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

_<<Ь На правах рукописи

ВЕНИАМИНОВ Владимир Валентинович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВИБРОДИАГНОСТИКИ РАДИАЛЬНЫХ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 2000

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете на кафедре теоретической механики. ' Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ЯЦУНС.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

САВИН Л. А. (г. Орел);

Кандидат физико-математических наук, доцент СОКОЛОВ В.С. (г. Курск). Ведущая организация: АО «Прибор» (г. Курск).

Защита состоится 19 декабря 2000 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 064.50.01 при Курском государственном техническом университете (305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94, к. 218, ученому секретарю диссертационного совета._

Автореферат разослан 19 ноября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^ С.Ф. Яиун

КЧЧ5.Ж-оиО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящей работе рассматриваются проблемы, связанные с вибродиагностикой радиальных шарикоподшипников и их деталей на стадии производства Обеспечение заданных уровней виброускорения подшипников является одной из важных задач производства, 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. Наибольшее влияние виброускорения сказывается на иастот&х, выше 1000 Гц, где любой механизм не колеблется как единое целое, и достаточно небольших сил для возбуждения вибрации. Часто при производстве подшипников возникает вопрос о наиболее значимых факторах, оказывающих влияние на виброакустические характеристики.

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 на приводных установках на основе исследования динамики в за-

висимосги от упругих и вязких характеристик, определение факторов, оказывающих влияние на виброакустические характеристики подшипников.

Для реализации поставленной цели следует обеспечить выполнение следующих задач:

- разработка математической модели подшипников качения при испытании на приводных установках, учитывающую 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 программы для определения геометрических параметров модели и расчета виброакустаческих характеристик подшипников качения;

- разработка рекомендаций по определению нормативов для поверхностей качения подшипников;

- разработка способа диагаоспшгкзчествател качения-в-подншпниках;—

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.

Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных виброизмерительных приборов, допускающих измерение

вибрации в 3-х полосах частот: 50-300, 300-1800, 1800-10000 Гц и 50-ЮООО Гц. Для представления виброакустических сигналов в ЭВМ использован аналого-цифровой преобразователь, используемой при диагностике подшипников качения и их деталей на ОАО АПЗ-20 г. Курск.

Научные положения, выдвигаемые на защиту:

1. Реологические свойства деталей подшипников, участвующих в контакте описываются нелинейной упруго-вязкой моделью.

2. Дня качественной и количественной оценки колебательного процесса в подшипниках качения достаточно рассмотреть движение одного шарика в подшипнике с учетом возникновения зазора в системе.

3. Диагностика качества изготовления каждого шарика в подшипнике осуществляется методом стробирования виброакустического сигнала

4. Критериями качества поверхностей качения являются среднеквад-ратические 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. Разработала математическая модель, учитывающая погрешности изготовления деталей подшипников. Определены геометрические и динамические параметры модели. Определены факторы, оказывающие влияние на виброакустические характеристики подшипников. Разработана программа для определения геометрических параметров модели и расчета виброускорений подшипников. Предложены способы определения нормативов для поверхностей качения. Разработан способ диагностики тел качения в подшипнике.

Практическая ценность. Внедрена установка дня диагностики тел качения с регулируемым приводом. Разработана программа расчета вибрации подшипников по данным качества его деталей. Предложен способ обработки виброакустического сигнала для определения дефектных шариков в подшипнике. Предложен способ определения нормативов для поверхностей качения.

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

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 действия» (Орел, 2000).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, чеггы-рех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст состоит из 120 стр., включая 18 рисунков и 4 таблиц, список литературы, содержащий 84 наименования, а также приложение на 20 страницах.

Автор выражает признательность за большую помощь и содействие в написании диссертации своему научному руководителю Яцуку С.Ф., сотрудникам кафедры теоретической механики Лушникову Б.В., Мищенко В.Я., Локтионовой О.Г, Уваровой Н.П., а также Лукину Л.В, руководящим работникам и служащим АО ВНИПП Самохину О.Н., Варламову Е.Б., руководящим работникам и служащим ОАО АПЗ-20 Гололобову В.В., Барсуку В.И., Мотрию Ю.М, Сошникову А.И., Луневу А.Ю., Гутману И.Х, Седых Л.И., Глотову В.А, Агибаловой C.B., Акулову Л..И.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертации, кратко изложено содержание работы и показана ее практическая ценность.

В первой главе анализируются причины возникновения шума и вибрации подшипников. Обращается внимание на опыт применения способов обработки сигналов и связанных с ними диагностических критериев качества подшипников. Сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе разрабатывается математическая модель радиальных колебаний наружного кольца на приводной установке при следующих допущениях:

• упругость контакта при качении не изменяется, диссипация постоянна

• угол контакта не изменяется, верчение шариков отсутствует.

• вибрация сепаратора не учитывается.

Схема контроля и расчетная схема подшипника приведена на рис. 1.

X

8п

5Ь

а) б)

Рис 1. Колебательная модель подшипника

а) Схема контроля на приводной установке

б) Расчетная схема подшипника

Уравнения динамики подшипников имеют следующий вид:

-Р

тл=

'дп^ъ+б&пфу-ь+ЫКОУВп

если8п>0,0 _

р^-х^-с^-дп если дп>0,0 _

-/А-^з+С2-ЗЬ если5Ь> 0,0 где и , т3 - масса наружного кольца и приведенная масса шарика,

+

- упругая контактная статическая деформация шарика с наружным

и внутренним кольцом соответственно.

б, А- отклонения профиля наружного, внутреннего кольца и шариков. ШЬ- упругая контактная динамическая деформация шариков с наружным и внутреяниитсольцомг

ЛЛ " периоды вращения сепаратора, внутреннего кольца и шарика, «(г)^^^-',. 'К')■ - моделируют вращение колец подшипника

/ +

'Л

. I, - моделируют вращение шарика

р - нагрузка на один шарик, Н.

Приведенная масса шарика определяется по формуле:

С, + С2

те, =

(2-я-/)

где / - частота взаимодействия шарика с наружным и внутренним кольцом, определяемая по спектру виброускорения подшипника, которая находится в пределах (7000-10000) Гц. Резонанс на 4000 Гц - изгабные колебания наружного кольца, которые учитываются жесткостью С, и коэффициентом сопротивления^,.

Величина контактной деформации определяется по формуле:

Для определения диссипативных параметров модели в основу был положен эксперимент. Критерием правильности выбора расчетной схемы служит идентичность спектров колебаний подшипника и спектра, полученного в результате расчета, представленные на рис.2, в диапазоне частот от 1800 до 10000 Гц. Расхождение среднеквадратических уровней виброускорений находится в пределах 10 процентов, что вполне допускается при расчетах вибрации подшипников.

м/с5

Спектры виброускорений

4МЧ * i i jk ЙМн.

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 МО4 Частота, Гц

——- Спектр расчетный " - - - Спектр экспериментальный

Рис.2.

В третьей главе приводится способ представления отклонений профиля поверхностей качения при численном решении уравнений динамики подшипников. Исследуется также влияние геометрических отклонений профиля на виброускорение подшипника. Для этого производится численный эксперимент, согласно которому изменяется размах неровностей на выбранной детали подшипника (шарик, наружное или внутреннее кольцо) при постоянных неровностях других деталей, рассчитываются уровни виброускорений подшипника в каждом случае. Данные зависимости наглядно показывают, к чему приведет улучшение качества каждой детали в подшипнике и как это отражается на выходных характеристиках. Характер изменения неровностей должен быть направлен в сторону уменьшения их величины.

Согласно данных численного моделирования, определяющим звеном в улучшении качества изделия является шарик см. рис.3, так как улучшение состояния его поверхности приведет к понижению виброускорения подшипников.

Рис.3.

В четвертой гладе основное внимание направлено на экспериментальные исследования виброускорений подшипников и разработку допустимых отклонений профиля шариков, так, по данным моделирования виб-

роускорения подшипника, определяющим фактором для уменьшения виброускорения является качество тел качения. Определение отклонений производится:

- при постоянной частоте вращения шпинделя установки.

- при переменной частоте вращения.

Критерии качества, то есть допустимые отклонения, следует разрабатывать, используя образцовую поверхность. В качестве образцовой поверхности использовачся шарик диаметром 7,938 мм польского производства 5 степени точности, не имеющий сосредоточенных дефектов, спектр дефектов которого, показанный на рис.4., равномерный и имеет лишь один нехарактерный выброс среди группы гармонических составляющих.

15

О 2000 4000 6000 8000 МО4 1.2-104

Частота, Гп

Рис.4.

Для реализации метода сигнал, полученный с АЦП, подвергается преобразованию Фурье и фильтрации с помощью перестраиваемого фильтра, у которого отношение верхней и нижней границы есть величина постоянная. Перестройка фильтра осуществляется в соответствии с отношением диаметра образцовой поверхности к рассматриваемому диаметру поверхности.

Результаты расчетов допустимых значений Яхт по виброскоросги и волнистости для различных диаметров шариков представлены на рис.5 и

рис.6 соответственно.

о

л 80 г

о &

§

о.

V, ¿3

70

60

50

„ ^ з

4 6 8 10 12 14 16

Диаметр шарика, мм Расчетные данные Предложенная зависимость

Рис.5.

Аппроксимация значений виброскорости производится линейной зависимостью и имеет следующий вид:

У(с1)-\Al-d + 49, мкм/с

| 0.01 V) $ 0.005

о я о

ю

12

14

16

Диаметр шарика, мм Расчетная зависимость ~ " Предложенная зависимость

Рис.6.

Аппроксимация значений волнистости дает следующую формулу:

= 5-Ю"4 + 9-10"4, мкм Допустимые значения виброускорений на установке с регулируемым приводом определены с помощью сигнала от образцового, выше указам-

ного шарика, измеренного на установке с постоянной частотой вращения шпинделя.

Рассматривается также метод диагностики шариков в подшипнике методом стробирования виброакустического сигнала. Суть его заключается в том, что среднеквадратические значения виброакустического сигнала измеряют за время прохождения:

1

■

где / - частота вращения сепаратора, Гц; г - число шариков в подшипнике,

каждым телом качения, находящимся вблизи вибродатчика, накапливают и усредняют их с каждым последующим оборотом сепаратора, общее количество которых должно быть не менее 5:

N Ктх- • О, .= V-/ = 1...7.

^

где О - накопленные и осредненные уровни вибросишала;

Ъ - число шариков в подшипнике;

N - рассматриваемое число оборотов сепаратора.

Объектом диагностирования, в качестве примера, являлся подшипник типа 360710 см. рис.7. Если построить диаграмму и на одной горизонтальной оси откладывать номера шариков (0-18), на другой количество оборотов сепаратора, а на вертикальной оси - накопленные значения виброускорения данного подшипника, то на основании нее можно сделать вывод, что в подшипнике имеются шарики с разным качеством изготовления и корме того, для сборки подшипника использованы шарики низкой степени точности. Таким образом, можно сделать вывод о том, что каждый шарик в подшипнике формирует определенный уровень вибрации, зависящий от качества его изготовления см. рис.7.

Рис.7. Скопленные и осреднеяные уровни вибросигашв для отдельных цирков с нарастающим количеством оборотов сепаратора

Шбликдвт. ПЬ теме диссертации опубликовано 4 статьи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

№ основе проведенных исетедованш бышг получены следующие научные и практические результаты:

1. Создана математическая модель для изучения копаний подшипников при испытаниях на приводной установке с учетом штабных колебаний наружного кольца, позволившая установить стшень-вгмяния каждой понаружного-коль. №Ц позволившая установить степень влияния каждой поверхности качения на виброускорение подшипника с учетом экспериментально определяемых дио-ашатнвньк реологических параметров модели.

2. Разработан пакет программ для расчета упругих коэффициентов при контакте поверхностей качения с учетом их кривизны, определения геометрических отклонений профиля поверхностей качения в диапазоне частот колебаний подшипников, расчета виброуосоренш подшипников. В результате установлена прямо пропорциональная связь дассипативньк коэффициентов модели с частотами изгабных колебаний наружного кольод, определены причины возникновения данных колебаний, которые вьсваны отклонение поверхностей качения от идеальной геометрической формы

3. № основе изучения временных реатваций вшроускоренш подшипников,

создай способ диагностики каждого шарика в подшипнике методом строби-рования виброакусшческого сигнала, при исключении влияния дефектов колец путем усреднения накопленных значений по количеству оборотов сепаратора На данный способ диагностики подана заявка на патент.

4. ГЬ результатам численного исследования установлено, что шарики оказывают определяющее влияние на Еиброускорешге подшипников, в результате создана методика и определен способ определен! и допустимых отклонений профиля для шариков подшипников, используя контроль.! (ую образцовую поверхность, а также путем фильтрации сигнала определяются гармонические составляющие, оказывающие влияние на виброускорение подшипников.

5. Внедрена установка с регулируемым приводом в шариковом цехе ОАО АПЗ-20, позволившая определял, степень точности поверхности шарика в 10 раз точнее по сравнению с известными методами.

6. Результаты работы использованы в лаборатории в!горо акустики отдела главного конструктора на АО АГО-20 (г. Курск) при выполнении исследований виброакусшческих характеристик шарикоподплтников, определении качества поверхностей качения, разработке методики контроля и определения допустимых. отклонений профиля шариков по виброскоросш и волнистости.

/

Основное содержание диссертационной работы нашло отражение в следующих публикациях:

1. Яцун С.Ф., Вениалпшов В.В. Математическая модель подшипника качения. // Вибрационные машины и технологии: Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции. - Курск, 1999. - С.179-

2. Душников Б.В., Вениаминов В.В. Вибродиагностика тел качения в подшипнике методом стробирования виброакустического сигнала. // Вибрационные машины и технологии: Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции. - Курск, 1999. - С. 237-241.

3. Мотрий Ю.М, Гутман И.Х., Вениаминов В.В. Вибрационная диагностика качества изготовления поверхностей качения радиальных подшипников. // Вибрационные машины и технологии: Сборник докладов Ш Международной научно-технической конференции. - Курск, 1997. - С.179-

4. Яцун С.Ф., Вениаминов В.В. Моделирование радиальной вибрации

ного, периодического и вибрационного действия». - Орел, 2000. - С.92-

181.

181.

«Механизмы и машины удар-

95.

Подписано в печать -/{ О0~ Формат 60x84 1/16. Печ.л. <0 Тираж 100 экз. Заказ Курский государственный технический университет. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.