УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для контроля состояния подшипников качения в процессе изготовления и эксплуатации машин и механизмов, и может найти преимущественное применение при оценке технического состояния рабочих поверхностей деталей подшипника в условиях ресурсного смазывания с учетом тепловых воздействий при трении.
Существуют устройства для контроля состояния рабочих поверхностей подшипников качения, обеспечивающие измерение ряда электрических и кинематических диагностических параметров работающего подшипника за выбранный промежуток времени, по результатам сравнения значений которых с эталонными значениями осуществляется оценка состояния поверхностей.
Известно устройство, реализующее способ контроля качества рабочих поверхностей подшипников качения, содержащее приводной вал, корпус, источник электрического напряжения, токосъемник, формирователь импульсов, временной селектор, генератор высокочастотных импульсов, два электронных ключа, счетчик длительности импульсов и бесконтактный датчик фиксации прохождения тел качения, счетчик тел качения, блок заданного времени. Устройство измеряет суммарную длительность электрических контактов и общее количество тел качения, прокатываемых относительно неподвижного кольца за установленное время, и рассчитывает отношение указанных параметров, путем сравнения которого с эталонным значением оценивается состояние рабочих поверхностей деталей подшипника (см. авторское свидетельство №1449856, МПК G01M 13/04, опубликовано 1989 г.).
Описываемое устройство контролирует состояние подшипника с учетом изменения кинематических параметров, обусловленного их износом, что положительно его характеризует. Однако используется только один расчетный параметр, по значению которого оценивается состояние рабочих поверхностей. Поэтому достоверность контроля ограничена.
Известно также устройство, содержащее приводной вал, корпус, источник электрического напряжения, токосъемник, формирователь импульсов, четыре электронных ключа, таймер, генератор высокочастотных импульсов, диск с закрепленными на нем штырями, датчик фиксации угловых меток вала, датчик прохождения тел качения, пять счетчиков, микропроцессор, блок индикации и блок ввода информации (см. патент на изобретение №2006019, МПК G01M 13/04, опубликовано 1994 г.).
Устройство обеспечивает измерение ряда электрических и кинематических диагностических параметров контролируемого подшипника за установленное время измерения, среди которых: суммарная длительность металлоконтактов, максимальная длительность металлоконтакта, суммарное количество металлоконтактов, суммарное количество тел качения, суммарное количество угловых меток вала. На основе значений указанных параметров микропроцессор вычисляет комплексные диагностические параметры: величину проскальзывания тел качения, относительное суммарное время контакта тела качения, среднюю длительность металлоконтакта, относительную долю времени работы подшипника в режиме жидкостного трения. Техническое состояние подшипника оценивается по результатам сравнения совокупности вычисленных значений параметров с допустимыми значениями этих параметров для эталонного подшипника.
Достоверность оценки в данном случае возрастает за счет увеличения количества параметров, учитываемых при контроле и характеризующих состояние подшипника с различных сторон. Однако, ни один из указанных параметров в отдельности и все параметры в совокупности, объективно характеризуя техническое состояние подшипника и, в частности, его рабочих поверхностей, не имеет функциональной связи с каким-либо параметром качества поверхностных слоев деталей подшипника. Таким образом, достоверность описанного устройства также ограничена.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ контроля качества рабочих поверхностей подшипников качения (см. авторское свидетельство №1707497, МПК G01M 13/04, опубликовано 1992 г.).
Известное и принятое за прототип устройство, содержит приводной вал, выполненный с возможностью установки и закрепления внутреннего кольца испытуемого подшипника, корпус, предназначенный для фиксации наружного кольца испытуемого подшипника и его нагружения, датчик фиксации прохождения тел качения, расположенный в непосредственной близости от сепаратора подшипника, токосъемник, формирователь импульсов, источник электрического напряжения, задатчик времени измерения, высокочастотный генератор, временной селектор, три электронных ключа, три счетчика, вычислительное устройство и блок индикации, в котором один полюс источника электрического напряжения подключен к корпусу, а другой полюс через формирователь импульсов и токосъемник электрически связан с приводным валом, временной селектор первым входом подключен к формирователю импульсов, вторым входом к выходу высокочастотного генератора, а выходом через первый электронный ключ подключен ко входу первого счетчика, второй счетчик, подключен входом через второй электронный ключ к выходу формирователя импульсов, бесконтактный датчик фиксации прохождения тел качения через третий электронный ключ подключен ко входу третьего счетчика, при этом выходы счетчиков подключены к измерительным входам вычислительного устройства, управляющие входы электронных ключей и вычислительного устройства подключены к выходу задатчика времени измерения, входом связанного с выходом высокочастотного генератора, а блок индикации подключен к выходу вычислительного устройства.
Σ
к
В известном устройстве в течение выбранного интервала времени T измеряются: суммарная длительность электрических контактов деталей подшипника τ, их суммарное число n, а также количество тел качения прокатываемых относительно неподвижного кольца подшипника N. При этом качество рабочих поверхностей оценивается по результату сравнения с эталонным значением определяемой расчетным путем средней линейной протяженности дефекта L:
,
0
где D - средний диаметр подшипника; Z - число тел качения в подшипнике.
Устройство за счет оценки средней линейной протяженности дефекта обеспечивает объективный контроль качества рабочих поверхностей подшипников качения.
При одной и той же протяженности дефекта, однако, возможен различный характер взаимодействия рабочих поверхностей деталей подшипника в зонах трения, характеризуемый вспышками тепловыделений в зонах фактического контакта микронеровностей (микроконтакта) и приводящий к различному суммарному тепловыделению. В результате температура поверхностных слоев может достигать значений, при которых происходит изменение их структуры, термодеструкция смазочного материала и другие негативные явления, приводящие к ухудшению качества поверхности.
Таким образом, функциональные возможности известного устройства ограничены лишь оценкой средней линейной протяженности дефекта, устройство не обеспечивает возможности получения информации о тепловых процессах в поверхностных слоях, характеризующих их качество, поэтому достоверность контроля рабочих поверхностей подшипника известным и принятым за прототип устройством ограничена.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в расширении функциональных возможностей устройства и повышении достоверности контроля.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, - оценка технического состояния рабочих поверхностей с учетом тепловыделений в зонах трения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем приводной вал, выполненный с возможностью установки и закрепления внутреннего кольца испытуемого подшипника, корпус, предназначенный для фиксации наружного кольца испытуемого подшипника и его нагружения, датчик фиксации прохождения тел качения, расположенный в непосредственной близости от сепаратора подшипника, токосъемник, формирователь импульсов, источник электрического напряжения, задатчик времени измерения, высокочастотный генератор, временной селектор, три электронных ключа, три счетчика, вычислительное устройство и блок индикации, в котором один полюс источника электрического напряжения подключен к корпусу, а другой полюс через формирователь импульсов и токосъемник электрически связан с приводным валом, временной селектор первым входом подключен к формирователю импульсов, вторым входом к выходу высокочастотного генератора, а выходом через первый электронный ключ подключен ко входу первого счетчика, второй счетчик, подключен входом через второй электронный ключ к выходу формирователя импульсов, бесконтактный датчик фиксации прохождения тел качения через третий электронный ключ подключен ко входу третьего счетчика, при этом выходы первого, второго и третьего счетчиков подключены, соответственно, к первому, второму и третьему измерительным входам вычислительного устройства, управляющие входы электронных ключей и вычислительного устройства подключены к выходу задатчика времени измерения, входом связанного с выходом высокочастотного генератора, а блок индикации подключен к выходу вычислительного устройства, согласно полезной модели дополнительно введены датчик температуры, четвертый электронный ключ и интегратор, при этом датчик температуры выполнен с возможностью реализации механического контакта с наружным кольцом испытуемого подшипника, интегратор через четвертый электронный ключ подключен входом к выходу датчика температуры, выходом к четвертому измерительному входу вычислительного устройства, а управляющий вход четвертого электронного ключа подключен к выходу задатчика времени измерения.
На чертеже показана схема предложенного устройства
Устройство содержит приводной вал 1, выполненный с возможностью установки и закрепления внутреннего кольца испытуемого подшипника 2, корпус 3, предназначенный для фиксации наружного кольца подшипника и его нагружения, датчик 4 фиксации прохождения тел качения, расположенный в непосредственной близости от сепаратора подшипника, токосъемник 5, формирователь 6 импульсов, источник 7 электрического напряжения, задатчик 8 времени измерения, высокочастотный генератор 9, временной селектор 10, датчик 11 температуры, выполненный с возможностью реализации механического контакта с наружным кольцом испытуемого подшипника, четыре электронных ключа 12, 13, 14, 15, три счетчика 16, 17, 18, интегратор 19, вычислительное устройство 20 и блок 21 индикации. В устройстве один полюс источника 7 электрического напряжения подключен к корпусу 3, а другой полюс через формирователь 6 импульсов и токосъемник 5 электрически связан с приводным валом 1. Временной селектор 10 первым входом подключен к формирователю 6 импульсов, вторым входом к выходу высокочастотного генератора 9, а выходом через первый электронный ключ 13 ко входу первого счетчика 17. Второй счетчик 18, подключен входом через второй электронный ключ 14 к выходу формирователя 6 импульсов. Датчик 4 фиксации прохождения тел качения через третий электронный ключ 12 подключен ко входу третьего счетчика 16, а интегратор 19 через четвертый электронный ключ 15 подключен входом к выходу датчика 11 температуры. При этом выходы счетчиков 16, 17, 18, а также интегратора 19 подключены ко входам вычислительного устройства 20, управляющие входы электронных ключей 12, 13, 14, 15 и вычислительного устройства 20 подключены к выходу задатчика 8 времени измерения, входом связанного с выходом высокочастотного генератора 9, а блок 21 индикации подключен к выходу вычислительного устройства 20.
r
Устройство работает следующим образом. Внутреннее кольцо испытуемого подшипника 2 приводится во вращение с помощью приводного вала 1. Подшипник нагружается заданной радиальной силой F. При работе подшипника вследствие различных поверхностных эффектов и гидродинамического эффекта между его телами качения и кольцами возникает устойчивые поверхностные пленки и пленки смазочного материала, препятствующие металлическому контактированию деталей. Толщина пленки в зонах трения непрерывно флуктуирует, возможны кратковременные местные разрушения пленки в контактах более высоких микронеровностей - микроконтакты. Смазочный материал обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, поэтому при микроконтактировании в подшипнике электрическое сопротивление между его кольцами резко уменьшается (на несколько порядков), а ток в цепи, содержащей последовательно соединенные корпус 3, подшипник 2, вал 1, токосъемник 5, формирователь 6 импульсов (представляет собой пороговое токовое устройство), и источник 7 электрического напряжения увеличивается. Таким образом, металлическому контактированию деталей подшипника соответствуют импульсы тока в цепи, длительность которых соответствует времени микроконтактирования. В результате на выходе формирователя 6 импульсов формируется импульс напряжения с амплитудой, соответствующей уровню «лог.1» и длительностью, равной длительности электрического контактирования деталей подшипника.
к
Импульсы напряжения с формирователя 6 импульсов поступают на первый вход временного селектора 10, и через второй электронный ключ 14 на вход второго счетчика 18, который определяет их количество n, т.е. суммарное число электрических контактов деталей подшипника.
r
r
Σ
r
r
На второй вход временного селектора 10 поступают импульсы с высокочастотного генератора 9. Временной селектор выполняет функцию логического умножения, поэтому высокочастотные импульсы с генератора 9 проходят через него на первый электронный ключ 13 и затем на первый счетчик 17 только при наличии на его первом входе «лог.1» то есть только при электрическом контактировании деталей подшипника. Счетчик 17 определяет суммарное число импульсов n, которое при неизменном периоде импульсов высокочастотного генератора 9 (T) пропорционально суммарной длительности электрических контактов деталей подшипника τ=n·T·.
Датчик 4 фиксации прохождения тел качения вырабатывает импульсы напряжения при прохождении мимо него тел качения подшипника. Эти импульсы через третий электронный ключ 12 поступают на третий счетчик 16, который определяет их количество, т.е. общее количество тел качения N прокатываемых относительно неподвижного кольца.
нк
Датчик 11 температуры, находящийся в механическом контакте с наружным кольцом испытуемого подшипника, на выходе формирует электрический сигнал, несущий информацию о температуре наружного кольца. Этот сигнал через четвертый электронный ключ 15 поступает на вход интегратора 19, который реализует функцию усреднения мгновенных значений сигнала с датчика температуры и формирует на выходе сигнал, пропорциональный средней температуры наружного кольца подшипника θ.
Σ
к
нк
Задатчик 8 времени измерения управляет работой устройства. На основе импульсов высокочастотного генератора 9 задатчик 8 времени измерения формирует импульс напряжения длительностью, равной выбранному времени контроля Т, который, поступая на управляющие входы вычислительного устройства 20 и электронных ключей 12, 13, 14 и 15, открывает их одновременно для прохождения импульсов на счетчики 16, 17, 18, а также электрического сигнала на интегратор 19. Таким образом, счетчики 16, 17, 18 формируют и направляют на соответствующие измерительные входы вычислительного устройства 20 сигналы, несущие информацию об измеряемых значениях, соответственно, N, τ, n, а интегратор 19 - о значении θ за заданный интервал времени T.
max
Вычислительное устройство 20 определяет диагностический параметр θ, характеризующий максимальную температуру поверхностного слоя, согласно выражению:
r
т
Σ
0
к
V
где F - радиальная нагрузка на подшипник; f - коэффициент сухого трения пары материал кольца подшипника - материал тела качения подшипника; L=τ·N·π·D/n·(Z·Т) - средняя линейная протяженность дефекта; Ψ - коэффициент, характеризующий влияние смазочного материала:
;
к
см
см
a
a
m - масса наружного кольца подшипника; c - теплоемкость материала подшипника; m - масса закладываемого в подшипник смазочного материала; c - теплоемкость смазочного материала;  - коэффициент температуропроводности материала подшипника; λ - коэффициент теплопроводности материала подшипника; A - номинальная площадь пятна контакта наиболее нагруженного тела качения с наружным кольцом:
;
Т
CK
µ, ν - справочные коэффициенты, зависящие от геометрии контактирующих элементов; ε, E - приведенные коэффициент Пуассона и модуль упругости второго рода материала наружного кольца подшипника; Σρ - сумма кривизн поверхностей тела качения и наружного кольца подшипника; σ - предел текучести материала подшипника; ν - скорость относительного перемещения тела качения и наружного кольца при микропроскальзывании:
;
ш
в
D - диаметр тела качения; α - угол контакта в подшипнике; n - частота вращения внутреннего кольца.
max
Результаты расчета θ индицируются с помощью блока 21 индикации, подключенного к выходу вычислительного устройства 20.
нк
к
Σ
max
Таким образом, предлагаемое устройство путем измерения параметров: средняя температура наружного кольца подшипника θ, суммарное число электрических контактов деталей подшипника n, суммарная длительность электрических контактов деталей подшипника τ и общее количество тел качения N, прокатываемых относительно неподвижного кольца за заданный, интервал времен, при использовании априорной информации о режимах работы подшипника и ряде его конструктивных параметров, характеризующих геометрические размеры и форму рабочих поверхностей деталей, свойства конструкционных и смазочных материалов, определяет диагностический параметр θ, характеризующий максимальную температуру поверхностных слоев деталей подшипника.
-1
-3
0
-1
3
-5
2
3
-3
-3
0
-5
r
нк
Σ
к
0
ш
T
см
см
max
1
a
Пример. Контролируется радиальный шарикоподшипник типа 7000101 (ГОСТ 8338-75), смазанный смазочным материалом МС-20. Материал подшипника - сталь ШХ-15. Внутреннее кольцо испытуемого подшипника 2 с помощью приводного вала 1 вращается с частотой 710 мин. Через корпус 3 подшипник нагружается радиальной силой F=500 H. За время контроля T=10 с устройством измеряется: среднее значение температуры наружного кольца θ=-24,2°C, суммарная длительность электрических контактов деталей подшипника τ=0,00318 с, суммарное число электрических контактов деталей подшипника n=48, а также общее количество тел качения, прокатываемых относительно неподвижного (наружного) кольца подшипника N=352. На основании обработки результатов измерения вычислительным устройством 20 с учетом сведений о значениях конструктивных параметров подшипника (D=0,02 м, D=4,763·10 м, α=0, Z=8, Σρ=444,1 м, µ=1,48, ν=0,718), сведений о механических характеристиках материала подшипника (ε=0,3, E=2,08 ГПа σ=390 МПа), сведений о теплофизических характеристиках материала подшипника и смазочного материала (c=462 Дж/(кг·К), λ=45,5 Вт/(м·К), ρ=7812 кг/м, =1,26·10 м/с, с=1,9·10 Дж/(кг·К)), а также сведений о массе наружного кольца (m=7.8·10кг) и массе закладываемого в подшипник смазочного материала (m=2·10 кг) рассчитывается значение параметра, характеризующего максимальную температуру поверхностного слоя θ=452,1C, которое индицируется блоком 21 индикации. При этом средняя линейная протяженность дефекта составляет L=1,8·10 м.
max
Значение параметра θ, определяемого предложенным устройством, объективно характеризует тепловые процессы в зонах трения, условия и режимы взаимодействия микронеровностей и, следовательно, качество рабочих поверхностей подшипника. Предлагаемое устройство, обладая положительными качествами прототипа, оценивает, в отличие от него, состояние рабочих поверхностей подшипника с учетом тепловыделений в зонах трения по параметру, характеризующему максимальную поверхностную температуру, что позволит расширить функциональные возможности устройства и существенно повысить достоверность контроля.
Это подтверждает достижение технического результата и решение поставленной задачи полезной модели.