автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и средства поиска локальных дефектов при контроле опор качения

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПАХОЛКИН Евгений Васильевич

УДК 658.58+658.562]:620Л79Л.082.7

МЕТОД И СРЕДСТВА ПОИСКА ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ ПРИ КОНТРОЛЕ ОПОР КАЧЕНИЯ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

.0

■ч?" /г

/ I

Ут7/1

/ //! ЬГ \ I

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент ПОДМАСТЕРЬЕВ К.В.

и

Орел, 1999г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1 Выбор диагностического параметра для создания метода поиска локальных дефектов опор качения 13

1.1 Типы локальных дефектов рабочих поверхностей подшипников качения

1.2 Методики контроля технического состояния подшипников качения: анализ состояния вопроса 19

1.3 Выбор диагностического параметра, постановка задач исследования 24

1.4 Выводы 38 Глава 2. Теоретическое исследование эффективности применения параметра НИВ для поиска локальных дефектов опор качения 40

2.1 Общие положения по совершенствованию математической модели вероятности микроконтактирования деталей подшипника

2.2 Формулировка контактно-гидродинамической задачи при наличии локального дефекта в зоне трения 45

2.3 Синтез математической модели контактно-гидродинамических процессов при наличии локального дефекта

в зоне трения деталей подшипника 51

2.3.1 Модификация контактно-гидродинамической задачи введением новых параметров, описывающих геометрию локального дефекта

2.3.2 Синтез функции, описывающей геометрию локально-

го дефекта 53

2.3.3 Определение средней толщины смазочного слоя при наличии локального дефекта в зоне трения деталей подшипника качения 60

2.4 Синтез и исследование математической модели процесса электрического контактирования деталей подшипника при наличии локальных дефектов рабочих поверхностей 66

2.5 Выводы 70

Глава 3 Экспериментальные исследования корреляционных зависимостей между характеристиками локальных дефектов рабочих поверхностей подшипников и параметром НИВ 73

3.1 Постановка задач исследований

3.2 Объекты экспериментальных исследований 74

3.3 Описание экспериментальной установки 75

3.4 Исследование зависимостей между характеристиками локальных дефектов и диагностическим параметром НИВ 78

3.5 Выводы 90 Глава 4 Разработка метода поиска локальных дефектов рабочих поверхностей подшипников качения в узлах по параметру НИВ 91

4.1 Постановка задачи

4.2 Дискретное сканирование рабочих поверхностей колец подшипников качения в узлах 94

4.2.1 Алгоритмы сканирования

4.2.2 Анализ распределения нагрузки в зоне контроля 96

4.2.3 Общие положения по выбору режимов диагностирования 102

4.2.4 Критерии выбора числа циклов измерения 104

4.2.4.1 Критерий стабилизации средней нагрузки на кон-

тролируемой поверхности

4.2.4.2 Критерий стабилизации влияния тел качения на результат измерения диагностического параметра 110

4.2.4.3 Критерий стабилизации средней нагрузки на неконтролируемой поверхности 116

4.2.5 Критерий выбора угла дискретного сканирования 119

4.3 Непрерывное сканирование рабочих поверхностей деталей подшипников качения в узлах 122

4.3.1 Алгоритмы сканирования

4.3.2 Анализ эпюры распределения средней нагрузки на контролируемой поверхности 124

4.3.3 Общие положения по выбору режимов диагностирования 127

4.3.4 Критерии выбора частоты сканирования 128

4.3.5 Критерий выбора частоты вращения подвижного кольца при поиске локальных дефектов на дорожках качения колец 130

4.3.6 Критерий выбора частоты вращения подвижного кольца при поиске локальных дефектов на телах качения 135

4.3.7 Методика выбора режимов поиска локальных дефектов 137

4.4 Принципы выделения диагностической информации о подшипнике в двухопорном узле 139

4.5 Метрологический анализ метода поиска локальных дефектов опор качения 141

4.6 Сравнительный анализ алгоритмов сканирования рабочих поверхностей деталей подшипников качения 149

4.7 Выводы 153

Глава 5 Технические средства поиска локальных дефектов опор

качения 155

5.1 Технические средства для реализации алгоритмов дискретного сканирования

5.2 Технические средства для реализации алгоритмов непрерывного сканирования 163

5.3 Технические средства для поиска локальных дефектов

на рабочих поверхностях тел качения 167

5.4 Программные средства 175

5.5 Выводы 180 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 181 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 184 ПРИЛОЖЕНИЯ 209

ВВЕДЕНИЕ

Подшипники качения, являясь распространенными компонентами механических систем приборов и машин, определяют их показатели надежности. Отказ подшипников может привести к возникновению аварийной ситуации с риском для жизни и здоровья обслуживающего персонала, с большими экономическими потерями. Это приводит к необходимости выполнения на различных стадиях жизненного цикла изделий мероприятий, направленных на повышение надежности подшипниковых узлов [1-5].

В число таких мероприятий входит проведение контроля и прогнозирования технического состояния подшипников. При этом исходную информацию для контроля и прогнозирования дает техническое диагностирование.

Техническое состояние подшипника качения определяется большим числом фактором, среди которых важное место занимает качество его рабочих поверхностей. Наличие на них локальных дефектов (раковины коррозионного и усталостного происхождения, трещины, лунки, риски) свидетельствует об отказе подшипника [1,3] и непригодности его к использованию. В связи с этим, поиск локальных дефектов является неотъемлемой частью контроля опор качения.

Дефекты указанного типа отличаются малыми размерами и, как следствие, сложностью обнаружения. Существующие отраслевые методики дефек-тации подшипников качения при ремонте механических систем (в авиационной, станкостроительной и других отраслях) в части поиска локальных дефектов ориентированы, в основном, на оптические методы для разборных подшипников (визуальный осмотр невооруженным глазом или с помощью оптических приборов), а для неразборных - на субъективный контроль легкости вращения [6,7]. Следовательно, локальные дефекты узлов трения можно

отнести к классу скрытых дефектов [8,9], что еще раз подтверждает важность проблемы их обнаружения.

Названные методы предполагают обязательный демонтаж подшипников из узлов, имеют большую трудоемкость и в силу субъективности ограниченную достоверность. Кроме того, в ряде случаев разборка подшипника, а иногда и всего узла, невозможна или по ряду причин нецелесообразна [1].

Это указывает на необходимость разработки и приоритетность использования неразрушающих физических методов контроля подшипников качения, обеспечивающих поиск регламентированных нормативно-технической документацией локальных дефектов и не требующих демонтажа подшипниковых узлов, что позволит получить высокую достоверность и технологичность контрольных операций, снизить затраты на их проведение.

Целью работы является разработка объективного метода поиска локальных дефектов опор качения и технических средств диагностирования, объектом которых являются как собственно подшипники качения, так и подшипники в узлах.

Актуальность темы подтверждается ее включением в региональную программу «0рел-2000», финансируемую Министерством науки РФ по направлению «Региональные центры и программы (код 500)».

В работе исследуется электрофлуктуационный метод диагностирования, основанный на использовании диагностического параметра - нормированное интегральное время (НИВ) электрического контактирования деталей подшипника. Параметр предложен основателем одной из научных школ в области неразрушающего контроля узлов трения С.Ф. Корндорфом, получил дальнейшее развитие в работах А.Ф. Блинова [10,11], Ю.М. Санько, A.A. Бобченко, В.П. Чечуевского, П.Н. Шкатова, В.Я. Варгашкина, В.А Юзовой, В.И. Юзова. К.В. Подмастерьев [12-15] показал возможность и предложил основные принципы поиска локальных дефектов с использованием НИВ.

Не умаляя достигнутый уровень развития теории метода, отметим, что известные алгоритмы и средства не могут быть реализованы при контроле подшипника в узле. Кроме того, не исследованным остался ряд научно-технических проблем по обоснованию и анализу эффективности использования предложенных принципа и параметра для поиска дефектов. Рассмотрение обозначенных проблем при решении задачи поиска дефектов опор качения является обязательным. В связи с этим задачами работы являются:

- разработка математической модели вероятности микроконтактирования деталей подшипника при наличии локальных дефектов рабочих поверхностей и проведение на ее основе теоретических исследований механизма и степени влияния дефектов на значение диагностического параметра НИВ с целью анализа эффективности его применения для поиска дефектов;

- экспериментальные исследования зависимостей между характеристиками локальных дефектов и параметром НИВ;

- разработка на основе диагностического параметра НИВ метода поиска локальных дефектов подшипников качения в узлах без выполнения операции их демонтажа, теоретическое исследование метода, разработка критериев выбора рациональных режимов диагностирования;

- разработка технических средств диагностирования.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

В первой главе дан анализ существующих типов локальных дефектов рабочих поверхностей подшипников качения и существующих методик де-фектации подшипников. Установлено, что наиболее распространенными дефектами, являются трещины, раковины усталостного и коррозионного происхождения, риски, лунки ложного бренеллирования, вмятины. Показана необходимость разработки для целей поиска такого типа дефектов физических методов диагностирования, среди которых наиболее перспективными явля-

ются электрические методы, в частности, метод, основанный на применении параметра НИВ.

Проведен анализ достигнутого уровня в теории данного метода и поставлены изложенные выше основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены вопросы теоретического обоснования возможности и эффективности применения диагностического параметра НИВ для поиска локальных дефектов опор качения.

На основе совместного рассмотрения контактно-гидродинамических и электрофлуктуационных процессов, происходящих в зонах трения деталей подшипников при наличии локальных дефектов, создана математическая модель вероятности микроконтактирования деталей подшипника качения при наличии локальных дефектов рабочих поверхностей в зоне трения. Получены выражения, раскрывающие обусловленность диагностического параметра характеристиками локальных дефектов.

В третьей главе экспериментально исследованы зависимости между характеристиками локальных дефектов подшипников и диагностическим параметром НИВ. Объектом исследований послужили подшипники 208 и 113, использующиеся в узлах трения металлорежущего и металлокордового оборудования. При этом диагностированию подвергались как подшипники, бывшие в употреблении, так и новые с искусственно нанесенными дефектами.

В четвертой главе в рамках разработки метода поиска локальных дефектов опор качения предложены алгоритмы сканирования рабочих поверхностей и методика выбора режимов диагностирования. Проведен анализ влияющих на достоверность диагностирования факторов, на основании которого разработан ряд рекомендаций по рациональному использованию метода, по выбору алгоритмов диагностирования, предложен оригинальный способ выделения информации о подшипнике в двухопорном узле.

В пятой главе дано описание разработанных средств диагностирования, реализующих предложенный метод. Рассмотрены особенности построения средств для реализации алгоритмов дискретного, непрерывного сканирования, средств поиска локальных дефектов на рабочих поверхностях тел качения. Даны рекомендации по выбору конструктивных решений механических и электромеханических приспособлений для создания требуемого характера нагружения деталей контролируемого подшипника. Изложены вопросы программного обеспечения, необходимого для подготовки и выполнения контрольных операций.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Представленные теоретические исследования базируются на основных положениях теорий: вероятности, контактно-гидродинамической, контактирования шероховатых поверхностей, упругости; в работе используются методы математического анализа, моделирования, а также численные методы решения систем дифференциальных уравнений.

Экспериментальные исследования проведены на разработанных установках с использованием современных средств измерения. Обработка данных выполнена на ЭВМ с применением разработанных алгоритмов и пакетов прикладных программ (в среде TurboPascal.7), а также с использованием специализированных программных продуктов (Mahtcad Professional, Excel).

Научная новизна работы заключается в следующем:

- На основании теоретических исследований контактно-гидродинамических и электрофлуктуационных процессов в зонах трения деталей подшипника при наличии локальных дефектов рабочих поверхностей получена математическая модель, раскрывающая взаимосвязь значения диагностического параметра НИВ с характеристиками локальных дефектов.

- Установлен вид экспериментальных зависимостей между размерными параметрами локальных дефектов и диагностическим параметром НИВ.

- Разработан метод поиска локальных дефектов рабочих поверхностей деталей подшипников качения в узлах, включающий оригинальные алгоритмы сканирования и обеспечивающий без демонтажа узлов поиск регламентированных в НТД дефектов с глубиной поиска до отдельного тела качения и до поврежденного участка рабочей поверхности кольца.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 14 конференциях и семинарах: на 6-ти - международного уровня, на 4-х - Всероссийского уровня и на 4-х - местного уровня. Опубликовано 15 печатных работ, получено 3 патента и 2 положительных решения по заявкам на изобретения.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- Разработаны технические средства диагностирования, позволяющие наряду с усредненной оценкой состояния подшипника в узле осуществлять поиск локальных дефектов его рабочих поверхностей.

- Предложена методика поиска локальных дефектов подшипников качения в узлах, позволяющая снизить затраты на контроль технического состояния изделий за счет исключения операции демонтажа подшипника.

Результаты работы в соответствии с региональной программой «Орел-2000» переданы в Орловское региональное отделение Академии Проблем Качества; внедрены в учебный процесс в Орловском государственном техническом университете. Разработанная методика поиска локальных дефектов опор качения получила внедрение во Всероссийском научно-исследовательском институте охраны труда (г. Орел).

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель вероятности микроконтактирования в зонах трения деталей подшипника качения при наличии локальных дефектов, дающая теоретическое обоснование возможности и эффективности использования известного физического принципа для поиска локальных дефектов;

- установленные экспериментальные зависимости между размерными параметрами локальных дефектов и параметром НИВ;

- алгоритмы сканирования рабочих поверхностей и методика выбора режимов диагностирования;

- структурные схемы средств диагностирования, обеспечивающих поиск локальных дефектов рабочих поверхностей деталей подшипника в узле, и принципы построения устройств для создания требуемых в соответствии с методом диагностических воздействий на контролируемый подшипник.

Глава 1 Выбор диагностического параметра для создания метода поиска локальных дефектов опор качения

1.1 Типы локальных дефектов рабочих поверхностей подшипников качения

В соответствии с государственным стандартом [8], регламентирующим основные термины и определения в области управления качеством продукции, под дефектом понимается каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям.

При производстве подшипников качения предъявляются жесткие технологические требования к их основным характеристикам. При этом регламентируются такие параметры, как овальность, гранность и разноразмерность тел качения, радиальное и осевое биение дорожек качения и другие. Особое внимание уделяется достижению требуемого качества рабочих поверхностей деталей: в зависимости от степени точности подшипника обеспечивается шероховатость не более /?а0,04мкм -^ОДмкм [4, 16, 17].

Существуют различные подходы к классификации дефектов опор качения. Ср