СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
1. МЕТОДЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИБРАЦИЙ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ.
1.1. Способы диагностирования шарикоподшипников.
1.2. Способы обработки виброакустических сигналов.
1.3. Используемые характерные диагностические признаки возникнове-ния неисправностей подшипников.
1.4. Математические модели, описывающие колебания подшипников качения.
1.5. Цели и задачи исследования.
%
I И.«-,.? . :■
2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАДИАЛЬНОГО ШАРИКОПОДШИПНИКА НА ПРИВОДНОЙ УСТАНОВКЕ.
2.1. Математическая модель, радиального шарикоподшипника на приводной установке КВП-3.
2.2. Определение упругих коэффициентов математической модели.
2.3. Методы геометрической идентификации параметров модели.
2.4. Выводы по главе.
3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРОУСКОРЕНИЙ ПОДШИПНИКОВ.
3.1. Разработка методики численного интегрирования динамики радиальных шарикоподшипников:
3.2. Численное исследование динамики подшипников. Определение влияния отклонений профиля деталей на динамику подшипников.
3.3. Оптимизация диссипативных параметров модели методом квадратичного планирования численного эксперимента.
3.4. Выводы по главе.
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОДШИПНИКОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ШАРИКОВ.
4.1. Определение критериев качества изготовления шариков при постоянной частоте вращения шпинделя.
4.2. Определение критериев качества изготовления шариков при переменной частоте вращения шпинделя.
4.2. Вибродиагностика тел качения в подшипнике методом стробирова-ния виброакустического сигнала.
4.4. Диагностика наличия дефектов колец подшипника с помощью стандартной виброизмерительной аппаратуры.
4.3. Выводы по главе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. ПРИЛОЖЕНИЕ.
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящей работе рассматриваются проблемы, связанные с вибродиагностикой радиальных шарикоподшипников и их деталей на стадии производства. Обеспечение заданных уровней вибрации подшипников является одной из важных задач, так как в этом случае определяется качество всего изделия в целом. Силы, которые возникают в точке контакта при наличии неровностей поверхностей качения, прямо пропорциональны колебательному ускорению, поэтому для целей диагностики подшипников используется виброускорение. За переход вибрации в шум отвечает колебательная скорость, которая прямо пропорциональна звуковому давлению в воздухе около вибрирующей поверхности. Поэтому и нормы на вибрацию, как правило, ограничивают колебательную скорость машин и оборудования. Наибольшее влияние виброускорения сказывается на частотах выше 1 ООО Гц, где любой механизм не колеблется как единое целое, и достаточно небольших сил для возбуждения вибрации. Сложность виброакустических сигналов, генерируемых подшипниками, не позволяет достоверно судить о характере Имеющихся дефектов изготовления деталей подшипника, особенно если это малошумные подшипники, для которых не характерно резкое изменение состава виброакустического сигнала. Часто на заводе-изготовителе возникает вопрос о наиболее значимых факторах, оказывающих влияние на виброакустические характеристики подшипников. Детали малошумных подшипников, как правило, не имеют единичных дефектов, а также отклонений профиля, амплитуда которых соизмерима с их длиной волны. Поэтому используются способы диагностирования качества каждой детали отдельно, с целью определения ее пригодности для последующей сборки и обес-печения, заданных виброакустических характеристик подшипников. Применение данного метода может быть оправдано при производстве подшипников.
Разработанные способы определения геометрических отклонений профиля шариков с помощью приводной установки КВП-3 обладают повышенной
чувствительностью к дефектам, отношение амплитуды которых к длине волны находится в пределах 0,002-0,01. Измерения производятся с помощью пьезоэлектрического датчика с использованием стандартного виброизмерительного прибора или электродинамического датчика виброскорости совместно с АЦП и специальной программы. При использовании данных способов в производстве возникает необходимость проведения дополнительных исследований и определения допустимых значений, определяющих качество деталей малошумных подшипников. Поэтому разработка и создание методов исследований шарикоподшипников и их деталей актуальна для подшипниковой промышленности.
Цель работы: повышение эффективности диагностики подшипников качения при выходном контроле на заводе-изготовителе на основе исследования динамики, в зависимости от упругих и вязких характеристик, разработка методики диагностирования подшипников.
Для реализации поставленной цели следует обеспечить выполнение следующих задач:
- разработка математической модели подшипников качения при испытании на установках выходного контроля, учитывающей радиальные колебания наружного кольца подшипника;
- идентификация геометрических и динамических параметров модели;
- определение факторов, оказывающих влияние на виброакустические характеристики подшипников качения на основе численного эксперимента;
- разработка методики численного моделирования динамики подшипников;
- разработка методики диагностирования деталей подшипников;
- выявление диагностических признаков, позволяющих по выходному виб-роакустическому сигналу устанавливать дефектные поверхности качения подшипников.
Методика исследования. Колебательная диагностическая модель подшипника построена на основе законов теоретической механики, теории нели-
6
нейных колебаний и динамики машин. Для решения системы дифференциальных уравнений второго порядка используется метод интегрирования Рунге-Кутта. Обработка выходных сигналов производится с использованием быстрого преобразования Фурье, дифференцирования и интегрирования сигналов. Для определения качества тел качения в подшипнике применяется метод стро-
бирования виброакустического сигнала. Дефектность колец устанавливается по
♦
средневзвешенной частоте полигармонического сигнала виброускорения и виброскорости.
Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных виброизмерительных приборов, допускающих измерение вибрации в 3-х полосах частот: 50-300, 300-1800, 1800-10000 Г'ц и по общему уровню 50-10000 Гц. Для представления виброакустических сигналов в ЭВМ использован аналого-цифровой преобразователь, используемый при диагностике подшипников качения и их деталей на ОАО «АПЗ-20» г. Курск.
Научные положения, выдвигаемые,на защиту:
1. Новая математическая нелинейная упруго-вязкая модель подшипника на установке выходного контроля.
2. В целях диагностики для качественного и количественного исследования радиальных колебаний подшипников достаточно рассмотреть движение одного шарика в подшипнике.
3. Разработанный способ диагностики в каждого шарика в подшипнике методом стробирования виброакустического сигнала, а также способ диагностики качества колец, основанный на определении средневзвешенной частоты сигнала виброускорения и виброскорости подшипника.
4. Установлено, что на вибрацию подшипников оказывает влияние качество поверхностей качения, поэтому предложено для описания свойств контактирующих поверхностей использовать среднеквадратические значения, полученные путем фильтрации перестраиваемыми фильтрами сигнала от образцовой поверхности.
7
Хорошая сходимость спектров, а также среднеквадратических значений виброускорений подшипников, полученные при теоретическом и экспериментальном исследовании, позволяют судить о степени достоверности предложенных способов исследования динамики подшипников.
Научная новизна. Разработана новая математическая модель, учитывающая погрешности изготовления деталей подшипников на основе положений теоретической механики и теории нелинейных колебаний. На основе изучения временных реализаций подшипников разработан способ диагностики каждого шарика в подшипнике методом стробирования виброакустического сигнала, при исключении влияния дефектов колец, а также по результатам исследования установлено, что уменьшение средневзвешенной частоты сигнала виброускорения и виброскорости связано с дефектностью поверхностей качения колец подшипников.
Практическая _ценн_ость. Разработана исследовательская программа для численного моделирования виброхарактеристик подшипников в зависимости от отклонений профиля деталей. Разработаны способы для определения дефектных шариков и установления дефектности колец в подшипнике. Определен критерий для разработки допустимых отклонений профиля шариков. Внедрена установка для диагностики качества поверхности тел качения с регулируемым приводом на ОАО «АПЗ-20» г. Курск.
Реализация работы. Результаты работы использованы в лаборатории виброакустики отдела главного конструктора на ОАО «АПЗ-20» (г. Курск) при выполнении исследований виброакустических характеристик подшипников, диагностике качества поверхностей качения деталей подшипников.
Апробация работы. Результаты исследований, нашедшие свое отражение в данной работе, докладывались на III, IV Международной конференции "Вибрационные машины и технологии" (Курск, 1997,1999), международном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного дей-
♦
ствия» (Орел, 2000).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех
«
глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст состоит из 100 стр., включая 54 рисунка и 7 таблиц, список литературы, содержащий 86 наименований, а также приложение на 48 страницах.
Автор выражает признательность за большую помощь и содействие в написании диссертации своему научному руководителю Яцуну С.Ф., сотрудникам кафедры теоретической механики Лушникову Б.В., Мищенко В.Я., Локтионовой О.Г, Уваровой Н.П., а также Лукину Л.В, руководящим работникам и служащим АО ВНИПП Самохину О.Н., Варламову Е.Б., руководящим работникам и служащим ОАО «ДПЗ-20» Гололобову В.В., Барсуку В.И., Мотрию Ю.М, Сошникову А.И., Луневу А.Ю., Гутману И.Х, Седых Л.И., Глотову В.А, Агибаловой С.В., Акулову Л.И.
В первой главе анализируются опубликованные работы по теме диссертации, приводятся причины возникновения шума и вибрации подшипников. Обращается внимание на опыт применения способов обработки сигналов и связанных с ними диагностических критериев качества подшипников. Приводятся существующие математические модели, описывающие динамику подшипников. Сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе разрабатывается математическая модель радиального шарикоподшипника на приводной установке. Определяются упругие силы, действующие в контакте, геометрические параметры отклонений профиля деталей подшипников.
В третьей главе рассматриваются способы численного решения уравнений динамики. Разработан метод представления отклонений профиля поверхностей качения. Исследуется также влияние геометрических отклонений профиля на виброускорение подшипника. На основе квадратичного планирования эксперимента определяются диссипативные коэффициенты модели.
В четвертой главе основное внимание направлено на экспериментальные исследования качества шариков, предлагаются допустимые отклонения профи-
ля по волнистости, основанные на использовании контрольной образцовой поверхности. Рассматривается .способ диагностики качества каждого шарика в подшипнике методом стробирования виброакустического сигнала. Также предлагается способ, который позволит устанавливать дефектность колец при использовании стандартной виброизмерительной аппаратуры.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи.
10
1. МЕТОДЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ
КАЧЕНИЯ. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИБРАЦИЙ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ.
Подшипник качения - это механизм, в котором нагрузка передается через точечный или линейный контакты. В узлах машин, там, где это, возможно, стараются заменить трение скольжения, при котором нагрузка передается через большие поверхности, трением качения. Однако использование подшипников качения приводит к тому, что параметры узла машины, как, например уровень шумов и вибраций оказываются повышенными. Это приводит к ухудшению точности вращения, увеличению тепловыделения и снижению срока службы подшипникового узла в целом. Кроме того, упругие волны от колец подшипников распространяются вдоль элементов конструкции и приводят к дополнительным колебаниям других узлов механизма. При этом возникают нежелательные резонансные колебания. Поэтому необходимо уменьшать уровни вибраций подшипников качения на стадии их изготовления. Для решения поставленной задачи следует определять качество поверхностей качения перед сборкой подшипников, расчет виброакустических характеристик подшипников выполнять методами математического моделирования, для решения дифференциальных уравнений динамики подшипников использовать численные методы.
Диагностика состояния подшипников может осуществляться путем контроля его вибрационных или шумовых характеристик, параметров масляной пленки, температуры, момента сопротивления вращению. В этих случаях контроль производится без разборки подшипника и для получения достоверной информации требуется использовать эффективные методы обработки сигналов, полученных от первичных преобразователей.
Для успешного решения подобной задачи требуется более глубокое знание свойств объекта диагностирования, которое требует привлечения многих наук: динамики твердых тел, теории упругости, химии смазочных материалов,
физики быстропрогекающих процессов и др.
После проведения испытаний исследователь, как правило, располагает выходной реализацией изменения какого - либо параметра системы во времени. Данная реализация содержит зачастую избыточную информацию об объекте измерения и разделить ее, то есть, решая обратную задачу, не всегда удается методами обработки сигналов и математического анализа. Поэтому целесообразнее решать прямую задачу, то есть осуществление разделения объекта диагностики на составные части, измерение параметров каждого элемента изделия в отдельности, и включение их в диагностическую модель системы. Данный способ может быть рекомендован для широкого класса изделий, таковыми являются подшипники качения. После разработки математической модели необходимо проверить соответствие ее выходных характеристик выходным характеристикам изделия, полученным в ходе эксперимента.
Исследования вибрации подшипников качения представлены в работах российских и зарубежных ученых. Трейер В.Н. еще в 30-х годах сформулировал основные положения вибрации подшипника /63/. Он считал, что отступление деталей от их идеальной геометрической формы ведет к возникновению перегрузок и повышенной деформации деталей. Эти перегрузки вызывают по-явление сил, возбуждающих собственные колебания деталей подшипников, которые затухают в зависимости от механических свойств материала, из которых детали изготовлены, и под влиянием внешних сил, приложенных к ним.
Теория вибрации была развита В.Ф. Журавлевым на двух шариковых подшипниках, собранных с предварительным натягом и имеющие технологические отклонения формы /30/. Он предложил формулы для расчета жесткостей подшипниковых узлов, расчет спектра и уровней вибрации. Согласно его теории вибрации, если считать, что имеется некруглость и волнистость на одном кольце, а на другом отсутствуют, то не все гармоники отклонения от круглости
ь
вызывают вибрацию, а лишь те, которые кратны числу шариков. К таким же выводам приходили и зарубежные ученые Т.Е. Таллиан и О.Г. Густафсон /80/.
Кюнленц К. и Штеггер Е. полагали, что шум в подшипнике обусловлен упругими собственными колебаниями его деталей, главным образом, наружного кольца /35, 69/. Волнистость желоба внутреннего кольца является причиной, вызывающей собственные колебания деталей подшипника. Ими предложен механизм возникновения вибраций подшипников: при вращении внутреннего кольца вследствие волнистости желоба расстояние между центрами тяжести тел качения в нагруженной зоне и внутреннего кольца периодически меняется в зависимости от числа оборотов и длины волны. При этом в направлении нормалей к дорожке качения появляются ускорения и силы, передаваемые затем на наружное кольцо. При достаточно большой частоте этих воздействий последнее побуждается к собственным колебаниям.
Авторами указывается, что если ускорение от волнистости желоба внутреннего кольца при максимальном числе оборотов подшипника не превышает
•у
10 м/с , то оно допустимо. Однако не приводятся в этом случае полученные уровни вибраций самого изделия.
Отмечается также, что волнистость желоба наружного кольца оказывает влияние на шумовые характеристики подшипника незначительно, так как при
шлифовании при одинаковой длине волны глубина проникновения шлифовального круга у наружного кольца меньше, чем у внутреннего. Предполагая волнистую синусоидальную форму деталей, Кюнленц дает формулу для радиального ускорения внутреннего кольца:
где а - половина высоты волны; со - круговая частота; х - радиус шарика;
И.М. Бразголь, Е.С. Кузнецова и К.С. Коган определили факторы /36/, оказывающие влияние на уровень вибрации подшипников:
-а- со1 -зт(су • х)
(1-1)
13
1. При радиальной нагрузке уровень зависит от неровностей рабочих поверхностей, зазора шариков в гнездах сепаратора, радиального зазора.
2. При осевой нагрузке определяется неровностями рабочих поверхностей.
Такие положения справедливы, поскольку радиальный зазор при достаточной осевой нагрузке отсутствует, и подшипник работает как достаточно жесткий механизм.
Юдин Ф.Ф. исследовал виброакустические характеристики подшипников в зависимости от технологических погрешностей деталей /72/. Им отмечается, что можно добиться стабильности уровней вибрации в партии, уменьшая величину разброса главных конструктивных технологических параметров. Ниже перечислены данные параметры:
1. Волнистость наружного кольца.
2. Волна внутреннего кольца.
3. Радиальный зазор.
4. Осевое биение торца внутреннего кольца на оправке.
5. Радиальное биение дорожки качения наружного кольца.
6. Конусность сепаратора!
7. Отклонения от номинала радиуса желоба наружного кольца.
Болотов Б.Е. отмечал, что частота мелькания шариков в нагруженной зоне в подшипниках колеблется от 50 до 600 Гц и поэтому мало влияет на общий шум /12/. С увеличением нагрузки (с 5 до 20 кГ) введение смазки оказывает меньшее влияние на снижение уровня вибрации. Им также отмечается, что при исследовании вибрации возникает необходимость в получении виброграмм S=f(t), которые наглядно позволяют увидеть проход каждого шарика нагруженной зоны.
I
Герасимова H.H. исследовала влияние волнистости и шероховатости на долговечность и вибрацию /25/. Ею отмечается, что волнистость внутреннего кольца более 0,5 мкм, в особенности, если она является наложенной на фан-ность, сильно увеличивает вибрацию. Однако далее отмечается, что гранность
- Київ+380960830922