МЕТОД ОЦЕНКИ ВЕЛИЧИНЫ ИЗНОСА ВТУЛКИ ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННОЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD OF ESTIMATING THE WEAR VALUE OF PLAIN BEARING SLEEVE MADE FROM WOOD

Изобретение относится к методам диагностики узлов трения и может использоваться в машиностроении, в частности в ремонтном производстве, а также при проектировании и изготовлении подшипников трения скольжения из модифицированной древесины или древесно-металлических композиционных материалов.
Известен способ контроля состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях [1].
Недостатком его является невозможность учета характера вибрационных возмущений непосредственно на валу подшипника, что затрудняет анализ работоспособности (целостности) несущей втулки; погрешности измерений, обусловленные влиянием составляющих элементов конструкции, а также внешними источниками.
Известен также способ определения износа подшипников скольжения [2], основанный на расчете и моделировании процессов прогнозирования износа подшипников скольжения быстро меняющейся во времени динамической нагрузки и наличия ускорений в рассматриваемых узлах механизмов в зависимости от материала вала, втулки, режима работы, содержания абразивной пыли, структуры, твердости абразивных частиц и процентного соотношения видов абразивных частиц различной твердости.
Недостатком его является невозможность учета реологических процессов, происходящих в материале втулки в процессе изнашивания, вследствие которых имеет место изменение жесткости и напряженно-деформационного состояния в пределах области контактирования с валом; необходимость выполнения предварительного расчета динамического нагружения и процентного содержания абразивных частиц.
Задача изобретения - обеспечение возможности регистрации износа втулки подшипника скольжения, выполненной из древесины, с учетом интегрированной взаимосвязи влияния анизотропии древесины и реологических процессов, происходящих в материале в процессе изнашивания и изменяющих демпфирующие свойства опоры.
Технический результат: повышение достоверности прогнозирования износа подшипников; оптимизация структуры (параметра добротности) и свойств (параметра демпфирования) материала втулки подшипника скольжения по критерию износостойкости и демпфирующей способности с учетом условий эксплуатации на стадиях проектирования.
Это обеспечивается тем, что метод оценки величины износа втулки подшипника скольжения, выполненной из древесины, основан на анализе ударного спектра, представляющего собой зависимость изменяющихся при изнашивании втулки подшипника значений максимального отклика системы «вал-втулка» с одной степенью свободы, упорядоченную по собственным частотам резонаторов.
l
В качестве резонаторов системы принимаются вал, втулка и корпус подшипника, опертого на жесткое основание. Нагружение вала производится сосредоточенной силой Р заданной величины со стороны консоли на установленном от опоры расстоянии  с определенной частотой.
Каждый из резонаторов системы характеризуется собственной и резонансной (при которой достигается максимум амплитуды колебаний) частотами. Эти же частоты аддитивно характерны для системы в целом. Очевидно, что в случае дискретного (импульсного) приложения внешней нагрузки диссипация энергии удара в системе реализуется в виде затухающих колебаний с декрементом, зависящим, главным образом, от реологических характеристик материала втулки.
Резонансная частота системы не имеет зависимости от возмущающей силы, а определяется в принятой модели моментом инерции сечения втулки, а также свойствами материалов.
Обобщенным критерием износа втулки подшипника скольжения является превышение предельно допустимого зазора с валом, вследствие чего стабилизирующая функция опоры теряет эффективность, что выражается в интенсификации колебательных процессов и может быть оценено инструментально, в частности при оценке радиального биения.
С учетом принятой схемы нагружения вала, допускающей при эксплуатации одновременное вращение с ударным нагружением сосредоточенной силой, формоизменение втулки, связанное с изнашиванием, выражается в виде образующейся конусности со стороны торца (сторона прилагаемой нагрузки), величина которой определяется интенсивностью и характером трибопроцессов в фиксируемый момент времени (фиг. 1).
1
2
При изнашивании эффективная площадь контакта втулки с валом становится меньше на величину высоты Н конуса износа; соответственно уменьшается величина L и возрастает длина не опертой (консольной) части вала (расстояние от точки приложения удара до опоры). Под не опертой частью понимается область износа втулки, в которой амплитуда колебаний превышает предельно допустимый зазор (допуск IT). Это характеризуется также изменением момента инерции сечения втулки (момент инерции полого цилиндра , где Н - высота цилиндра, R и R - внешний и внутренний радиусы полого цилиндра соответственно), выражающееся в снижении собственной частоты колебаний системы «вал-втулка» и ухудшению демпфирующей способности опоры в целом, выраженному в возрастании амплитуды колебаний консольной части вала при изначально принятых режимах нагружения.
Таким образом, с увеличением длины консоли вала вследствие изнашивания втулки резонансная частота системы изменяется с увеличивающимся периодом колебания.
Диссипируемая энергия колебаний расходуется на внутреннее трение в материалах деталей подшипника, а также на внешнее трение между его составляющими элементами; оставшаяся энергия полностью реализуется в форме свободных колебаний.
Очевидно, что ширина резонанса и энергетический потенциал системы (разница между запасенной и расходуемой в период колебаний энергией) определяется, в частности, добротностью материала втулки.
Под добротностью следует понимать диссипативные свойства модифицированной древесины или древесно-металлического композита, выражающиеся в количестве колебаний с момента действия возмущающей силы до достижения ими максимальной амплитуды.
Кроме того, добротность системы также определяется реологическими необратимыми процессами пластического оттеснения, происходящими в материале втулки в ходе изнашивания, вследствие которых консольная часть вала увеличивается; при этом нагрузка распределяется по меньшей площади втулки, а демпфирование осуществляется ее уменьшающимся объемом.
Таким образом, насколько материал втулки оказывается прирабатываемым и износостойким зависит скорость развития колебательных процессов; при этом интенсивность их затухания определяется декрементом χ затухания.
Логарифмический декремент χ затухания связан с фиксируемой амплитудой А соотношением:
.
где t - время; T - период колебаний.
При этом связь логарифмического декремента и коэффициента затухания β:
χ=βT.
С учетом того, что древесно-металлический подшипник скольжения представляет собой систему с вязким трением, в которой сила сопротивления пропорциональна скорости движения, анализ физического смысла влияния материала втулки на декремент затухания колебаний удобно вести с введением коэффициента демпфирования ζ:
где с - коэффициент сопротивления движению; k - коэффициент упругости; m - масса подвижного груза.
При коэффициенте демпфирования ζ меньшем единицы колебательная система плавно затухает. При коэффициенте ζ равном единице или большем никаких колебаний система испытывать не будет, а просто будет стремиться к нулевому положению.
Коэффициент демпфирования связан с добротностью Q следующей формулой:
Из формулы следует, что чем выше добротность колебательной системы, тем меньше ее декремент затухания, тем меньше энергии теряется с каждым колебанием и тем больше колебаний система совершит до вхождения в состояние равновесия.
В принятой модели подшипника каждая из составляющих конструкции характеризуется собственной частотой и декрементом затухания. Под действием внешней возбуждающей силы определяемая максимальная амплитуда колебаний является тем самым максимальным откликом. Если упорядочить значения максимальных откликов по возрастанию собственных частот соответствующих резонаторов (допуская изменение моментов инерции сечения втулки и вала в ходе изнашивания), то полученная зависимость будет являться ударным спектром, характерным для конструкции подшипника данного типа.
Это принцип заложен в смысл того, что по мере изнашивания втулки, длина консольной (не опертой, не защемленной) части вала увеличивается; следовательно, изменяется длина цилиндра и его внутренний радиус, а, следовательно, и момент инерции.
Максимальный отклик некоторых резонаторов может проявляться не при максимуме мгновенного значения силы, а в некоторый другой момент. Этот момент зависит от гармоник, присутствующих в сигнале, и от их длительности. Максимального по амплитуде колебаний отклика достигнет резонатор с собственной частотой наиболее близкой к частоте колебаний; остальные будут колебаться меньше.
Материал втулки подшипника, являясь низкомодульным по сравнению с остальными конструкционными материалами (вала и корпуса), обладая анизотропией (в случае изготовления втулки из массива древесины), характеризуется относительно низкой добротностью по сравнению с металлическими корпусом и валом, зависящей в свою очередь от количества периодов во входящем сигнале (в момент удара). У таких резонаторов резонанс наступает на частоте существенно меньшей, чем их собственная частота. По мере роста добротности, например при учете анизотропии древесины или модифицировании древесины электролитической медью, а также вследствие пластических деформаций втулки в ходе изнашивания или когда между валом и втулкой образуется зазор, при котором колебательные процессы реализуются преимущественно на валу, - пик резонанса становится выше и острее, а частота приближается к собственной частоте резонатора (фиг. 2).
В условиях ударного нагружения частота нагружения (входного сигнала) остается неизменной; вариативными оказываются собственные частоты резонаторов, главным образом, - втулки.
Таким образом, для регистрации величины износа втулки подшипника по амплитуде колебаний вала при установленных условиях испытаний (величины нагрузки, схемы нагружения, характеристик материалов), принимая в качестве регистрируемого сигнала состояние резонанса на валу, параметры материалов остальных составляющих конструкции подбираются из соблюдения их нахождения в этот момент в дорезонансной зоне; амплитуда отклика для них интенсивно падает с уменьшением собственной частоты.
Следствием приработки втулки является изменение собственных и резонансных частот вследствие уплотнения материала, сопровождающегося повышением добротности колебательного контура и снижением демпфирующей способности.
0
0
-βt
Таким образом, периодически оценивая амплитуду затухающих колебаний на валу подшипника (A=Ae, где где А - амплитуда в начальный момент времени; β - коэффициент затухания; t - время) в течение одинаковых временных интервалов можно, сравнивая результаты, получить возможность по ее абсолютным максимальным значениям, соотнесенными с допуском IT, оценить величину износа U; при этом количество периодов колебаний в дорезонансной зоне позволит также оценить добротность системы; а декремент затухания - демпфирующую способность материала втулки.
U=IT/A, м.
Таким образом, величина износа втулки подшипника коррелирует с понятиями демпфирующей способности материала и добротности системы в целом.
Испытания по оценке демпфирующей способности разрабатываемых материалов выполняются по двум схемам. В первом случае относительная демпфирующая способность втулки из модифицированной древесины или древесно-металлического композита сравнивается с материалом, демпфирующая способность которого изначально определена. Во втором -целью испытаний является выявление влияния свойств и состава модифицированной древесины или древесно-металлического композита на демпфирующую способность подшипника скольжения.
Сущность методики стендовых испытаний состоит в том, что по вращающемуся в подшипнике скольжения валу производят заданное количество ударов с энергией и частотой соударения, соответствующим достижению резонанса в системе «вал-втулка-корпус подшипника», а затем останавливают вращение и производят однократное ударное воздействие, при котором оценивают относительную демпфирующую способность материала втулки подшипника на основании анализа декремента затухания колебаний; фиксируют максимальную амплитуду колебаний и соотносят ее с величиной допуска.
При проведении испытаний температура в зоне фрикционного контакта вала и подшипника может задаваться в диапазоне температур 233-353 К.
Схема испытаний подшипников скольжения на демпфирующую способность приведена на фиг. 3. Она включает в себя ударный механизм и узел трения.
Ударный механизм содержит ударник 1, в котором закрепляются сменные грузы 2 и ударная призма 3. Механизм обеспечивает энергию удара по валу 4 в пределах от 0,25 до 4 Дж с погрешностью не более 5%, что соответствует условиям ударного циклического нагружения для различных подшипников скольжения. Привод 5 ударника обеспечивает его подъем на высоту, заданную геометрией эксцентрика, и свободное падение на вал 4 с частотой 0,5-1,5 Гц. Привод обеспечивает продолжительность контактирования ударной призмы и вала после соударения не более 0,1 с.
Узел трения включает в себя подшипник скольжения 6, жестко связанный со станиной стенда, в котором вращается с заданной частотой вал 4. Подшипник работает в условиях граничной смазки, которая создается на рабочей поверхности подшипника перед проведением испытаний.
Для испытаний подшипника в условиях климатически низких температур до 233 К используется блок поддержания температуры (условно не показан). Охлаждение вала и поддержание заданной температуры в зоне фрикционного контакта достигается посредством подачи паров жидкого азота во внутреннюю полость вала и затем в зону контакта вала и подшипника через радиальные отверстия. Интенсивность и объем подачи охлаждающей среды регулируется системой управления подачей жидкого азота от термопары, размещенной в зоне фрикционного контакта.
Блок автоматического поддержания температуры включает систему создания избыточного давления в сосуде Дьюара и систему управления подачей охлаждающей среды.
Для испытания подшипников скольжения при температуре до 353 К используется нагревательный элемент конвекционного типа. Включение и выключение нагревательного элемента производится при помощи магнитного пускателя и ТРМ-202, который управляется той же термопарой.
2
2
2
2
Для записи декремента колебаний применяется метод виброметрии с использованием цифрового акселерометра ZET 7152-Е со встроенным трехкомпонентным вибродатчиком, позволяющим оценить линейное ускорение, виброускорение, виброскорость и виброперемещение. Диапазон измерений линейного ускорения от - 3800 до 3800 м/с, диапазон измерений виброускорения от 4 до 2500 м/с. Погрешность регистрации: линейного ускорения ±50 м/с, виброускорения - 3%, виброскорости - 6% виброперемещения - 10%. Порог чувствительности (минимальное значение, на которое различаются две последовательно измеренные величины) - 2 м/с.
После подсоединения вала 4 к приводу (условно не показан) по вращающемуся в подшипнике скольжения валу производят заданное количество ударов с энергией и частотой соударения, соответствующим достижению резонанса в системе «вал-втулка-корпус подшипника», а затем останавливают вращение и производят однократное ударное воздействие, при котором оценивают относительную демпфирующую способность материала втулки подшипника на основании анализа декремента затухания колебаний; фиксируют максимальную амплитуду колебаний и соотносят ее с величиной допуска.
Если в результате анализа декремента затуханий колебаний не выявлено принципиальных отличий в полученных амплитудно-частотных характеристиках, увеличивают либо количество ударов, либо изменяют режимы нагружения.
Результаты оценки величины износа подшипников скольжения приведены в табл. 1.
Технический результат: повышение достоверности прогнозирования износа подшипников; оптимизация структуры (параметра добротности) и свойств (параметра демпфирования) материала втулки подшипника скольжения по критерию износостойкости и демпфирующей способности с учетом условий эксплуатации на стадиях проектирования.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
[1] ГОСТ ИСО 10816-1-97. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования.
[2] Гамей А.И., Постников С.Ф., Бурлаков С.М., Сорокин A.M., Огарков Н.Н., Сорокина И.А., Черязов А.Г., Никифоров Б.А. Способ определения износа подшипников скольжения // Патент RU 2369852.