Разработка методики вибродиагностики радиальных шарикоподшипников тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИБРАЦИЙ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ.

1.1. Способы диагностирования шарикоподшипников.

1.2. Способы обработки виброакустических сигналов.

1.3. Используемые характерные диагностические признаки возникновения неисправностей подшипников.

1.4. Математические модели, описывающие колебания подшипников качения.

1.5. Цели и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАДИАЛЬНОГО ШАРИКОПОДШИПНИКА НА ПРИВОДНОЙ УСТАНОВКЕ.

2.1. Математическая модель, радиального шарикоподшипника на приводной установке КВП-3.

2.2. Определение упругих коэффициентов математической модели.

2.3. Методы геометрической идентификации параметров модели.

2.4. Выводы по главе.

3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРОУСКОРЕНИЙ ПОДШИПНИКОВ. 62 3.1. Разработка методики численного интегрирования динамики радиальных шарикоподшипников:

3.2. Численное исследование динамики подшипников. Определение влияния отклонений профиля деталей на динамику подшипников.

3.3. Оптимизация диссипативных параметров модели методом квадратичного планирования численного эксперимента.

3.4. В ыводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОДШИПНИКОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ШАРИКОВ. '

4.1. Определение критериев качества изготовления шариков при постоянной частоте вращения шпинделя.

4.2. Определение критериев качества изготовления шариков при переменной частоте вращения шпинделя.

4.2. Вибродиагностика тел качения в подшипнике методом стробирования виброакустического сигнала.

4.4. Диагностика наличия дефектов колец подшипника с помощью стандартной виброизмерительной аппаратуры.

4.3. Выводы по главе.

В настоящей работе рассматриваются проблемы, связанные с вибродиагностикой радиальных шарикоподшипников и их деталей на стадии производства. Обеспечение заданных уровней вибрации подшипников является одной из важных задач, так как в этом случае определяется качество всего изделия в целом. Силы, которые возникают в точке контакта при наличии неровностей поверхностей качения, прямо пропорциональны колебательному ускорению, поэтому для целей диагностики подшипников используется виброускорение. За переход вибрации в шум отвечает колебательная скорость, которая прямо пропорциональна звуковому давлению в воздухе около вибрирующей поверхности. Поэтому и нормы на вибрацию, как правило, ограничивают колебательную скорость машин и оборудования. Наибольшее влияние виброускорения сказывается на частотах выше 1000 Гц, где любой механизм не колеблется как единое целое, и достаточно небольших сил для возбуждения вибрации. Сложность виброакустических сигналов, генерируемых подшипниками, не позволяет достоверно судить о характере "имеющихся дефектов изготовления деталей подшипника, особенно если это малошумные подшипники, для которых не характерно резкое изменение состава виброакустического сигнала. Часто на заводе-изготовителе возникает вопрос о наиболее значимых факторах, оказывающих влияние на виброакустические характеристики подшипников. Детали малошумных подшипников, как правило, не имеют единичных дефектов, а также отклонений профиля, амплитуда которых соизмерима с их длиной волны. Поэтому используются способы диагностирования качества каждой детали отдельно, с целью определения ее пригодности для последующей сборки и обеспечения, заданных виброакустических характеристик подшипников. Применение данного метода может быть оправдано при производстве подшипников.

Разработанные способы определения геометрических отклонений профиля шариков с помощью приводной установки КВП-3 обладают повышенной чувствительностью к дефектам, отношение амплитуды которых к длине волны находится в пределах 0,002-0,01. Измерения производятся с помощью пьезоэлектрического датчика с использованием стандартного виброизмерительного прибора или электродинамического датчика виброскорости совместно с АЦП и специальной программы. При использовании данных способов в производстве возникает необходимость проведения дополнительных исследований и определения допустимых значений, определяющих качество деталей малошумных подшипников. Поэтому разработка и создание методов исследований шарикоподшипников и их деталей актуальна для подшипниковой промышленности.

Цель работы: повышение эффективности диагностики подшипников качения при выходном контроле на заводе-изготовителе на основе исследования динамики, в зависимости от упругих и вязких характеристик, разработка методики диагностирования подшипников.

Для реализации поставленной цели следует обеспечить выполнение следующих задач:

- разработка математической модели подшипников качения при испытании на установках выходного контроля, учитывающей радиальные колебания наружного кольца подшипника;

- идентификация геометрических и динамических параметров модели;

- определение факторов, оказывающих влияние на виброакустические характеристики подшипников качения на основе численного эксперимента;

- разработка методики численного моделирования динамики подшипников;

- разработка методики диагностирования деталей подшипников;

- выявление диагностических признаков, позволяющих по выходному виб роакустическому сигналу устанавливать дефектные поверхности качения подшипников.

Методика исследования. Колебательная диагностическая модель подшипника построена на основе законов теоретической механики, теории нелинейных колебаний и динамики машин. Для решения системы дифференциальных уравнений второго порядка используется метод интегрирования Рунге-Кутта. Обработка выходных сигналов производится с использованием быстрого преобразования Фурье, дифференцирования и интегрирования сигналов. Для определения качества тел качения в подшипнике применяется метод стробирования виброакустического сигнала. Дефектность колец устанавливается по средневзвешенной частоте полигармонического сигнала виброускорения и виброскорости.

Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных виброизмерительных приборов, допускающих измерение вибрации в 3-х полосах частот: 50-300, 300-1800, 1800-10000 Гц и по общему уровню 5010000 Гц. Для представления виброакустических сигналов в ЭВМ использован аналого-цифровой преобразователь, используемый при диагностике подшипников качения и их деталей на ОАО «АПЗ-20» г. Курск.

Научные положения, выдвигаемые на защиту:

1. Новая математическая нелинейная упруго-вязкая модель подшипника на установке выходного контроля.

2. В целях диагностики для качественного и количественного исследования радиальных колебаний подшипников достаточно рассмотреть движение одного шарика в подшипнике.

3. Разработанный способ диагностики в каждого шарика в подшипнике методом стробирования виброакустического сигнала, а также способ диагностики качества колец, основанный на определении средневзвешенной частоты сигнала виброускорения и виброскорости подшипника.

4. Установлено, что на вибрацию подшипников оказывает влияние качество поверхностей качения, поэтому предложено для описания свойств контактирующих поверхностей использовать среднеквадратические значения, полученные путем фильтрации перестраиваемыми фильтрами сигнала от образцовой поверхности.

Хорошая сходимость спектров, а также среднеквадратических значений виброускорений подшипников, полученные при теоретическом и экспериментальном исследовании, позволяют судить о степени достоверности предложенных способов исследования динамики подшипников.

Научная новизна. Разработана новая математическая модель, учитывающая погрешности изготовления деталей подшипников на основе положений теоретической механики и теории нелинейных колебаний. На основе изучения временных реализаций подшипников разработан способ диагностики каждого шарика в подшипнике методом стробирования виброакустического сигнала, при исключении влияния дефектов колец, а также по результатам исследования установлено, что уменьшение средневзвешенной частоты сигнала виброускорения и виброскорости связано с дефектностью поверхностей качения колец подшипников.

Практическая ценность. Разработана исследовательская программа для численного моделирования виброхарактеристик подшипников в зависимости от отклонений профиля деталей. Разработаны способы для определения дефектных шариков и установления дефектности колец в подшипнике. Определен критерий для разработки допустимых отклонений профиля шариков. Внедрена установка для диагностики качества поверхности тел качения с регулируемым приводом на ОАО «АПЗ-20» г. Курск.

Реализация работы. Результаты работы использованы в лаборатории виброакустики отдела главного конструктора на ОАО «АПЗ-20» (г. Курск) при выполнении исследований виброакустических характеристик подшипников, диагностике качества поверхностей качения деталей подшипников.

Апробация работы. Результаты исследований, нашедшие свое отражение в данной работе, докладывались на III, IV Международной конференции "Вибрационные машины и технологии" (Курск, 1997,1999), международном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного дей ствия» (Орел, 2000).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех

7. Результаты работы использованы при выполнении исследований виброа1 кустических характеристик шарикоподшипников, определении качества поверхностей качения, разработке методики контроля и определения допустимых отклонений профиля шариков по волнистости в лаборатории виброакустики отдела главного конструктора на ОАО «АПЗ-20» (г. Курск).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных исследований были получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана новая математическая модель для изучения колебаний подшипников при испытаниях на приводной установке с учетом изгибных колебаний наружного кольца, позволившая установить степень влияния каждой поверхности качения на виброускорение подшипника с учетом экспериментально определяемых диссипативных параметров модели.

2. Разработана исследовательская программа для численного моделирования виброускорений подшипников с учетом упругости поверхностей качения, зависящей от их кривизны, и определением геометрических отклонений профиля деталей. В результате установлена прямо пропорциональная связь диссипативных коэффициентов модели с изгибными колебаниями наружного кольца, определены причины возникновения данных колебаний, которые вызваны отклонением поверхностей качения от идеальной геометрической формы.

3. На основе изучения временных реализаций виброускорений подшипников, разработана методика диагностики каждого шарика методом стробирова-ния виброакустического сигнала, при исключении влияния дефектов колец путем усреднения накопленных значений по количеству оборотов сепаратора. На данный способ диагностики подана заявка на патент.

4. Диагностику качества подшипников следует производить по параметру ускорения. В качестве дополнительного параметра, определяющего качество изделия, следует находить разность виброускорения и виброскорости, так как наличие дефектных колец приводит к уменьшению средневзвешенной частоты спектра вибрации в диапазоне 50 - 10000 Гц.

5. По результатам численного исследования установлено, что шарики оказывают наибольшее влияние на виброускорение подшипников, в результате путем фильтрации сигнала отделяются гармонические составляющие, оказывающие влияние на виброхарактеристики подшипников, и определяются допустимые отклонения профиля по волнистости для шариков, основанные на использовании образцовой контрольной поверхности.

6. Внедрена установка с регулируемым приводом в шариковом цехе ОАО «АПЗ-20», позволившая определять степень точности поверхности шарика на порядок точнее по сравнению с известными методами.

1. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование. М.: Радио и связь. 1983.

2. Артоболевский И.И., Бобровницкий Ю.И., Генкин М.Д. Введение в акустическую динамику машин. М. 1979. 296 с.

3. Авт. свид. СССР, № 1272142, МПК М 13/04, 1986.

4. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В., и Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник. Изд. 5-е, испр. и доп. М., Машгиз, 1967.

5. Бендат Д., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа.-М.: 1983.312 с.

6. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир. 1974.

7. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. Рекомендации для пользователей систем диагностики. Издательство АО ВАСТ, Санкт-Петербург, 1997.

8. Барков А.В., Баркова Н.А. Современное состояние виброакустической диагностики машин. Издательство АО ВАСТ, Санкт-Петербург, 1997.

9. Балицкий Ф.Я., Генкин М.Д., Иванова М.А., Соколова А.Г. Вопросы моделирования акустических процессов в машинах. М.: Наука, 1971.

10. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. М., Высшая школа, 1972.416 с.

11. Быховский И.И. Основы' теории вибрационной техники. М.: Стройиздат, 1969. 363 с.

12. Болотов Б.Е. Исследование влияния геометрических погрешностей шарикоподшипников на их вибрационную характеристику. Куйбышев, 1968. Дисс. канд. техн. наук: 05.02.02. утв. В Куйбышевском политехи, ин-те им. В.В. Куйбышева.

13. Вульфсон И.И. Нелинейные задачи динамики машин. Л., Машиностроение, 1976. 328 с.

14. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. М., 1978 1981. Т. 1-6.

15. Волков П.Д. Герасимова Н.Н. Волнистость желобов внутренних колец и ее влияние на шумность подшипников качения. «Подшипниковая промышленность», №3, 1960 г.

16. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. / Ф.Я. Балицкий, М.А. Иванова, А.Г. Соколова, Е.И. Хомяков. М., 1984.120 с.

17. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./Ред. совет: Челомей В.Н. (пред.).- М.: Машиностроение, 1978 Т. 1. Колебания линейных систем /Под ред. Болотина В.В., 1978. - 352 е., ил.

18. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987. -288 с.

19. Глухарев К.К., Фролов К.В. К теории диагностирования машин и механизмов. М. Машиностроение, 1977, №3.

20. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.

21. Гаркунов Д.Н. Поляков А.А., Семенов В.Я. Современные проблемы триботехники. Трение и износ, 1980, №3, с. 391- 402.

22. Галахов М.А. Бурмистров А.Н. Расчет подшипниковых узлов. М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.

23. Голиков Т.И., Панченко Л.А., Фридман М.З. Каталог планов второго порядка. Часть 1. Вып.47. -М.: Издательство МГУ. 1974 Г.-388 с.

24. Грубин А.Н. Основы гидродинамической теории смазки тяжелонагруженных криволинейных поверхностей.-«Труды ЦНИИТМАШ», М., Машгиз, 1949, кн. 30,. С. 126-184.

25. Герасимова Н.Н. Исследование влияния шероховатости и волнистости рабочих поверхностей на долговечность и вибрацию шарикоподшипников. -М, 1967.

26. Диментберг Ф.М., Фролов К.В. Вибрация в технике и человек.- М.: Знание, 1987.- 160 с.

27. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения.- М.: Мир, 1972.-288 с.

28. Демидович Б.П., Марон И.А. Численные методы анализа. М., 1967 г., 368 с.

29. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCAD 7.0 в математике, физике и в Internet. М.: "Нолидж", 1998. - 352 е., ил.

30. Журавлев В.Ф. Теория вибрации гироскопа. -М., 1972. 48 с.

31. Житкевичус И. А. Исследование моментов сопротивления вращению шарикоподшипниковых узлов в условиях вибраций. Каунас, 1974. Дисс. канд. техн. наук; утв. в Каунас, политехи, ин-те 28.6.74.

32. Закржевский М.В. Колебания существенно нелинейных механических систем. - Рига: Зинатне, 1980. - 190 с.

33. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Изд. 2-е, переработ, и доп., Д., "Энергия", 1972. 816 е., ил.

34. Ишлинский А.Ю. Трение качения. Прикладная математика и механика, 1939, т.2., вып. 2, с. 245-260.

35. Кюнленц К. Исследование шумности подшипников качения. Бюлл. ЭНИПП. Тех. Информация, №25 (335), 1959 г.

36. И.М. Бразголь, Е.С. Кузнецова., К.С. Коган. Влияние габаритныхразмеров подшипников на уровень их вибрации. ВНИПП. Трудыtинститута. №3, 1965 г.

37. Ковалев М.П. и Народецкий М.З. Расчет высокоточных шарикоподшипников. М., "Машиностроение", 1975. -280 с.

38. Кубинек М. К вопросу о шумности подшипников качения. Труды ВНИПП, №2, 1964 г.

39. Кондир Д.С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. - 304 с.

40. Капица П.Л. Гидродинамическая теория смазки при качении. -«Журнал технической физики», 1955, т. 25, вып. 4. с. 747- 762.

41. Камендровский Ю.А. Исследование вибраций шарикоподшипника с осевым натягом, возбуждаемых волнистостью желобов колец. Саратов, 1973. Дисс. канд. техн. наук; утв. в Горьк. политехи, ин-те им. А.А. Жданова 16.12.75.

42. Левитский Н.И. Колебания в механизмах: Учеб. пособие для втузов.-М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1988. 336 с.

43. Лурье Г.Б. Технология производства подшипников качения. Машгиз, 1949.

44. Липе кий Г.К. Метод спектральной оценки геометрического качества дорожек качения малошумных радиальных шарикоподшипников. Саратов, 1969. Дисс. канд. техн. наук; утв. в Саратовском политехи, ин-те 16.12.69.

45. Максимов В.П. и др. Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах. М.: Машиностроение, 1987 г.

46. Метцнер А. Важные реологические характеристики смазок. «Труды Американского общества инженеров-механиков. Проблемы трения и смазки», 1968, №3, с. 8-22.

47. Налимов В.В., Голиков Т.И. Логические основания планирования эксперимента. М.: Металлургия, 1980.- 152 с.

48. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. М.: Машиностроение, 1977 г. 222 с.

49. Петрусевич А.И. Основные выводы из контактно- гидродинамической теории смазки. Известия АН СССР, ОТН, 1951, №2, с. 209 - 223.

50. Петрусевич А.И. Упрощенный метод решения контактно-гидродинамических задач. «Машиноведение», 1971, №6 с. 72-76.

51. Пинегин С.В. Контактная прочность машин. М., Машиностроение, 1965. 192 с.

52. Перель Л.Я., Филатов А. А. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1992. -608с.: ил.

53. Перель Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник.- М.: Машиностроение, 1983.- 543 е., ил.

54. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М., Машиностроение, 1967. 316 с.

55. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М., Наука, 1971.240 с.

56. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. М.: Машиностроение, 1971.

57. Рагульскис К.М., Юраускас А.Ю. Вибрация подшипников/Под ред. К.М. Рагульскиса Л.: Машиностроение, Ленигр. отд-ние, 1985. - 119 е., ил.- (Б-ка инженера. Вибрационная техника; Вып. 4)

58. Рагульскис К.Н. Диагностика технического состояния подшипников качения. Каунас 1972, с. 85-95.

59. Рандалл Р.Б. Частотный анализ. Печать: К. Ларсен и сын А/О, ДК -2600 Глоструп, Дания, август 1989г.

60. Спришевский А.И. Подшипники качения. Справочник. -М.: Машиностроение, 1969. -632. с.

61. Смит Ф. Смазка при контакте качения. Применение упруго-гидродинамической теории. «Труды Американского общества инженеров-механиков. Проблемы трения и смазки», 1965, №1, с. 206-214.

62. Светлицкий В.А., Стасенко И.В. Сборник задач по теории колебаний. М., Высшая школа, 1973. 456 с.

63. Трейер В.Н. К анализу шума в подшипниках качения. Подшипник, №10, 1936г., №2, 1937.

64. Фролов К.В., Фурман Ф.А. Прикладная теория виброзащитных систем. М.: Машиностроение, 1980 - 276 с.

65. Херлуфсен X. Двухканальный анализ на основе БПФ. 4.1 и 4.2. Брюль Кьер. Technical Review, 1984 г.

66. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Гостехиздат, 1957. - 426 с.

67. Шефтель Б.Т., Гущин В.А., Липский Г.К., Шаницын А.А, Юдин Ф.Ф. Диагностика шарикоподшипников вибрационным методом. М.: Наука, 1977.

68. Щаницын А.А. Исследование вибрации радиального шарикоподшипника, обусловленной контактной упругостью деталей и геометрическими несовершенствами дорожек качения. Саратов, 1972. Дисс. канд. техн. наук; утв. в Сев. Зап. Заоч. Политехи, ин-те 25.12.72.

69. Штеггер Е. Звуки шариковых подшипников. Техн. Перевод ВНИППа №332 62.

70. Э. Камке. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М., 1976 г. 576 с.

71. Эртель A.M. Гидродинамический расчет смазки контакта поверхностей качения. ЦНИИТМАШ, 1945.

72. Юдин Ф.Ф. Вибрационные характеристики узла с радиальным шарикоподшипником: Дисс. канд. техн. наук: 05.02.02. Утв. 10.07.85; 04850004757. - Саратов, 1984. - 230 с.

73. Явленский А.К., Явленский К.Н. Теория динамики и диагностики систем трения качения. Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. Ил. 63, табл. - 16, библиогр. - 43 назв. 184 с.

74. Явленский К.В., Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. Л., 1983. 239 с.

75. Signature analysis with Fourier analyser. Noise Control Vibration Insolation? V.9, N.3, 1978, pp. 81-84.

76. Randall R.B. Cepstrum analysis gearbox fault diagnosis. Bruel & Kjer Application Note N. 13 150. 19 p.

77. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. Издание 2-е, стереотипное М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1997. - 712 с.

78. Harris Т. A. Rolling bearing Analysis. New York - London - Synday, 1966, 481 p.

79. Jones A.B. Ball motion and Silding Friction in Ball Bearings. ASME. -Journal of Basic Engineering, 1959, March.

80. Tallian Т.Е., Gustaffson O.G. Progresss in rolling bearing vibration research and control ASLE transctions, 8,1965, p. 195-207.

81. R.B. Randall & J. Нее. : "Cepstrum analysis" , B&K Technical Review, № 3, 1981.

82. P. Bradshaw & R.B. Randall. Early Detection and Diagnosis of Machine Faults on the Trans Alaska Pipeline, MSA Session, ASME Conf., Dearborn MI, Sept. 1983, pp. 7-17.

83. Palmgren A. Ball and Roller Bearing Engineering. 3 ided. Burbank, 1959, p. 70-72.

84. Lundberg G. Palmgren A. Dynamic Capacity of Roller Bearings. Acta Politechnica. Mechanical Engineering, 1947, № 3,7.

85. Stribeek. Ball Bearings for Varions Loads. Transactions, ASME, 1963, v.29 p. 420-463.

86. Tamura A., Taniguchi O, « Ball bearing Vibrations First Report on the Radial Vibration Caused by Passing Balls, » Trans. JSME 26, 19-25 (1960).