СПОСОБ ОЦЕНИВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВ
METHOD TO ESTIMATE BEARINGS STATE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной и испытательной технике и предназначено для использования при контроле подшипников качения, скольжения и подшипниковых узлов в приборостроении, машиностроении и электромашиностроении.
Известен способ оценивания технического состояния подшипников, при котором нагружают один из элементов пары, например кольцо подшипника, радиальной силой, а другой элемент, например другое кольцо подшипника, вращают с постоянной скоростью с помощью привода, и регистрируют момент трения по показаниям электромагнитного тормоза (А.с. №1293576 (СССР). Прибор для определения статического и кинетического трения подшипника / Е.Б.Гозман, Н.Е.Жуков, В.Г.Стрельников. - Опубл. 28.02.87. Бюл. №8, МПК G01N 19/02).
Известен способ оценивания технического состояния подшипников, при котором нагружают один из элементов пары радиальной силой, а другой элемент вращают с постоянной рабочей частотой, изменяют направление действия радиальной силы в направлении вращения вначале с частотой, равной частоте вращения элемента пары, а затем с частотой, равной нулю, при каждой частоте измеряют среднеквадратическое значение переменной составляющей и среднее значение нормированного интегрального времени электрического контактирования в паре трения, и оценивают диссипативную характеристику по значениям квадрата отношения среднеквадратического значения переменной составляющей к среднему значению указанного параметра при каждой частоте изменения направления действия радиальной нагрузки (Патент РФ №2168712, МПК G01M 13/00, 13/04. Способ контроля качества подшипников качения / К.В.Подмастерьев. - Опубл. 10.06.2001).
При реализации известных способов диссипативные характеристики пар трения: момент силы трения или коэффициент трения оценивается при вращении одного из элементов пары с постоянной скоростью. Однако известно, что сила трения при наличии смазки зависит от скорости перемещения, температуры окружающей среды, состояния поверхностей, продолжительности работы, а также других факторов и имеет случайный характер (Сосновский Л.А., Махутов Н.А., Шуринов В.А. Фрикционно-механическая усталость: Основные закономерности / Заводская лаборатория, 1992, №9. - С.46-63). Поэтому измерение диссипативных характеристик при одной скорости движения не позволяет получить достоверной информации о диссипативных характеристиках пар трения при изменяющихся скоростях, соответствующих реальным условиям работы. Следовательно, известные способы не обеспечивают высокой точности определения диссипативных характеристик пар трения.
Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ оценивания технического состояния подшипников, при котором внешнюю обойму подшипника зажимают металлическим стержнем, а внутреннее кольцо приводят в движение с помощью электрического двигателя, измеряют скорость движения электрического двигателя, преобразуют создаваемые подшипником акустические колебания в электрический сигнал и выполняют обработку электрических сигналов, определяют принадлежность измеренных параметров областям исправного и неисправного состояний, при этом обработку электрических сигналов производят путем вычисления спектра акустического сигнала и сравнением полученного спектра с эталонным (Акутин М.В., Ваньков Ю.В., Кондратьев А.В., Петрушенко Ю.А. Оценка технического состояния подшипников качения виброакустическим методом // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2009, №2. - С.55-57).
При реализации известного способа обеспечивается безразборный контроль подшипников с помощью анализа спектров шумовых сигналов, создаваемых подшипниками при вращении с постоянной скоростью. Так как сила трения при наличии смазки зависит от скорости перемещения, температуры окружающей среды, состояния поверхностей, продолжительности работы, а также других факторов и имеет случайный характер, то измерение диссипативных характеристик при одной скорости движения не позволяет получить достоверной информации о диссипативных характеристиках пар трения при изменяющихся скоростях, соответствующих реальным условиям работы. Следовательно, известный способ не обеспечивают высокой точности оценивания технического состояния подшипников.
Следовательно, недостаток известного способа оценивания технического состояния подшипников - низкая точность измерений.
Цель предлагаемого изобретения - повышение точности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе оценивания технического состояния подшипников, при котором внешнюю обойму подшипника зажимают металлическим стержнем, а внутреннее кольцо приводят в движение с помощью электрического двигателя, измеряют угловую скорость электрического двигателя, преобразуют создаваемые подшипником акустические колебания в электрический сигнал, выполняют обработку электрических сигналов и определяют принадлежность измеренных параметров областям исправного и неисправного состояний, дополнительно движение внутреннего кольца подшипника осуществляют в виде колебаний гармонической формы, а обработку электрических сигналов производят путем вычисления взаимной корреляционной функции сигнала, пропорционального скорости колебательного движения, и сигнала, пропорционального уровню акустических колебаний, и определяют принадлежность вычисленной корреляционной функции допустимым областям исправного и неисправного состояний.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые операции:
- движение внутреннего кольца подшипника осуществляют в виде колебаний гармонической формы;
- обработку электрических сигналов производят путем вычисления взаимной корреляционной функции сигнала, пропорционального скорости колебательного движения, и сигнала, пропорционального уровню акустических колебаний;
- определяют принадлежность вычисленной корреляционной функции допустимым областям исправного и неисправного состояний.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения повышается точность оценивания технического состояния подшипников за счет анализа шумовых характеристик в широком диапазоне частот и зависимости шумового излучения от угловой скорости.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.
Операция движения внутреннего кольца подшипника в виде колебаний гармонической формы используется в известном способе аналогичного назначения (Патент РФ №2360231, МПК G01M 3/04, G01N 19/02. - Опубл. 27.06.09. Бюл.№18).
Операция обработки электрических сигналов путем вычисления взаимной корреляционной функции сигнала, пропорционального скорости колебательного движения, и сигнала, пропорционального уровню акустических колебаний, в известных способах аналогичного назначения также не обнаружена.
Операция определения принадлежности вычисленной корреляционной функции допустимым областям исправного и неисправного состояний в известных способах аналогичного назначения также не обнаружена.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, на котором обозначено: 1 - датчик угловой скорости двигателя; 2 - электродвигатель, 3 - блок управления двигателем; 4 - станина для крепления подшипникового вала; 5 - испытуемый подшипник; 6 - металлический стержень; 7 - микрофон; 8 - микроконтроллер; 9 - монитор.
В соответствии с предлагаемым способом оценивания технического состояния подшипников внешнюю обойму подшипника 5 зажимают металлическим стержнем 6, а внутреннее кольцо подшипника 5 приводят в движение с помощью электрического двигателя 2, измеряют угловую скорость электрического двигателя с помощью датчика угловой скорости 1, преобразуют создаваемые подшипником 5 акустические колебания в электрический сигнал, выполняют обработку электрических сигналов и определяют принадлежность измеренных параметров областям исправного и неисправного состояний, при этом движение внутреннего кольца подшипника 5 осуществляют в виде колебаний гармонической формы, а обработку электрических сигналов производят путем вычисления взаимной корреляционной функции сигнала, пропорционального скорости колебательного движения, и сигнала, пропорционального уровню акустических колебаний, и определяют принадлежность вычисленной корреляционной функции допустимым областям исправного и неисправного состояний.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Блок управления 3 формирует периодическое напряжение питания электрического двигателя 2, при котором обеспечивается колебательное движение его ротора по гармоническому закону с угловой скоростью:
м
Ω(t)=Ω sinωt,
м
где Ω - амплитудное значение скорости;
ω - частота.
Внутреннее кольцо подшипника 5 при этом также совершает вынужденные гармонические колебания. Акустический шум ξ(t), создаваемый подшипником 5, преобразуется в электрический сигнал с помощью измерительного микрофона 7. Этот сигнал поступает на первый вход микроконтроллера 8, на втором входе которого действует выходной сигнал датчика угловой скорости двигателя 2. Микроконтроллер 8 выполняет следующие процедуры:
- аналого-цифровое преобразование выходных сигналов датчика угловой скорости двигателя 1 и измерительного микрофона 7;
ξη
- вычисление взаимной корреляционной функции R(τ)сигналов Ω(t) и ξ(t);
ξη
- определение принадлежности взаимной корреляционной функции R(τ) областям исправного и неисправного технического состояния;
- формирование графического изображения взаимной корреляционной функции и информационного сообщения о состоянии подшипника для монитора 9.
ξη
При исправном техническом состоянии шум подшипника имеет случайный характер и практически не зависит от изменений скорости внутреннего кольца Ω(t), т.е. угловая скорость и акустический шум подшипника не коррелированы. Примерный вид взаимной корреляционной функции R(τ) в этом случае показан на фиг.2.
При наличии неисправностей подшипника, например разрушении обоймы, увеличении диссипативных характеристик и др., случайный акустический шум зависит от скорости и направления вращения. Взаимная корреляционная функция при этом содержит периодическую составляющую и имеет большее по сравнению с корреляционной функцией для исправного подшипника максимальное значение (фиг.3). По виду взаимной корреляционной функции можно определить вид неисправности подшипника.
Измерения, выполненные при различных значениях амплитуды и частоты колебательного движения и моментов нагрузки, создаваемых стержнем, позволяют построить портреты состояния подшипника и определить зависимость диссипативных характеристик от параметров движения.
Таким образом, для оценивания технического состояния подшипников используются результаты измерений двух переменных угловой скорости и акустического шума, создаваемого подшипником, а вычислительная процедура состоит в определении корреляционной функции. При этих условиях обеспечивается высокая точность определения состояния подшипника, т.к. измерения производятся при переменной скорости движения.
Опытная проверка предлагаемого способа оценивания технического состояния подшипников, выполненная с использованием подшипников качения №27 с наружным диаметром внешнего кольца 22 мм и посадочным диаметром внутреннего кольца 7 мм, подтвердила его эффективность.
Таким образом, использование известного способа оценивания технического состояния подшипников, при котором внешнюю обойму подшипника зажимают металлическим стержнем, а внутреннее кольцо приводят в движение с помощью электрического двигателя, измеряют угловую скорость электрического двигателя, преобразуют создаваемые подшипником акустические колебания в электрический сигнал, выполняют обработку электрических сигналов и определяют принадлежность измеренных параметров областям исправного и неисправного состояний, дополнительно осуществляют движение внутреннего кольца подшипника в виде колебаний гармонической формы, обработку электрических сигналов производят путем вычисления взаимной корреляционной функции сигнала, пропорционального скорости колебательного движения, и сигнала, пропорционального уровню акустических колебаний и определения принадлежности вычисленной корреляционной функции допустимым областям исправного и неисправного состояний, позволяет повысить точность измерений.
Использование предлагаемого способа в приемочных и научно-исследовательских испытаниях подшипников позволит повысить точность и эффективность оценки их технического состояния.