Комплексное диагностирование подшипников и опор качения машин и механизмов на различных этапах их жизненного цикла

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

аварийных отказов. Поэтому на различных этапах жизненного цикла машин и механизмов, в частности электроприводов, возникает проблема диагностирования ПК.

Как объект диагностирования ПК является сложной многокомпонентной системой, техническое состояние которой определяется совместным влиянием большого числа факторов, характеризующих качество изготовления подшипника и сборки подшипникового узла ПУ, свойства смазочного материала (СМ) и эффективность системы смазывания, степень износа, режимы и условия работы. Отдельные факторы могут усиливать или компенсировать влияние друг друга на состояние ПК, что ограничивает эффективность применяемых в настоящее время подходов к диагностированию, заключающихся, в основном, в оценке лишь некоторых параметров ПК вне учета их комбинаций и влияющих факторов.

В качестве актуального, по мнению автора, направления повышения эксплуатационных характеристик, в частности, надежности механизмов электроприводов, предлагается реализовать систему комплексного диагностирования подшипников на различных этапах жизненного цикла изделия. Сущность предлагаемого подхода заключается в следующем:

- в качестве объекта диагностирования рассматривается не собственно ПК, а система «подшипник - сборка - смазка - режимы и условия работы»;

- диагностирование проводится на различных этапах жизненного цикла изделий: входной контроль новых ПК с целью определения целесообразности их установки в изготавливаемые или ремонтируемые изделия; диагностирование ОК в процессе проведения механосборочных работ для контроля качества сборки и регулировки ПУ; диагностирование ПК в процессе эксплуатации изделий с целью предотвращения аварийных ситуаций, а также при проведении исследований при разработке новых изделий;

- на каждом из этапов, наряду с определением нормируемых в НТД параметров технического состояния ПК, осуществляется комплексная оценка его фактического состояния как системы с учетом решаемых на данном этапе задач.

Этапы диагностирования

Наиболее достоверную информацию о состоянии подшипника как системы можно получить при его функциональном диагностировании непосредственно в изделии при эксплуатационных режимах и условиях. Данный этап, однако, является завершающим, которому должно предшествовать диагностирование отдельных компонентов системы и системы на различных стадиях ее создания. Поясним сущность каждого из этапов диагностирования с точки зрения предлагаемого комплексного подхода.

Входной контроль новых подшипников

305

При изготовлении и ремонте ответственных изделий, в которых подшипники работают в тяжелых условиях, проводится входной контроль новых подшипников по параметрам и методам, установленным в НТД на продукцию и договорах на ее поставку согласно [1]. Обычно ограничиваются проверкой упаковки, наличия сопроводительной документации и осмотром наружных поверхностей подшипника. В отдельных случаях, например для авиационной техники, контроль включает также проверку отсутствия дефектов (забоин, трещин, коррозии), возникающих при неправильном хранении или транспортировке. Используются методы внешнего осмотра, субъективного контроля легкости вращения, проверки на шум [2].

Отметим, что применяемые в промышленности методы входного контроля направлены, в основном, на поиск дефектов и не учитывают индивидуальность состояния каждого из подшипников. В то же время известно, что долговечность однотипных подшипников, даже изготовленных на одном оборудовании из материалов одной плавки и работающих в одинаковых режимах и условиях, различается в десятки раз. Объяснить это можно тем, что каждый экземпляр подшипника имеет индивидуальные эксплуатационные показатели, причем сформировавшаяся в нем комбинация действительных значений размеров и параметров может по-разному сказываться на долговечности подшипника в зависимости от условий и режимов его работы.

Поэтому при входном контроле предлагается рассматривать подшипник под углом зрения его применения в конкретном изделии и наряду с регламентированным НТД определением размерных параметров и поиском дефектов комплексно оценивать его состояние при заданном смазочном материале, режимах и условиях, имитирующих эксплуатационные, т.е. в качестве объекта диагностирования рассматривать систему «подшипник - смазка - режимы и условия».

С учетом сказанного предлагается новая задача входного контроля - выявление среди партии пригодных к эксплуатации подшипников отдельных экземпляров, обладающих потенциально низкой надежностью в конкретных режимах и условиях работы, установка которых в изготавливаемые или ремонтируемые изделия нецелесообразна.

Диагностирование опор при проведении механосборочных работ

При монтаже подшипника происходят изменения его основных размеров (диаметров дорожек качения, зазоров), возникают смещения и перекосы колец, искажения формы дорожек качения за счет отклонений макрогеометрии посадочных мест под подшипники, погрешностей деталей для крепления и фиксации колец, имеет место дополнительное статическое и динамическое нагружение вследствие сил предварительного натяжения и дисбаланса и т.п. Все эти факторы, в конечном счете, приводят к возникновению некоторой специфической для каждого экземпляра подшипника макрогеометрии реальных дорожек качения его колец и некоторых значе-

ний реальных зазоров в нем. Очевидно, что определить эти специфические характеристики, формирующие реальное состояние подшипника в узле, можно только экспериментально путем проведения диагностики.

Поэтому после сборки узла целесообразно оценить фактическое состояние установленных подшипников с целью предотвращения ввода в эксплуатацию изделий с потенциально низкой надежностью опор. На основе получаемой информации может проводиться отбраковка узлов или их регулировка. Очевидно, что получить такую оценку можно только путем комплексного диагностирования подшипника как системы непосредственно в узле при эксплуатационных режимах и условиях работы.

Функциональное диагностирование опор при эксплуатации изделий

При эксплуатации изделий из-за изнашивания поверхностей, старения и изменения свойств конструкционных и смазочных материалов происходит ухудшение эксплуатационных характеристик опор, что при достижении их предельно допустимых значений приводит к отказу, порой аварийному, который вызывает разрушение не только подшипника, но и других деталей изделия. Поэтому эффективным способом повышения надежности ответственных изделий является функциональное диагностирование опор с целью предотвращения их аварийных отказов. Очевидно, что эффективное решение указанных выше классов задач может быть получено только путем комплексной оценки состояния системы «подшипник - сборка - смазка - режимы и условия работы».

Критерий оценки состояния подшипника как системы

Для реализации предлагаемого комплексного подхода к диагностированию необходим объективный критерии оценки состояния подшипника, как системы. Критерий должен удовлетворять следующим требованиям: универсальность (решение задач контроля и прогнозирования состояния различных типов подшипников и конструкций узлов при различных режимах и условиях работы на различных этапах диагностирования); комплексность (получение комплексной оценки состояния подшипниковой системы, а также выделения информации об отдельных факторах и параметрах); достоверность и объективность (получение достоверной количественной информации о состоянии объекта с помощью технических средств); безопасность (реализация неразрушающих методов, безопасных для обслуживающего персонала и окружающей среды).

В качестве такого критерия предлагается использовать состояние зон трения деталей подшипника при его работе, в частности, состояние смазки в зонах трения. При работе ПК на рабочих поверхностях деталей образуются поверхностные пленки различной природы, между телами качения и кольцами образуется устойчивая пленка СМ, толщина которой непрерывно флуктуирует. Возможны кратковременные местные разрушения пленок в контактах наиболее высоких микронеровностей - микроконтакты. Ухудшение состояния ПК независимо от причины приводит к увеличе-

307

нию флуктуаций толщины пленки, частоты и длительности микроконтактирований, а ухудшение состояния смазки вызывает рост интенсивности практически всех видов изнашивания ПК. Таким образом, выбранный критерий позволяет получить объективную комплексную информацию о фактическом состоянии ПК на момент контроля, а также исходную информацию для прогнозирования этого состояния.

Электрорезистивные методы диагностирования

Смазочный материал, как правило, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, поэтому для оценки состояния смазки в зонах трения предлагаются электрорезистивные методы, основанные на использовании различных параметров флуктуирующего электрического сопротивления (проводимости) ПК в качестве диагностических. При реализации этих методов объективная информация о состоянии ПК в целом и его структурных параметрах поступает непосредственно из зон трения деталей в форме электрического сигнала, удобного для дальнейшего преобразования и обработки, при этом под микроконтактированием в ПК понимается событие, заключающееся в том, что имеет место микроконтактирование хотя бы одного из тел качения одновременно с обоими кольцами, что фиксируется по существенному снижению электрического сопротивления ПК. Теоретические основы электрорезистивных методов заложены в работе [3].

На основе анализа происходящих в зонах трения процессов и исследования закона распределения вероятности сопротивления ПК установлено, что в случае работы ПК при граничной и жидкостной смазке в качестве диагностического параметра целесообразно использовать статистические оценки (прежде всего, среднее значение) и спектральные характеристики флуктуирующих электрического сопротивления или проводимости g(t). При полужидкостной смазке (наиболее распространенный режим) приоритетным параметром является нормированное интегральное время (НИВ) электрического контактирования (К) - относительное время, в течение которого сопротивление объекта меньше некоторого порогового значения Япор ~ (50-100) Ом, соответствующего микроконтактированию. В качестве дополнительных параметров используются средняя частота и средняя длительность микроконтактирования.

Инструментальное обеспечение

Для реализации предложенных методов диагностирования разработан комплекс технических средств, осуществляющих измерение различных диагностических параметров. С учетом решаемых диагностических задач разработаны средства трех групп: предназначенные для комплексных три-бологических исследований и испытаний, а также диагностики в лабораторных условиях; предназначенные для экспресс-диагностики и испыта-

308

ний машин и механизмов в производственных условиях; предназначенные для контроля и мониторинга объектов в процессе эксплуатации с целью предотвращения их аварийных отказов [4, 5].

Примеры апробации метода при входном контроле

Эффективность разработанного метода определялась экспериментально и при его опытно-промышленной проверке в процессе решения практических задач на различных промышленных предприятиях. На рис. 1 представлены характерные диаграммы изменения диагностического параметра НИВ (К) во времени, полученные при входном контроле различных типов подшипников при изготовлении и ремонте различных объектов. Так, например, при ремонте электродвигателей ДАРМ 15/2 осуществлялся входной контроль партии новых подшипников типа 35-26. По результатам дефектации подшипников по методике [2] все они были признаны годными к эксплуатации. Измерения параметра К производились для каждого из подшипников партии после их промывки и смазки одинаковым количеством применяемого при эксплуатации смазочного материала при скоростных и силовых режимах, моделирующих эксплуатационные (частота вращения внутреннего кольца пв = 2800 мин-1, радиальная нагрузка Fr = 25 Н, время измерения параметра TJi = 30 с).

Анализ результатов (рис. 1,а) указывает на явные различия в характеристиках однотипных подшипников, испытываемых при одинаковых

режимах (К в зависимости от состояния подшипника изменяется, практически, на шесть порядков). Для большинства подшипников установившиеся после приработки (4...5 мин) значения К лежат в диапазоне от 0 до

10 1, при этом выделяется группа подшипников (порядка 10 %), для кото— — 3 — 2 рых К существенно больше (от 10 до 10 — подшипник № 1 на рис. 1),

что свидетельствует о потенциально низкой надежности этих подшипников при их установке в двигатели ДАРМ 15/2 и о нецелесообразности их использования в ремонтируемых объектах.

Второй пример. Проводился входной контроль и сравнительный анализ различных типов подшипников канатных машин DV-2 (производство Германии). Базовые подшипники 6013 ТВ и 6203 (фирма FAG) работают в условиях вибрационных нагрузок и высокой частоты (скоростной

фактор do'«B до 6,6 -105 мм/мин). Анализировалась возможность использования при ремонте машин отечественных подшипников 5-113Л и 70-180203К1С17 и подшипников из Румынии 6013-2RS, которые аналогичны базовым по конструктивным параметрам, но не эквивалентны им.

Входной контроль подшипников (выборки по 10...50 штук) проводился при условиях их работы в машинах: ¥г = 400 Н, пв = 6000 мин-1;

3

смазочный материал СИ-50 в количестве 120 мм . Анализ результатов (рис. 1,б) показывает, что характеристики исследованных типов подшипников существенно различаются. Средние значения К в выборках после приработки (20 мин) составили: для подшипников 6013 ТВ - 0,2 -10-7, для

подшипников 5-113 Л - 5,1-10 , а для подшипников 6013-2ЯБ - 0,28. Полученное ранжирование качества различных типов подшипников по параметру К полностью подтвердилось результатами подконтрольной эксплуатации отремонтированных машин с подшипниками данных типов.

Эффективность проведения входного контроля исследовалась также для подшипников типа 70-180203К1С17 (выборка в 100 штук) при,

пв = 6000 мин-1 и ¥г = 200 Н. Анализ результатов (рис. 1,в) показал, что по после приработки (для данных подшипников 30 мин) значения диагностического параметра у различных подшипников, пригодных к эксплуатации по принятым НТД требованиям, различаются на несколько порядков.

Рис. 1. Диаграммы К^) при входном контроле подшипников: а - 35-26; б - 5-113Л, 6013ТВ, 6013-2Я8; в - 70-180203К1С17

На рис. 3 представлены диаграммы изменения другого диагностического параметра при входном контроле партии подшипников 6013-27 (фирма >ЖР, производитель - Франция) с заложенным пластичным смазочным материалом. Контроль проводился при эксплуатационных режимах: Гг = 1200 Н, пв = 3000 мин-1. Высокое качество подшипников при данных режимах обеспечивает формирование жидкостной смазки, поэтому контроль осуществлялся по параметру - среднее сопротивление Яср. Полученные зависимости наглядно иллюстрируют эффективность входного контроля и в данном случае Яср принимает для новых подшипников одной партии после их приработки существенно различающиеся значения - от 0,14 до 5,7 МОм, что свидетельствует о различной потенциальной надежности этих подшипников в условиях эксплуатации в данном изделии.

310

Обобщая результаты проведенных исследований, можно констатировать, что они подтверждают эффективность предложенного метода и его универсальность. Высокая чувствительность к состоянию подшипника проиллюстрирована для различных типоразмеров подшипников (средний диаметр й0 от 12,5 до 82,45 мм), применяемых в различных изделиях и работающих при различных скоростях (скоростной фактор йфъ от 3,5 -104 до

3,5 -105 мм/мин), использовании как жидких (масло СИ-50), так и пластичных (Литол-24) смазочных материалов, при работе объекта в условиях жидкостной и полужидкостной смазок и использовании, соответственно,

диагностических параметров К и Яср. Во всех случаях установлен широкий диапазон изменения диагностических параметров - для однотипных новых подшипников в одинаковых режимах эксплуатации (установившиеся значения К в зависимости от состояния подшипников различаются на 4-6 порядков, Яср - в 15 раз).

Примеры апробации метода при контроле качества сборки

На рис. 3 представлены графики экспериментальных зависимостей

К (?), полученные для подшипника 1000900 в течение 5 мин при моделировании различных значений овальности Q дорожки качения наружного кольца (¥г = 100 Н, пв = 900 мин-1). Установлено, что увеличение Q с 5

до 40 мкм приводит к росту К практически на два порядка

— —7 — —7

(с К « 2 -10 до К « 200 • 10 ), что свидетельствует о высокой чувствительности метода к реальной макрогеометрии дорожек качения.

10 МОм

А

С-£

0,] 0,0]

ч 5 У / /2: .6

--------- шт /

\

\ \ V , ^ 3^ / У м

10

20

30

мин

50

Рис. 2. Диаграммы Яср (I) при входном контроле подшипников 6013-21

Рис. 3. Диаграммы К(?) для подшипника 1000900 с различной овальностью Q наружного кольца

В качестве примера практического использования метода для интегральной оценки состояния опор качения на рис. 4 представлены диаграммы К(), полученные при контроле качества сборки электродвигателей типа ДАРМ 15/2 после их часовой обкатки, предусмотренной технологическим процессом. Видно, что для однотипных узлов, работающих при одинаковых режимах и условиях, диагностический параметр К принимает значения практически во всем диапазоне (от 0 до 1).

При этом установлено, что большие значения К е [10 ;1] свидетельствуют о низком качестве подшипников, погрешностях сборки или нарушениях условий технологической обкатки. В частности, после разборки двигателя, характеризуемого диаграммой 1.1 на рис. 4 со значением диаг-

К = 6 7 10-3 1

ностического параметра , и дефектации его комплектующих

выявлен подшипник с некачественной смазкой. После нормализации соК = 9 2 10-5

стояния подшипника ( " ' ) и повторной сборки двигателя, со-

стояние опор существенно улучшилось (рис. 4., диаграмма 1.2).

Проведенные исследования и результаты промышленного внедрения подтверждают эффективность электрорезистивного метода комплексной оценки состояния подшипников и опор качения на различных этапах жизненного цикла машин и механизмов. На настоящий момент времени разработаны методики входного контроля, контроля качества сборки подшипниковых узлов, функционального диагностирования опор в процессе эксплуатации изделий и диагностическое оборудование, которые прошли опытно-промышленную проверку и используются на ряде промышленных предприятиях и научно-исследовательских организаций. Для внедрения указанных методов при производстве и ремонте конкретных изделий необходимы дополнительные исследования по установлению норм на используемый диагностический параметр.

Комплексирование как направление повышения достоверности диагностирования

Отметим, что процессы и явления, происходящие в зонах трения, носят сложный характер, поэтому ни один из методов диагностирования принципиально не может дать исчерпывающую информацию о состоянии опоры качения. Каждый из методов лишь в большей или меньшей степени характеризует различные стороны данных процессов и наиболее эффективно решает те или иные диагностические задачи. Не являются исключением и рассматриваемые в этой работе электрорезистивные методы. В этой связи для оценки состояния подшипника, как системы, по предложенному

критерию наиболее целесообразно комплексировать различные физические принципы выделения информации. К числу наиболее приемлемых методов диагностирования состояния зон трения подшипников для комплек-сирования можно отнести механический метод (по моменту сопротивления вращению), тепловой (по температуре деталей подшипника), вибрационный и акустический (по параметрам вибрации или шума). Именно эти методы в настоящее время наиболее интенсивно развиваются (рис. 5). При этом в качестве базового физического принципа для комплексирования предлагается описанный в данной работе электрорезистивный.

1 - механические

2 - электрические

3 - вибрационные

4 - тепловые

5 - акустической эмиссии

6 - фотометрические и

спектрометрические

7 - ультразвуковые

8 - шумовые

Рис. 4. Диаграммы К (г) Рис. 5. Диаграмма патентования

для двигателей ДАРМ15/2 с 2000 г. решений по различным методам послеремонта диагностирования трибосопряжений

В настоящее время проводятся фундаментальные исследования по комплексированию данных методов, с вибрационными и тепловыми методами, при этом выделены следующие подходы к комплексированию: использование различных диагностических параметров для решения одной и той же задачи (эффект достигается за счет сочетания преимуществ и компенсации недостатков отдельных методов); параллельное использование различных диагностических параметров (накопление информации, характеризующей объект с различных сторон); объединение в одном методе различных диагностических параметров (получение качественно новой информации об объекте). При этом третий подход реализуется по следующим направлениям: электрические параметры оценивают фактический режим смазки в подшипнике, а с помощью параметров других видов решают диагностические задачи применительно к этому режиму; электрические параметры управляют алгоритмом измерения параметров других видов; алгоритмом измерения электрических параметров управляют параметры

10

А

]< 10

-4

К

10

10

гв

1,1

' 1. 1 2 - -»--'

~~~ 3

4

мин 10

других видов; информация об объекте получается путем совместной обработки результатов измерений различных диагностических параметров.

Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011 годы)», мероприятие 1, код проекта 1.2.07.

Список литературы

1. ГОСТ 24297-87. Входной контроль продукции. Основные положения. М.: Изд-во стандартов, 1988. 9 с.

2. Руководство по эксплуатации и ремонту авиационных подшипников качения / сост. Н.Ф. Григорьев, А.М. Зайцев, В.Г. Шахназаров. М.: Воздушный транспорт, 1981. 70 с.

3. Подмастерьев К.В. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения. М.: Машиностроение-1, 2001.376 с.

4. Подмастерьев К.В., Пахолкин Е.В., Мишин В.В. Универсальные электронные средства трибомониторинга // Гидродинамическая теория смазки - 120 лет: труды международного научного симпозиума: в 2 т. Т .2. М.: Машиностроение-1, Орел: ОрелГТУ, 2006. С. 267-276.

5. Подмастерьев К.В., Пахолкин Е.В. Приборы для трибомонито-ринга // Датчики и системы. № 3. 2008. С. 16-19.

K.V. Podmasteryev

COMPOSITE DIAGNOSTICS OF BEARINGS AND CARRIAGE SUPPORT BEARINGS OF MACHINERY AT DIFFERENT STAGES OF THEIR LIFE CYCLE

The composite approach to diagnosis of bearings was offered. "Bearing - assembly - lubricant - mode and conditions of operation " system was treated as an object of diagnosis on different stages of life cycle. Integral estimation of system status using electroresistive control methods and electroresistive-based composite methods was offered along with control of normalized parameters on every life cycle stage.

Key words: bearing and carriage support bearing, composite diagnosis, electroresis-tive diagnosis methods.

Получено 18.10.11