СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА В ШАРИКОПОДШИПНИКАХ
PROCEDURE FOR DIAGNOSIS OF RADIAL GAP IN BALL BEARINGS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в технологических процессах виброконтроля и вибродиагностики состояния шарикоподшипников машин, например газотурбинных двигателей.
Известен способ контроля состояния подшипников качения, при котором измеряют радиальный зазор в подшипнике с помощью измерительных инструментов (Бейзельман Р.Я., Цыпкин В.В., Перель Л.А. «Подшипники качения». Справочник. - Машиностроение. 1967 г. стр.608).
Недостатком этого способа является его сложность и невозможность контроля радиального зазора в процессе вращения подшипника.
Известен также способ определения радиального зазора в подшипниках (а.с. 1673907, кл. G01М 13/04 от 30.08.91 г.), согласно которому закрепляют на валу внутреннее кольцо, прикладывают к подшипнику переменную по направлению радиальную нагрузку, перед приложением радиальной нагрузки закрепляют жестко относительно внутреннего наружное кольцо, а переменную по направлению радиальную нагрузку изменяют по величине и по времени, затем регистрируют вибрационные шумы подшипника.
Однако этот способ не обладает высокой производительностью и качеством диагностики шарикоподшипников при одновременном действии радиальной и осевой нагрузок.
Известна также схема измерений вибрации шариковых подшипников в условиях контролируемого нагружения осевой силой (Бальмонт В.Б., Варламов Е.Б., Горелик Н.Г. «О структурной вибрации шарикоподшипников». - Машиноведение, 1987 г., №1, стр.91-97).
Внутреннее кольцо испытуемого шарикоподшипника устанавливается с небольшим зазором на оправку, расположенную в свободном от вибрации шпинделе. По наружному кольцу подшипник нагружается осевой силой с помощью узла нагружения, минимально искажающего динамические характеристики свободного подшипника. Нагрузка равномерно распределяется по всем шарикам. Радиальная составляющая вибрации наружного кольца регистрируется с помощью малогабаритного датчика, поджимаемого к кольцу пневматически.
С помощью данной схемы может быть реализован известный способ диагностики зазоров и угла контакта при наличии осевой нагрузки на шарикоподшипник («Приборные шариковые подшипники», Справочник. - М.: Машиностроение, 1981 г., стр.239-240), взятого за прототип. По этому способу в спектре вибрации подшипника измеряют комбинационные частоты, определяемые путем сложения или вычитания гармоник частоты вращения вала и гармоник частоты вращения сепаратора и по полученной величине расчитывают значение радиального зазора.
Недостаток этого способа проявляется в том, что требуются повышенной чувствительностью средства измерения вибрации с повышенной точностью их замера, так как частота вращения сепаратора и ее гармоники слабо изменяются при небольших отклонениях величины зазора от номинальных значений. В справочниках отсутствуют конструктивные параметры подшипника и данные о деформации контактирующих тел качения под действующей нагрузкой.
Технической задачей заявляемого решения является повышение производительности, информативности и качества диагностики величины радиального зазора в шариковом подшипнике в условиях вращения и действии осевой нагрузки.
квн
вн
вн
в
квн
вн
вн
в
вн
н
вн
н
Технический результат в заявляемом способе диагностики радиального зазора в шарикоподшипниках достигается тем, что закрепляют на валу внутреннее кольцо подшипника, прикладывают к наружному кольцу постоянную осевую нагрузку, вращают внутреннее кольцо с постоянной скоростью, измеряют и анализируют радиальную вибрацию наружного кольца подшипника. При этом измеряют частоты прокатывания шариков по наружной и внутренней дорожкам или их гармоники, а также комбинационные частоты, определяемые путем сложения или вычитания гармоник частоты прокатывания шарика по внутренней дорожке с частотой вращения вала согласно соотношению f=k·f±f, где f - комбинационная частота, связанная с частотой прокатывания шариков по внутренней дорожке, k - целое число (1, 2, 3…), f - частота прокатывания шариков по внутренней дорожке, f- частота вращения вала, а по величине сближения частот прокатывания шариков по дорожкам Δf=f-f, где f - частота прокатывания шариков по внутренней дорожке, f - частота прокатывания шариков по наружной дорожке, судят о состоянии подшипника и величине радиального зазора.
На фиг.1 представлена схема измерения вибрации, принятая в подшипниковой промышленности.
На фиг.2 представлена спектрограмма вибрации подшипника.
На фиг.3 представлена тарировочная зависимость величины сближения частот от радиального зазора для конкретного типа подшипника.
Подшипник подготавливают для измерений путем очистки, смазывания и прокрутки в целях достижения равномерного распределения смазочного материала в подшипнике. Подшипник монтируют на шпинделе для вращения внутреннего кольца. Конструкцией шпинделя с оправкой, применяемой для крепления и приведения во вращение внутреннего кольца подшипника, должно быть предусмотрено, чтобы, кроме передачи вращательного движения, шпиндель представлял бы жесткую базовую систему для оси внутреннего кольца. Передача вибрации между узлом шпинделя с оправкой и внутренним кольцом подшипника в применяемом диапазоне частот должна быть незначительной по сравнению с вибрацией подшипника. Цилиндрическая поверхность оправки, на которой монтируют внутреннее кольцо подшипника, должна обеспечить скользящую посадку в отверстии подшипника.
На наружной поверхности наружного кольца подшипника устанавливают датчик вибрации. Датчик должен быть расположен так, что его положение вдоль оси подшипника должно быть в плоскости, соответствующей середине контактов нагруженной дорожки качения наружного кольца с шариками. Направление оси чувствительности датчика должно быть перпендикулярно оси подшипника.
Осуществляют вращение подшипника с постоянной скоростью.
В процессе вращения к наружному кольцу подшипника прикладывают постоянную осевую нагрузку сначала с одной стороны наружного кольца, и затем повторно с другой стороны наружного кольца.
Радиально-упорные шариковые однорядные подшипники испытывают только в направлении, воспринимающем осевую нагрузку.
Конструкцией системы нагружения, применяемой для приложения нагрузок к наружному кольцу подшипника, должна быть обеспечена возможность свободного вибрирования кольца в радиальных, осевых, угловых и изгибных формах колебаний, в зависимости от типа подшипника.
Искажение формы колец подшипника, вызываемое контактом с элементами механического узла, должно быть незначительным по сравнению с геометрической точностью испытуемого подшипника.
Выполняют узкополосный спектральный анализ сигнала датчика вибрации в диапазоне частот, охватывающем частоты прокатывания шариков по дорожкам качения и/или их нескольких гармоник.
С учетом ожидаемого изменения радиального зазора определяют ориентировочные интервалы частот прокатывания шариков по дорожкам каченич и/или их нескольких гармоник.
Измеряемыми параметрами вибрации являются частота и среднеквадратическое значение виброскорости или среднеквадратическое значение виброускорения дискретных составляющих спектра, преобладающих по амплитуде в ожидаемых интервалах частот прокатывания шариков по дорожкам качения и/или их нескольких гармоник.
О состоянии подшипника судят по величине сближения измеренных частот прокатывания шариков по дорожкам качения и/или их гармоник, а также комбинационных частот, по величине сближения частот судят о состоянии подшипника и величине радиального зазора, а в качестве допустимого значения сближения частот используют настроечные значения, определенные по тарировочной зависимости. Комбинационные частоты используют в том случае, когда составляющие на этих частотах в спектре вибрации выделяются более четко, чем на основной частоте и ее гармониках.
Схема измерений вибрации подшипников, представленная на фиг.1, содержит оправку, расположенную в свободном от вибрации шпинделе 5, на которой установлено на скользящей посадке внутреннее кольцо 4 испытуемого шарикоподшипника. По наружному кольцу 3 подшипник нагружается осевой силой Q с помощью узла нагружения 2, минимально искажающего динамические характеристики свободного подшипника. Нагрузка Q равномерно распределяется по всем шарикам. Радиальная составляющая вибрации наружного кольца регистрируется с помощью малогабаритного датчика 1, поджимаемого к кольцу пневматически. Сигнал датчика 1 подается на блок согласования 6, выход которого соединен с аналого-цифровым устройством 7 обработки и спектрального анализа сигнала и измерения его параметров. В устройстве 7 проводят спектральный анализ сигнала, выделяют и идентифицируют в спектре информативные частоты, измеряют их значения и определяют величину сближения информативных частот.
н
вн
в
Способ базируется на известных зависимостях частоты прокатывания шариков по наружной дорожке качения f и частоты прокатывания шариков по внутренней дорожке качения f от числа шариков z, диаметра тела качения d, среднего диаметра подшипника D, угла контакта α и частоты вращения вала f («Неразрушающий контроль», Справочник, т.7, Книга 2, Вибродиагностика. - Машиностроение, 2005 г., стр.574).
Частота прокатывания шариков по наружному кольцу в случае вращения внутреннего кольца и неподвижном наружном кольце
,
н
где f - частота прокатывания шариков по наружной дорожке качения,
в
f - частота вращения вала,
D - средний диаметр подшипника,
d - диаметр тела качения,
α - угол контакта.
Частота прокатывания шариков по внутреннему кольцу
,
вн
где f - частота прокатывания шариков по внутренней дорожке качения, z - число шариков.
вн
н
Разность частот Δf=f-f характеризует их сближение и при постоянных условиях испытаний зависит только от угла контакта , где z - число шариков.
в
н
В случае наличия радиального зазора угол контакта в результате действия осевой нагрузки изменится. Так угол контакта α в радиальном однорядном шарикоподшипнике в случае предварительного натяга под действием небольшой осевой нагрузки при свободном перемещении в пределах осевой игры зависит от радиального зазора g, радиусов дорожек качения соответственно внутреннего r и наружного r колец в направлении, перпендикулярном качению, и диаметра тела качения d (смотри Перель Л.Я., Филатов А.А. «Подшипники качения». Справочник. - Машиностроение, 1992 г., стр.455):
,
в
н
в
н
где В=(r+r-d), а r - радиус внутренней дорожки качения и r - радиус наружной дорожки качения.
Поэтому, измеряя сближение частот Δf, можно оценить радиальный зазор.
н
вн
kн
квн
Способ осуществляется путем контроля частот прокатывания шариков по наружной f и внутренней f дорожкам или их гармоник f и f или комбинационных частот, связанных с частотой прокатывания шариков по внутренней дорожке:
kн
н
н
f=kf,
квн
вн
вн
в
н
вн
f=kf±sf, где k, k и s - целые числа, а также может быть s=0.
в
н
вн
в
вн
н
Пример спектрограммы вибрации подшипника представлен на фиг.2. Параметры подшипника: d=8 мм, D=35 мм, z=9. Частота вращения вала f=30 Гц. На спектрограмме выделяются составляющие с частотой прокатывания шариков по наружной дорожке f=110 Гц и частотой f=195 Гц. Эта частота f есть комбинационная частота f=f+f. Отсюда в данном примере сближение частот прокатывания шариков по внутренней и наружной дорожкам Δf=f-f=55 Гц.
вн
н
Тарировочная зависимость величины сближения частот от радиального зазора для данного типа подшипника представлена на фиг.3. По ней видно, что в рассмотренном примере величина Δf=f-f=55 Гц соответствует радиальному зазору 0,043 мм.