Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА 13
ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
Анализ погрешностей изготовления и сборки подшипниковых уз- 13 лов
Анализ состояния вопроса 14
Анализ электрических методов диагностирования подшипников 15
Анализ электрорезистивных диагностических параметров, поста- 19 новка задач исследований
ВЫВОДЫ 23 ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИИ 24 ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОДШИПНИКА
2.1 Разработка математической модели электрического сопротивления 24
с учетом влияния параметров подшипника и режимов его эксплуатации
Разработка схемы построения математической модели 24
Анализ составляющих сопротивления контакта в подшипнике 29
Описание геометрии рабочих поверхностей подшипника 33
Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхно- 37 стей подшипника на их сближение
Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхно- 40 стей подшипника на фактическую площадь контакта
Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхно- 42 стей подшипника на число вероятных контактов
Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхностей 44 подшипника на его электрическое сопротивление в условиях граничной смазки
Анализ влияния высоты микронеровностей рабочих поверхно- 48 стей подшипника на его сопротивление при смешанной и жидкостной смазке
2.1.9 Описание результатов моделирования и предпосылок к разра- 51
ботке метода диагностирования
2.2 Исследование влияния отклонений геометрии деталей подшипника 52
на составляющие функции его сопротивления
Постановка задач численного эксперимента 52
Анализ функции сопротивления работающего подшипника 54
Исследование влияния шероховатости тел и дорожек качения на 57 функцию сопротивления подшипника
Исследование влияния макроотклонений дорожек качения на 67 функцию сопротивления подшипника
2.3 Теоретические исследования возможности применения параметров 70
функции сопротивления для диагностирования подшипника
Общие положения 70
Исследование возможности применения параметров функции 72 сопротивления подшипника для оценки шероховатости
Исследование возможности применения параметров функции 76 сопротивления подшипника для оценки параметров макрогеометрии
2.4 ВЫВОДЫ 86
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ 88
Общие положения по разработке метода диагностирования 88
Обоснование выбора диагностических параметров 89
Особенности формирования сигнала измерительной информа- 89 ции
Анализ составляющих сигнала измерительной информации 91
3.3 Алгоритмы диагностирования 93
Общие положения по этапам и алгоритмам диагностирования 93
Алгоритм усредненной комплексной оценки состояния подтип- 94 ника по интегральным параметрам
Алгоритм оценки геометрии дорожки качения циркуляционно 96 нагруженного кольца
3.3.4 Алгоритм оценки геометрии дорожки качения местно нагру- 107
женного кольца
3.4 Обоснование выбора режимов диагностирования 109
Исследование влияния радиальной нагрузки на диагностические 109 параметры
Анализ влияния частоты вращения на результаты диагностирова- 114 ния
3.5 Метрологический анализ метода диагностирования 117
Общие положения 117
Оценка составляющей погрешности от несоответствия закона 117 распределения высоты микронеровностей нормальному распределению
Оценка погрешности измерения сопротивления подшипника 118
Оценка составляющей погрешности от нестабильности нагрузки 120
Влияние радиального зазора на погрешность диагностирования 121
Оценка суммарной погрешности метода диагностирования 123
3.6 ВЫВОДЫ 125
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 126
ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
Цель, задачи и объекты экспериментальных исследований 126
Экспериментальное оборудование 126
Экспериментальная установка 126
Измерительное оборудование 132
4.3 Обоснование режимов экспериментальных исследований и оценка 134
работоспособности оборудования
Исследование времени стабилизации толщины смазочной плен- 135 ки в подшипнике
Обоснование выбора типа и количества смазочного материала 136
Проверка работоспособности экспериментального оборудования 140
4.4 Исследование возможности диагностирования подшипника по па- 142
5 раметру R
Исследование эффективности алгоритма определения вида и ориен- 146 тации макроотклонений дорожки качения местно нагруженного кольца
Исследование эффективности алгоритма диагностирования дорож- 150 ки качения циркуляционно нагруженного кольца
ВЫВОДЫ 155 ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ 156
Общие требования к средствам диагностирования подшипников 156
Средства диагностирования промышленного назначения 159
Средство диагностирования циркуляционно нагруженного коль- 159 ца
Средство диагностирования местно нагруженного кольца 161
5.3 Средства для лабораторных исследований 164
Диагностический комплекс для трибологических исследований 164
Автоматизированная система сбора и анализа данных при три- 169 бомониторинге
5.4 ВЫВОДЫ 175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 178
ПРИЛОЖЕНИЕ А 190
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 201
ПРИЛОЖЕНИЕ В 216
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 229
Введение к работе
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
7 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:
разработка математической модели электрического сопротивления подшипника с учетом отклонений геометрических параметров рабочих поверхностей его деталей;
проведение теоретических исследований влияния отклонений геометрических параметров на числовые характеристики функции сопротивления подшипника;
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 эффективно
сти 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 № 03-01-96471).
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
Первая глава посвящена выбору базового диагностического признака по критериям универсальности, достоверности и простоты измерения. С целью анализа состояния вопроса рассмотрена литература, проведен патентный поиск глубиной 20 лет, оформленный отчетом о патентных исследованиях.
Анализ состояния вопроса обнаружил, что в качестве базового диагностического признака, пригодного для диагностирования подшипника каче-
9 ния, должно быть выбрано электрическое сопротивление, как наиболее полно удовлетворяющее критериям отбора. Анализ известных электрорезистивных диагностических параметров показал, что их взаимосвязь с шероховатостью и макроотклонениями тел и дорожек качения изучены недостаточно, а параметры, непосредственно характеризующие эти факторы, пока неизвестны.
На основе проведенного анализа сформулирована цель диссертационной работы и поставлены ее основные задачи.
Во второй главе выполнен анализ основных составляющих электрического сопротивления при различных условиях смазки и составлена обобщенная математическая модель сопротивления фрикционного контакта тела и дорожки качения. Разработана и исследована математическая модель, функционально связывающая сопротивление подшипника с отклонениями геометрических параметров его тел и дорожек качения. Математическая модель учитывает параметры микро- и макрогеометрии рабочих поверхностей, нагрузку подшипника и ее распределение по телам качения, упругие свойства материалов и деформации в зонах трения, радиальный зазор, свойства смазочного материала, характер смазки в подшипнике и ряд других факторов.
На основании проведенных с помощью математической модели теоретических исследований влияния параметров различных видов отклонений геометрических параметров тел и дорожек качения на сопротивление подшипника осуществлен синтез диагностических параметров, показана их эффективность при решении различных диагностических задач.
В третьей главе в рамках разработки метода диагностирования сформулирован физический принцип, заложенный в его основу, и предложены алгоритмы диагностирования, позволяющие комплексно оценивать состояние подшипника, определять вид, оценивать значение и ориентацию доминирующего макроотклонения дорожки качения каждого из колец.
На основе анализа факторов, влияющих на чувствительность предложенных параметров, разработаны рекомендации по выбору режимов диагностирования. Выполнен метрологический анализ метода, разработана методика построения градуировочных характеристик средств диагностирования.
В четвертой главе описано разработанное специализированное экспериментальное оборудование и представлены результаты экспериментальных исследований, посвященных проверке правильности теоретически полученных положений, работоспособности и эффективности предложенного метода при решении различных диагностических задач.
В пятой главе сформулированы основные требования к реализующим разработанный метод техническим средствам. Дано описание разработанных средств диагностирования. Предложены структурные схемы универсальных компьютеризированных средств, предназначенных для лабораторных испытаний подшипников, и упрощенных средств диагностирования промышленного назначения.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Представленные в работе теоретические исследования базируются на положениях теорий: контакта реальных поверхностей; электропроводности контакта двух шероховатых тел; контактной гидродинамики; вероятности; упругости. Теоретические результаты получены с помощью методов математического анализа, аналитических и численных методов решения систем уравнений, методов спектрального анализа. При обработке экспериментальных данных использовались методы математической статистики, корреляционного, регрессионного и спектрального анализов. Математическое моделирование и обработка экспериментальных данных проводились по унифицированным, усовершенствованным и оригинальным алгоритмам в средах MathCAD, Microsoft Excel, а также с использованием программного обеспечения платы аналого-цифрового преобразования ЛА-НІ0М6РСІ.
Экспериментальные исследования проведены на оригинальных и усовершенствованных установках с использованием современной измерительной аппаратуры, включающей ряд универсальных приборов и специально разработанную измерительную систему на базе ПК.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана математическая модель, раскрывающая влияние отклонений геометрических параметров рабочих поверхностей деталей подшипника, работающего в условиях граничной и смешанной смазки, на его электрическое сопротивление;
установлен характер влияния различных по виду отклонений геометрических параметров рабочих поверхностей деталей подшипника на функцию его электрического сопротивления;
предложен и обоснован ряд диагностических параметров, обеспечивающих решение задач усредненной комплексной оценки состояния подшипника (с учетом шероховатости рабочих поверхностей его деталей) и определения характеристик макроотклонений дорожек качения его колец;
- получены зависимости диагностических параметров от значений
приведенного параметра шероховатости рабочих поверхностей деталей под
шипника и от характеристик различных видов макроотклонений дорожек ка
чения его колец.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на 16 научно-технических конференций, в том числе на 9-й Международных, 4 Всероссийских и на нескольких конференциях местного уровня. По теме диссертационной работы опубликовано 30 печатных работ, в том числе 3 статьи в центральных изданиях, 3 отчета о НИР и 1 отчет о патентных исследованиях, зарегистрированный в ВИНИТИ.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработаны алгоритмы диагностирования, позволяющие проводить усредненную комплексную оценку состояния подшипника, определение вида, оценку значения и ориентации доминирующего макроотклонения дорожек качения его колец;
разработаны и обоснованы рекомендации по выбору режимов диагностирования при реализации различных алгоритмов;
разработаны принципы построения и структурные схемы реализующих метод средств диагностирования, а также методика их градуировки;
- разработана универсальная компьютеризированная измерительная
система, реализующая градуировку средств диагностирования.
- проведен патентный поиск по проблеме электрических методов три-
бологических исследований глубиной 20 лет (оформлен отчет о патентных
исследованиях).
Результаты исследований в соответствии с министерской программой «Индустрия образования» внедрены в учебный процесс ОрелГТУ. Разработанная измерительная система прошла опытно-промышленную проверку на ОАО «Юго-запад Транснефтепродукт», участок ЛДПС «Стальной конь»; экспонирована на Всероссийской выставке «Единая образовательная среда» (Москва, ВВЦ, 1-4 ноября 2002 г.). Разработанный метод диагностирования принят к внедрению на ФГУП «Карачевский завод «Электродеталь» (г. Кара-чев Брянской обл.). Разработанные средства диагностирования используются в ОрелГТУ в учебном процессе по ряду метрологических и конструкторских дисциплин, а также при выполнении курсовых и дипломных проектов по специальности 190100 «Приборостроение».
На защиту выносятся следующие положения:
Математическая модель электрического сопротивления подшипника, описывающая влияние параметров, характеризующих типоразмер подшипника, микро- и макрогеометрию его рабочих поверхностей, свойства конструкционных и смазочных материалов, режимы и условия работы на сопротивление подшипника.
Зависимости предложенных диагностических параметров от характеристик макроотклонений и шероховатости рабочих поверхностей деталей подшипника.
Электрорезистивный метод диагностирования подшипника, позволяющий проводить усредненную комплексную оценку его технического состояния с возможностью выявления вида, оценки значения и ориентации доминирующего макроотклонения дорожки качения каждого из колец.
Структурные схемы средств диагностирования.
