исключения пиков, а третьи выходы и вход формирователей наружного кольца и внутреннего кольца подключены к задатчикам частот этих колец.

На чертеже показана схема устройства.

Устройство содержит вибропреобразователь 1, установленный на исследуемом подшипнике, закрепленном на вращающемся роторе. К его выходу подключен усилитель-корректор 2, с которым последовательно соединены фильтр 3, блок 4 подготовки вибросигнала, ввода и АЦП, преобразователь Фурье 5, определитель 6 частот и периодов вращения по периодам времени, разделитель 8 линейчатого и непрерывного спектров. Второй выход и вход определителя 6 частот подключены к частотомеру 7 пиковых частот. Выход разделителя 8 спектров последовательно подключен к формирователю 9 вибросигнала наружного кольца, к формирователю 11 вибросигнала внутреннего колец, к формирователю 13 вибросигнала шариков 13 и к формирователю 15 вибросигнала загрязненности, а выход последнего через АПЦ 16 и интерфейс 17 подключен с дисплеем и печатающим устройством. Вторые выходы и входы формирователей вибросигналов 9, 11, 13 соответственно наружного кольца, внутреннего кольца и шариков подключены к блоку 14 включения-исключения пиков. Третьи выход и вход формирователя 9 вибросигнала наружного кольца подключены к задатчику 10 частоты наружного кольца, а третьи выход и вход формирователя 11 вибросигнала внутреннего кольца подключены к задатчику 12 частоты внутреннего кольца.

Работает устройство следующим образом.

Механические колебания подшипника, появляющиеся вследствие имеющихся в нем неточностей изготовления и сборки, фиксируются вибропреобразователем 1, который преобразует их в пропорциональный электрический сигнал. С усилителя-корректора 2, предназначенного для согласования высокого выходного сопротивления вибропреобразователя 1 с последующими элементами и усиления, вибросигнал поступает на вход полосового фильтра 3 и через него - на блок 4 подготовки и ввода вибросигнала. Ввод осуществляется в трех режимах. Их параметры приведены в табл.1.

В каждом из этих режимов сначала подбирают оптимальный коэффициент усиления, т.е. максимальный коэффициент, при котором не происходит переполнение АЦП 16, а затем уже вводят данные в рабочий буфер.

Определяют частоту вращения внутреннего кольца и комплекта шариков относительно внутреннего и наружного колец по поступившему вибросигналу с использованием исследованных свойств вибросигналов.

Первоначально вибросигнал, записанный в первом режиме, подвергают быстрому преобразованию Фурье с использованием 8192 точек с усреднением по вибросигналам среднеквадратичных значений. В результате получают вибросигналы подшипника в диапазоне до 400 Гц с разрешением по частоте Δff = 0,0977 Гц. Поскольку при вводе сигнала граничная частота фильтра НЧ составляла 300 Гц, то фактически значащие составляющие вибросигнала получают на частоте, не выше граничной.

В этом вибросигнале существует значительная составляющая, соответствующая частоте вращения внутреннего кольца. Она известна примерно из режима вращения подшипника: немного меньше 25 Гц. Поблизости нет других составляющих вибросигнала. На этом основан алгоритм точного определения частоты вращения внутреннего кольца. Сначала определяют составляющую вибросигнала в диапазоне 24 - 25 Гц, имеющую максимальную амплитуду. Затем берут две предыдущие составляющие. Частоту вращения определяют как средневзвешенную частот этих пяти составляющих, где в качестве весов берутся квадраты соответствующих амплитуд. Если номер максимальной гармоники обозначить f_вр, частоты пяти исходных гармоник f_i-2, f_i-1, f_i, f_i+2, f_i+2, а амплитуды a_i-2, a_i-1, a_i, a_i+1, a_i+2, то значение частоты вращения определяют по формуле (1):
,
Она определяется таким образом с точностью лучше, чем 0,05 Гц. Такая точность необходима, чтобы различать гармоники, вплоть до конца диапазона исследования вибрации подшипника, т. е. до 10000 Гц. При такой точности ошибка, которая набегает для последней гармоники, (имеющей номер 10000/25 = 40), составит не более 40•0,05 = 2 Гц.

Далее по тому же вибросигналу определяют частоту вращения комплекта шариков относительно наружного кольца. Гармоника, соответствующая этой частоте, обычно выражена очень слабо, а зачастую и вовсе незаметна на общем фоне. В то же время ярко выражена гармоника, соответствующая частоте прохождения шариков по наружному кольцу, которая равна искомой частоте, умноженной на число шариков в подшипнике. Зная примерно частоту вращения комплекта шариков относительно наружного кольца ( 9,3 - 10 Гц), умножением границ этого диапазона на количество шариков получают новый диапазон, в котором, действуя по алгоритму, описанному для частоты вращения внутреннего кольца (т. е. определяя в начале максимальную составляющую в полученном диапазоне и заканчивая вычислением по формуле (1), определяют частоту прохождения шариков по наружному кольцу с точностью не хуже 0,05 Гц. Деля на количество шаров эту частоту, получают частоту вращения комплекта шариков относительно наружного кольца с точностью не менее 0,01 Гц, поскольку число шариков в подшипнике не менее 6.

После определения частоты вращения наружного кольца (f_p) и частоты вращения комплекта шариков относительно наружного кольца (f_н) вычисляют частоту вращения комплекта шариков относительно внутреннего кольца по формуле
f_в = f_p - f_н (2)
На основе определенных трех из четырех частот строят линейчатую часть спектра вибрации подшипника. Четвертую частоту вращения шарика вокруг собственной оси (f_ш) определяют позднее.

В линейчатой части вибросигнала шарикоподшипника можно выделить три набора гармоник, которые возбуждаются соответственно наружным и внутренним кольцами и комплектом шаров. Пусть n - это количество шариков в подшипнике. Обозначим через k - целое число, диапазон изменения которого будет указан отдельно для каждой из групп гармоник. Пусть m - это еще одно целое число в диапазоне от 0 до 5.

Тогда частоты гармоник, соответствующие возбуждению от наружного кольца, будут
k•n•f_н ± m•f_p, (3)
где k = 1 - 125.

Частоты гармоник, соответствующие возбуждению от внутреннего кольца
k•n•f_в ± m•f_p, (4)
где k = 1 - 85.

Частоты гармоник, соответствующие возбуждению от комплекта шариков:
m•f_н(5)
k•f_ш ± m•f_н, (6)
где k = 1 - 200.

Все указанные составляющие необязательно будут представлены фактически в реальном вибросигнале. Так, например, для наружного кольца в формуле (3) в основном присутствуют гармоники, соответствующие m = 0. Для внутреннего кольца наоборот редко проявляются гармоники, соответствующие m = 0 в формуле (4), а присутствуют боковые частоты. То же и для шариков: гармоники, соответствующие m = 0 в формуле (6), обычно слабо выражены, а присутствуют боковые частоты. Частоты, описываемые формулой (5) и характеризующие разноразмерность шариков, не всегда проявляются. Однако программа диагностики каждый раз индивидуально для каждого подшипника анализирует наличие и отсутствие всех указанных гармоник и определяет их амплитуду.

Такая структура вибросигнала подтверждается результатами подробных экспериментальных и теоретических исследований и полностью соответствует реальному вибросигналу подшипника качения. Поэтому она положена в основу построения адекватной системы вибродиагностики шариковых подшипников.

Формирование вибросигнала осуществляют следующим образом. Сначала выделяют все пики в вибросигнале. Для этого вычисляют вибросигнал скользящего среднего в диапазоне 20 предшествующих и 20 последующих гармоник. Затем рассматривают последовательно гармоники исходного вибросигнала, и в случае, если ее амплитуда превосходит соответствующую среднюю в два раза, она считается элементом пика. Идущие последовательно без пропусков элементы пиков считаются элементом одного пика. Для идентификации отдельных пиков в процессе перебора задатчиком 10 и 12 в специальный массив пар чисел записываются номера гармоник, являющихся первыми и последними элементами каждого из пиков. Из полученного набора пиков выбирают те, которые соответствуют формулам (3) и (4) в рассматриваемом диапазоне частот. Они одновременно исключаются из исходного спектра и включаются в спектр вибрации наружного кольца. Та же операция повторяется для внутреннего кольца с использованием частот, описываемых формулой (5). Тогда в исходном спектре остаются только пики, соответствующие шарикам. Эти пики исключаются из исходного спектра и включаются в спектр вибрации, возбуждаемой шариками.

В результате получают четыре вибросигнала, соответствующих возбуждению от четырех основных причин: наружного кольца, внутреннего кольца, шариков и загрязненности. Последний спектр получают после исключения всех пиков, отвечающих линейчатой части вибросигнала.

Параллельно с формированием вибросигналов производят квадратичное суммирование составляющих каждого из сигналов. Причем для каждого из сигналов вычисляют две суммы. Одна определяет ускорение вибрации, а другая - скорость. Для скорости составляющая вибросигнала предварительно делится на круговую частоту этой гармоники. Корни квадратные из восьми полученных величин и являются уровнем вибрации по ускорению и скорости в диапазоне частот. Эти данные переводятся и в децибелы.

Затем осуществляют диагностирование в двух других диапазонах частот. Для диапазона 300 Гц - 1800 Гц используют данные, введенные в режиме 2, а для диапазона 1800 Гц - 10000 Гц - данные, введенные в режиме 3 (см. табл. 1). Для получения исходного вибросигнала сначала быстрое преобразование Фурье, затем проводят остальные операции, описанные выше.

Результаты комплексной вибродиагностики подшипника качения получают в виде вибросигналов, возбуждаемых четырьмя факторами в трех частотных диапазонах и уровней вибраций в этих диапазонах по скорости и по ускорению. Уровни вибраций по скорости выводят на экран дисплея 17 и одновременно на печатающее устройство 18. При необходимости можно вывести уровни вибрации по ускорению. Вибросигналы при необходимости можно также представить на экране и распечатать.

Изобретение предназначено для контроля готовых изделий в подшипниковой промышленности путем анализа вибрационных характеристик подшипника. В способе измеряют вибросигнал (ВС) подшипника (Пш) при вращении его под нагрузкой. ВС дискретизируют и преобразовывают в цифровую форму и вводят его в рабочий буфер в разных режимах. Определяют индивидуальные для каждого Пш частоты вращения ротора, сепаратора с шариками относительно наружного и внутреннего колец, шарика вокруг собственной оси и пиковую частоту. Выделяют четыре составляющих вибросигнала, обусловленные качеством изготовления элементов Пш. Определяют уровень вибрации и долевой вклад по мощности в вибрацию каждой из составляющих в общую мощность вибросигнала. С учетом заложенных в памяти ЭВМ известных свойств вибросигналов судят о состоянии элементов Пш. Устройство для осуществления этого способа включает вибропреобразователь, усилитель-корректор, фильтр верхних и нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь Фурье, определитель частоты и периодов вращения, разделитель линейчатого и непрерывного спектров, частотомер пиковых частот, формирователи вибросигнала наружного кольца, внутреннего кольца, шариков и загрязненности, выход последнего подключен с дисплеем и печатающим устройством. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ комплексной вибродиагностики подшипников качения, заключающийся в том, что измеряют вибросигнал подшипника при вращении его под нагрузкой, вибросигнал дискретизируют и преобразовывают в цифровую форму и вводят его в рабочий буфер в разных режимах, меняя частоту среза фильтра и время ввода, в каждом из режимов подбирают оптимальный коэффициент усиления, в каждом из режимов вибросигнал подвергают быстрому преобразованию Фурье, определяют индивидуальные для каждого подшипника частоты вращения ротора, сепаратора с шариками относительно наружного и внутреннего колец, шарика вокруг собственной оси и пиковую частоту, используя периодичность вибрационного сигнала, связанного с относительными частотами вращения деталей подшипника, и выделяют четыре составляющие этих сигналов, обусловленные качеством изготовления внутреннего и наружного колец, шариков и степенью загрязненности, для каждой из этих составляющих сигнала определяют уровень вибрации и долевой вклад по мощности в вибрацию каждой из составляющих в общую мощность вибросигнала и, используя заложенные в памяти ЭВМ известные свойства вибросигналов, судят о состоянии элементов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибросигнал вводят в трех режимах с использование следующих параметров: частота дискретизации 800, 5000, 25000 Гц, частота среза 300, 2000, 10000 Нч/Гц, время ввода первый режим 40 с, второй 10 с, третий 2 с. 3. Устройство для комплексной вибродиагностики подшипников качения, содержащее вибропреобразователь, усилитель-корректор, фильтр верхних и нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь Фурье, определитель частоты и периодов вращения, разделитель линейчатого и непрерывного спектров, частотомер пиковых частот, формирователи вибросигнала наружного кольца, внутреннего кольца, шариков и загрязненности, выход последнего подключен с дисплеем и печатающим устройством, при этом второй выход и вход определителя частоты и периодов вращения подключены к частотомеру пиковых частот, вторые выходы и входы формирователей вибросигналов наружного кольца и внутреннего кольца и шариков подключены к блоку включения и исключения пиков, а третьи выходы и входы формирователей вибросигналов наружного кольца и внутреннего кольцав подключены к задатчикам частот этих колец.