Метод и средство контроля состояния подшипников электродвигателя на этапе ввода в эксплуатацию

УДК 620.179.1.082.7:658.58

В.В. Мишин, канд. техн. наук, доц.

МЕТОД И СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА ЭТАПЕ ВВОДА В ЭКСПЛУАТАЦИЮ

Представлены метод и устройство контроля состояния подшипников электродвигателя на этапах изготовления, сборки, приработки и ввода в эксплуатацию. В основу метода заложен физический принцип, заключающийся в инструментальной оценке параметров процессов микроконтактирования в зонах трения деталей подшипника электрическим способом.

Ключевые слова: подшипник качения, электрический контакт, зона трения, трибосопряжение.

Электродвигатель общего назначения является одним из наиболее востребованных изделий промышленности и находит применение во множестве машин, механизмов и устройств. К надежности электродвигателей предъявляются весьма серьезные требования и без создания объективных и достоверных методов контроля параметров двигателя на всех стадиях его жизненного цикла обеспечить эти требования часто не возможно. Типовые технологические процессы изготовления и сборки двигателей предусматривают операции контроля качества подшипников, входящих в конструкцию двигателя, как на этапе входного контроля, так и при сборке и испытаниях. К этим операциям относится внешний осмотр, проверка легкости вращения подшипника при его установке в узел, последующая проверка биений, температурный и токовый контроль при проведении испытаний готовой продукции и ряд других мероприятий. Однако, зачастую, используемые на практике методы контроля не позволяют достаточно быстро и объективно оценить процессы, происходящие в зонах трения подшипников и непосредственно влияющих на потенциальную долговечность подшипника и всего двигателя в целом. Настоящая работа посвящена описанию электрического метода контроля качества подшипников электродвигателя на основе анализа процесса микроконтактирования в трибосопряжениях подшипника качения при входном контроле, сборке и приработке.

Подшипниковый узел электродвигателя с точки зрения его диагностирования [1] относится к простым двухопорным узлам, поэтому эквивалентная электрическая схема, являющаяся обобщенной диагностической моделью подшипникового узла, может быть представлена как параллельное соединение двух резисторов Яп1 и Яп2 (рис. 1), через которые от внешнего источника проходит диагностический микроток. Резисторы Яп1 и Яп2 представляют собой активное сопротивление подшипников электродвигателя. Как видно, диагностический электрический ток проходит через под-

шипники (тонкими линиями на рис. 1 условно показан путь тока) и, соответственно, по его параметрам (или по падению напряжения на сопротивлениях) можно будет судить об электрическом сопротивлении подшипников, непосредственно связанном с фактическим состоянием зон трения и процессами, происходящими в них.

Контакт с корпусом

Рис. 1. Обобщенное эквивалентное представление электродвигателя

как объекта диагностирования

Флуктуации электрического сопротивления будут определяться структурой граничного и поверхностного слоев элементов трибосопряже-ний в контактах деталей подшипника, параметрами микрорельефа, макроотклонений и субмикрорельефа деталей трибосопряжений подшипника, свойствами и состоянием смазочного материала в зонах трения, процессами взаимодействия трибосопряжений подшипника с окружающей средой (абсорбционные процессы), силовым режимом работы подшипника и индивидуально каждого трибосопряжения, фактическим износом поверхностей трения, локальными неоднородностями и дефектами поверхностей трения и прочими факторами, в конечном итоге формирующими фактическую долговечность каждого из подшипников и всего двигателя. На принципе оценки параметров временной функции фактического электрического сопротивления подшипников базируется предлагаемый метод диагностирования. При этом диагностирование проводится на этапе входного контроля подшипников до их установки в узел, стендовой приработки подшипников для прецизионных и ответственных двигателей (этап можно совместить с этапом входного контроля) и на этапе завершения сборочных операций для контроля качества сборки подшипникового узла электродвигателя. На первых двух этапах получение диагностической информации не представляет сложностей, на третьем этапе для глубокого диагностирования необходимо применять известные способы разделения информации [1] о параллельно включенных в электрическую цепь подшипниках. С учетом вышесказанного разработана эквивалентная схема подшипника в узле, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентная схема (диагностическая модель) подшипника

298

В общем виде сопротивление трибосопряжения определяется как

% = ^м + ^оп + Кст + Ксп,

где Дм - сопротивление металлического слоя; Яоп - сопротивление окисных пленок и прочих элементов поверхностного слоя; Яст - сопротивление стягивания; Ясп - сопротивление смазочных пленок.

Как известно, при работе трибосопряжения с реальным микрорельефом контактирующих деталей микронеровности часто вступают в контактное взаимодействие. При этом возможны три вида контактирования: упругий, пластический и промежуточный упругопластический. Вид контакта каждой пары контактирующих микронеровностей работающего подшипника установить не представляется возможным, однако на базе известных теорий есть возможность вероятностно оценить соотношение упругих контактов, пластических контактов и упругопластических контактов микронеровностей.

Основными составляющими сопротивления подшипника являются сопротивления стягивания в контактных зонах деталей подшипника при наличии целостного слоя смазочного материала (смазочной пленки) Ясм или при пластических ^пласт «металл - металл», упругопластических ^упрпласт «металл - поверхностный слой» и упругих микроконтактированиях Л'упр вида «поверхностный слой - поверхностный слой». Тонкая пленка смазочного материала в зоне трения часто имеет свойства многослойного кристаллического образования с высокой упругостью. Она способна выдерживать без разрушения большие нормальные давления. Однако при трении шероховатостей тел в зоне контакта микронеровностей, на фактической площади контакта (ФПК), особенно в процессе приработки (до достижения равновесной шероховатости), это свойство можно не учитывать, так как наиболее вероятно пластическое деформирование микронеровностей.

В случае граничного режима трения существуют моменты времени, когда детали трибосопряжения практически разделяются смазочным материалом. Режим граничного трения в трибосопряжении характеризуется трением элементов поверхностей деталей трибосопряжения практически без смазки. С учетом того, что реальные поверхности трения подшипника имеют значительные шероховатости, контактирование поверхностей трения трибосопряжения происходит на малой фактической площади, определяемой по различным методикам исходя из параметров микрогеометрии поверхности.

Для решения задач инструментального входного контроля подшипников качения прецизионных электродвигателей совместно с ООО «НПФ «Астрон Электроника» разработано необходимое стендовое и измерительное оборудование. Конструкция стенда позволяет осуществить имитацию работы подшипника в реальном подшипниковом узле при наличии ради-

299

ального и/или осевого нагружения, импульсного нагружения, непрерывного или прерывистого вращения внутреннего кольца, циркуляционного дис-балансного нагружения наружного кольца подшипника. Контролируемые параметры: температура кольца подшипника, электрическое сопротивление подшипника, относительное время микроконтактировния поверхностей трения деталей подшипника, нормированное интегральное время микроконтактирования, вибрация подшипника.

Методика диагностирования состоит в установке нового расконсервированного и смазанного подшипника на диагностическую позицию стенда, выполнение требуемого радиального и осевого нагружения, вращения приводом внутреннего кольца в соответствии с диагностическим алгоритмом и измерении сигналов электрического сопротивления и вибрации синхронно с положением деталей подшипника (тел качения и колец).

Информативными признаками являются параметры импульсов микроконтактирования, оцениваемые по электрическому сопротивлению в соответствии с номограммой на рис. 3. Примеры диагностических сигналов для различных условий смазывания показаны на рис. 4 (а - д).

Рис. 3. Составляющие сигнала сопротивления

подшипника

Как видно из диаграмм, временная функция сигнала сопротивления отражает реальные условия смазывания в контактных зонах деталей подшипника. Среднее сопротивление трибосопряжений подшипника при недостатке смазочного материала составило 624 Ом, а при хороших условиях смазывания - более 5 кОм. При этом наблюдается сложная структура временной функции сопротивления подшипника, содержащей в себе постоянную, детерминированную и случайные составляющие. Для сравнения, на рис. 4,в представлена типовая зависимость интегральной функции распределения сопротивления подшипника в режиме масляного голодания и на рис. 4,г функция распределения нормального объема смазочного материала. Анализ интегральных функций так же подтвердил высокую информативную способность диагностирования подшипника по параметрам электрического сопротивления.

Для проведения мониторинга процесса приработки подшипника и смазочного материала вне узла так же применяется контроль сигнала сопротивления подшипника. Целью данного эксперимента было получение измерительной информации непосредственно из зоны трения подшипника в виде электрического сигнала, пропорционального электрическому сопротивлению зоны трения в широком частотном диапазоне (до 2,5 МГц). Эксперимент проводился многократно на группе подшипников из разных партий. Сигнал сопротивления исследовался в низкочастотной области и в высокочастотной области.

В НЧ (до 25 кГц) области измерялась временная функция сопротивления за длительный временной интервал (более 200 минут). В предварительно расконсервированный подшипник была введена смазка - масло М8 в количестве 16 мг. Подшипник подвергнут предварительной технологической обкатке (приработке) в течение 4 часов в условиях действия радиальной нагрузки 20 Н. В период приработки регистрировался сигнал, пропорциональный электрическому сопротивлению подшипника. Результаты представлены на рис. 4,д). Кривая 1 представляет собой сигнал сопротивления без усреднения, кривая 2 - с усреднением по 250 точкам. По результатам анализа графика приработки можно сказать, что по истечении 100 минут среднее значение сопротивления подшипника изменяется незначительно и подшипник можно считать приработанным.

Практическое измерение интегральных функций распределения сигналов в цифровом виде затруднительно, т.к. необходимо оценивать сигнал в очень широком частотном диапазоне (до сотен МГц), что требует применение высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей и сложной конфигурации запоминающих устройств для хранения промежуточных результатов и реализаций сигналов. Поэтому, для реализации метода диагностирования подшипников электродвигателя по электрическим параметрам предлагается использовать средство диагностирования в соответствии со структурной схемой на рис. 5.

Рис. 4. Составляющие сигнала сопротивления (проводимости) подшипника: а - недостаток смазочного материала, среднее сопротивление 624 Ом; б - нормальное количество смазочного материала, среднее сопротивление 5,2 кОм; в, г - интегральные функции сопротивления подшипника; д - диаграмма приработки

подшипника 302

Рис. 5. Структурная схема устройства диагностирования подшипников электродвигателя по электрическим параметрам

Диагностируемый подшипник является одним из элементов низкоом-ной мостовой схемы. Применение в мостовой схеме резисторов с низкими значениями сопротивления (не более 50 Ом) позволяет снизить входное сопротивление всего прибора и повысить помехозащищенность. Для исключения влияния наводок от ЭВМ, приходящих по линии сигнальной «земли», мост запитан от гальванически развязанного источника тока. С диагонали мостовой схемы сигнал через дифференциальный усилитель поступает на каскад усилителей (1 - К), имеющих различные коэффициенты усиления и одинаковые полосы частот. Особенности параметров флуктуации сопротивления подшипника требуют применения усилителей с высокими импульсными характеристиками. Далее сигнал после разветвления на усилителях поступает на входы каскада компараторов, производящих сравнение текущего значения сигнала и заранее сформированного порогового значения. Таким образом, производится выявление микроконтактирований различных уровней. Например, компаратор 1 выявляет импульсы сопротивления с порогом 10 Ом и менее, что говорит о наличии контакта «металл - металл», компаратор 2 - с порогом от 100 Ом и менее, что говорит о добавлении учета взаимодействий вида «поверхностный слой - металл» и т.д. Подобное разбиение сигнала на уровни идентично оценке точек интегральной функции сопротивления. Далее сформированные импульсы преобразуются в аналоговое напряжение (интегрируются) и поступают в систему сбора данных для последующей обработки

на ЭВМ, что позволяет организовать непрерывный по времени испытания контроль состояния подшипника. Также предусмотрена селекция импульсов контактирования по длительности в соответствии с рис. 3.

Рассмотренные метод и средство могут решать множество диагностических задач по оценке технического состояния подшипников на всех стадиях жизненного цикла узла.

Список литературы

1. Подмастерьев К.В. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения. М.: Машиностроение-1. 2001. 376 с.

V.V.Mishin

THE METHOD AND THE DEVICE FOR CONTROL OF CONDITION OF BEARINGS OF THE ELECTRIC MOTOR AT ASSEMBLAGE STAGES AND COMMISSIONING

The method and the control unit of a condition of bearings of the electric motor at fabrication stages, assemblages, extra earnings and commissioningare are presented. In a method basis the physical principle consisting in a tool estimation of parameters of processes contact in zones of a friction of details of the bearing in the electric way is put.

Key words: the bearing, electric contact, a friction zone, a friction.

Получено 18.10.11

УДК 620.179.1.082.7:658.58

К.В. Подмастерьев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,

КОМПЛЕКСНОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВ И ОПОР КАЧЕНИЯ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ИХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Предложен и обоснован комплексный подход к диагностированию подшипников, согласно которому в качестве объекта диагностирования рассматривается система «подшипник - сборка - смазка - режимы и условия работы» на различных этапах ее жизненного цикла с интегральной оценкой на каждом этапе состояния системы электрорезистивными методами и комплексными методами на их основе

Ключевые слова: подшипник и опора качения, комплексное диагностирование, электрорезистивные методы диагностирования

Комплексный подход к диагностированию подшипников

Подшипники качения (ПК), будучи наиболее распространенными элементами механических систем, во многом определяют их эксплуатационные показатели, в частности надежность, нередко являются причиной их

304