Формирование трибологических свойств подшипников качения при сборке с ультразвуком

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

УДК 621.787:658.56

ФОРМИРОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПРИ СБОРКЕ С УЛЬТРАЗВУКОМ

© 2011 О.М. Батищева, А.В. Пыльнова, В.Г. Шуваев

Самарский государственный технический университет, г. Самара

Поступила в редакцию 10.11.2011

Повышение конкурентоспособности продукции машиностроения предполагает гарантированное обеспечение требуемых эксплуатационных свойств входящих в их состав узлов и изделий, в частности, подшипников качения, находящих широкое применение в качестве опор для валов и вращающихся осей. Подшипниковый узел работает преимущественно по принципу трения качения и является прокладкой между подвижными и неподвижными деталями, воспринимает нагрузки и передает их на несущие конструкции машины, обеспечивая вращение с наименьшими потерями. Подшипники качения являются ресурсоопределяющими для изделий машиностроения, обеспечивая динамические режимы эксплуатации узлов вращения. Большие контактные нагрузки и высокая динамичность вызывают значительный износ рабочих поверхностей в период приработки, что существенным образом сказывается на долговечности и эффективности работы подшипниковых узлов, существенно снижает их функциональные характеристики. Кроме того, необходимо учитывать высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей, ведущую к существенному увеличению времени приработки.

Существенно повысить эксплуатационные свойства подшипников качения позволяет совместная ультразвуковая приработка подшипников в собранном виде, когда кольца сообкатываются с собственным комплектом тел качения с учетом условий последующей эксплуатации. Поэтому представляется целесообразным создание и исследование методов ультразвуковой приработки [1], учитывающих реальные условия эксплуатации подшипника в узле и позволяющих повысить качество изготовления, а соответственно надежность и долговечность подшипников качения. Введением дополнительных ультразвуковых колебаний (УЗК) возможно целенаправленно управлять формированием контактных связей и процессом приработки подшипников, тем самым перенося режим приработки из этапа эксплуатации на стадию сборки. Управляющими параметрами при этом будут являться амплитуда, частота, и схема введения ультразвуковых колебаний, а также время их действия на узлы подшипника качения. Благоприятные условия приработки и оптимизация режимных и временных факторов обеспечивается применением методов вибрационной диагностики и компьютерным анализом процесса ультразвуковой сборки.

Механизм воздействия ультразвука на контактное трение обусловлен изменением кинематики скольжения на контактных поверхностях и характером фрикционного взаимодействия этих поверхностей. Процесс пластического деформирования при трении является физико-химическим и сопровождается изменением структурных и физикомеханических свойств контактных слоев, переходом их в активное состояние. Трибосистема проявляет способность адаптации к внешним условиям трения путем перехода от пластического деформирования к упругому с установлением равновесной шероховатости, оптимальной для данных условий трения, причем УЗК способствуют пластифицированию контактных слоев металла, снижению трения, что сокращает время приработки и силовое воздействие на детали, при этом режимный фактор, оказывающий определяющее влияние на качество прирабатываемой поверхности, должен иметь максимальное значение, граничное с предельным, при котором упругие деформации переходят в пластические.

Для анализа различных состояний подшипника, рассматриваемого как элемент трибосистемы в процессе эксплуатации целесообразно использовать обобщенный термодинамический подход к оценке значений коэффициента трения в характерных точках. В [2] показано, что изменение состояния трибосистемы может быть представлено характерной кривой, соответствующей изменению коэффициента трения (рис. 1, кривая А) в зависимости от внешних параметров трения, представляющих контактное усилие N и скорость движения контактирующих поверхностей v.

Зависимость (J. — f {V, I’ имеют общий вид для большого числа исследованных материалов, образующих пары трения, и для широкого диапазона изменения внешних параметров трения, причем соотношение между составляющими энергетического баланса процесса пластической деформации и разрушение реальных твердых тел могут быть самыми разнообразными и зависят как от физико- химической природы и структуры материала, так и условий, в которых протекает процесс деформирования.

Интенсивность указанных тенденций определяется скоростью накопления в деформируемых объёмах скрытой энергии Uе и мощностью теплового

эффекта пластической деформации q. С точки зрения контактных условий протекания процесса при-

962

Механика и машиностроение

Рис.1. Изменение состояния трибосистемы до состояния совместимости при приработке в обычных условиях (кривая

А) и с применением УЗК (кривая В).

менение ультразвукового нагружения при приработке создает лучшие условия деформирования, в результате чего повышается пластичность металла, снижается сопротивление деформированию, уменьшаются силы внешнего трения, снижается удельное давление, равномернее распространяются деформации в объеме металла. Введение в зону контактного взаимодействия ультразвука также сопровождается протеканием адгезионно-усталостных процессов с последующим поверхностным разрушением деталей соединения, интенсифицирует процесс приработки с меньшими энергетическими затратами, способствуя ускоренному достижению равновесной шероховатости. Это, в свою очередь, позволяет существенно сократить время приработки подвижных соединений с образованием равновесной шероховатости от нескольких часов при обычной сборке до 15...20 с при сборке с наложением ультразвука. Лучшие результаты получены при сообщении тангенциальных колебаний детали с большей высотой неровностей микрорельефа.

Начальные этапы изменения состояния трибосистемы связаны с преобладающим вкладом в трение процессов роста плотности скрытой энергии различного рода дефектов, а также повреждений структуры контактных объемов - сопровождаются ростом коэффициента трения. Происходит деформационное упрочнение фрикционного контакта, а затем начинают преобладать процессы возврата энергии, что связано с высвобождением и диссипацией энергии деформации и, следовательно, понижением плотности накопленной энергии. Эти процессы сопровождаются уничтожением различного рода элементарных дефектов противоположных знаков, выходом их на поверхность, залечиванием обратимых субмикроскопических нарушений сплошности и т.д., что приводит к снижению коэффициента трения. Обе эти противоположные составляющие трения находятся в постоянной конкурентной взаимосвязи, а коэффициент трения р в об-

щем случае характеризует общие закономерности эволюции трибосистемы - ее приспосабливаемость [2]. Эта кривая имеют принципиальные точки переходных состояний, которые определяют характерные области различных закономерностей трансформации энергии при трении: область возрастающего (точка 1) и падающего (точка 3) трения, точка максимума кинетического трения (точка 2) и естественная конечная эволюционная точка 4. Наличие точки 2 определяет достижение и существование предельного (критического) объема трения, в котором в дальнейшем протекают все процессы диссипативного структурного приспособления.

Введением ультразвуковых колебаний при сборке подшипников качения возможно целенаправленно управлять формированием контактных связей и процессом приработки подшипников, тем самым перенося режим приработки из этапа эксплуатации на стадию сборки [3]. Проведенные исследования показали, что применение ультразвука способствует снижению трения в 2-4 раза. При этом пластичность материала повышается в 2-4 раза. Кривая трения типа |Д = f <V, v при введении ультразвуковых колебаний приобретает новый вид (рис. 1, кривая В). Пиковые значения точек переходных состояний 1, 2', 3', 4', определяющих характерные области различных закономерностей трансформации энергии при трении, снижаются в 2-4 раза - в зависимости от интенсивности ультразвуковых колебаний. На рабочих поверхностях прирабатываемых подшипников формируется профиль с оптимальной геометрической формой, что снижает уровень максимальных контактных напряжений и приводит к их равномерному распределению по площадке контакта. После ультразвуковой приработки создается некоторая оптимальная шероховатость, не зависящая от первоначальной шероховатости. При этом, кроме профилирования, в процессе приработки шариковых подшипников происходит изменение микроструктуры поверхностного слоя в сторону его упрочнения, приобретаются благоприятные физико-

механические свойства. Такая приработка обеспечивает формирование рациональных геометрических параметров рабочих поверхностей деталей, а также благоприятные физико-механические свойства поверхностных слоев, повышая их износостойкость и способность противостоять усталостным разрушениям.

Разработана автоматизированная система исследований процессов ультразвуковой приработки и вибрационной диагностики подшипников с одновременным контролем комплекса эксплуатационных параметров, по значениям которых судят об эффективности процесса приработки и техническом состоянии подшипника[3,4]. Система для проведения исследований процессов ультразвуковой сборки и вибрационной диагностики оснащена персональным компьютером для фиксации и обработки основных параметров процесса. Диагностируемый подшипник

963

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

устанавливается на оправку, которая закрепляется на плите стенда, а нагружение подшипника в осевом направлении производится с помощью гидропресса, на котором закреплен магнитострикционный преобразователь, преобразующий электрические колебания в упругие механические колебания ультразвуковой частоты. Дополнительное вращение прирабатываемого подшипника создается электрическим двигателем.

Для объективной оценки качества подшипниковых узлов после ультразвуковой приработки предлагается проводить вибрационную диагностику подшипников, причем диагностировать подшипники следует как до приработки, выявляя возможные отклонения в работе подшипника, так и после проведения ультразвуковой приработки, когда формирование показателей качества подшипника в основном закончилось [4]. На рис. 2 показана блок-схема устройства для вибрационной диагностики подшипников.

Рис. 2. Устройство для вибрационной диагностики подшипников качения.

Датчик 1 вибрации преобразует вибрации диагностируемого подшипника в электрический сигнал, который усиливается усилителем 2 и поступает на первый вход блока умножения 3. В циклическом устройстве 4 формируются пилообразные сигналы, эквивалентные мгновенным значениям косинуса (синуса), которые перемножаются в блоке умножения с сигналом вибрации диагностируемого подшипника. При определении частотных составляющих спектра вибраций деталей проверяемого подшипника перестраиваемые генераторы вырабатывают импульсы пилообразного напряжения, частоты которых соответствуют контролируемым деталям подшипника, а именно наружному кольцу, внутреннему кольцу и шарикам. При совпадении значений пилообразных напряжений на циклическом устройстве и каком-либо из перестраиваемых генераторов схема сравнения 5 открывает соответствующую

схему совпадения 6 и произведение сигналов поступает через интерфейс 10 в персональный компьютер (ПК) 11.

При изменении режимов работы подшипника, а именно частоты вращения, датчик вращения 7 через усилитель 8 выдает сигналы управления на входы перестраиваемых генераторов, которые соответствующим образом изменяют частоту, подстраиваясь под режим вращения подшипника. С выхода датчика вибрации сигнал вибрации подшипника через интерфейс поступает в ПК и служит для оценки общего качества работы диагностируемого подшипника. Кроме того, в ПК с датчика частоты вращения поступает информация о частоте вращения диагностируемого подшипника, что дает возможность точнее проводить диагностику подшипника на различных режимах работы.

Вращение подшипника создавалось электродвигателем постоянного тока с дисковым якорем типа ПЯ-250Ф, управляемого напряжением от 0 В до 36 В, частота вращения (0^3000) мин-1. В качестве датчика частоты вращения был использован тахоге-нератора постоянного тока ТГП-5 класса точности 0,2 и с номинальной частотой вращения 6000 мин-1. Использование предлагаемого стенда позволяет повысить точность измерения вибрационных параметров подшипника, так как подшипник виброизолирован от электродвигателя системой муфт. Также есть возможность установки необходимой частоты вращения подшипника, а, следовательно, и динамического диапазона, что, в свою очередь, позволяет увеличивать точность измерения параметров вибрационного сигнала. Для подшипника любого диаметра можно установить частоту вращения, дающую максимальное отношение полезного сигнала к шуму.

Достоверность диагностических процедур может быть существенно повышена использованием спектрально-временного подхода к анализу вибросигналов [5]. Одним из методов, реализующих подобный подход, является вейвлет-анализ диагностических сигналов, определяемый как свертка диагностируемого сигнала с базисной функцией, масштабируемой по частоте и сдвигаемой по временной оси, представляет собой двумерный массив коэффициентов. Его сопоставление с эталонными вейвлетспектрами, записанными априори в базу данных, позволяет идентифицировать вид дефекта, локализовать его расположение и тем самым оценить качество подшипниковых узлов с большей достоверностью. Проведенные имитационные эксперименты на модельных сигналах с целью разработки алгоритма оценки качества формируемого соединения были выполнены в матричной системе компьютерной математики MATLAB, включающей пакет расширения Wavelet Toolbox, представляющий пользователю обширные возможности для работы с вейвлетами, что делает перспективным использование данного пакета в автоматизированных испытательных и диагностических комплексах.

964

Механика и машиностроение

Таким образом, ультразвуковая приработка способствует повышению качества поверхностного слоя деталей, причем, определяющее влияние на характеристики качества оказывают параметры ультразвуковых колебаний и скорость вращения, оптимизация которых является значительным резервом повышения эксплуатационных показателей подшипников качения. Применение имитационных технологий окончательного формообразования контактирующих поверхностей деталей подшипников качения дают возможность сформировать на стадии УЗ сборки оптимальные макро- и микрогеометрические параметры рабочих поверхностей деталей, наилучшим образом приспособленные для восприятия и преобразования заданных нагрузок. Результаты испытаний показали, что долговечность подшипников после ультразвуковой приработки увеличивается до 45%. Проведенные исследования дают основание считать, что одним из факторов, повышающих работоспособность подшипников, является формирование благоприятных характеристик качества поверхностного слоя. После сборки с УЗ подшипникового узла возможна его немедленная эксплуатация на повышенных режимах без режима приработки. Проведение процедуры диагностики подшипника одновременно со сборкой гаран-

тирует долговечность и надежность работы подшипниковых узлов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нерубай М.С., Калашников В.В., Штриков Б.Л., Яресько С.И. Физико-технологические методы обработки и сборки. - М: Машиностроение-1,2005. - 396 с.

2. Фёдоров С.В. Обобщенная энергетическая интерпретация экспериментальной зависимости коэффициента трения // Трение и смазка в машинах и механизмах. Научно-технический журнал. Изд. Машиностроение. 2006. № 11. - С. 3-10.

3. Батищева О.М., Пыльнова А.В., Шуваев В.Г. Повышение надежности подшипников качения путем ультразвуковой приработки и вибрационной диагностики в собранном виде // Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза, 25-31 мая, 2011.- 2 том. - С. 102-103.

4. Патент РФ на полезную модель № 100619 от 20.12.2010, Бюл.№ 35. Устройство для вибрационной диагностики подшипников / Шуваев В.Г., Батищева О.М., Пыльнова А.В.

5. Батищева О.М., ШуваевВ.Г., ЩежинаМ.А. Применение вейвлет-анализа колебательных процессов для диагностики качества соединений при ультразвуковой сборке. Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2010): Материалы междунар. научн.-техн. конф. Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2010. - С. 153-157.

FORMING OF TRIBOLOGY PROPERTIES OF BEARINGS OF WOOBLING AT ULTRASONIC ASSEMBLING

© 2011 Batishcheva O.M., Pylnova A.V., Shuvaev V.G.

Samara State Technical University

965