Способ идентификации диссипативных характеристик подшипников

Изобретение относится к области измерительной и испытательной техники и предназначено для использования при исследованиях подшипников качения, скольжения и подшипниковых узлов в приборостроении, машиностроении и электромашиностроении. Изобретение направлено на повышение точности измерений. Согласно изобретению при осуществлении способа идентификации диссипативных характеристик подшипников одно из колец подшипника 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, измеряют переменный ток во второй обмотке. При этом дополнительно измеряют 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. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной и испытательной технике и предназначено для использования при исследованиях подшипников качения, скольжения и подшипниковых узлов в приборостроении, машиностроении и электромашиностроении.

Известен способ идентификации диссипативных характеристик подшипников, при котором нагружают одно из колец подшипника радиальной силой, а другое 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 G 01 N 19/02).

Известен способ идентификации диссипативных характеристик подшипников, при котором нагружают одно из колец подшипника радиальной силой, а другое вращают с постоянной рабочей частотой, изменяют направление действия радиальной силы в направлении вращения кольца вначале с частотой, равной частоте вращения кольца, а затем с частотой, равной нулю, при каждой частоте измеряют среднеквадратическое значение переменной составляющей и среднее значение нормированного интегрального времени электрического контактирования в подшипнике, 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 G 01 M 13/00, 13/04. Способ контроля качества подшипников качения / К.В.Подмастерьев. - Опубл. 10.06.2001).

При реализации известных способов диссипативные характеристики подшипников: момент силы трения или коэффициент трения оцениваются при вращении одного из колец подшипника 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 подшипников при изменяющихся скоростях, соответствующих реальным условиям работы. Следовательно, известные способы не обеспечивают высокой точности определения диссипативных характеристик подшипников.

Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ идентификации диссипативных характеристик подшипников, при котором одно из колец подшипника 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, измеряют ток во второй обмотке, рассчитывают его первую и третью гармоники, амплитуду скорости колебаний, фазовый сдвиг между динамическими переменными, дополнительный момент, обусловленный высшими гармониками, и вычисляют момент силы трения по формуле

где J - момент инерции колеблющейся части;

ω - частота колебаний;

θ_m - амплитуда скорости колебаний;

М_д - добавочный момент электродвигателя;

I₁, I₃ - амплитуды соответственно первой и третьей гармоник тока;

ψ_m - конструктивный коэффициент, зависящий от обмоточных данных статора и характеристик постоянного магнита ротора;

ϕ - фазовый сдвиг между динамическими переменными (током и скоростью). (Копейкин А.И., Малафеев С.И. Идентификация характеристик трения в электромеханической системе // Проблемы технического управления в региональной энергетике. Сборник статей по материалам научно-технической конференции. - Пенза, Издательство ПТИ, 2000. - С.149-153).

Известный способ позволяет определить момент силы трения в подшипниках в условиях колебаний, благодаря чему обеспечивается учет сложной нелинейной зависимости момента силы трения от скорости во всем диапазоне изменения скорости движения. Однако известный способ, во-первых, основан на использовании в расчетах только первой и третьей гармоник тока и не учитывает другие высшие гармонические составляющие тока, кроме третьей, во-вторых, предполагает точное измерение первой и третьей гармоник тока и дополнительного момента М_д, погрешности определения которых зависят от множества неконтролируемых факторов, и, в-третьих, обеспечивает высокую точность измерений только при постоянстве ψ_m и J, которые в процессе измерений могут изменяться.

Следовательно, недостаток известного способа идентификации диссипативных характеристик подшипников - низкая точность измерений.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе идентификации диссипативных характеристик подшипников, при котором одно из колец подшипника 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 ток во второй обмотке, дополнительно измеряют 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.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые операции:

- измеряют угловую скорость колебаний ротора;

- 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.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения повышается точность измерения диссипативных характеристик подшипников за счет увеличения точности вычисления эквивалентного диссипативного коэффициента на основе измеренных значений переменного тока во второй обмотке и угловой скорости.

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 угловой скорости 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 на скорость 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 - испытуемый подшипник; 2 - синхронный электродвигатель, содержащий активный ротор с постоянными магнитами 3, первую 4 и вторую 5 обмотки на статоре; 6 - устройство нагружения подшипника радиальной силой; 7 - источник постоянного тока; 8 - датчик угловой скорости ротора; 9 - датчик тока (измерительный шунт); 10 - измерительный усилитель сигнала шунта; 11 - усилитель тока обмотки двигателя; 12 - регулятор скорости двигателя; 13 - блок задания скорости двигателя; 14 - вычислительное устройство.

В соответствии с предлагаемым способом идентификации диссипативных характеристик подшипников, при котором одно из колец подшипника 1 нагружают постоянной радиальной силой с помощью нагружающего устройства 6, а другое 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 11, измеряют переменный ток во второй обмотке 5 с помощью датчика тока (шунта) 9 и измерительного усилителя сигнала шунта 10, измеряют угловую скорость с помощью датчика угловой скорости 8 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 с помощью вычислительного устройства 14. Задание скорости и частоты колебаний осуществляется с помощью блока задания 13, стабилизация параметров колебаний производится с помощью регулятора 12, на один из входов которого подается сигнал с выхода блока задания 13, 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.

Для решения уравнения (1) воспользуемся методом энергетического баланса, т.е. заменим нелинейный момент эквивалентным в энергетическом отношении линейным моментом . Коэффициент β_э 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 (Копейкин А.И., Малафеев С.И. Управляемые электромеханические колебательные системы. - Владимир, Посад, 2001. - 128 с.)

M(t)=ki,

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:

Вычисление эквивалентного диссипативного коэффициента β_э по формуле (4) производится в вычислительном устройстве 14, для реализации которого может использоваться микроконтроллер.

Таким образом, для определения эквивалентного диссипативного коэффициента используются результаты измерений только двух переменных - тока и скорости, 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 подшипников качения №27 с наружным диаметром внешнего кольца 22 мм и посадочным диаметром внутреннего кольца 7 мм показала, что погрешность измерений не превышает 0,5%.

Таким образом, использование в известном способе идентификации диссипативных характеристик подшипников, при котором одно из колец подшипника 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, 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 на скорость к среднему за период колебаний квадрату скорости позволяет повысить точность определения эквивалентного диссипативного коэффициента.

Использование предлагаемого способа в приемочных и научно-исследовательских испытаниях подшипников позволит повысить точность и эффективность идентификации диссипативных характеристик.

Способ идентификации диссипативных характеристик подшипников, при котором одно из колец подшипника 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, отличающийся тем, что дополнительно измеряют 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.