Способ измерения жесткости подшипника и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01M13/04 

Изобретение относится к подшипниковой промышленности и может быть использовано преимущественно при контроле жесткости собранных подшипников.

Известны способы измерения жесткости подшипника, заключающиеся в установке подшипника на вибростенд, нагружении его грузом, создании вынужденных колебаний вибростенда, измерении резонансной частоты подшипника, и вычислении по измеренной частоте жесткости подшипника.

Известные способы имеют невысокую точность измерения жесткости, что объясняется зависимости измеренного значения резонансной частоты, а, следовательно, и жесткости от массы подвижной части подшипника, изменяющейся в довольно широких пределах, сложности точной фиксации резонансной частоты подвижной части подшипника, зависимости резонансной частоты от наличия смазки.

Известен также способ измерения жесткости подшипника, заключающийся в установке подшипника на вибростенд, последовательном нагружении его двумя разными грузами, измерении резонансных частот при каждом нагружении, и вычислении по измеренным частотам и массам грузом значения жесткости подшипника.

VI

ч о

W

VI

со

Однако, имея недостатки, общие с двумя вышеописанными способами, что обуславливает невысокую точность измерения, данный способ измерения жесткости чрезвычайно трудоемок, малопроизводителен, что затрудняет возможность его использования при оперативном контроле собранных подшипников, выпускаемых значительными сериями, и ограничивает возможность использования только единичным контролем в лабораторных условиях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения жесткости подшипника, заключающийся в установке подшипника на подвижной части вибростенда, нагружении его грузом, соединенным с упругим элементом с регулируемой жесткостью, создании вынужденных колебаний вибростенда, изменении жесткости упругого элемента, определении резонанса колебательной системы, измерении величины жесткости упругого элемента в момент резонанса и вычислении по величине этой жесткости, частоте вынужденных колебаний вибростенда и массами груза и упругого элемента жесткости подшипника.

Данный способ характеризуется низкой чувствительностью и точностью измерения жесткости.

Низкал чувствительность объясняется малой крутизной изменения регистрируемого параметра - резонансной частоты колебаний подвижной части подшипника, упруго соединенной с грузом, при изменении контролируемого параметра - жесткости подшипника. Это объясняется параллельным включением при реализации способа жесткости подшипника и жесткости упругого элемента, вследствие этого сложению этих жесткостей при измерении и малом влиянии за счет этого жесткости подшипника на суммарную жесткость, а следовательно и на резонансную частоту, используемую для вычисления жесткости подшипника. При определенных условиях чувствительность предложенного способа может превосходить чувствительность прототипа практически на порядок.

Низкая точность измерения жесткости объясняется целым рядом факторов. Во первых, в значение массы, считаемое известной величиной и используемой для вычисления жесткости подшипника, входит и масса подвижной части подшипника, значение которой на практике плавает в довольно широких пределах. При возбуждении вынужденных колебаний на вибростенде естественно происходят и колебания подвижной части подшипника, то есть масса этой части входит в состав колебательной системы, резонансная частота которой экспериментально определяется. Таким

образом, наряду с искомым параметром- жесткостью подшипника, в процесс измерения входит и паразитный параметр-масса подвижной части подшипника, обуславливающая погрешность измерения. Во0 вторых, известный способ измерения предусматривает целый ряд операций (действий): это фиксация резонансного режима . по максимуму амплитуды сигнала, фиксация частоты вибростенда в момент резонанса,

5 измерение жесткости упругого элемента в данный момент. Сложение погрешностей каждой из этих операций может привести к значительной погрешности измерения жесткости в конечном итоге. В третьих, наличие

0 смазки в подшипнике приводит к погрешности при фиксации резонансной частоты. В четвертых, возбуждение резонансных колебаний подвижной части подшипника на вибростенде обязательно вызовет дребезг за

5 счет возникновения виброударного режима, что затрудняет фиксацию резонанса. В пятых, подвижная часть подшипника, как известно, нелинейная колебательная система, которая рассматривается как линейная

0 при малой интенсивности внешних воздействий и при соответствующей этим воздействиям малой амплитуде колебаний. Однако, известный способ предусматривает работу подвижной части в составе

5 колебательной системы в резонансном режиме, что приведет к существенной погрешности при. определении резонансной частоты.

Известно устройство для измерения же0 сткости подшипника, содержащее вибростенд, приспособление для крепления подшипника на платформе вибростенда, закрепленный на подшипнике груз с вибродатчиком.

5 Известное устройство имеет низкую точность измерения за счет сложения погрешностей при фиксации резонансного режима по вибродатчику и фиксации частоты вибростенда в момент возникновения резо0 нанса. Кроме того устройство не позволяет при наличии резонансного режима обеспечить при любом варианте фиксации подшипника на платформе вибростенда предотвращение виброударного режима и

5 дребезга подвижной части подшипника, что дополнительно приводит к погрешности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к. предлагаемому устройству является устройство для измерения жесткости подшипника, содержащее вибростенд, подвешенный на его подвижной части через испытуемый подшипник груз с вибродатчиком, направляющую, жестко связанную с подвижной частью вибростенда, плоскую пружину, один конец которой шарнирно соединен с грузом, а другой жестко связан с направляющей и кареткой, смонтированной на направляющей с возможностью перемещения по плоской пружине.

Данное устройство имеет низкую точность измерения вследствие сложения погрешностей при фиксации резонанса по вибродатчику и вольтметру, измерении резонансной частоты и задания регулируемой жесткости при перемещении каретки по направляющей.

Кроме того, процесс измерения на данном устройстве очень трудоемок и не может быть даже поэтому использован для оперативного контроля подшипников, характеризующихся массовым производством. Необходимо для измерения последовательно возбудить вынужденные колебания, изменять жесткость упругого элемента, зафиксировать резонанс, жесткость элемента и частоту в момент разонанса, и только после этого вычислить по зафиксированным значениям жесткость подшипника. Отличаясь значительной сложностью механической части, известное устройство не универсально, не позволяет измерить жесткость подшипника в сборе, а обязательно предусматривает установку отдельно подшипника на стол вибростенда.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения способа измерения жесткости подшипника, а также повышение точности и производительности устройства для осуществления данного способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения жесткости подшипника, включающем нагружение подшипника соединенным с упругим элементом грузом, возбуждение колебаний и определение жесткости подшипника по зафиксированной частоте колебаний и масса груза и упругого элемента, устанавливают груз на упругом элементе, вводят упругий элемент в контакт с подшипником с заданным усилием поджатия, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания системы упругий элемент - груз, измеряют частоту свободных колебаний данной системы и определяют жесткость подшипника по формуле

Сп

а} т С

С - ш2 m где Сл - жесткость подшипника;

С - жесткость упругого элемента;

m - масса груза с упругим элементом; а)- частота свободных колебаний системы упругий элемент - груз.

Поставленная цель достигается также

Q тем, что в устройстве для измерения жесткости подшипника, содержащем контактирующую с испытуемым подшипником механическую колебательную систему в виде соединенного с упругим элементом груе за, упругий элемент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, имеющей на обращенном к подшипнику торце контактирующий с внутренним кольцом подшипника плоский центр, а груз выполQ нен в виде намагниченного в осевом направлении постоянного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины и введенного концентрично на половину своей длины в осевое отверстие со5 леноида, установленного с возможностью осевого перемещения с фиксацией и электрически подключенного к источнику постоянного тока, дифференцирующей цепи и частотомеру.

0

В предложенном способе измерения и

устройстве для его реализации реализован не метод вынужденных, а метод свободных колебаний, причем, возмущающее

5 импульсное воздействие приложено не к подшипнику, а непосредственно к грузу, что позволяет практически выключить массу подвижной части подшипника и перейти непосредственно к измерению жесQ ткости подшипника, входящей в состав образованной колебательной системы. Здесь полностью ушли от резонансного режима, что позволило также решить задачи по повышению точности измерения. В

с предложенном способе исключен целый ряд операций: поиск резонанса, изменение жесткости, сведено все к одной операции, которая в принципе может дать погрешность измерения: измерения чаQ стоты свободных колебаний. Принципиально изменена схема соединения жесткости упругого элемента и подшипника: от параллельного соединения перешли к последовательному, что позволило

е практически на порядок увеличить чувствительность измерения.

Принципиальное изменение способа привело к необходимости и создания принципиально нового устройства для измерения. Процесс измерения полностью автоматизироьан, устранены сложные механические элементы, обусловливающие погрешность измерения, в несколько раз уменьшено число датчиков, обуславливающих погрешность: вольтметр, вибродатчик, направляющая с кареткой и т.п. В устройстве применен принципиально новый механизм поджатия груза с упругим элементом к подшипнику в виде намагниченного сердечника, введенного а зону постоянного тягового усилия соленоида на половину своей длины. Такое выполнение позволяет полностью исключить влияние усилия поджатия на частоту колебательной системы, обеспечивает простоту регулировки, полностью исключает нелинейность при возникновении процесса свободных колебаний.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.З и 4 - обобщенные физические модели процессов измерения соответственно для способа-прототипа и предложенного способа.

Устройство для измерения жесткости подшипника содержит испытуемый подшипник 1, установленный в отверстии стола 2 с фиксацией по внешнему кольцу, при этом стол закреплен на специальном штативе 3 (типа штатива микроскопа, подробно штатив 3 не показан, так как его конструкция не принципиальна). С подшипником 1 введена в контакт механическая колебательная система, состоящая из упругого элемента, Выполненного в виде винтовой цилиндрической пружины 4, имеющей на

.обращенном к подшипнику 1 торце контактирующий с внутренним кольцом подшипника 1 плоский центр 5, и груза 6,

.выполненного в виде намагниченного в осевом направлении постоянного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины 4. При этом свободный конец магнита 6 введен концентрично на половину своей длины, т.е. в серединузоны постоянного тягового усилия - в осевое отверстие соленоида 7,плотно вставленного в цилиндрический немагнитный корпус 8, закрепленный, как и стол 2, на штативе 3. Предусмотрена возможность осевого перемещения с фиксацией соленоида 7 за

Счет установки его нижнего торца на входящих в осевую прорезь 9 корпуса 8 выступах 10 кольца 11, надетого на корпус 8 и фиксируемого в заданном положении с помощью винтов 12. Соленоид 7 электрически подключен к источнику постоянного тока 13 с полярностью, при которой соленоид имеет встречное направление полюсов относительно магнита 6. т.е. верхняя

на фиг.1 сторона соленоида 7 имеет полюс N, При таком подключении, естественно, сердечник (магнит 6) стремится вытолкнуть- ся из соленоида 7. Параллельно с источником постоянного тока 13 к соленоиду 7 электрически подключены дифференцирующая цепь 14 и частотомер 15 через конденсатор 16, предотвращающий поступление постоянного электрического сигнала на вход

0 частотомера 15. Ключ 17 служит для одновременного включения дифференцирующей цепи 14 и частотомера 15.

Способ измерения жесткости осуществляют следующим образом.

5

Устанавливают испытуемый подшипник

Iв отверстие стола 2. Вводят плоский центр 5 в контакт с внутренним кольцом подшипника 1, одновременно подавая ток с источ0 ника постоянного тока 13 в соленоид 7. При этом магнит 6 с пружиной 4 оказывается через центр 5 прижатым к внутреннему кольцу подшипника 1. Подавая с источника 13 ток заданной величины и смещая соле5 ноид 7 осевым перемещением кольца 11с винтами 12 добиваются с одной стороны заданного усилия поджатия F (фиг.4) внутреннего кольца подшипника 1, и с другой одновременно - введения магнита 6 на

0 половину своей длины в соленоид 7, то есть в середину зоны постоянного тягового усилия, Здесь (в конструкции) двойная независимая регулировка, естественно и обеспечивается возможность выполнения

5 двух условий. Естественно, такая регулировка проводится не каждый раз, а только на стадии отработки способа, при изменении типа, размера подшипника и т.п., то есть один раз. При измерении уже серийной

0 конструкции устройство настроено, кольцо

I1зафиксировано в нужном осевом положении, с источника постоянного тока 13 снимается уже точно определенный сигнал. Теперь непосредственно следует процесс

5 измерения (до этого была настройка устройства). Включают ключ 17, включается частотомер 15, одновременно с дифференцирующей цепи 14 в соленоид 7 подается короткий электрический импульс, при этом

0 соленоид 7 оказывает импульсное воздействие на сердечник 6, упруго установленный на последовательно соединенных пружине 4 жесткости С и подвижной части подшипника с жесткостью Сп (фиг.4). Возникают

5 свободные колебания системы упругий элемент - груз 6, при этом жесткость упругого элемента есть эквивалентная жесткость вышеуказанного последовательного соединения жесткостей. Следовательно, собственная частота колебательной системы

будет при заданных значениях m - массы груза 6, и жесткости С определяться жесткостью подшипника Сп. При свободных колебаниях магнита 6 на пружинах в соленоиде 7 наводятся э.д.с. в виде затухающего про- цесса с частотой w, накладывающаяся на присутствующий в соленоиде 7 сигнал постоянного тока. Переменная составляющая этого процесса проходит на частотомер 15, постоянная не пропускается конденсатором 16, измеряется собственная частота О), после чего по приведенной выше аналитической зависимости при известных значениях m и С вычисляют жесткость подшипника Сп.

Выбор заданного усилия поджатия упругого элемента 4 и центра 5 к подвижной части подшипника 1 осуществляют, как было сказано выше, регулировкой осевого положения соленоида 7 и величины постоянного тока, подаваемого в соленоид 7 от источника 13, при этом выбор усилия поджатия осуществляют из ряда соображений. Во первых, поджатие должнЧ быть достаточным для устойчивого положения сердечника 6 в осевом отверстии соленоида 7. Так как сердечник 6 выталкивается из соленоида 7 постоянной силой F, то при достаточном отношении диаметра пружины 4 к ее длине, обеспечивающем поперечную устойчивость пружины, и при достаточном усилии поджатия и возникновении за счет этого достаточной силы трения между центром 5 и торцом внутреннего кольца подшипника 1 в поперечном направлении, обеспечивается центрирование сердечника 6 в зазоре соленоида 7. Во вторых, поджатие должно быть достаточным, чтобы при подаче в соленоид 7 электрического импульса с дифференцирующей цепи 14 не происходило отрыва центра 5 от внутреннего кольца подшипника 1, при этом не возникнет дребезг подвижной части. В третьих, поджатие не должно быть очень большим, так как подвижная часть подшипника, как известно, в принципе нелинейная система, однако, эта нелинейность проявляется при значительных интенсивностях воздействий как статических, так и динамических, при резонансных колебаниях и т.п. При сравнительно малых усилиях поджатия и возбуждения свободных колебаний (отсутствии резонансных режимов) колебательную сие- тему можно практически без погрешностей рассматривать как линейную и пользоваться расчетными зависимостями для линейных колебательных систем.

Обеспечивая при регулировке заданное усилие поджатия, одновременно обеспечивают ввод сердечника 6 на половину своей длины в осевое отверстие соленоида 7. Для этого в устройстве предусмотрены две независимые возможности регулировки положения сердечника б относительно подшипника 1: подачей постоянного тока в соленоид 7 и перемещением самого соленоида. Принцип способа (см.фиг.4), предусматривающий измерение частоты о свободных колебаний и вычисление по ней жесткости Сп подшипника, обуславливает постоянство усилия поджэ/гия F, чтобы со в принципе не зависело от F. Для этого необходимо, чтобы при возникновении свободных колебаний системы и смещении сердечника 6 относительно соленоида 7 сила F врпределенной области не менялась. Указанное выше положение сердечника соответствует как раз середине зоны постоянной тяги. В этой зоне тяговое усилие со значительной точностью постоянно и имеет максимальное значение. Этим полностью исключается возможность возникновения нелинейности при колебаниях.

Процесс регулировки производится следующим образом. На сердечнике 6 имеется специальная риска (не показана), по расположению которой относительно торца корпуса 8 с учетом осевого положения кольца 11 автоматически обеспечивается ввод сердечника 6 в осевое отверстие на половину своей длины. Выбор заданного усилия поджатия также экспериментально отработан из необходимости обеспечения трех вышеназванных условий. Такая регулировка проводится один раз. и далее процесс измерения идет автоматически. Жесткость С упругого элемента 4 и масса m груза с упругим элементом выбраны стандартными, поэтому шкала частотомера 15 проградуирована непосредственно уже в единицах жесткости. Поэтому, нет необходимости каждый раз вычислять Сп по аналитической зависимости, а сразу снимается величина жесткости подшипника.

Точность предложенного способа очевидна. Из сравнения на фиг.З и 4 обобщенных физических моделей (расчетных схем) процессов видно, что в отличие от способа-прототипа масса подвижной части подшипника Гоп в предложенном способе в принципе исключена из процесса измерения, и здесь напрямую измеряется только жесткость Сп подшипника. В предложенном способе и устройстве практически исключены операции и датчики (узлы) для их осуществления, которые могут повлечь погрешность измерения. Здесь из таких операций производится только измерение собственной частоты, осуществляемое ча- стотомером 15 с высокой точностью. В способах и устройствах прототипах присутствуют кроме этого определение резонансного режима с помощью вибродатчика и вольтметра, а также регулировка жесткости упругого элемента с помощью специальной направляющей и перемещакщейся по ней каретки. Отсутствие при измерении в принципе резонансного режима колебаний и возможность выбора требуемого усилия поджатия полностью исключает возможность появления нелинейности при измерении, возникновение дребезга и влияние смазки подшипника на процесс измерения.

Как известно, собственная частота колебательной системы ш уСа/m , где Сэ - эквивалентная жесткость. Для данной колебательной системы (см.фиг.4) жесткости упругого элемента С и подшипника Сп сое- динеиы последовательно. Для такого соединения Сэ ССп/(С + Сп). подставив формулу для Сэ в формулу для со и выразив из полученного аналитического выражения Сп, получим расчетную аналитическую зави- симость для нахождения жесткости подшипника.

Чувствительность способов измерения определяется крутизной изменения регистрируемого параметра - собственной часто- ты а) , при изменении контролируемого параметра - жесткости подшипника Сп. В способе-прототипа определение жесткости производится по формуле о -С (обозначения взяты те же, что и данной заявке). Определяем чувствительность как производную S ч w(dCn), предварительно выразив ш и после проведения некоторых преобразований получим Si

1.

л i A1 s чувствительность спосо- / V ( С, т Сп Jrn

ба- прототипа. Аналогично находим из расчетной зависимости для предлагаемого способа mC/(C- о m) после того ряда преобразований при взятии частной про- изводной чувствительность предлагаемого

1.f.

способа $2 - VС Сразу

П

находим

S2

Si

m Cn ( Cn + С )3

f

- отношеСп ( Сп -I- С )2 ние чувствительности предложенного способа к чувствительности способа-прототипа. С помощью последнего выражения.

можно уже сделать конкретные выводы. Например, при жесткости упругого элемента С в три раза больше ориентированной жесткости подшипника Cn S2/Si 1,3. Ес-ли выбрать С 5Сп, то уже S2/Si 1,9. Если же С 10 Сп то S2/Si 2,9. Таким образом, данный способ измерения позволяет путем рационального подбора жесткости упругого элемента подобрать требуемую величину чувствительности.

Пример. Был проконтролирован подшипник радиального типа 209, наружный диаметр мм, внутренний мм, масса груза (сердечника) с упругим элементом кг, жесткость упругого элемента С 8 105 И/м. Измеряем частоту свободных колебаний системы (о 1052 рад/с 168 Гц, после чего по аналитической зависимости вычисляем жесткость подшипника ,6 105 Н/м. Было выбрано усилие поджатия , длительность импульса, снимаемого с дифференцирующей цепи т 20 10 с.

Предложенный способ и устройство были опробованы на подшипниках различных типов, авторами накоплен значительный экспериментальный материал, подтверждающий сделанные выводы.

Предложенный способ и устройство найдут широкое применение при оперативном контроле серийно выпускаемых подшипников.

Формула изобретения

1. Способ измерения жесткости подшипника, включающий нагружение подшипника соединенным с упругим элементом грузом, возбуждение колебаний и определение жесткости подшипника по зафиксированной частоте колебаний и массе груза и упругого элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения, устанавливают груз на упругом элементе, вводят упругий элемент в контакт с подшипником с заданным усилием поджатия, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания системы упругий элемент-груз, измеряют частоту свободных колебаний данной системы и определяют жесткость подшипника Сп по формуле

Сп

a m С С -сы2

m

где С - жесткость упругого элемента;

m - масса груза с упругим элементом;

частота свободных колебаний системы упругий элемент -- груз.

2. Устройство для измерения жесткости подшипника, содержащее контактирующую с испытуемым подшипником механическую колебательную систему в виде соединенного с упругим элементом груза, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и производительности процесса измерения, упругий элемент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, имеющей на обращенном к подшипнику торце

0

контактирующий с внутренним кольцом подшипника плоский центр, а груз выполнен в виде намагниченного в осевом направлении постоянного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины и введенного концентрично на половину своей длины в осевое отверстие соленоида, установленного с возможностью осевого перемещения с фиксацией и электрически подключенного к источнику постоянного тока, дифференцирующей цепи к частотомеру.

Использование: в подшипниковой промышленности для контроля жесткости подшипников и повышения производительности процесса измерения. Сущность изобретения: нагружают подшипник грузом с упругим элементом, вводят упругий элемент в контакт с подшипником, возбуждают импульсным воздействием свободные колеба- ния системы упругий элемент-груз, измеряют частоту свободных колебаний системы и вычисляют жесткости подшипника по соответствующей формуле. Упругий элемент устройства выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины. Груз - в виде намагниченного в осевом направлении постоянного цилиндрического магнита, закрепленного на пружине и введенного на половину своей длины в осевое отверстие соленоида, установленного с возможностью осевого перемещения и подключенного к источнику постоянного тока, дифференцирующей цепи и частотомеру. Повышение чувствительности, точности измерения, увеличение производительности процесса, исключение нелинейных эффектов, дребезга, упрощение конструкции устройства для измерения, исключение влияния массы подвижной части подшипника на результат. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. Ј

Lt.