Электрорезистивный метод контроля технического состояния подшипниковых опор скольжения

УДК 662.673

И.Н. Шамурин, Е.Н. Бирюков, Е.В. Ершов

ЭЛЕКТРОРЕЗИСТИВНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВЫХ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ

В статье рассматриваются методы диагностирования опорных узлов скольжения агрегатов металлургического производства, позволяющих производить оценку технического состояния, идентификации типа дефекта и определения его характеристик.

Электрорезистивный метод, подшипниковая опора, контроль, диагностика, сопротивление смазочного слоя.

The article deals with the methods of diagnosing the reference nod of sliding of units of metallurgical production, allowing to estimate the technical condition, identify the type of defect and to determine its characteristics.

Electro resistive method, bearings, control, diagnostics, resistance of the lubricating layer.

В металлургическом производстве большое внимание уделяется контролю технического состояния ответственных узлов агрегатов, поскольку возрастание нагрузок, связанное с интенсификацией технологического процесса, значительно влияет на ресурс оборудования, а вышедший из строя механизм может остановить работу всей технологической цепочки с последующими экономическими потерями. К таким узлам, безусловно, относятся различные подшипниковые опоры [1], [2], [3].

Техническое состояние подшипников скольжения может быть охарактеризовано большим количеством различных диагностических параметров, которые подразделяются на две основные группы: прямые (внутренние) и косвенные (выходные).

Используют методы диагностирования подшипников по прямым параметрам:

- по структурным параметрам деталей;

- дефектоскопические;

- по структурным параметрам собранного подшипника.

Однако применение методов диагностирования по прямым параметрам требует остановки оборудования, поэтому при непрерывном производстве данные методы неприемлемы.

Выделяют методы диагностирования подшипников по выходным параметрам:

- по механико-молекулярным, характеризующим продукты износа (по концентрации металлических продуктов износа в смазке, по физикохимическим свойствам отработанной смазки, поверхностной активации);

- по параметрам, характеризующим работу подшипника (субъективная оценка шума, механические методы, тепловые, виброакустические методы, электрические методы).

Наиболее эффективное решение задач диагностирования обеспечивают методы диагностирования по электрическим характеристикам трибосопряжения, основываясь на зависимости технического состояния подшипника от параметров смазочного слоя в зоне трения. Они обладают следующими преимуществами: простота реализации, безынерционность, воз-

можность получения информации непосредственно из зон трения.

Сущность электрических методов заключается в использовании в качестве диагностических параметров электрических характеристик зон трения. Построение того или иного метода основывается на представлении узла трения в виде некоторой модели

- эквивалентной электрической схемы замещения. С этой точки зрения, гидродинамический подшипник скольжения представляет собой две цилиндрических токопроводящих поверхности, разделенные смазочным слоем. При этом он ведет себя либо как генераторный, либо как пассивный преобразователь. В первом случае измеряется индуцированное значение электродвижущей силы (ЭДС), и по разности потенциалов в трущемся контакте судят о состоянии последнего. Однако такие недостатки, как невысокие помехозащищенность и воспроизводимость результатов вследствие малых генерируемых ЭДС, делают невозможным использование генераторных методов в промышленных условиях.

Использование электрических методов подразумевает подключение в цепь внешнего источника с ЭДС значительно превосходящей ЭДС, генерируемую самим узлом. При вращении шейки вала между ней и поверхностью вкладыша образуется слой смазочной пленки, разделяющей трущиеся поверхности. Электрические параметры образующейся зоны трения - поверхность вкладыша - смазочный слой -поверхность шейки вала, - комплексно характеризующей качество объекта диагностирования, обеспечивают количественную оценку и могут эффективно использоваться в качестве диагностических.

Электрическое сопротивление смазочного слоя подшипника зависит от совокупности большого количества реальных факторов, характеризующих как сам подшипник, так и работу системы смазки. При этом в реальных условиях эксплуатации данные факторы непрерывно меняются, вследствие чего функция изменения сопротивления подшипника во времени носит случайный характер и содержит постоянную и детерминированные составляющие. Основными оставляющими электрического сопротивления

подшипника Яэ считаются сопротивление стягивания Лст и сопротивление смазочной пленки Ясп.

и 0

1 Ти -1 ,

Активное сопротивление смазочной пленки определяется:

к

Ясп - Ргп ~

где ргп - удельное сопротивление граничной смазочной пленки.

Сопротивление стягивания определяется:

Лст =Р

(

1

32

32

3 р2 г

где пп - число пятен контакта в контактной зоне, пк - число групп пятен металлического контакта (кластеров), гс - радиус контура, охватывающего совокупность кластеров.

Среднее электрическое сопротивление подшипника (методы среднего напряжения и среднего тока) определяется следующей формулой:

1 Ги -1 ,

где Л(Х) - мгновенное значение сопротивления; Ти -время измерения (усреднения) [4]. Данный параметр оценивает общее состояние подшипника скольжения в целом. Он наиболее просто реализуем с технической точки зрения. Как правило, появление дефекта характеризуется уменьшением толщины смазочной пленки и, следовательно, уменьшением Лср. Встречаются и обратные ситуации. Например, у машины с жестким валом и несколькими опорами при разгрузке одной из них (проседание фундамента и т. п.) толщина смазочной пленки увеличивается. Однако в любом случае будет наблюдаться изменение толщины смазочного слоя, которое может служить сигналом возникновения нестандартной ситуации. Следует отметить, что для анализа должны рассматриваться временные участки информационного сигнала при работе подшипника со стационарной нагрузкой и постоянной скоростью вращения. Пример графика изменения среднего сопротивления подшипника скольжения в момент возникновения нестандартной ситуации (отслаивание баббита с образованием локального дефекта типа «впадина» во вкладыше) представлен на рис. 1. Значения сопротивления по оси ординат представлены в процентах от его максимального значения.

Среднее электрическое сопротивление подшипника (методы среднего напряжения и среднего тока) - наиболее распространенный диагностический параметр в силу простоты практической реализации.

где Л(/) - мгновенное значение сопротивления, Ти - время измерения (усреднения). На графике ниже (рис. 1) показано изменение среднего электрического сопротивления подшипника скольжения в момент возникновения нестандартной ситуации (отслаивание баббита с образованием локального дефекта типа «впадина» во вкладыше). Значения сопротивления по оси ординат представлены в процентах от его максимального значения.

К, %

X, мин

Рис. 1. График изменения среднего электрического сопротивления подшипника скольжения

Для реализации электрорезистивного метода в Череповецком государственном университете разработаны средства автоматизированного контроля для использования в производственных условиях [5], структурная схема которых представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема средств контроля

Вал агрегата 6 посредством типового щеточного узла подключен к нормирующему преобразователю-фильтру 2 и стабилизированному источнику тока 1, служащего для создания падения напряжения на опоре, в общем случае пропорциональному толщине смазочной пленки на вкладыше 7. Обычно на практике монтаж подобного узла не представляет собой трудности, поскольку открытые участки валопровода встречаются практически на всех агрегатах металлургического производства. Преобразователь-фильтр 2 служит для нормирования электрического сигнала и обрезания высокочастотных помех. К выходу устройства подключен аналого-цифровой преобразователь 3 с вычислительным устройством 4 и блоком

Кэ = Яст + Ясп

к

+

2

V ПП ГП

индикации 5. Роль последних может выполнять обычный персональный компьютер (ПК), однако в целях увеличения надежности рекомендуется использовать специализированный контроллер. Информация о текущем состоянии может выводиться непосредственно на ПК оператора или передаваться на сервер в корпоративной сети посредством стандартных протоколов и интерфейсов.

Физическая схема подключения измерительного оборудования зависит от конструкции контролируемого агрегата. Наличие изолированных опор скольжения и непроводящих электрический ток эластичных муфт позволяет, с одной стороны, получать сигнал только с требуемых трибосопряжений без лишних алгоритмов выделения требуемой информации, но, с другой стороны, для постоянного мониторинга требует увеличения количества измерительных каналов, что повышает стоимость оборудования. Кроме того, при наличии, например, двухопорных конструкций следует проводить параллельные измерения для двух подшипников.

Эффективность предложенного метода контроля и средств измерения подтверждена экспериментально в производственных условиях ЧерМК ОАО «Северсталь» на различных агрегатах. В настоящее время уже эксплуатируются сетевые стационарные системы мониторинга на базе электрорезистивного метода на коксохимическом производстве (участок биохимической очистки воды) и кислородном цехе, имеются локальные узлы контроля состояния подшипников на большинстве производственных участков.

Таким образом, наиболее универсальным и обладающим значительной помехозащищенностью является метод диагностирования, основанный на ис-

пользовании активного электрического сопротивления смазочного слоя. Данные метод основан на факте ухудшения состояния смазки и вызванное этим снижение электрического сопротивления зоны трения при ухудшении состояния подшипника независимо от конкретной причины. Методы данной группы работают при всех возможных режимах смазки, обеспечивают получение информации о толщине смазочной пленки, ее флуктуациях, шероховатостях рабочих поверхностей, количестве и виде поверхностных дефектов, величине дисбаланса ротора.

Литература

1. Антонычев, С.В. Вопросы технической диагностики станов холодной прокатки труб / С.В. Антонычев, Д.В. Поважный, А.Е. Яблоков // Производство проката. - 2005.

- № 6. - С. 31 - 35.

2. Антонычев, С.В. Приспособление для проверки технического состояния подшипников качения валковой сборки станов холодной прокатки труб на основе экспертной системы «СВК-Ариадна» / С.В. Антонычев, М.В. Савин, А.А. Аляев, А.В. Дубовцев // Производство проката. -2006. - № 1. - С. 41 - 44.

3. Ахмедшин, Р. И. Сетевые системы мониторинга и диагностики металлургического оборудования / Р.И. Ах-медшин, А.Г. Александров, П.Л. Алексеев // Производство проката. - 2007. - № 2. - С. 44 - 47.

4. Бирюков, Е.Н. Автоматизация контроля технического состояния опор скольжения агрегатов металлургического производства / Е.Н. Бирюков // Производство проката. - 2008. - № 2. - С. 35 - 40.

5. Подмастерьев, К.В. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения / К.В. Подмастерьев. - М., 2001.