СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА ПЕРЕКОСА И МАКСИМАЛЬНОЙ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ОПОРУ ПОДШИПНИКА
METHOD OF DETERMINING THE SKEW ANGLE AND THE MAXIMUM AXIAL LOAD ON THE BEARING SUPPORT

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения угла перекоса опоры, максимальной осевой нагрузки действующей на нее и неравномерности этой нагрузки, и может найти применение при сборке, или испытаниях, или эксплуатации опор с подшипниками различных изделий.
Известен способ замера осевого усилия в опоре подшипника, снабженного тензокольцами с тензодатчиками, по которому при работе опоры при наличии осевой силы происходит деформация тензокольца, изменение его сопротивления, с последующей передачей сигнала на соответствующую аппаратуру (патент РФ 2601513 от 05.08.2015, опубл. 10.11.2016, МПК G01L 1/22).
Недостатками данного способа являются высокая стоимость работ и сложность препарирования связанная с тем, что часто невозможно провести препарацию через вращающийся вал двигателя, а также применение сложного оборудования для контроля и анализа выводимого на аппаратуру сигнала.
Наиболее близким является способ определения осевой нагрузки в опоре подшипника, в состав которой входит подшипник, установленный между корпусом и валом, с чувствительным элементом, при котором определяют параметры расчетным путем, стоят графические зависимости (патент РФ №2392464 от 19.12.2008, опубл. 20.06.2010, МПК F02C 7/06).
Недостатком данного способа является сложность препарирования опоры, связанная с установкой тензодатчиков и датчиков давления, невозможность контролировать давления в требуемых полостях изделия в эксплуатации, сложность и громоздкость математических расчетов, которые требуют применения специального программного и аппаратного обеспечения, а также невозможность определения значения угла перекоса опоры.
Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа определения угла перекоса опоры, максимальной осевой нагрузки, действующей на нее, и неравномерности этой нагрузки при сборке, или испытаниях, или эксплуатации, обеспечивающего высокую точность определения требуемых значений, а также снижение трудоемкости, связанное с отсутствием препарации и проведения наименьшего числа испытаний, а также возможности принятия решения по результатам проведенного способа о дальнейшей работоспособности опоры.
max
min
Технический результат достигается тем, что в способе определения угла перекоса и максимальной осевой нагрузки на опору подшипника, в состав которой входит подшипник, установленный между корпусом и валом, с чувствительным элементом, при котором определяют параметры расчетным путем, стоят графические зависимости, в отличие от известного чувствительный элемент содержит упругий элемент, с легкодеформируемым элементом, причем в способе определяют жесткость упругого элемента С, и начальный длинновой размер  упругого элемента, затем устанавливают по окружности на одной исследуемой поверхности по меньшей мере три чувствительных элемента таким образом, чтобы торцы легкодеформируемого элемента контактировали с одной стороны с упругим элементом, а с другой стороны с опорным торцом детали конструкции опоры, осуществляют сборку, или испытания, или эксплуатацию опоры подшипника, затем опору разбирают после сборки, или испытания, или эксплуатации и измеряют толщину каждого легкодеформируемого элемента после сборки, или испытания, или эксплуатации  определяют деформацию каждого легкодеформируемого элемента после сборки, или испытания, или эксплуатации  из полученных значений определяют максимальное и минимальное значение деформации  по найденным значениям максимальной и минимальной деформации в зависимости от координат расположения легкодеформируемых элементов в опоре строят плоскость, определяют угол наклона построенной плоскости от вертикальной плоскости, который является искомым углом перекоса исследуемой поверхности, определяют значение осевой нагрузки после сборки, или испытания, или эксплуатации для максимального и минимального значения деформаций при известной жесткости упругого элемента P, P рассчитывают неравномерность осевой нагрузки, определяемой как разность между максимальным и минимальным значениями полученной осевой нагрузки, по полученным значениям осевых нагрузок судят о работоспособности опоры подшипника.
На чертежах показаны:
Фиг. 1 - опора газотурбинного двигателя;
Фиг. 2 - плоскость для определения угла перекоса опоры;
Фиг. 3 - пример установки легкодеформируемых элементов;
Фиг. 4 - пример графика зависимости осевой нагрузки от деформации легкодеформируемых элементов корпуса.
Опора подшипника газотурбинного двигателя состоит из подшипника 1, установленного между валом 2 и корпусом 3 опоры (Фиг. 1). Во время сборки, или испытаний, или эксплуатации двигателя возможен перекос колец 4, 5 подшипника 1 относительно одной из опорных поверхностей (поверхности 6 вала 2 или поверхности 7 корпуса 3). Для определения угла перекоса колец 4, 5 подшипника в опоре устанавливают чувствительные элементы.
Чувствительный элемент содержит легкодеформируемый элемент 8, изготовленный, например, из материала припоя ПОС-18, и упругий элемент 9, которым может быть кольцо или пластина.
Сначала в способе определяют жесткость С (из графика построенной характеристики жесткости) и начальный длинновой размер  каждого упругого элемента 9 (без деформаций от нагружения). Затем устанавливают по окружности D на одной исследуемой поверхности, по меньшей мере, три чувствительных элемента, таким образом, чтобы торцы легкодеформируемого элемента 8 контактировали с одной стороны с упругим элементом 9, а с другой стороны с опорным торцом детали в зависимости от конструкции опоры (корпуса 3 опоры или валом 2 опоры или подшипника 1 или упругим элементом 9).
Далее осуществляют или сборку, или испытания, или эксплуатацию опоры в зависимости от требований исследуемого состояния опоры. Затем опору разбирают после сборки, или испытания, или эксплуатации и измеряют толщину каждого легкодеформируемого элемента 8 после сборки, или испытания, или эксплуатации
Определяют деформацию каждого легкодеформируемого элемента 8 после сборки, или испытания, или эксплуатации:
Из полученных значений деформации выбирают максимальное  и минимальное  значение деформаций.
Для определения угла перекоса исследуемой поверхности, по полученным значениям максимальной  и минимальной  деформаций легкодеформируемых элементов в зависимости от координат расположения чувствительных элементов на поверхности строят плоскость: координата X - значения деформации  координата Y, Z - диаметр D расположения чувствительных элементов (Фиг. 2).
Угол наклона α плоскости от вертикальной плоскости и есть искомый угол перекоса поверхности (Фиг. 2).
max
min
Определяют значение осевой нагрузки после сборки, или испытания, или эксплуатации для максимального и минимального значения деформаций из графика построенной ранее характеристики жесткости упругого элемента P, P, например, по закону Гука:
max
min
Определяют неравномерности деформации, как разность между максимальным P и минимальным P значениями полученной осевой нагрузки:
max
min
ΔР=P-P.
max
По полученным значениям угла перекоса опоры α, максимальной осевой нагрузки P, неравномерности нагрузки ΔР, принимают решение о дальнейшей работе опоры, сравнивая полученные значения с допустимыми значениями. В случае превышения допустимого значения опору снимают с эксплуатации.
max
min
Благодаря тому, что в способе определения угла перекоса и максимальной осевой нагрузки на опору подшипника, в состав которой входит подшипник, установленный между корпусом и валом, с чувствительным элементом, при котором определяют параметры расчетным путем, стоят графические зависимости, отличающийся тем, что чувствительный элемент содержит упругий элемент, с легкодеформируемым элементом, причем в способе определяют жесткость упругого элемента С, и начальный длинновой размер  упругого элемента, затем устанавливают по окружности на одной исследуемой поверхности, по меньшей мере, три чувствительных элемента, таким образом, чтобы торцы легкодеформируемого элемента контактировали с одной стороны с упругим элементом, а с другой стороны с опорным торцом детали конструкции опоры, осуществляют сборку, или испытания, или эксплуатацию опоры подшипника, затем опору разбирают после сборки, или испытания, или эксплуатации и измеряют толщину каждого легкодеформируемого элемента после сборки, или испытания, или эксплуатации  определяют деформацию каждого легкодеформируемого элемента после сборки, или испытания, или эксплуатации  из полученных значений определяют максимальное и минимальное значение деформации  по найденным значениям максимальной и минимальной деформации в зависимости от координат расположения легкодеформируемых элементов в опоре строят плоскость, определяют угол наклона построенной плоскости от вертикальной плоскости, который является искомым углом перекоса исследуемой поверхности, определяют значение осевой нагрузки после сборки, или испытания, или эксплуатации для максимального и минимального значения деформаций при известной жесткости упругого элемента P, P, рассчитывают неравномерность осевой нагрузки, определяемой как разность между максимальным и минимальным значениями полученной осевой нагрузки, по полученным значениям осевых нагрузок судят о работоспособности опоры подшипника, достигается высокая точность определения требуемых значений, а также снижение трудоемкости, связанное с отсутствием препарации и проведения наименьшего числа испытаний, а также возможности принятия решения по результатам проведенного способа о дальнейшей работоспособности опоры.
Пример реализации способа.
В примере показано осуществление способа для определения взаимного угла перекоса колец 4, 5 подшипника 1 друг относительно друга предложенным способом, а также определение максимальной осевой нагрузки приходящей на подшипник опоры.
Опора газотурбинного двигателя состоит из радиально-упорного шарикоподшипника 1 типа 126122 (с габаритными размерами 110×170×28 мм), установленным между валом 2 и корпусом 3 опоры. В опору устанавливают шесть чувствительных элемента три на валу 2, и три в корпусе 3. Чувствительные элементы состоят из упругого элемента 9 и легкодеформируемых элементов 8 (ЛДЭ) (фиг. 3).
Упругие элементы 9 выполнены в виде колец с целью минимизации окружной неравномерности деформаций, при этом ЛДЭ 8 установлены между: поверхностью вала 2 и упругим элементом 9, и между поверхностью корпуса 3 и упругим элементом 9 (фиг. 3).
к
0к
Жесткость упругого элемента 9 размещенного в корпусе (С) составляет 660 кгс*мм. Начальная величина размера L упругого элемента 9, размещенного в корпусе 3, в свободном состоянии составляет 5 мм.
в
0в
Жесткость упругого элемента 9 размещенного на валу 2 (С) составляет 660 кгс*мм. Начальная величина размера L упругого элемента 9, размещенного на валу 2, в свободном состоянии составляет 5 мм.
Между упругим элементом 9 и упорным торцом корпуса 3, равномерно по окружности, на диаметре D=165 мм, установлены три легкодеформируемых элемента 8.
Между упругим элементом 9 и упорным торцом вала 2, также, равномерно по окружности, на диаметре d=115 мм, установлены три легкодеформируемых элемента 8.
Легкодеформируемые элементы 8 корпуса 3 и вала 2 изготовлены из материала ПОС-18, соединены методом пайки с упорными торами и сопрягаемыми диаметрами корпуса 3 и вала 2, площадь их смятия минимизирована, чтобы исключить из расчета корректировку осевой нагрузки по величине, вследствие усилия, требуемого на деформацию (смятие) легкодеформируемых элементов.
После каждой разборки опоры (после сборки, или после испытаний, или после эксплуатации) измеряют толщину каждого легкодеформируемого элемента (ЛДЭ) 8, данные представлены в таблице.
Определяем деформацию каждого легкодеформируемого элемента 8, а также из полученных значений определяем максимальное и минимальное значение деформаций для корпуса 3 и для вала 2 (данные представлены в таблице), так как расчет долговечности подшипника 1 выполняется по максимально нагруженному шарику.
к_сб_max
к_исп_max
к_экс_max
к_сб_min
к_исп_min
к_экс_min
Для определения перекоса по корпусу 3 и по валу 2 опоры в зависимости от координат расположения чувствительных элементов в опоре, строят плоскости, по максимальным ΔL, ΔL, ΔL и минимальным ΔL, ΔL, ΔL значениям координаты X построенных плоскостей определяют их угол наклона для корпуса 3 опоры и для вала 2 (данные приведены в таблице).
Сумма углов перекоса по корпусу 3 и по валу 2 является искомым углом перекоса опоры подшипника (взаимным углом перекоса колец подшипника), данные расчета приведены в таблице.
к
в
сб
к_сб
в_сб
исп
экс
к_исп
к_экс
в_исп
в_экс
Взаимный угол перекоса колец 4, 5 подшипника 1 α, а также углы перекоса наружного α и внутреннего α колец сравнивают с расчетными допустимыми величинами, которые не ограничивают ресурс подшипника. Например по ГОСТ 3325-85 при сборке должны быть обеспечены: [α]=2 мин 30 с, [α]=1 мин 40 с, [α]=50 с, в работе (при испытаниях или в эксплуатации) должны быть обеспечены: [α]=[α]=5 мин, [α]=[α]=3 мин 20 с, [α]=[α]=1 мин 40 с.
В описанном примере, измеренные углы перекоса колец 4, 5 подшипника 1 не критичны, подшипник работал с допустимыми углами перекоса колец.
Для определения осевой нагрузки приходящей на подшипник достаточно вести анализ только одного чувствительного элемента или для корпуса или для вала. В примере показан расчет для корпуса, т.к. на наружное кольцо подшипника дополнительно приходит составляющая осевой нагрузки от центробежной нагрузки шариков при вращении.
Определяют значение осевой нагрузки исходя из графика построенной ранее характеристики жесткости упругого элемента 9 или в нашем случае по закону Гука (см. фиг. 3), она составляет:
к_сб
к
к_сб
- после сборки Р=С×ΔL=660×0,336=221,76 кгс,
к_исп
к
к_исп
- после испытаний Р=С×ΔL=660×1,249=824,34 кгс,
к_экс
к
к_экс
- после эксплуатации Р=С×ΔL=660×1,776=1172,16 кгс.
max
По полученным значениям осевой нагрузки строят зависимость осевой нагрузки от деформации легкодеформируемого элемента в зависимости от деформации ЛДЭ 8, например, для корпуса опоры. Измеренные значения осевой нагрузки сравнивают с максимальной допустимой осевой нагрузкой [P]=1500 кгс, которая может ограничить ресурс подшипника.
к_сб
к_исп
к_экс
max
Р (Р, Р)<[P], следовательно нагрузка, приходящая на подшипник, не ограничивает его работоспособность, и опора может продолжать свою работу, при условии достаточности ресурса подшипника.