СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01M13/04 G01N29/00 

Изобретение относится к области ультразвуковой диагностики подшипников качения.

Известны способы и устройства диагностики подшипников, основанные на анализе акустических шумов и вибрации, возникающих в процессе вращения (Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Энергоатомиздат, 1986, 208 с.). Недостатком подобных методов является идентификация дефектов и износа по косвенным признакам, выявляемым на основе анализа амплитудно-частотного спектра акустических шумов и вибраций. При этом на результаты подобного анализа могут оказывать существенное влияние акустические сигналы и вибрации, возбуждаемые другими частями вращающегося тела или механизмами, связанными акустически с диагностируемым узлом. К недостаткам данных методик также следует отнести зависимость амплитудно-частотного спектра от режима работы подшипника (скорости вращения, нагрузки).

Методы и способы активной ультразвуковой дефектоскопии основаны на анализе временных и амплитудных характеристик акустических импульсов, возбужденных и принятых соответствующими преобразователями (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. /Под ред. В.В. Клюева, том 2. - М.: Машиностроение, 1986, 352 с.). Применение данных методик для диагностики подшипников в процессе их вращения (динамический режим) до настоящего времени затруднено вследствие того, что в динамическом режиме подшипник является источником акустических шумов, уровень которых может значительно превышать амплитуду возбужденного ультразвукового (у.з.) импульса. Основная часть мощности спектра акустических шумов подшипника при вращении со скоростью от 0 до 200 об/с приходится на диапазон частот 0÷100 кГц. Для выделения полезного сигнала на фоне высокого уровня шумов применяют радиотехнические методы (Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 1988, 448 с.). В частности возбуждают ультразвуковой импульс, представляющий собой радиоимпульс с определенной частотой заполнения. Огибающей данного радиоимпульса является соответствующий видеоимпульс, выделение которого для каждой реализации может быть проведено путем фильтрации, усиления, положительного детектирования и демодуляции.

Во время вращения подшипник является динамической системой, параметры которой меняются во времени. Видеоимпульсы, полученные на основе отдельных реализаций, существенно отличаются. При этом каждая в отдельности реализация после детектирования и демодуляции кроме полезного видеоимпульса содержит значительные искажения, связанные с шумовыми составляющими, частота которых близка к частоте заполнения видеоимпульса. Поэтому каждая из них в отдельности не может быть основой для определения степени износа подшипника радиоимпульса.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ активного ультразвукового контроля вращающихся деталей, согласно которому акустический импульс с заданными параметрами возбуждается излучателем, закрепленным непосредственно на вращающейся детали, и на который электрический сигнал подается электро- или радиотехническими методами (А.И. Кондратьев, В.И. Римлянд, А.В. Казарбин. Способ ультразвукового контроля вращающихся изделий. Патент РФ 2122728, 1998 г.). О характере дефекта судят по изменению возбуждаемых ультразвуковых импульсов. К недостаткам данного метода можно отнести невозможность его применения для диагностики узлов трения, так как предполагается размещение приемного преобразователя также на вращающейся детали, что не позволяет пропускать ультразвуковой сигнал непосредственно через узел трения при вращении. В данном прототипе также никак не обеспечивается необходимый уровень соотношения сигнал-шум для выделения полезного сигнала на фоне значительных акустических шумов подшипника.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа, позволяющего применить методы активной ультразвуковой дефектоскопии к подшипникам в процессе их вращения.

Указанная задача решается тем, что в предлагаемом способе ультразвукового контроля подшипников качения путем возбуждения контактным методом ультразвуковых колебаний излучателем, на который подается электрический сигнал в виде радиоимпульса, приема ультразвуковых сигналов и анализа их распространения в изделии согласно изобретению излучатель ультразвуковых импульсов устанавливают на вращающемся валу вблизи внутренней обоймы подшипника, а приемник ультразвуковых сигналов устанавливают на внешней неподвижной обойме.

При этом синхронизация возбуждающего радиоимпульса производится таким образом, что передний фронт синхроимпульса совпадает по времени с моментом, когда угловое смещение излучателя ультразвуковых сигналов относительно их приемника отсутствует (равно нулю).

Кроме того, для каждой реализации ультразвукового сигнала с приемника ультразвука радиотехническими методами выделяется полезный сигнал в виде видеоимпульса, который записывается в память ЭВМ, и производится его усреднение по большому числу оборотов подшипника, а для видеоимпульса, полученного после усреднения, определяются средние значения амплитуды и длительности, которые являются диагностическими параметрами.

Также указанная задача решается тем, что частота заполнения возбуждающего радиоимпульса превышает 200 кГц и выбирается равной частоте одного из максимумов усредненной амплитудно-частотной характеристики линии излучатель - подшипник - приемник, полученной в статическом режиме.

Закрепление излучателя ультразвукового сигнала на вращающемся валу, а приемника ультразвука - на неподвижной обойме подшипника обеспечивает прохождение акустического сигнала по линии излучатель - вал - внутренняя обойма - шарики (ролики) - внешняя обойма - приемник, то есть непосредственно через узел трения при вращении, что обуславливает возможность использования предлагаемого метода для диагностики подшипников. При этом от качества контакта шариков (роликов) с обоймами зависит амплитуда и длительность проходящего ультразвукового сигнала. Следовательно, данные параметры, полученные как в статическом, так и в динамическом режимах, могут приниматься в качестве диагностических.

Синхронизация возбуждающего радиоимпульса в динамическом режиме увеличивает степень повторяемости отдельных реализации и позволяет минимизировать расстояние от излучателя до приемника и тем самым уменьшить ослабление сигнала и влияние интерференционных эффектов за счет наложения ультразвуковых волн, пошедших через различные шарики (ролики) подшипника.

Амплитуда и длительность видеоимпульса, получаемого радиотехническими методами, как огибающего, прошедшего сквозь подшипник соответствующего радиоимпульса, также являются диагностическими параметрами. Усреднение видеоимпульса по большому числу реализаций позволяет определить среднее значение его амплитуды и длительности при заданной скорости вращения, а также значительно уменьшить составляющие акустического шума.

Возбуждающий электрический сигнал с генератора и соответствующий ультразвуковой импульс представляют собой радиоимпульс с частотой заполнения больше 200 кГц, то есть частотой, при которой акустические шумы имеют незначительную амплитуду. Настройка частоты заполнения возбуждающего радиоимпульса на частоту одного из максимумов усредненной амплитудно-частотной характеристики линии излучатель - подшипник - приемник, полученной в статическом режиме, позволяет значительно увеличить амплитуду полезного сигнала на выходе приемника ультразвука в динамическом режиме.

На фигуре 1 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Устройство для реализации способа содержит вал 1, датчик оборотов 2, генератор 3, щеточный узел 4, пьезокерамический излучатель ультразвука 5, подшипник, состоящий из внутренней вращающейся обоймы 6, шариков 7, внешней вращающейся обоймы 8, звукопровода 9, пьезокерамики приемника ультразвука 10, предварительного усилителя 11, электронного блока 12, аналого-цифрового преобразователя 13, ЭВМ 14. Звукопровод 9, пьезокерамика приемника ультразвука 10 и предварительный усилитель 11 собираются в виде одного блока, представляющего собой приемник ультразвука.

Способ осуществляют следующим образом.

Датчик оборотов, приемник и излучатель ультразвука устанавливаются в одном угловом положении относительно оси вращения вала. Во время вращения вала 1 датчик оборотов 2 вырабатывает синхроимпульс (фиг.2а), который запускает генератор 3. Сигнал в виде радиоимпульса с частотой заполнения ν (фиг. 2б) с генератора 2 через щеточный узел 4 передается на излучающий преобразователь 5. Преобразователь 5 вырабатывает ультразвуковой импульс, близкий по форме к радиоимпульсу, который распространяется по валу 1, внутренней обойме подшипника 6, шарикам подшипника 7, внешней обойме 8, звукопроводу 9, регистрируется пьезокерамикой 10. Электрический сигнал с пьезокерамики 10 передается на предварительного усилитель 11, на входе которого установлен заградительный фильтр низких частот. С выхода усилителя 11 сигнал поступает на вход электронного блока 12. В электронном блоке 12 происходит фильтрация сигнала полосовым фильтром с резонансной частотой ν (на фиг.2в показана осциллограмма сигнала после фильтра), положительное детектирование и демодуляция. На выходе электронного блока сигнал представляет собой видеоимпульс с наложением составляющих акустических шумов с частотой, близкой к ν (на фиг. 2в и 2г составляющие шума показаны стрелками). Сигнал с выхода электронного блока 12 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 13, работа которого синхронизована импульсом с датчика оборотов 2. С выхода аналого-цифрового преобразователя 13 сигнал в виде отдельной цифровой реализации поступает в ЭВМ 14, где подвергается программной обработке. Алгоритм обработки представляет собой операцию усреднения записанных N реализаций и определения максимальной амплитуды А и длительности τ усредненного видеоимпульса (фиг.2д). Параметры А и τ являются диагностическими параметрами.

Частота заполнения видеоимпульса ν определяется предварительно в статическом режиме. Для этого излучающий преобразователь 5 через щеточный узел подключается к выходу генератора качающей частоты анализатора спектра, выход предварительного усилителя 11 подключается к входу анализатора спектра. Выход анализатора спектра, напряжение на котором соответствует измеряемой АЧХ, подключается через аналого-цифровой преобразователь к ЭВМ. Приемник и излучатель ультразвука устанавливаются в одном угловом положении. Измеряется АЧХ системы излучатель - подшипник - приемник - предварительный усилитель, которая записывается в память ЭВМ в виде отдельной реализации АЧХ (фиг.3а). Данная операция повторяется N' раз, при этом перед каждым измерением вал проворачивается на несколько полных оборотов. Далее производится усреднение записанных N' реализаций, в результате чего получается усредненная АЧХ (фиг. 3б), по которой определяется частота ν, превышающая 200 кГц и равная частоте одного из максимумов АЧХ (показана стрелками на фиг.3б).

Совокупность технических решений, предлагаемых в данном изобретении, обеспечивает возможность применения методов активной ультразвуковой диагностики к подшипникам качения в динамическом режиме и соответственно обеспечить более достоверный контроль степени износа и состояния подшипников качения в наиболее ответственных узлах трения в сравнении с традиционными методами.

Изобретение относится к области ультразвуковой диагностики подшипников качения. Способ ультразвукового контроля вращающихся подшипников качения заключается в возбуждении ультразвуковых колебаний излучателем, размещаемым на валу, на котором устанавливается внутреннее кольцо подшипника, приеме ультразвуковых сигналов датчиком-приемником, устанавливаемым на внешнем кольце подшипника, и анализе их распространения в изделии. При этом на излучатель подается электрический сигнал в виде радиоимпульса, частота заполнения которого превышает 200 кГц и выбирается равной частоте одного из максимумов амплитудно-частотной характеристики линии излучатель - подшипник - приемник, получаемой в статическом режиме путем усреднения отдельных таких амплитудно-частотных характеристик для одинакового углового положения приемника и излучателя, перед измерением каждой из которых вал поворачивается на несколько полных оборотов. Синхронизация возбуждающего радиоимпульса производится таким образом, что передний фронт синхроимпульса совпадает по времени с моментом, когда угловое смещение излучателя ультразвукового сигнала относительно его приемника отсутствует. Данное изобретение позволяет осуществлять ультразвуковую дефектоскопию подшипников непосредственно в процессе их вращения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ультразвукового контроля вращающихся подшипников качения путем возбуждения ультразвуковых колебаний излучателем, размещаемым на валу, на котором устанавливается внутреннее кольцо подшипника, приема ультразвуковых сигналов датчиком - приемником, устанавливаемым на внешнем кольце подшипника и анализа их распространения в изделии, отличающийся тем, что на излучатель подается электрический сигнал в виде радиоимпульса, частота заполнения которого превышает 200 кГц и выбирается равной частоте одного из максимумов амплитудно-частотной характеристики линии излучатель - подшипник - приемник, получаемой в статическом режиме путем усреднения отдельных таких амплитудно-частотных характеристик для одинакового углового положения приемника и излучателя, перед измерением каждой из которых вал поворачивается на несколько полных оборотов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при этом синхронизация возбуждающего радиоимпульса производится таким образом, что передний фронт синхроимпульса совпадает по времени с моментом, когда угловое смещение излучателя ультразвукового сигнала относительно его приемника отсутствует (равно нулю).