Способ комплексной вибродиагностики подшипников качения и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к средствам диагностики и могут применяться в подшипниковой промышленности для контроля готовых изделий путем сравнения вибрационных характеристик моделей испытуемого подшипника и подшипника, служащего рабочим эталоном, с заданной математической моделью эталона, заложенной в вычислительном устройстве комплекса управления, контроля и диагностики. При вращении в трех скоростных режимах к испытуемым подшипникам применяют три вида нагрузок: радиальную, оксиальную и тангенциальную, создаваемые при вращении вала-ротора двухплоскостными асинхронными электрическими двигателями, при этом создается дисбаланс с помощью статических и динамических дисбалансных элементов, расположенных на валу-роторе. Технический результат состоит в обеспечении быстрого и достоверного получения результатов диагностики. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для диагностики и отбраковки подшипников качения.

Известны способы диагностики подшипников качения путем анализа их вибрационных характеристик. Известные способы реализуются с помощью устройств, например по а.с. СССР №312168, G01M 13/04, по патенту РФ №2032160, G01M 13/04, которые решают задачу снижения механических помех, воздействующих на испытуемый подшипник и понижающих достоверность испытания в процессе диагностики.

Наиболее близким к заявляемому объекту является известный способ и устройство для комплексной диагностики подшипников качения путем сравнения их вибрационных характеристик с приложением к вращающимся подшипникам нагрузки, заявка на выдачу патента РФ №2004108229, G01M 13/04. Известный способ включает установку подшипников в переналаживаемой оснастке испытательного стенда, вращение подшипников, прокачивание через подшипники смазочно-охлаждающей жидкости, приложение к подшипникам радиальной, осевой, при необходимости той и другой нагрузки одновременно, измерение величины вибрационных сигналов испытуемого подшипника, являющихся функцией износа его рабочих поверхностей для построения физической модели испытуемого подшипника, процедуры процесса диагностики в памяти ЭВМ и сравнения полученных результатов со значениями физической модели «эталонных» подшипников того же типа.

Устройство для осуществления этого способа содержит машину для испытания подшипников, головку с переналаживаемой оснасткой, содержащую объект диагностики и датчики для регистрации износа поверхностей качения, осевой и радиальной нагрузки на подшипники, вычислительное устройство с данными эталонного подшипника.

К недостаткам известного способа диагностики можно отнести сложность преобразований вычислительного процесса при диагностике с учетом фазовых изменений вибрационного сигнала во времени, а также зависимость физической эталонной модели, сформированной по вибрационным характеристикам, от условий испытаний: от точности датчиков, влияния разности режимов и сопутствующих помех.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в обеспечении быстрого и достоверного получения сравнительных вибрационных характеристик сигналов, поступающих от одновременно вращающихся подшипников качения (испытуемого и типового, служащего рабочим «условным» эталоном), под различными видами нагрузок в нескольких скоростных режимах, а анализ производят путем сравнения получаемых в процессе испытаний физических моделей вибрационных характеристик с заданной математической моделью, которая является истинно эталонной.

Технический результат достигается тем, что в известном способе комплексной диагностики подшипников качения на испытательной стендовой установке, включающем закрепление испытуемого подшипника в переналаживаемую оснастку испытательной стендовой установки, вращение подшипника с приложением к нему радиальной и осевой нагрузок, с измерением параметров, характеризующих режим и условия работы, величин вибросигналов, характеризующих состояние рабочих поверхностей подшипников, преобразование и регистрацию вибросигналов с дальнейшим формированием базы параметров физической модели испытуемого подшипника и сопоставлением их с эталонными, после чего отбраковывают испытуемые подшипники, при этом в процесс испытаний дополнительно вводят в качестве рабочего эталона типовой подшипник с формированием параметров его физической модели и производят анализ вибрационных характеристик испытуемого и типового подшипников в сравнении с заданной математической моделью, являющейся истинным эталоном. При этом процесс испытаний проходит с идентичными условиями для обоих подшипников, при размещения их на разных концах одного вращаемого вала-ротора они подвергаются одним и тем же нагрузкам, для этого вращение испытуемого и типового подшипников производят одновременно в трех скоростных режимах, а именно при разгоне с нарастающей скоростью вращения, при заданной регламентом испытаний постоянной скоростью и скоростью на выбеге: с заданным коэффициентом торможения, к подшипникам прилагают, кроме радиальной и оксиальной, тангенциальную нагрузку, которая при разгоне и выбеге может изменяться путем резкого изменения скорости вращения с переменным ускорением, причем вращающуюся радиальную нагрузку для обоих подшипников регулируют с помощью статических и динамических дисбалансных элементов и поочередным включением дугостаторных двигателей.

Радиальная вращающаяся нагрузка по всему кругу катания тел качения по наружному кольцу испытуемого и типового подшипников создается путем увеличения действий дисбалансных элементов, нагрузочные усилия которых зависят от радиуса приложения, скорости вращения, массы и инерционности материала.

Ввиду того, что усилие воздействия вращающейся радиальной нагрузки от статических и динамических дисбалансных элементов по-разному зависит от скорости вращения вала-ротора, для повышения достоверности диагностики различных элементов подшипников предусмотрено три скоростных режима: разгон с переменным ускорением, вращение с заданной постоянной скоростью и выбег, т.е. плавное вращение под воздействием силы инерции.

Дополнительное введение в способ приложения тангенциальной нагрузки путем изменения частоты питающего напряжения двигателей позволит более точно определить дефекты отдельных элементов подшипников и повысить достоверность диагностики, например дефектов сепаратора.

Достоверность процесса диагностики подшипников в целом повышается за счет более точного измерения и анализа вибрационных характеристик испытуемого и типового подшипников путем сравнения их физических моделей с математической моделью, т.е. истинным эталоном, по которому производится отбраковка подшипников, т.к. ориентация на физическую модель типового подшипника в качестве эталона должной высокой достоверности не дает вследствие того, что вибрационные характеристики ее параметров формируются в процессе испытаний физического объекта и его физическая модель зависит от условий испытаний, например точности датчиков, влияния внешних и внутренних помех, колебаний температуры, влажности, изменение качества смазки и т.д.

Для осуществления предлагаемого способа комплексной диагностики подшипников качения разработано устройство, содержащее стендовую испытательную установку, которая включает переналаживаемую оснастку с установленными в ней испытуемым подшипником, датчики для измерения нагрузок и режимов работы установки, датчики для снятия диагностической информации - вибрационных характеристик параметров подшипника, комплекс управления, контроля и диагностики с вычислительным устройством, содержащий программу физической модели подшипника. При этом стендовая установка дополнительно снабжена типовым подшипником, который подвергается таким же нагрузкам, как и испытуемый, и с которого также снимаются вибрационные характеристики, оба подшипника расположены на одном полом валу-роторе, по обоим концам которого расположены переналаживаемые оправки для закрепления внутренних колец обоих подшипников и две кассеты для закрепления наружных колец, установленные подвижно и взаимодействующие с датчиками регистрации нагрузок, приводной механизм вала-ротора выполнен в виде дугостаторных двухплоскостных электрических асинхронных двигателей в количестве не менее двух, расположенных противоположно друг другу по окружности вала-ротора, причем электромагнитная система каждого двигателя имеет пазы с самостоятельными обмотками, расположенными перпендикулярно друг другу, для создания радиальной, оксиальной и тангенциальной нагрузок. Устройство дополнительно снабжено регулируемыми дисбалансными элементами, статическими, установленными на валу в местах закрепления подшипников, и динамическими - в виде инерционного материала, например песка, расположенного во внутренней полости вала-ротора. Комплекс управления, контроля и диагностики содержит математическую модель, параметры которой служат истинным эталоном при сравнении вибрационных характеристик физических моделей испытуемого и типового подшипников

Предлагаемая конструкция для проведения испытаний подшипников позволит реализовать описанный выше способ диагностики, оба подшипника находятся в идентичных условиях, при которых оба подшипника находятся по концам одного полого вала-ротора, с минимальным воздействием на них механических помех, которое обеспечивается дугостаторным асинхронным электродвигателем, не имеющим узлов трения, качения и стыковок с валом-ротором, снабжение комплекса управления программой математической модели эталонного подшипника позволит быстро и достоверно произвести сравнение с истинным эталоном.

Приводной механизм вала-ротора состоит из двух асинхронных дугостаторных электрических двигателей с двумя обмотками, направления вращаемых полей лежат в перпендикулярных плоскостях, что позволяет создавать все виды нагрузки: тангенциальную, радиальную и оксиальную, раздельно или одновременно для радиально упорных подшипников качения.

Динамический и статический регулируемые дисбалансные элементы обеспечивают равномерное распределение радиальной нагрузки по всему кругу катания тел качения по наружному кольцу подшипников, что исключает периодический принудительный поворот подшипников в переналаживаемых оправах наружных колец на 120 градусов перед каждым циклом испытаний, как у прототипа, это упрощает технологию, сокращает время испытаний и повышает достоверность испытаний.

Динамический дисбалансный элемент с ростом скорости постепенно балансирует вал-ротор и при определенной критической скорости происходит полное уравновешивание вала-ротора, это способствует ликвидации технологических резонансов, что повышает качество физической модели, т.е. достоверность испытаний (диагностики), также с ростом скорости вращения радиальная нагрузка от динамического элемента уменьшается, а от статического увеличивается.

На чертеже показана схема устройства для осуществления способа комплексной диагностики подшипников качения.

Устройство включает станину 1, на которой размещены две кассеты 2 с перенастраевыми оправами узлов закрепления наружных колец 3, типового 4 и испытуемого 5 подшипников, гнезда размещения датчиков для измерения трех видов нагрузок 6, 7, 8: радиальной нагрузки 6, оксиальной 7, тангенциальной 8, не менее двух дугостаторных двухплоскостных асинхронных двигателей 9, полого вала-ротора 10, по концам которого установлены переналаживаемые оправы узлов крепления внутренних колец обоих подшипников 11, подвижной плиты 12 с опорными стойками 13 и ограничивающими роликами 14. Устройство также содержит датчики положения вала-ротора 15, приводной механизм подвижной плиты 16, комплекс управления, контроля и диагностики процессом 17, датчик скорости вращения вала-ротора 18, датчики измерения вибрационных характеристик наружных колец обоих подшипников 19. Устройство снабжено статическими регулируемыми дисбалансными элементами 20 и динамическими дисбалансными элементами 21, его асинхронные двигатели 9 содержат основную обмотку 22 и дополнительную обмотку 23, а подвижная плита 12 снабжена датчиками положения плиты 24.

Процесс диагностики осуществляется следующим образом.

До начала процесса диагностики испытуемый подшипник 5 и типовой подшипник 4 устанавливаются на противоположных концах полого вала-ротора 10 в переналаживаемых оправах узлов крепления внутренних колец подшипников 11, затем наружные кольца подшипников вставляются в кассеты 2 путем надвига последних в переналаживаемые оправы узлов крепления наружных колец 3, далее с помощью приводного механизмы 16 опускается подвижная плита 12 вместе с опорными стойками 13, при этом закрепленные на стойках ограничивающие ролики 14 опускаются и тем самым разблокируют вращение вала-ротора 10.

Согласно программе, заложенной в вычислительном устройстве комплекса управления, контроля и диагностики 17, вал-ротор приводится во вращение с помощью дугостаторных двухплоскостных асинхронных двигателей 9, при этом двигатели 9 обеспечивают необходимые для диагностики три скоростных режима работы.

Статические регулируемые дисбалансные элементы 20, динамические дисбалансные элементы 21, основная обмотка 22 и дополнительная 23 дугостаторных асинхронных двигателей 9 обеспечивают вращающуюся радиальную нагрузку. Оксиальная нагрузка создается за счет дополнительных обмоток 23 двигателей 9, тангенциальная нагрузка создается путем резкого изменения скорости вращательного движения вала-ротора 10 с помощью основных обмоток 22 двигателей 9 при питании их напряжением переменной частоты.

Установленные на стендовой установке необходимые датчики фиксируют параметры (сигналы), которые передаются в комплекс 17 и таким образом обеспечивают контрольной и диагностической информацией вычислительное устройство комплекса 17, в котором параметры физической модели испытуемого подшипника и физической модели типового подшипника сопоставляются с заданной математической моделью подшипника (эталоном) согласно заложенной программе.

1. Способ комплексной вибродиагностики подшипников качения на испытательной стендовой установке, включающий закрепление испытуемого подшипника в переналаживаемую оснастку испытательной стендовой установки, вращение с приложением радиальной и оксиальной нагрузок одновременно или раздельно, измерение параметров, характеризующих режим и условия работы подшипников, величин вибросигналов, характеризующих состояние рабочих поверхностей подшипника, преобразование и регистрацию вибросигналов с дальнейшим формированием физической модели подшипника и сопоставление ее с эталонной, после чего отбраковывают испытуемые подшипники, отличающийся тем, что вращение испытуемого подшипника производят одновременно с типовым подшипником, служащим рабочим эталоном, в трех скоростных режимах, а именно при разгоне с нарастающей скоростью вращения, при заданной регламентом испытаний постоянной скорости и на выбеге с заданным коэффициентом торможения, при этом к вращающимся подшипникам одновременно или раздельно прилагают, кроме радиальной и оксиальной, вращающуюся радиальную и тангенциальную нагрузку, регулируемую при разгоне и выбеге путем резкого изменения скорости вращения с переменным ускорением, радиальную вращающуюся нагрузку для обоих подшипников регулируют с помощью статических и динамических дисбалансных элементов, сравнение параметров физических моделей подшипников, получаемых в процессе испытаний, производят в сопоставлении с параметрами математической модели данного типа подшипников, служащей истинным эталоном.

2. Устройство комплексной вибродиагностики подшипников качения включает переналаживаемую оснастку с установленными в ней испытуемым подшипником, датчики для измерения нагрузок и режимов работы установки, датчики для снятия диагностической информации - вибрационных характеристик параметров подшипника, комплекс управления, контроля и диагностики с вычислительным устройством, содержащим программу эталонной модели подшипника, отличающееся тем, что стендовая установка дополнительно включает установленный в ней типовой подшипник в качестве рабочего эталона, полый вал-ротор, с обоих концов которого расположены переналаживаемые оправки для закрепления внутренних колец обоих подшипников и две подвижные кассеты для закрепления наружных колец, взаимодействующие с датчиками регистрации нагрузок, приводной механизм вала-ротора выполнен в виде дугостаторных двухплоскостных электрических асинхронных двигателей в количестве не менее двух, расположенных противоположно друг другу по окружности вала ротора, причем электромагнитная система каждого двигателя имеет пазы с самостоятельными обмотками, расположенными перпендикулярно друг другу, для создания радиальной, оксиальной и тангенциальной нагрузок, при этом устройство снабжено регулируемыми дисбалансными элементами, статическими и динамическими, статические установлены на валу в местах закрепления подшипников, а динамические - в виде инерционного материала, расположены во внутренней полости вала-ротора, причем вычислительное устройство комплекса управления, контроля и диагностики содержит математическую модель, как истинный эталон для сравнения вибрационных характеристик физических моделей испытуемого и типового подшипников.