СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДИССИПАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАР ТРЕНИЯ
METHOD OF IDENTIFYING DISSIPATIVE CHARACTERISTICS OF FRICTION COUPLES

Предлагаемое изобретение относится к измерительной и испытательной технике и предназначено для использования при исследованиях различных пар трения, например подшипников качения, скольжения и подшипниковых узлов, в приборостроении, машиностроении и электромашиностроении.
Известен способ идентификации диссипативных характеристик пар трения, при котором нагружают один из элементов пары, например кольцо подшипника, радиальной силой, а другой элемент, например другое кольцо подшипника, вращают с постоянной скоростью с помощью привода и регистрируют момент трения по показаниям электромагнитного тормоза (А.с. №1293576 (СССР). Прибор для определения статического и кинетического трения подшипника / Е.Б.Гозман, Н.Е.Жуков, В.Г.Стрельников. - Опубл. 28.02.87. Бюл. №8, МПК G01N 19/02).
Известен способ идентификации диссипативных характеристик пар трения, при котором нагружают один из элементов пары радиальной силой, а другой элемент вращают с постоянной рабочей частотой, изменяют направление действия радиальной силы в направлении вращения вначале с частотой, равной частоте вращения элемента пары, а затем с частотой, равной нулю, при каждой частоте измеряют среднеквадратическое значение переменной составляющей и среднее значение нормированного интегрального времени электрического контактирования в паре трения и оценивают диссипативную характеристику по значениям квадрата отношения среднеквадратического значения переменной составляющей к среднему значению указанного параметра при каждой частоте изменения направления действия радиальной нагрузки (Патент РФ №2168712, МПК G01M 13/00, 13/04. Способ контроля качества подшипников качения / К.В.Подмастерьев. - Опубл. 10.06.2001).
При реализации известных способов диссипативные характеристики пар трения: момент силы трения или коэффициент трения, оцениваются при вращении одного из элементов пары с постоянной скоростью. Однако известно, что сила трения при наличии смазки зависит от скорости перемещения, температуры окружающей среды, состояния поверхностей, продолжительности работы, а также других факторов, и имеет случайный характер (Сосновский Л.А., Махутов Н.А., Шуринов В.А. Фрикционно-механическая усталость: Основные закономерности / Заводская лаборатория, 1992, №9. - С.46-63). Поэтому измерение диссипативных характеристик при одной скорости движения не позволяет получить достоверной информации о диссипативных характеристиках пар трения при изменяющихся скоростях, соответствующих реальным условиям работы. Следовательно, известные способы не обеспечивают высокой точности определения диссипативных характеристик пар трения.
Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ идентификации диссипативных характеристик пар трения, при котором один из элементов пары нагружают постоянной радиальной силой, а другое приводят в колебательное движение с заданными частотой и амплитудой с помощью электромеханической системы, выполненной на основе синхронного электродвигателя с активным ротором и двумя обмотками на статоре, одна из которых подключена к источнику постоянного тока, а вторая - к источнику переменного тока, и измеряют переменный ток во второй обмотке и угловую скорость колебаний ротора и вычисляют эквивалентный диссипативный коэффициент как произведение конструктивного коэффициента электродвигателя на отношение среднего за период колебаний значения произведения тока на скорость к среднему за период колебаний квадрату скорости (Патент РФ №2284019, МПК G01M 3/04, G01N 19/02. Способ идентификации диссипативных характеристик подшипников / С.И.Малафеев, А.И.Копейкин, В.Н.Шамберов. - Опубл. 20.09.2006. Бюл. №26).
Известный способ позволяет определить эквивалентный диссипативный коэффициент пары трения в условиях колебаний по формуле
где k - конструктивный коэффициент электродвигателя, зависящий от магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами на роторе, и числа витков обмоток статора;
i - переменный ток;
- угловая скорость колебаний;
Т - период колебаний;
t - время.
При реализации известного способа обеспечивается учет нелинейной зависимости момента силы трения от скорости во всем диапазоне изменения скорости движения.
Однако известный способ основан на использовании в расчетах линейной зависимости момента двигателя от тока, но не учитывает нелинейной зависимости момента от угла поворота ротора. Такое допущение справедливо только при малых углах поворота (не более чем ). При больших углах поворота ротора измерение диссипативных характеристик пар трения осуществляется с большой погрешностью.
Следовательно, недостаток известного способа идентификации диссипативных характеристик пар трения - низкая точность измерений.
Цель предлагаемого изобретения - повышение точности измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе идентификации диссипативных характеристик пар трения, при котором первый элемент пары нагружают постоянной радиальной силой, а другой элемент приводят в колебательное движение с заданными частотой и амплитудой с помощью электромеханической системы, выполненной на основе синхронного электродвигателя с активным ротором и двумя обмотками на статоре, одна из которых подключена к источнику постоянного тока, а вторая - к источнику переменного тока, и измеряют переменный ток во второй обмотке и угловую скорость колебаний ротора и вычисляют эквивалентный диссипативный коэффициент, дополнительно измеряют угол поворота ротора и вычисляют эквивалентный диссипативный коэффициент как произведение конструктивного коэффициента электродвигателя на отношение среднего за период колебаний значения произведения тока, скорости и косинуса угла поворота к среднему за период колебаний квадрату скорости.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые операции:
- измеряют угол поворота ротора;
- вычисляют эквивалентный диссипативный коэффициент как произведение конструктивного коэффициента электродвигателя на отношение среднего за период колебаний значения произведения тока, скорости и косинуса угла поворота к среднему за период колебаний квадрату скорости.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения повышается точность измерения диссипативных характеристик пар трения за счет увеличения точности вычисления эквивалентного диссипативного коэффициента на основе измеренных значений переменного тока во второй обмотке, угловой скорости и угла поворота ротора.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.
Операция измерения угла поворота ротора в устройствах аналогичного назначения не обнаружена.
Операция вычисления эквивалентного диссипативного коэффициента как произведение конструктивного коэффициента электродвигателя на отношение среднего за период колебаний значения произведения тока, скорости и косинуса угла поворота ротора к среднему за период колебаний квадрату скорости в способах аналогичного назначения также не обнаружена.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, на котором обозначено: 1 - испытуемая пара трения, например подшипник; 2 - синхронный электродвигатель, содержащий активный ротор с постоянными магнитами 3, первую 4 и вторую 5 обмотки на статоре; 6 - устройство нагружения пары трения радиальной силой; 7 - источник постоянного тока; 8 - датчик угловой скорости ротора; 9 - датчик угла поворота ротора; 10 - датчик тока (измерительный шунт); 11 - измерительный усилитель сигнала шунта; 12 - усилитель тока обмотки двигателя; 13 - регулятор скорости двигателя; 14 - блок задания скорости двигателя; 15 - вычислительное устройство.
В соответствии с предлагаемым способом идентификации диссипативных характеристик пар трения, при котором один из элементов 1 пары трения, например кольцо подшипника, нагружают постоянной радиальной силой с помощью нагружающего устройства 6, а другой элемент приводят в колебательное движение с заданной постоянной частотой и амплитудой с помощью электромеханической системы, выполненной на основе синхронного электродвигателя 2 с активным ротором 3 и двумя обмотками на статоре (4 и 5), одна из которых (4) подключена к источнику постоянного тока 7, а вторая (5) - к источнику переменного тока 12, измеряют переменный ток во второй обмотке 5 с помощью датчика тока (шунта) 10 и измерительного усилителя сигнала шунта 11, измеряют угловую скорость с помощью датчика угловой скорости 8, измеряют угол поворота ротора с помощью датчика утла поворота 9 и вычисляют эквивалентный диссипативный коэффициент как произведение конструктивного коэффициента электродвигателя на отношение среднего за период колебаний значения произведения тока, скорости и угла поворота ротора к среднему за период колебаний квадрату скорости с помощью вычислительного устройства 15. Задание скорости и частоты колебаний осуществляется с помощью блока задания 14, стабилизация параметров колебаний производится с помощью регулятора 13, на один из входов которого подается сигнал с выхода блока задания 14, а на другой - сигнал обратной связи с выхода датчика угловой скорости 8.
С целью объяснения предлагаемого способа рассмотрим процесс колебательного движения системы при вынуждающей силе M(t) и нелинейно-вязком трении. Дифференциальное уравнение такой системы имеет вид
где J - момент инерции вращающихся элементов системы;
- момент диссипативной силы, обусловленной трением;
с - жесткость колебательной системы;
M(t) - механический момент вынуждающей силы;
φ - угол поворота.
э
Для решения уравнения (1) воспользуемся методом энергетического баланса, т.е. заменим нелинейный момент  эквивалентным в энергетическом отношении линейным моментом  Коэффициент β определим из условия равенства работ, совершаемых обоими моментами за один период колебаний:
Из полученного выражения (2) определим эквивалентный диссипативный коэффициент:
Интеграл в числителе уравнения (3) представляет собой работу за период колебаний против момента силы трения, которая может быть определена по формуле
В электромеханической колебательной системе с синхронным двигателем в режиме гармонических колебаний электромагнитный момент пропорционален току в обмотке и зависит от угла поворота ротора φ (Копейкин А.И., Малафеев С.И. Управляемые электромеханические колебательные системы. - Владимир, Посад, 2001. - 128 с.):
M(t)=kicosφ,
где k - конструктивный коэффициент электродвигателя, зависящий от магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами на роторе, и числа витков обмоток статора.
Следовательно, эквивалентный диссипативный коэффициент может быть определен по формуле:
э
Вычисление эквивалентного диссипативного коэффициента β по формуле (4) производится в вычислительном устройстве 15, для реализации которого может использоваться микроконтроллер.
Таким образом, для определения эквивалентного диссипативного коэффициента используются результаты измерений трех переменных - тока, скорости и угла поворота ротора, а вычислительная процедура осуществляется по точной формуле (4) с использованием помехоустойчивой операции интегрирования. При этих условиях обеспечивается высокая точность определения эквивалентного диссипативного коэффициента.
Опытная проверка предлагаемого способа для определения диссипативных характеристик пар трения, в качестве которых были использованы подшипники качения №27 с наружным диаметром внешнего кольца 22 мм и посадочным диаметром внутреннего кольца 7 мм, показала, что погрешность измерений не превышает 0,25%.
Таким образом, использование в известном способе идентификации диссипативных характеристик пар трения, при котором один из элементов пары нагружают постоянной радиальной силой, а другой элемент приводят в колебательное движение с заданными частотой и амплитудой с помощью электромеханической системы, выполненной на основе синхронного электродвигателя с активным ротором и двумя обмотками на статоре, одна из которых подключена к источнику постоянного тока, а вторая - к источнику переменного тока, и измеряют переменный ток во второй обмотке, дополнительного измерения угловой скорости колебаний ротора и вычисления эквивалентного диссипативного коэффициента как произведения конструктивного коэффициента электродвигателя на отношение среднего за период колебаний значения произведения тока, скорости и косинуса угла поворота ротора к среднему за период колебаний квадрату скорости позволяет повысить точность определения эквивалентного диссипативного коэффициента.
Использование предлагаемого способа в приемочных и научно-исследовательских испытаниях пар трения, например подшипников, позволит повысить точность и эффективность идентификации диссипативных характеристик.