УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА

Устройство относится к диагностированию технического состояния механизмов и агрегатов машин, в частности к способам определения, контроля осевого и радиального зазоров в подшипнике качения, а также зазоров в сопряжениях между кольцами подшипника, валом и корпусом, преимущественно, при эксплуатации коробок передач (КП) мобильных энергетических средств (МЭС), и других агрегатов МЭС содержащих подшипники качения в непрерывном режиме, без их демонтажа, непосредственно в условиях штатной эксплуатации.
Известно изобретение, модуль подшипника с сенсорным устройством [1], принятое в качестве прототипа, представляющее собой стационарный сменный блок для установки в подшипниках вала. Модуль содержит несущий элемент, подшипниковое устройство, которое закреплено на несущем элементе, для установки с возможностью вращения вала. Модуль подшипника дополнительно включает в себя несколько сенсорных устройств, которые также закреплены на несущем элементе для регистрации физического параметра подшипникового устройства и интерфейсное устройство, с помощью которого сигнал сенсорного устройства может передаваться от модуля подшипника вовне. Сенсорное устройство содержит несколько датчиков различных типов, в частности первый датчик для регистрации временной длительности разряда в подшипниковом устройстве и второй датчик для термического контроля подшипника.
К недостаткам изобретения следует отнести относительно низкую точность и достоверность определения состояния подшипника качения, в том числе и его дефектов, поскольку в качестве одного из критериев его технического состояния используется оценка вибрации, датчиками, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях, с последующим FFT - онлайн анализом сигналов с датчиков вибрации. FFT - анализ не позволяет однозначно определить вид дефекта подшипника и/или его сопряжений ввиду ограничения числа гармоник и/или спектра колебаний, так как точное восстановление сигнала после прямого и обратного преобразований Фурье теоретически (и тем более практически) невозможно, в частности из-за появления эффекта Гиббса. Помимо этого, базисная функция при разложении в ряд Фурье представляется, как гармоническое (синусоидальное) колебание, которое математически определено в интервале времени от ∞ до +∞ и имеет неизменные во времени параметры. Таким образом, численное интегрирование во временной области от от ∞ до +∞ при прямом преобразовании Фурье имеет значительные вычислительные сложности, при этом отдельные сигналы вызывают незначительные изменения частотного образа сигнала на всем интервале частот от ∞ до +∞, что делает их обнаружение дефекта подшипника качения, по спектру невозможным. Спектр таких сигналов содержит едва заметные высокочастотные составляющие, по которым распознать локальную особенность сигнала, в данном случае дефект подшипника, и тем более место и характер его дефектов, а также дефектов сопряжений, практически невозможно, что указывает на низкую достоверность предлагаемого способа.
Согласно изобретению, определение наличия частиц износа (железа) определяется опосредованно, через прохождение тока между дорожками качения подшипника, что указывает на недостоверную и низкую чувствительность определения этого показателя.
К числу недостатков изобретения следует отнести отсутствие возможности определения величины радиального, осевого зазора подшипника, а также зазоров в его сопряжениях на валу и в корпусе, и/или их совместного появления, что также может характеризовать изобретение, как не отвечающего требованиям достоверного распознавания состояния подшипникового узла. Наличие ультразвукового датчика, также не в полной мере отвечает требованиям информативности, а именно низкой чувствительности, определения величины пленки смазывающего материала, поскольку в процессе работы смазочный материал изменяет свои физико-химические свойства, что вносит погрешность в результат измерения [1].
Перечисленные недостатки изобретения не позволяют однозначно и достоверно оценивать состояние подшипникового узла.
В основу полезной модели положена техническая задача обеспечения достоверной, однозначной оценки и оперативности контроля состояния подшипникового узла качения без демонтажа из агрегата МЭС (в частности коробки передач) в непрерывном режиме эксплуатации, за счет учета изменения: радиального и осевого зазоров в подшипнике качения, зазоров между кольцами подшипника качения на валу и в корпусе, температуры подшипника, наличия ферромагнитных продуктов изнашивания, в условиях штатной эксплуатации в свойственных температурных, нагрузочно-скоростных режимах, а также совмещение в одном устройстве нескольких контролирующих датчиков и электронного блока регистрации (ЭБР) обработки сигналов с диагностических датчиков, сохранения, накопления данных о фактическом состоянии подшипникового узла, при этом текущие параметры фактического состояния подшипникового узла качения транслируются на графическое устройство отображения информации (ГУО), что расширяет возможности оперативного и достоверного выявления отказа подшипникового узла и функциональные возможности предлагаемого устройства.
Решение поставленной задачи достигается тем, что согласно полезной модели, устройство для диагностирования технического состояния подшипникового узла, в отличие от прототипа, содержит в неподвижном корпусе в определенной последовательности контролирующие бесконтактные датчики: температуры подшипника с устройством термокоррекции с температурой наружного воздуха, осевого и радиального зазоров подшипника качения, частоты вращения сепаратора подшипника, вала, внутреннего и наружного колец подшипников, наличия ферромагнитных частиц износа, при этом контролирующие датчики связаны с ЭБР, а электронный блок регистрации связан с ГУО информации, при реализации устройства контролирующие датчики могут быть выполнены цифровыми или аналоговыми; цифровой или аналоговый сигнал с контролирующих датчиков может передаваться на ЭБР по проводному или беспроводному защищенному каналу связи, а с него по проводному или беспроводному защищенному каналу связи на ГУО информации, при этом контролирующие датчики с нескольких подшипниковых узлов могут быть объединены в одну информационную сеть и передавать сигнал на ЭБР в непрерывном режиме эксплуатации, а с него на ГУО информации, при этом электронный блок регистрации, обработки сигналов по проводному или беспроводному защищенному каналу связи может быть связан со спутниковым модемом, для передачи данных о текущем состоянии подшипникового узла качения удаленному пользователю, а именно на сервер диагностического центра, при этом в ЭБР может быть установлено программное обеспечение, содержащее, в виде базы данных, диагностические параметры и соответствующие им величины допускаемых и предельных значений, формирующее базу данных сигналов с диагностических датчиков, а также позволяющее проводить обработку сигналов с диагностических датчиков и осуществлять оценку технического состояния подшипникового узла.
Задача повышения однозначности оценки состояния подшипникового узла и диагностических возможностей устройства решается путем применения в конструкции устройства нескольких типов диагностических датчиков, регистрирующих:
- температуру подшипника,
- осевой и радиальный зазоров подшипника качения;
- частоту вращения сепаратора подшипника;
- частоту вращения вала;
- частоту вращения внутреннего и наружного колец подшипников;
- наличие ферромагнитных частиц износа.
В случае если хотя бы один из диагностических датчиков зарегистрирует предельную величину контролируемого параметра, то ЭБР транслирует предупреждение о прекращении эксплуатации подшипникового узла на ГУО информации и/или удаленному пользователю, чем обеспечивается однозначность и оперативность оценки технического состояния подшипникового узла.
Задача повышения достоверности оценки состояния подшипникового узла решается путем применения в конструкции устройства цифровых диагностических датчиков и электронного блока регистрации обработки сигналов с диагностических датчиков. В ЭБР с помощью программного обеспечения производится математическая обработка данных, поступающих с диагностических датчиков, что позволяет повысить точность распознавания состояния подшипникового узла, в том числе и на ранних стадиях появления износов. Помимо этого, отличительным признаком устройства для мониторинга технического состояния подшипникового узла, является непрерывный режим передачи данных с диагностических датчиков в электронный блок регистрации обработки сигналов, а также на ГУО и трансляция диагностических данных удаленному пользователю, что обеспечивает оперативность оценки технического состояния подшипникового узла.
Предлагаемая конструкция устройства для диагностирования состояния подшипникового узла поясняется чертежами, фиг. 1, фиг. 2.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - неподвижный корпус датчиков, 2 - крышка подшипника качения, 3 - датчик температуры подшипника, 4 - датчик контроля осевого зазора подшипника качения, 5 - датчик контроля радиального зазора подшипника качения, 6 - датчик частоты вращения сепаратора подшипника качения, 7 - датчик частоты вращения вала; 8 - датчик частоты вращения внутреннего кольца подшипника качения, 9 - датчик частоты вращения наружного кольца подшипника, 10 - детектор наличия ферромагнитных частиц износа, 11 - электронный блок регистрации обработки сигналов с диагностических датчиков, 12 - подшипник качения,, 13 – вал, 14 - корпус (картер КП), R - радиальная нагрузка на подшипник.
В отличие от прототипа, устройство для диагностирования технического состояния подшипникового узла, установленных на валу 13 и в корпусе КП 14, состоит из неподвижного корпуса датчиков 1, размещенного в крышке подшипника 2, а также вне неподвижного корпуса датчиков 1 находятся электронный блок регистрации обработки сигналов с диагностических датчиков 11.
В неподвижном корпусе датчиков, изготовленном из немагнитного материала, например фторопласта, или алюминиевого сплава, в определенной последовательности размещены диагностические датчики: датчик температуры подшипника 3, датчик контроля осевого зазора подшипника качения 4, датчик контроля радиального зазора подшипника качения 5, датчик частоты вращения сепаратора подшипника качения 6, датчик частоты вращения вала 7, датчик частоты вращения внутреннего кольца подшипника качения 8, датчик частоты вращения наружного кольца подшипника 9, детектор наличия ферромагнитных частиц износа 10.
Особенностью конструкции предлагаемого устройства является расположение датчика температуры подшипника 3 по вектору действия результирующей нагрузки на подшипник качения 12, с тем расчетом, чтобы определение температуры осуществлялось с тел качения и сепаратора в нагруженной зоне подшипника качения 12 [3]. При чем, угол раствора датчика температуры подшипника 3 не должен превышать угол нагруженной зоны подшипника качения 12. При этом датчик температуры подшипника 3 оснащается устройством термокоррекции с температурой наружного воздуха.
В качестве датчика температуры подшипника 3 может использоваться бесконтактный цифровой инфракрасный датчик температуры.
Датчик контроля осевого зазора подшипника качения 4 размещается в неподвижном корпусе датчиков 1, предназначен для измерения осевого перемещения внутреннего кольца подшипника качения 12 в осевом направлении (фиг. 2,а). При этом датчик осевого зазора подшипника качения 4 устанавливается в неподвижном корпусе датчиков 1, под углом 45° к вектору действия радиальной нагрузки на подшипник качения 12. Ось Y датчика контроля осевого зазора подшипника качения 4 должна быть параллельно оси Y вала 13. При установке датчика контроля осевого зазора подшипника качения 4 его торцевая поверхность должна быть параллельна боковой поверхности внутреннего кольца подшипника качения 12 (фиг. 2,б). В качестве датчика контроля осевого зазора 4 может использоваться цифровой или аналоговый бесконтактный дифференциальный индуктивный датчик перемещения.
Датчик контроля радиального зазора подшипника качения 5 размещается в неподвижном корпусе датчиков 1, предназначен для измерения радиального зазора подшипника качения 12. Датчик контроля радиального зазора подшипника качения 5, устанавливается в неподвижном корпусе датчиков 1, под углом 180° от вектора радиальной нагрузки на подшипник качения 12. В качестве контроля радиального зазора подшипника качения 5 может применяться бесконтактный цифровой или аналоговый дифференциальный трансформаторный датчик перемещения.
Датчик частоты вращения сепаратора подшипника качения 6 размещается в неподвижном корпусе датчиков 1, предназначен для контроля частоты вращения сепаратора подшипника качения 12. Наличие датчика частоты вращения сепаратора подшипника качения 6 в конструкции устройства предопределяется отказами подшипника качения, связанными с износом тел качения, износа беговых дорожек и т.д. при которых возможно заклинивание сепаратора подшипника (то есть изменения его частоты вращения), а это является диагностическим признаком отказа подшипника. Датчик частоты вращения сепаратора подшипника качения 6 устанавливается под углом 135° от вектора результирующей нагрузки на подшипник качения 12. В качестве датчика частоты вращения сепаратора подшипника качения 6 может использоваться цифровой или аналоговый датчик частоты вращения индукционного типа.
Датчики: частоты вращения вала 7, частоты вращения внутреннего кольца подшипника качения 8, частоты вращения наружного кольца подшипника 9, размещаются в неподвижном корпусе датчиков 1 и предназначены для контроля частоты вращения: вала, внутреннего кольца подшипника качения, наружного кольца подшипника.
Датчики 7 и 8 предназначены для опосредованной оценки величины износа сопряжения внутреннего кольца подшипника с валом 13. Датчик 7 фиксирует частоту вращения вала подшипника, а датчик 8 частоту вращения внутреннего кольца подшипника. Рассогласование частоты вращения внутреннего кольца подшипника и вала, зафиксированное датчиками 7 и 8 будет свидетельствовать о наличие зазора между валом и внутренним кольцом подшипника качения 12. При наличии корреляционной зависимости рассогласования частоты вращения между внутренним кольцом подшипника и валом, можно судить о величине зазора в сопряжении.
Датчик 9 предназначен для опосредованной оценки величины износа сопряжения наружного кольца подшипника с корпусом, при этом фиксируется частота вращения наружного кольца подшипника, соответствующая величине износа сопряжения.
Причем датчики 7, 8, и 9 устанавливаются в неподвижном корпусе датчиков 1 в независимости от угла вектора результирующей нагрузки на подшипник качения 12. В качестве датчиков 7, 8, 9 может использоваться цифровой или аналоговый датчик частоты вращения индукционного типа.
Детектор наличия ферромагнитных частиц износа 10, предназначен для наблюдения за динамикой изнашивания подшипника качения 12 и его сопряжений на валу и в корпусе. Детектор наличия ферромагнитных частиц износа 10 устанавливается в неподвижном корпусе датчиков 1 в нагруженной зоне подшипника качения 12. В качестве детектора наличия ферромагнитных частиц износа 10 может использоваться цифровой или аналоговый электрический детектор наличия ферромагнитных частиц износа, принцип действия которого основан на замыкании контактов и формирование предупреждающего сигнала о предельном содержании частиц износа.
В конструкцию устройства для диагностирования подшипникового узла входит электронный блок регистрации и обработки сигналов с диагностических датчиков 11 (ЭБР). ЭБР 11 предназначен для сбора, обработки диагностической информации о состоянии подшипникового узла. В качестве электронного блока регистрации и обработки сигналов с диагностических датчиков 11 может использоваться одноплатный компьютер.
Датчики 3-10 могут быть объединены в одну сеть и передавать сигнал на ЭБР 11 в непрерывном режиме эксплуатации подшипникового узла.
Передача данных с датчиков 3-10 может осуществлять на ЭБР 11 с помощью проводного или беспроводного защищенного канала связи. При этом ЭБР 11  фиксирует и обрабатывает  всю поступающую диагностическую информацию со всех датчиков 3-10 одновременно.
В ЭБР 11 устанавливается программное обеспечение, содержащее, в виде базы данных, диагностические параметры и соответствующие им величины допускаемых и предельных значений, формирующее базу данных сигналов с диагностических датчиков, а также позволяющее проводить обработку сигналов с диагностических датчиков и осуществлять оценку технического состояния подшипникового узла.
Устройство позволяет повысить качество диагностирования подшипникового узла, поскольку в его конструкции предусмотрено определение нескольких диагностических параметров, определяющих техническое состояние подшипника качения и деталей, сопрягаемых с ним. Устройство позволяет прогнозировать техническое состояние подшипникового узла в режиме реального времени и автоматизировать процесс диагностирования, без его демонтажа из механизма машины. В конечном счете это позволяет эксплуатировать механизмы машин по фактическому состоянию и предупреждает появление внезапных отказов подшипникового узла, а следовательно, повышает их надежность.
Заявителям неизвестны технические решения, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет считать заявленное решение обладающим критерию «новизна».
Источники информации
1. Патент РФ RU 2526319 С2
2. Носов В.В. Диагностика машин и оборудования: Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. [Текст] СПб.: Издательство «Лань», 2012. - 384 с.: ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература)
3. Заславский Ю.С. Трибология смазочных материалов [Текст] М, Химия, 1991 г. - 239 с.