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 № 03−01−96 471).

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

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.