Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ ПОДШИПНИКОВ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при проведении входного контроля новых и бывших в эксплуатации подшипников при изготовлении и ремонте машин и механизмов.

Известен способ входного контроля подшипников, заключающийся в оценке параметров, установленных в нормативно-технической документации на продукцию и договорах на ее поставку (см. ГОСТ 24297-87. Входной контроль продукции. Основные положения. - М: Изд-во стандартов, 1988), при этом обычно ограничиваются проверкой упаковки, маркировки, наличия сопроводительной документации, осмотром наружных поверхностей. Известный способ не предполагает оценку фактического состояния контролируемых подшипников с учетом состояния их рабочих поверхностей и процессов, протекающих в зонах трения при работе подшипника, поэтому их эффективность не высока.

Известны способы входного контроля, включающие субъективный контроль легкости вращения колец и проверку на шум (см. Руководство по эксплуатации и ремонту авиационных подшипников качения / Сост. Н.Ф. Григорьев, A.M. Зайцев, В.Г. Шахназаров. М.: Воздушный транспорт, 1981. 70 стр.). В этом случае выявляются дефекты рабочих поверхностей (забоины, трещины, коррозия), возникающие при неправильном хранении или транспортировке. Недостатком этих способов является их субъективность и то, что оцениваются лишь отдельные параметры безотносительно к их влиянию на работоспособность и долговечность подшипника в конкретных режимах и условиях их работы в изготавливаемом или ремонтируемом изделии. В то же время, при изготовлении подшипников каждый размер и параметр выполняется с определенным полем допуска, поэтому каждый экземпляр подшипника имеет индивидуальное сочетание действительных значений размеров и параметров, причем сформировавшаяся комбинация этих значений может по-разному сказываться на долговечности подшипника в зависимости от условий и режимов его работы. В этой связи долговечность подшипников, даже изготовленных на одном оборудовании из материалов одной плавки и работающих в одинаковых режимах и условиях, различается в десятки раз. Известные способы не учитывают этого, поэтому их достоверность ограничена.

Известны способы контроля состояния подшипников, заключающиеся в измерении интегральных параметров, комплексно характеризующих состояние подшипника в условиях и режимах, соответствующих эксплуатационным. К числу таких параметров относятся вибрационные, тепловые, кинематические, электрические и др. Эти методы обеспечивают возможность объективной оценки фактического состояния подшипника в реальных условиях и режимах его эксплуатации в изготавливаемом или ремонтируемом изделии и, следовательно, ожидаемую долговечность при работе в данном изделии (см. Подмастерьев К.В. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения. - М: Машиностроение-1, 2001. - Стр.19-33).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ входного контроля подшипников, заключающийся в том, что подготавливают контролируемый подшипник к сборке узла в соответствие с регламентированной технологическим процессом процедурой, например, промывают и смазывают требуемым количеством смазочного материала заданного состава; устанавливают подшипник на стендовое оборудование, с помощью которого создают условия и режимы его работы в изготавливаемом или ремонтируемом изделии - вращают кольца с заданными частотами и осуществляют требуемый характер нагружения; измеряют диагностический параметр - нормированное интегральное время микроконтактирования в подшипнике , по значению которого судят о состоянии контролируемого подшипника (см. Подмастерьев К.В. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения. - М.: Машиностроение-1, 2001. - Стр.93-98). Данный способ принят за прототип.

В основу известного способа заложена количественная оценка состояния зон трения деталей подшипника при его работе, в частности, состояния поверхностных и смазочных пленок в зонах трения. При работе подшипника на рабочих поверхностях деталей образуются поверхностные граничные пленки различной природы, между телами качения и кольцами образуется устойчивая пленка смазочного материала, толщина которой непрерывно флуктуирует. Возможны кратковременные местные разрушения пленок в контактах наиболее высоких микронеровностей - микроконтакты. Нормированное интегральное время микроконтактирования в подшипнике - это параметр, численно равный отношению суммарной длительности микроконтактирований в подшипнике за некоторое время измерения к значению этого времени. Изменяясь от 0 до 1, параметр является статистической оценкой вероятность микроконтактирования в подшипнике.

Ухудшение состояния подшипника, независимо от причины, приводит к увеличению флуктуации толщины пленки, частоты и длительности микроконтактирований и, следовательно, вероятности микроконтактирования и значения параметра . С другой стороны, ухудшение состояния граничных и смазочных пленок вызывает рост интенсивности практически всех видов изнашивания подшипника, поскольку при микроконтактировании происходит резкое возрастание местных нормальных и касательных напряжений, возникают микро вспышки температуры. Таким образом, измеренное при реализации известного способа значение параметра дает объективную комплексную информацию о фактическом состоянии подшипника на момент контроля, а также исходную информацию для прогнозирования этого состояния для конкретных режимов и условий эксплуатации.

Параметр измеряют электрическим методом. В основу метода измерения заложено то, что смазочные материалы и материалы граничных пленок, как правило, обладают высоким удельным электрическим сопротивлением, поэтому уменьшение толщины поверхностных и смазочных пленок, а также микроконтактирования приводят к существенному снижению электрического сопротивления зоны трения. Под микроконтактированием в подшипнике понимается событие, заключающееся в том, что имеет место микроконтактирование хотя бы одного из тел качения одновременно с обоими кольцами, что и фиксируется контролирующей аппаратурой по существенному снижению электрического сопротивления подшипника.

Таким образом, при реализации известного и принятого за прототип способа объективная информация о состоянии подшипника поступает непосредственно из зон трения его деталей в форме электрического сигнала, удобного для дальнейшего преобразования и обработки, при этом получаемая информация характеризует фактическое состояние зон трения при работе подшипника в условиях и режимах, соответствующих эксплуатационным, а значение диагностического параметра характеризует потенциальную долговечность подшипника при его установке в изготавливаемое или ремонтируемое изделие.

Однако, диагностический параметр нормированное интегральное время микроконтактирования, будучи статистической оценкой вероятности микроконтактирования в подшипнике, объективно характеризует состояние подшипника только в условиях смешанной смазки, когда поверхности трения разделены несущим нагрузку в контакте гидродинамическим слоем смазочного материала, обладающего объемными свойствами, и имеют место кратковременные местные разрушения этого слоя в контактах наиболее высоких микронеровностей - микроконтакты. Для этого случая в источнике с описанием прототипа установлены зависимости ожидаемой долговечности подшипника от значения параметра .

Смешанная смазка является распространенным видом смазки в подшипнике, однако, не единственным. Возможны ситуации, когда при воспроизводимых в процессе контроля эксплуатационных режимах и условиях в подшипниках данного типоразмера формируется жидкостная смазка, характеризуемая полным разделением рабочих поверхностей устойчивым гидродинамическим слоем смазочного материала. В этом случае независимо от фактического состояния подшипника всегда , и различить подшипники при контроле не представляется возможным. Аналогичная ситуация имеет место, когда при эксплуатационных режимах и условиях смазочные и поверхностные пленки постоянно разрушены, и независимо от состояния подшипника всегда . В указанных режимах известный способ контроля не работоспособен.

Особый случай - это граничная смазка, когда основную нагрузку в зоне трения воспринимает не слой смазочного материала с объемными свойствами, а граничные слои. В основу теории принятого за прототип способа контроля заложено предположение, что разрушение гидродинамической пленки в контакте микронеровностей приводит к электрическому контакту поверхностей, регистрируемому контролирующей аппаратурой, как микроконтактирование, и учитываемому при измерении параметра . Именно для этого случая установлена связь параметра с долговечностью подшипника. При граничной же смазке граничные слои могут при работе подшипника как разрушаться и фиксироваться измерительной аппаратурой как микроконтактирование, так и не разрушаться и, соответственно, не учитываться при измерении диагностического параметра . Поэтому непосредственная оценка состояния подшипника в данном режиме по параметру нормированное интегральное время микроконтактирования не обеспечивает достоверности контроля.

Таким образом, достоверность известного и принятого за прототип способа входного контроля подшипников ограничена.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении достоверности входного контроля подшипников за счет контроля подшипника по диагностическим параметрам, обеспечивающим получение достоверной количественной информации о его фактическом состоянии при сформировавшемся в нем в процессе контроля виде смазки

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе входного контроля подшипников, заключающемся в том, что подготавливают контролируемый подшипник к сборке узла в соответствие с регламентированной технологическим процессом процедурой; устанавливают подшипник на стендовое оборудование, с помощью которого создают условия и режимы его работы в изготавливаемом или ремонтируемом изделии - вращают кольца с заданными частотами и осуществляют требуемый характер нагружения; измеряют диагностический параметр - нормированное интегральное время микроконтактирования в подшипнике , по значению которого судят о состоянии контролируемого подшипника, согласно изобретению определяют вид смазки в подшипнике путем сравнения измеренного значения с нулем, единицей и со значением параметра K_гр.см, соответствующим переходу к граничной смазке в подшипнике, при этом в случае или дополнительно измеряют среднее значение электрического сопротивления подшипника, по которому судят о состоянии подшипника, а при измеряют нормированное интегральное время целостности поверхностных пленок , а о состоянии подшипника судят по значению относительного коэффициента смазывающей способности K_см.с, определяемому из выражения:

где A_r - номинальная площадь пятна контакта наиболее нагруженного тела качения с кольцом, рассчитываемая по теории Герца;

q - плотность микронеровностей контактирующих поверхностей.

Значение K_гр.см принимают равным 0,95.

На фиг.1 представлена схема устройства для осуществления предложенного способа. Устройство включает стендовое оборудование и электронное средство контроля. Стендовое оборудование включает привод 1 выполненный с возможностью установки и крепления контролируемого подшипника 2, устройство нагружения 3, токосъемники 4 и 5, выполненные с возможностью подключения к кольцам контролируемого подшипника 2.

Электронное средство контроля содержит преобразователь сопротивления в напряжение 6, интегратор 7, формирователь импульсов 8, инвертер 9, генератор опорной частоты 10, временные селекторы 11 и 12, счетчики 13 и 14, формирователь стробимпульса15, сравнивающее устройство 16, вычислительное устройство 17 и регистрирующее устройство 18. При этом преобразователь сопротивления в напряжение 6 входами подключен к токосъемникам 4 и 5, а выходом - к интегратору 7 и формирователю импульсов 8, к выходу которого подключены первый вход временного селектора 11 и через инвертер 9 первый вход временного селектора 12, ко вторым входам которых подключен генератор образцовых сигналов 10, а к выходам, соответственно, измерительные входы счетчиков импульсов 13 и 14. Формирователь строб импульсов 15 входом подключен к генератору образцовых сигналов 10, а выходом - к управляющим входам счетчиков импульсов 13 и 14. Регистрирующее устройство 18 подключено к выходу вычислительного устройства 17, ко входам которого подключены выходы интегратора 7, счетчиков импульсов 13 и 14, сравнивающего устройства 16, входом связанного с выходом счетчика импульсов 13.

Способ осуществляют следующим образом.

Вначале подготавливают контролируемый подшипник к сборке узла в соответствие с регламентированной технологическим процессом процедурой. Для каждого изготавливаемого или ремонтируемого изделия процедура подготовки подшипника к сборке узла различна. Обычно промывают подшипник, просушивают и смазывают требуемым количеством смазочного материала заданного состава. Если подшипник поставляется с заложенным в него пластичным смазочным материалом, то эту процедуру не проводят. В отдельных случаях проводят технологическую обкатку подшипника. Для реализации предложенного способа принципиальным является только то, что подготовку контролируемого подшипника к сборке узла осуществляют в соответствии с процедурой, регламентированной технологическим процессом сборки узла изготавливаемого или ремонтируемого изделия.

Затем устанавливают подшипник 2 на стендовое оборудование, с помощью которого создают условия и режимы его работы в изготавливаемом или ремонтируемом изделии - с помощью привода 1 вращают кольца с заданными частотами, а устройством нагружения 3 осуществляют требуемый характер нагружения контролируемого подшипника 2.

Измеряют диагностический параметр - нормированное интегральное время микроконтактирования в подшипнике с помощью предложенного устройства следующим образом. Для этого кольца контролируемого подшипника 2 с помощью токосъемников 4 и 5 подключают к преобразователю сопротивления в напряжение 6, на выходе которого формируется сигнал в виде напряжения U(t), пропорционального электрическому сопротивлению R(t) подшипника 2. При микроконтактировании в подшипнике его электрическое сопротивление резко уменьшается, следствием чего является соответствующее изменение напряжения на выходе преобразователя сопротивления в напряжение 6 и формирование прямоугольного импульса с длительностью, равной длительностью микроконтактирования τ_i на выходе формирователя импульсов 8. Этот импульс открывает временной селектор 11 для прохождения через него от генератора опорной частоты 10 высокочастотных импульсов с периодом Т_з на счетчик импульсов 13, который определяет суммарное-число импульсов N_и, пришедших на него за время измерения параметра Т_и, задаваемое формирователем стробимпульсов 15. Значение параметра - нормированное интегральное время микроконтактирования определяется, как:

Таким образом, сигнал вы выходе счетчика импульсов 13 соответствует измеряемому значению параметра .

Затем определяют вид смазки в подшипнике путем сравнения измеренного значения с нулем, единицей и со значением параметра K_гр.см, соответствующим переходу к граничной смазке в подшипнике. На основании проведенных исследований установлено, что в качестве значения K_гр.см можно принять значение 0,95. Указанные реперные значения параметра заложены в память устройства сравнения 16, которое в зависимости от результатов сравнения формирует на выходе управляющий сигнал, направляемый на вычислительное устройство 17. Возможны четыре варианта результатов сравнения: ; ; ; . Первый вариант соответствует жидкостной смазке в подшипнике, второй вариант - смешанной смазке, третий - граничной смазке, четвертый - соответствует разрушению граничных пленок.

На основании результатов сравнения вычислительное устройство выбирает, формирует и направляет на регистрирующее устройство 18 диагностический параметр для оценки состояния контролируемого подшипника при сформировавшемся в нем виде смазки.

Если или , то дополнительно измеряют среднее значение электрического сопротивления подшипника, по которому судят о состоянии подшипника. Определение среднего значения электрического сопротивления подшипника осуществляется путем интегрирования сигнала с выхода преобразователя сопротивления в напряжение 6 с помощью интегратора 7, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный среднему электрическому сопротивлению подшипника R_cp:

При жидкостной смазке среднее электрическое сопротивление подшипника несет информацию о средней толщине гидродинамической смазочной пленки, разделяющей поверхности трения. Чем больше толщина пленки, тем больше значение R_cp. При этом с ростом толщины пленки возрастает общепринятый в трибологии Х-параметр, однозначно связанный с долговечностью подшипника. При разрушении смазочных и граничных пленок электрическое сопротивление зоны трения определяется сопротивлением стягивания, которое, в свою очередь, зависит от размеров фактических площадок контакта, непосредственно влияющих на контактные напряжения и на интенсивность изнашивания (см. Свириденок А.И., Мышкин Н.К., Калмыкова Т.Ф., Холодилов О.В. Акустические и электрические методы в триботехнике. - Минск: Наука и техника, 1987; Подмастерьев К.В. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения. - М.: Машиностроение-1, 2001. - Стр.38-49; Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 томах / Под общ. Ред. В.В. Клюева. Т.5: В 2 кн. Кн.2. Электрический контроль. М.: Машиностроение, 2006. - Стр.527-536). Таким образом, при указанных видах смазки параметр R_cp дает объективную информацию о фактическом состоянии подшипника при эксплуатационных режимах и условиях и обеспечивает достоверный входной контроль подшипников.

Если (граничная смазка), то измеряют нормированное интегральное время целостности поверхностных пленок , а о состоянии подшипника судят по значению относительного коэффициента смазывающей способности K_см.с, определяемому из выражения:

где A_r - номинальная площадь пятна контакта наиболее нагруженного тела качения с кольцом, рассчитываемая по теории Герца;

q - плотность микронеровностей контактирующих поверхностей.

Нормированное интегральное время целостности поверхностных пленок измеряют следующим образом. Прямоугольные импульсы напряжения с длительностью, равной длительности микроконтактирований τ_i, с выхода формирователя импульсов 8 инвертируются инвертором 9, на выходе которого, таким образом, формируются импульсы с длительностью, равной длительности пауз между микроконтактированиями τ_пi. Эти импульсы открывают временной селектор 12 для прохождения через него от генератора опорной частоты 10 высокочастотных импульсов с периодом Т_з на счетчик импульсов 14, который определяет суммарное число импульсов N_п, пришедших на него за время измерения параметра Т_и, задаваемое формирователем стробимпульсов 15. Таким образом, сигнал на выходе счетчика импульсов 14 соответствует значению :

Значение K_см.с определяется расчетным путем вычислительным устройством 17, на вход которого поступает сигнал со значением от счетчика импульсов 14. При этом плотность микронеровностей контактирующих поверхностей q является характеристикой шероховатости рабочих поверхностей деталей подшипника: , где S_m - средний шаг неровностей профиля контактирующих поверхностей. Значение номинальной площади контакта наиболее нагруженного тела качения с кольцом A_r рассчитывается по известным зависимостям теории Герца исходя из геометрических размеров деталей подшипника, упругих свойств материалов и нагрузки на подшипник. Для определения A_r, соответственно, для шариковых и роликовых подшипников можно воспользоваться, например, выражениями [Галахов М.А., Бурмистров А.Н. Расчет подшипниковых узлов. - М: Машиностроение, 1988]:

,

,

где a и b - размеры полуосей площадки контакта наиболее нагруженного тела качения с кольцом;

l - длина ролика;

F - нагрузка в контакте;

E_T(K), η_T(K) - соответственно, модуль упругости и коэффициент Пуассона материалов тела качения (кольца);

Σρ - сумма главных кривизн соприкасающихся поверхностей в начальной точке касания (конструктивный параметр подшипника, определяемый радиусами кривизны рабочих поверхностей тел качения и колец);

n_a, n_b - конструктивные параметры подшипника, определяемые по справочным таблицам или аппроксимационным формулам.

Параметры A_r и q для конкретного типоразмера контролируемых подшипников и условий их нагружения, таким образом, являются константами, определяемыми или внесенными заблаговременно в память вычислительного устройства 17.

Физический смысл предлагаемого для граничной смазки диагностического параметра - относительный коэффициент смазывающей способности K_см.с - это вероятность предотвращения микроконтактирования защитным граничным слоем смазочного материалас учетом его распределения на трущихся поверхностях и вероятности его существования в произвольный момент времени. Этот параметр изменяется от 0 до 1 и дает объективную информацию о процессах изнашивания, происходящих в зонах трения при граничной смазке, и, таким образом, достоверно характеризует состояние подшипника при его входном контроле.

Если при сравнении в устройстве 16 получен результат (смешанная смазка), то о состоянии подшипника, как и в прототипе, судят по измеренному значению нормированного интегрального времени констатирования . Достоверность входного контроля подшипников при смешанной смазке по данному параметру проиллюстрирована и доказана в источнике, в котором описан прототип.

Таким образом, технический результат достигается заявляемым способом за счет того, что путем сравнения измеренного значения К с нулем, единицей и со значением параметра K_гр.см, соответствующим переходу к граничной смазке в подшипнике, идентифицируют вид смазки, сформировавшийся в контролируемом подшипнике при его контроле в режимах и условиях, имитирующих эксплуатационные в изготавливаемом или ремонтируемом изделии. В зависимости от установленного вида смазки о техническом состоянии подшипника судят по тому диагностическому параметру, который при этом виде смазки несет объективную комплексную информацию о фактическом состоянии подшипника. Следовательно, независимо от вида смазки, формирующегося в контролируемом подшипнике при его контроле, обеспечивается получение объективной и достоверной информации о техническом состоянии подшипника и, следовательно, по сравнению с прототипом достоверность входного контроля возрастает, что подтверждает решение поставленной технической задачи изобретения.