Способ определения радиальных сил, действующих на вращающиеся валы в подшипниках

 

Использование: в измерительной технике при испытаниях машин и агрегатов в комрессоростроении и в других отраслях машиностроения. Сущность: в качестве измеряемых параметров подшипника используют контактное электрическое сопротивление между кольцами подшипника индицируемого вала и частоту вращения вала. Перед измерением параметров вал с подшипником устанавливают на тарировочный стенд. Воздействуют на подшипник тарировочной нагрузкой и, изменяя тарировочную нагрузку, снимает тарировочные характеристики определенной в функциональной зависимости. После этого вал с подшипником устанавливают на диагностируемую машину и задают рабочий режим. Измеряют рабочую частоту вращения вала и контактное электрическое сопротивление между кольцами подшипника индуцируемого вала. По тарировочным зависимостям определяют величину действующей нагрузки, а о радиальной силе, воздействующей на вал, судят из определенной аналитической зависимости. При этом контактное электрическое сопротивление измеряют путем контроля выходного напряжения во вторичной цепи пьезоэлектрического трансформатора с электрически подключенными к нему кольцами подшипника и с изменяющейся от электрических параметров нагружаемого подшипника величиной пьезонапряжения. Предлагаемый способ обеспечивает повышение надежности и удобство измерения за счет исключения силоизмерительных датчиков. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти широкое применение при испытаниях машин и агрегатов не только в компрессоростроении, но и в других отраслях машиностроения.

Известен способ определения радиальных сил, действующих на вращающиеся валы в подшипниках путем измерения механических напряжений специальных вкладышей и других элементов, на которых установлен вал [1].

Данный способ может быть использован лишь в том случае, когда напряженное состояние детали по проводимому сечению является близким к плоскому или линейному, так как только в этих условиях данные тензометрирования наружной поверхности могут быть распространены на все сечения. При трехмерном напряженном состоянии описанный способ может быть использован лишь при дополнительном экспериментальном определении главных напряжений для ряда точек, расположенных внутри детали, откуда очевидно, что рассмотренный способ, основанный на преобразователях "сила-деформация", сложный, трудоемкий и неточный, требующий выполнения определенных условий для осуществления. Используемый принцип тензометрирования говорит о малой надежности способа, так как применяемые тензодатчики в условиях работы компрессорных машин подвергаются повышенным воздействиям вибраций и температуры в этих условиях возможны отрывы наклеенных тензодатчиков ввиду постоянного присутствия смазочного масла.

Известен способ определения радиальных сил, действующих на вращающиеся валы в подшипниках, основанные на преобразователях типа "сила-перемещение". Определение радиальной силы, действующей на подшипник ротора, например, винтового компрессора, производится путем измерения прогибов специальных упругих элементов и манжетных колец, размещенных между наружным кольцом опорного подшипника и корпусом компрессора. Измерение величины прогибов колец нагруженного ротора осуществляется измерительными датчиками линейных перемещений индуктивного типа [2].

В данном случае определяют величины прогибов упругих элементов по главным осям вала с подшипником. Конструктивные особенности упругих и манжетных колец в измерительной системе способа не позволяют с высокой точностью производить регистрацию радиальных сил, действующих на вращающиеся валы в подшипниках.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению, является способ определения радиальных сил, действующих на роликовый подшипник, заключающийся в измерении параметров подшипника, изменяющихся под воздействием на вал нагрузки [3].

В данном способе измеряют механические напряжения наружного кольца подшипника, от воздействия на него нагрузок. В силоизмерительных подшипниках указанного типа деформация кольца, воспринимаемая смонтированным на нем тензорезистором, зависит от расположения роликов относительно тензорезистора. Выходной сигнал такого подшипника периодически изменяется достигая максимума, тогда ролик в пределах измерительной базы тензорезистора, и минимума, когда база тензорезистора находится между двумя роликами. В этом случае на индикаторе, на выход которого подается предварительно усиленный выходной сигнал тензорезисторов, фиксируется изображение периодически изменяющейся функции, что затрудняет непосредственную оценку значения измеряемой нагрузки.

Тензометрирование наружного кольца в реальных компрессорах имеет ряд существенных недостатков и в первую очередь резкое падение надежности при работе тензодатчиков в среде горячего масла, применяемого для смазки подшипников. Эти факторы низкой надежности измерения радиальных сил, действующих на вращающиеся валы в подшипниках.

Цель изобретения - повышение надежности и удобства измерения за счет исключения силоизмерительных датчиков.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в измерении параметров подшипника, изменяющихся под воздействием на вал нагрузки, в качестве измеряемых параметров подшипника используют контактное электрическое сопротивление между кольцами подшипника индицируемого вала и частоту вращения вала, перед измерением параметров вал с подшипником устанавливают на тарировочный стенд, воздействует на подшипник тарировочной нагрузкой, и, изменяя тарировочную нагрузку, снимают тарировочные характеристики в функциональной зависимости: ρ_ij=f(Q_i,ω_j) , где ρ_ij - контактное электрическое сопротивление; ω_j - частота вращения вала; Q_i - тарировочная нагрузка, после этого вал с подшипником устанавливают на диагностируемую машину и задают рабочий режим, измеряют рабочую частоту вращения вала и контактное электрическое сопротивление между кольцами подшипника индуцируемого вала, по тарировочным зависимостям определяют величину действующей нагрузки, а о радиальной силе, воздействующей на вал, судят из аналити- ческой зависимости R_ϕ = 0,79 · sinϕ , где Q_из - измеренная действующая нагрузка на вращающийся вал, кгс; Z _ϕ - расстояние между точкой на наружной поверхности вала по направлению его главной оси и точкой воздействия радиальной силы R _ϕ , м; r - радиус вала, м, при этом контактное электрическое сопротивление измеряют путем контроля выходного напряжения во вторичной цепи пьезоэлектрического трансформатора с электрически подключенными к нему кольцами подшипника и с изменяющейся от электрических параметров нагружаемого подшипника величиной пьезонапряжения.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве, блок-схема которого представлена на фиг.1.

На фиг.2 показана эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрического трансформатора.

На фиг.3 - эпюра распределения нагрузки на подшипник.

На фиг. 4 изображены тарировочные характеристики подшипника в функции изменения контактного электрического сопротив- ления между кольцами подшипника от воздействия на вал нагрузки Q и частоты вращения вала ω.

Устройство на фиг. 1 содержит корпус 1, в котором установлен вал 2 с подшипником 3, токосъемник 4, жесткосвязанный с валом 2, паз 5, выполненный на валу 2, датчик частоты 6 вращения вала, например, вихретоковый, импульсный преобразователь 7, частотомер 8, автогенератор 9, пьезоэлектрический трансформатор 10, преобразователь напряжения 11, регистрирующий прибор 12, например, самописец и разделительный конденсатор 13. Датчик частоты 6 вращения вала ориентирован относительно паза 5 и через импульсный преобразователь 7 подключен к частотомеру 8. Кольца подшипника электрически подключены к выходу пьезотрансформатора 10. Первичная пара электродов пьезотрансформатора 10 включена в электрическую цепь автогенератора 9. Электрические колебания автогенератора обеспечиваются на резонансной частоте пьезоэлемента. Размеры пьезоэлемента выбираются из условия его собственной резонансной частоты в диапазоне 100-200 кГц. Контроль величины изменения напряжения на выходе пьезотрансформатора 10 осуществляется измерительным прибором 12.

Пьезоэлемент с разделенными токосъемными покрытиями является пьезоэлектрическим трансформатором, зависящим от площадей покрытий. Работа пьезотрансформатора основана на том, что, если на одну из пар электродов подать переменное напряжение с частотой, равной резонансной частоте пьезоэлемента, в пьезоэлементе возбуждаются механические колебания и на второй паре электродов, вследствие прямого пьезоэффекта, появляется переменное напряжение той же частоты, что и подаваемое.

Работа устройства по фиг.1, реализующий способ определения радиальных сил, действующих на вращающиеся валы подшипников, заключается в следующем.

Известно, что трение шарика о кольцо подшипника определяется полем скорости в области контакта и толщиной пленки масла. Толщина пленки в контакте зависит от нагрузки или давления на контакт и скорости качения шариков. Вязкость в контакте шарик-кольцо, вследствие ее экспериментальной зависимости от давления значительна, а толщина мала. Последнее приводит к тому, что проскальзывание шариков о дорожки качения вызывает изменение контактного сопротивления шариков о кольца подшипника. Контактное сопротивление представляет собой электрическую емкость с активным сопротивлением.

В основе работы устройства положен эффект изменения коэффициента трансформации пьезоэлемента за счет изменения электрической емкости подшипника, параллельно подключенная к выходу пьезотрансформатора, эквивалентная электрическая схема которого изображена на фиг.2, где обозначены: R_г- активное сопротивление генератора 9; R_н - активное сопротивление нагрузки;
С_ц и С_к - входная и выходная эквивалентные статические емкости электродов пьезоэлемента;
R,L, С - эквивалентные параметры механической колебательной системы;
L_т - трансформаторный эквивалент связи пьезоэлемента с коэффициентом трансформации:
n ≈ , где С_р - развязывающая электрическая емкость;
С_п - электрическая емкость между кольцами подшипника 3, изменяющаяся от приложенной на вал нагрузки Q.

Коэффициент трансформаторной измерительной системы
n ≈ , где C_вых = C_к+ , С_вх=С_ц, С_вых=F(Q).

Т.е., если на вход пьезотрансформатора подать переменное напряжение резонансной частоты пьезоэлемента, то в результате воздействия нагрузки на подшипник будет изменяться коэффициент трансформации пьезоэлемента, по изменению выходного напряжения которого судят о величине контактного сопротивления подшипника
ρ=F(Qω ) ->C_п ->n ->ΔU_вых.

В предлагаемом способе в начале вал 2 с подшипником 3 устанавливают на тарировочный стенд. Подключают приборы в соответствии с функциональной схемой фиг. 1. Балансируют входную электрическую цепь прибора 12 и выставляют исходное измерительное положение. После того, как вал 2 приведут во вращательное движение на него воздействуют тарировочной нагрузкой Q. Изменяя тарировочную нагрузку Q снимают тарировочные характеристики в функциональной зависимости:
ρ_ij=f(Q_i,ω_j) , где ρ_ij - контактное электрическое сопротивление;
ω_j - частота вращения вала;
Q_i - тарировочная нагрузка.

Измерение ρ_j производят следующим образом. С помощью паза 5, вихретокового датчика 6, импульсного преобразователя 7 и частотомера 8 регулируют частоту вращения вала 2. В момент прохождения паза 5 в зоне датчика 6 происходит изменение электрического параметра датчика, это приводит к формированию на выходе преобразователя 7 импульсов напряжения, которые поступают на вход частотомера 8. При воздействующей на вал 2 нагрузки Q_i дискретно устанавливают значения частоты ω_j и с помощью регистрирующего прибора 12 измеряют выходное напряжение пьезотрансформатора 9, величина которого пропорциональна изменению емкости подшипника 3, т.е. контактное электрическое сопротивление измеряют путем контроля выходного напряжения во вторичной цепи пьезоэлектрического трансформатора с электрически подключенными к нему кольцами подшипника и с изменяющейся от электрических параметров нагружаемого подшипника величиной пьезонапряжения.

Строят тарировочные характеристики ρ_ij=f(Q_i,ω_j)(см.фиг.4). После этого вал с подшипником устанавливают на диагностируемую машину и задают рабочий режим. Измеряют рабочую частоту ω_рвращения вала и контактное электрическое сопротивление ρ_из между кольцами подшипника.

По измеренным значениям частоты вращения вала ω_р и контактного электрического сопротивления ρ_из подшипника на индицируемом режиме величина действующей нагрузки Q_из определяется с использованием тарировочных зависимостей ρ_ij=f(Q_i,ω_j) (см.фиг.4). Для этого через начало ординат и точку М(ω_р ρ_из ) проводят кривую (пунктирная линия), после чего сопоставляя с ближайшими значениями семейства нагрузочных тарировочных зависимостей Q_i и Q_i+1 определяют Q_из.

О радиальной силе, воздействующей на вал, судят из аналитической зависимости (см.фиг.3):
R_ϕ = 0,79 · sinϕ , где Q_из - измеренная действующая нагрузка на вращающийся вал, кгс;
Z _ϕ - расстояние между точкой на наружной поверхности вала по направлению его главной оси и точкой воздействия радиальной сил R _ϕ , м;
r - радиус вала, м.

Данное изобретение по сравнению с прототипом повышает надежность и удобство определения радиальных сил при испытаниях машин и агрегатов широкого назначения.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ВРАЩАЮЩИЕСЯ ВАЛЫ В ПОДШИПНИКАХ, заключающийся в измерении параметров подшипника, изменяющихся под воздействием на вал нагрузки, отличающийся тем, что в качестве измеряемых параметров подшипника используют контактное электрическое сопротивление между кольцами подшипника индицируемого вала и частоту вращения вала, перед измерением параметров вал с подшипником устанавливают на тарировочный стенд, воздействуют на подшипник тарировочной нагрузкой, и, изменяя тарировочную нагрузку, снимают тарировочные характеристики в функциональной зависимости
ρ_ij = f (Q_i ω_j ) ,
где ρ_ij - контактное электрическое сопротивление;
ω_j - частота вращения вала;
Q_i - тарировочная нагрузка,
после этого вал с подшипником устанавливают на диагностируемую машину и задают рабочий режим, измеряют рабочие частоту вращения вала и контактное электрическое сопротивление между кольцами подшипника индицируемого вала, по тарировочным зависимостям определяют величину действующей нагрузки, а о радиальной силе, воздействующей на вал, судят из аналитической зависимости
R_ϕ = 0,79 · sinϕ ,
где Q_из - измеренная действующая нагрузка на вращающийся вал, кГс;
L_ϕ - расстояние между точкой на наружной поверхности вала по направлению его главной оси и точкой воздействия радиальной силы R_ϕ , м ;
r - радиус вала, м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контактное электрическое сопротивление измеряют путем контроля выходного напряжения во вторичной цепи пьезоэлектрического трансформатора с электрически подключенными к нему кольцами подшипника и с изменяющейся от электрических параметров нагружаемого подшипника величиной пьезонапряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4