автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и средство контроля температуры смазочной пленки подшипников качения в режиме жидкостного трения

Глава 1. Методы измерения и контроля температуры смазочного слоя при жидкостной смазке.

1.1 Влияние температуры на процессы при жидкостном трении

1.2 Методы контроля температуры при жидкостном трении

1.3 Особенности термошумового метода

1.4 Выводы

Глава 2. Теоретическое обоснование возможности применения термошумового метода для контроля температуры смазочной пленки

2.1 Характеристики объекта исследования

2.2 Исследование влияния колебаний сопротивления и температуры на результат контроля температуры

2.3 Анализ существующих термошумовых методов

2.4 Построение модели зависимости сопротивления от температуры

2.5 Выводы

Глава 3 Термошумовой метод контроля температуры смазочной пленки

3.1 Выбор режима измерения шумовой ЭДС

3.2 Влияние частоты на соотношение измеряемого напряжения шумов и шумовой ЭДС

3.3 Алгоритм разрабатываемого метода

3.4 Анализ погрешностей метода

3.5 Выводы

Глава 4 Экспериментальные исследования температуры смазки подшипника при жидкостном трении

4.1 Постановка задачи экспериментального исследования

4.2 Описание экспериментальной установки.

4.3 Экспериментальные исследования метода контроля на примере зависимости температуры смазки от величины нафузки и вязкости

4.4 Выводы Заключение

Актуальность. 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. Как известно, для уменьшения потерь на трение, износа рабочих поверхностей подшипника применяют смазочные материалы. Способность смазочного материала уменьшать износ деталей в значительной мере зависит от его температуры. Контроль температуры смазочного материала позволяет фактически управлять процессами износа, что в свою очередь позволяет предотвратить возникновение аварийных ситуаций. Это обстоятельство указывает на актуальность разработки метода контроля температуры смазки подшипников качения.

Измерение температуры в зоне трения может производиться различными методами [54,55]. При наличии сухого трения можно использовать, например, метод естественной термопары [70], и другие методы [60,61,65]. При использовании метода естественной термопары, трущиеся элементы пары трения являются электродами термопар, а зона трения - горячим спаем термопары. Однако при наличии смазочных диэлектрических пленок данный метод применить нельзя, так как между электродами находится диэлектрический смазочный материал. Существующие методы контроля температуры при жидкостном трении в основном основаны на методах последействия температуры (метод цветов побежалости [8,9], плавких вставок [7] и др.) или методах моделирования теплового режима в зоне трения (метод электромоделирования [10], метод измерения распространения тепловой волны с помощью искусственных

Введение термопреобразователей [11,63] и др.). Однако данные методы или не позволяют во время работы узла трения сказать о значении контролируемой температуры, или погрешность из-за несовершенства модели тепловых процессов столь велика, что не позволяет использовать результаты измерения. Один из возможных, в этом случае, методов измерения температуры основан на зависимости интенсивности тепловых электрических шумов смазочной пленки от ее температуры. Смазочная пленка в этом случае рассматривается как проводник с большим сопротивлением, а ее активное сопротивление как источник тепловых электрических шумов.

Цель работы. Теоретическое обоснование модифицированного термошумового метода контроля средней по толщине смазочной пленки температуры работающих подшипников качения при жидкостном трении в условиях непрерывно изменяющегося сопротивления пленки, оценка погрешности метода и его экспериментальная проверка.

Основные задачи работы:

• Анализ существующих методов контроля температуры в зоне трения.

• Проведение теоретического исследования возможности использования измерения тепловых электрических шумов для контроля температуры смазочного слоя подшипников в условиях непрерывно изменяющегося сопротивления этого слоя.

• Анализ способов контроля температуры термошумовым методом с целью определения оптимальных условий для проведения контроля.

• Теоретическое исследование функциональной связи сопротивления смазочной пленки с температурой последней.

• Разработка алгоритма способа контроля отношения температуры смазки к ее номинальной температуре термошумовым методом и структуры средства, реализующего разработанный способ.

• Проведение экспериментальной проверки возможности использования термошумового метода для контроля указанного отношения температур по разработанной методике.

Методы и средства исследования. Представленные в работе теоретические исследования базируются на основных положениях обобпденной флуктуационно-диссипативной теоремы, гидродинамической теории смазки и теории двухполюсников.

При выполнении работы применялись методы физического и математического моделирования, математической статистики и теории точности.

Экспериментальные исследования проведены с помощью стандартных универсальных электроизмерительных приборов, а также специально созданных устройств и испытательного стенда. Обработка данных выполнена на ЭВМ по оригинальным алгоритмам с использованием специализированных программных продуктов (MathCAD Professional, Excel).

Научная новизна.

• Модифицированный метод контроля средней по толщине смазочной пленки температуры работающего подшипника по тепловым электрическим шумам в условиях непрерывно изменяющегося сопротивления пленки;

• Анализ влияния колебаний температуры и сопротивления смазочной пленки на погрешность контроля;

• Функциональная зависимость сопротивления смазочной пленки от ее температуры;

• Алгоритм модифицированного термошумового метода контроля температуры смазки;

• Структура средства контроля, реализующего разработанный метод.

Практическая ценность.

• Разработанный метод позволяет контролировать отношение температур смазочных материалов подшипников к их номинальной температуре непосредственно в процессе работы последних без внесения изменений в их конструкцию;

• Испытательный стенд позволяет исследовать зависимости средней по толщине температуры смазочной пленки от режима работы подшипника.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на 3 всероссийских научно-практических конференциях и одной международной конференции. По содержанию и результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 6 работ. Теоретические и экспериментальные работы проводились в рамках госбюджетной темы финансируемой Министерством науки РФ по единому заказ-наряду ]Чо 1.49.00 «Моделирование и исследование механо-электрических процессов в зоне трения подшипников качения». Данная работа используется в учебном процессе.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель зависимости тепловых электрических шумов от средней по толщине температуры смазочной пленки.

2. Алгоритм метода контроля отношения температуры смазочной пленки к ее номинальному значению.

3. Структура средства контроля температуры смазочной пленки.

4. Анализ погрешности метода контроля температуры смазочной пленки.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Проведенный анализ существующих методов контроля температуры в зоне трения подшипников показал, что одним из возможных методов, позволяющих контролировать температуру смазки, является электрический термошумовой метод.

2 На основании анализа физических процессов, протекающих при термошумовом методе контроля температуры составлена схема А замещения подшипника со смазочными слоями.

3 Проведен анализ способов контроля температуры термошумовым методом с целью определения оптимальных условий для проведения контроля.

4 Для реализации термошумового метода теоретически получена функциональная зависимость сопротивления смазочной пленки от температуры последней.

5 Разработаны алгоритм, реализующий модифицированный термопгумовой метод контроля температуры, и структура средства, реализующего данный метод.

6 На специально разработанном испьпательном стенде проведена экспериментальная проверка возможности использования термошумового метода для контроля повышения средней по толщине температуры смазочной пленки при увеличении радиальной нагрузки

7 Проведенные эксперименты подтвердили экспоненциальную зависимость средней температуры смазочной пленки от нагрузки.

1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 528 с: ил.

2. Справочник по триботехнике /Под общ. ред. М. Хебды, A.B. Чичинадзе. В 3 т. Т.1. Теоретические основы. - М.: Машиностроение, 1989. - 400 с: ил.

3. Гордов А.И. Методы измерения температур в промышленности. - М.: Металлургиздат, 1952. - 315 с.: ил

4. Палченнко Е.В. Лаборатория металлографии. - М.: Металлургиздат, 1957. -70 с : ил

5. Зедгинидзе Т.П. Измерение температуры вращающихся деталей машин. -М.: Машгиз, 1962. - 271 с.:ил

6. Основы температурных измерений / Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 304 с: ил.

7. Абрамович Б.Г., Картавцев В.Ф. Цветовые индикаторы температуры. - М.: Энергия, 1978. - 230 с: ил.

8. Моделирование трения и изнашивания в подшипниках / Э.Д. Браун, Ю.Л. Евдокимов, A.B. Чичинадзе. -М.: Машиностроение, 1982. - 191 с: ил.

9. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.О. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. - М.: Наука, 1980. -244 с: ил.

Ю.Галахов М.А. , Бурмистров А.И Определение температуры дорожки качения шарикоподшипника по тепловому истоку из зоны контакта в кольцо // Машиностроение, 1976 г. №3. С. 91 - 95.

11. Модель для расчета при фрикционном нагреве. /Проломов A.A. // Известия Сев. - Кавказского центра высшей школы Технических наук. 1990№1.С. 51-53.

12. Дякин СИ., Крылов Б.С, Лимончиков В.Д., Любашев Б.П, Макаров Ю.В. Двухслойные антифрикционные покрытия на титановых сплавах в тяжело нагруженных шарнирах. - В сб.: Тепловая динамика и моделирование внешнего трения. -М.: Наука, 1975. - 423 с: ил

13. Гидродинамическая подача смазки. Колмогоров В.Л., Орлов СИ., Колмогоров Г.Л. М.: Металлургия, 1975, 256 с: ил

14. A.C. 488094 СССР, МКИ G01K 7/30. Способ определения температуры и шумовой термометр для его осуществления / Гилевский В.Н., Опубл. 15.10.75 Бюл. изобрет. № 38.

15. Блейлок, Борковский. Новый метод шумовой термометрии. - Приборы для научных исследований, 1974, т. 25, №2 с. 3 - 16.

16. Гришко В.Ф. Шумовой измерительный преобразователь. // Контрольно-измерительная техника. Вып. 29. - Львов: Высшая школа, 1981 г.

17. A.C. 446774 СССР, МКИ G01K 7/30. Шумовой термометр / Губский Б.Н. Иващенко Ю.С, Опубл. 15.10.74 Бюл. изобрет. № 38.

18. Губский Б.Н. Выбор оптимальных параметров шумового термометра по критерию максимума отношения сигнал - шум. Стандартизация и измерительная техника. // Труды красноярских институтов. - Красноярск, 1975.-Вып. 1.

19. А.Н. Подорольский. Исследование возможности применения термофлуктуационного метода для измерения интегральной по толщине температуры диэлектрических сред. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Москва. - 1972 г., 24 с.

20. С.Ф. Корндорф, А.Н. Подорольский. Термофлуктуационный метод измерения интегральной по толщине температуры диэлектрика. // Измерительная техника - 1970 г., № 12 с. 35 - 37.

21. Саватеев A.B. Шумовая термометрия. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1987,- 132 с: ил.

22. Коднир Д.С Контактная гидродинамика деталей машин. Учебное пособие. - Куйбышев: КуАИ, 1970 - 116 с: ил

23. Смазочные материалы: антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний: Справочник/ P.M. Матвеевский, В.Л. Лашхи, И.А. Буяновский и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 224 с: ил.

24. Перель Л.Я. Подшипники качения. Расчет и обслуживание опор. Справочник. -М.: Машиностроение, 1983. - 543 с: ил.

25. Расчет опорных подшипников скольжения: Справочник. /Е.И. Квитницкий, Н.Ф. Киркач, Ю.Д. Полтавский, А.Ф. Савин - М.: Машиностроение, 1979. - 70 с: ил.

26. Я.П. Терлецкий Статистическая физика. М.: Высшая школа. - 1966. - 235 с : ил.

27. Лавренчик В.Н. Постановка физического эксперимента и статистическая обработка результатов: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 272 с: ил.

28. Измерения в электронике: Справочник/В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневский и др.; Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -512 с: ил.

29. Подмастерьев К.В. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения. - М.: Машиностроение - 1, 2001. - 376 с : ил.

30. Estimate of surface temperatures during rolling contact / Kannel J.W., Barber S.A. // Tribol. Trans. - 1989. - 32, №3. - P. 305 - 310.

31. Temperature verhalten von trockenlaufenden Reibungshupplungen / Pähl G., Oedekoven A. // Konstruktion. - 1990. - 42, №4. - P. 109 - 119.

32. A thermally controlled fretting wear tribometer - a step torwads standardization of test equipment and metods / Attia M . H . // Wear. - 1990. - 135, №2. - P. 423 -440.

33. Савельев B.C. Курс общей физики. В 3 томах. Т.2 - М.: Наука, 1989. -4 0 0 с: ил

34.И.С. Градштейн, И.М. Рыжик таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. - М.: Наука, 1971. - 1108 с.: ил.

ЗЗ.Санько Ю.М. Исследование температурного поля зоны качения скоростных шарикоподшипников: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Москва. - 1974 г., 24 с.

36. Углов А. А., Иванов Е.М., Санько Ю.М. К расчету температур зон качения высокоскоростных подшипников // Физика и химия обработки металлов. -1984.-№5.-с. 23-28.

37. Updating the fracture theory of wear/Kimura Yoshitsugu// J.Phys. D. - 1992. -25.-№1 A. -p . 177-181.

38. Блинов А.Ф. Метод и устройства контроля параметра контактирования движущихся деталей механизмов для характеристики их состояния (на примере подшипников): Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Орел, 1983. - 24 с.

39. Подмастерьев К.В. Электрический метод и средства диагностирования подшипников качения (при ремонте и изготовлении машин и механизмов): Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Орел. - 1986 г., 20 с.

40.Варгашкин В.Я. Электрический метод и средство диагностирования опор качения с жидкостной смазкой: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Орел. - 1993 г., 20 с.

41. Garrison I.B., Lawson A.W. The absolute noise thermometer for the high temperature and pressure // Rev. Sci. Instr. - 1949. Vol. 20 - N . l 1

42. Pursey H., Pyatt E.S. Measurement of equivalent noise thermometer amplifier // Rev. Sci. Instr. - 1959. Vol. 36 - N.6

43. Крафтмахер Я.A, Черевко А.Г. Корреляционный усилитель для изучения флуктуационных явлений // ПТЭ. - 1972. - №4.

44. Рагульскис K . M., Юркаускас А.Ю. Вибрация подшипников /Под ред. K . M . Рагульскиса. - Л.: Машиностроение Ленинградское отделение, 1985. - 119 с : ил

45. Санько Ю.М., Петриков А.К., Дворникова Э.П., Рябкин В.И. А Диагностирование состояния подшипников по тепловым и электрическим параметрам // Подшипниковая промышленность. - 1982. - №2. - с. 3-7.

46. Плахова Е.В., Ногачева Т.И. О повышении достоверности определения температуры в зоне трения// Заводская лаборатория. - 1996. - №6.- с. 41 -42.

47. Поштару Г.И. Измерение толщины масляной пленки в триботехнических системах емкостным методом // Расчет и конструирование деталей узлов и машин и методы их испытаний: Сборник статей Кишиневский политехнический институт, 1988. - с. 80 - 85.

48. Спицин H.A., Мигаль В.Д. Электрические явления при трении и их связь с некоторыми реологическими свойствами смазочного слоя в контакте качения // Тр. ин-та / Специнформцентр ВНИППа. - 1973. - №4. - с. 3 -16.

49. Francis H.A. Interfical temperature distribution within a slidin Hertzian contact. ASLE Preprint, 1970, NAMIC - 1.

50. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин A.O. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. - М.: Наука, 1980.-244 с: ил

51. Подмастерьев К.В. Пахолкин Е.В. Электрический метод и средства поиска локальных дефектов опор качения // Контроль. Диагностика . - 1999. - №1. - с . 18-25.

52. Подмастерьев К.В. Пахолкин Е.В. Исследование эффективности электрического метода поиска локальных дефектов опор качения // Контроль. Диагностика . - 2000. - №5. - с. 12-18.

53. Fomel Е., Douchet С. Mesures de Temperatures sur organes tourant a grande vitesse. Le Recherche Aéronautique., 1952, №27. - p.33

54. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др.; Под. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с: ил

55. Неразрушающий контроль В 5 - кн.: Практическое пособие / Под ред. В.В. Сухорукова. - М.: Высшая школа, 1991. - 1993.

56. Колесников В.Д. О возможности оценки работоспособности приборных шарикоподшипников по скорости нагрева подшипника после быстрого разгона // Динамика, прочность, контроль и управление - 70. - Куйбышев, 1972.-С. 196-200.

57. Estimate of surface temperatures during rolling contact / Kannel J.W., Barber S.A. // Tribol. Trans. - 1989. - 32, №3. - P. 305 - 310.

58. Temperatureverhalten von trockenlaufenden Reibungshupplungen / Pähl G., Oedekoven A. // Konstruktion. - 1990. - 42, №4. - P. 109 - 119.

59. A thermally controlled fretting wear tribometer - a step torwads standardization of test equipment and metods / Attia M . H . // Wear. - 1990. - 135, №2. - P. 423 - 440.

60.Влияние температуры на процесс трения фрикционных полимерных накладок и колодок в тормозах и муфтах сцепления / A.B. Чичинадзе, Э.Д. Браун, В.Д. Кожемякина // Проблемы машиностроения и автоматизации. -1991 .-№4.-С. 81-92.

61. А. с. 1462162 СССР МКИ G 01 N 3/56. Стенд для испытаний материалов на износ / А.Ф. Фатеев, А.П. Глушенков, Е.Г. Бердичевский. Опубл. 28.08.89. Бюл. № 8.

62. Подшипниковые узлы современных машин и приборов: Энциклопедический справочник / В.Б. Носов, И.Н. Карпухин, H.H. Федотов, О.Н. Черменский и др.; Под. общ. ред. В.Б. Носова. - М.: Машиностроение, 1997. - 640 с: ил

63. А. с. 1191752 СССР МКИ О 01 К 7/02. Способ установки термопары в зоне трения деталей / А.В. Чичинадзе, Л.В. Красниченко, А.Т. Бородин, М.Л. Ерихов. Опубл. 15.11.85. Бюл. № 42.

64. Богданович П.Н., Белов В.М. Тепловые процессы в зоне контакта трущихся тел // Трение и износ. - 1992. - 13. - №4. - С. 624 - 632.

65. Цитрин А.И., Белоусов В.Я. К расчету температурного поля в многослойных защитных покрытиях из композиционных материалов при трении скольжения без смазки // Трение и износ. - 1987. - 8. -№3.-0.512-521.

66. А. с. 1575099 СССР МКИ О 01 N 3/56. Способ определения износа металлов / В.А. Балакин, Н.А. Балакина. Опубл. 30.06.90. Бюл. № 24.

67. Международная конференция по смазке и износу машин / Под ред. А.И. Петрусевича-М.: Машгиз, 1962. - 659 с: ил

68. Латышев Л.А., Рутовский Н.Б. Новый метод измерения быстроизменяющихся температур температур рабочего тела двигателя внутреннего сгорания. - М.: Труды МАИ, 1958.

69. Самбурский А.И., Новик В.К. Бесконтактные измерения параметров вращающихся объектов. - М.: Машиностроение, 1976. - 141 с: ил А

ЗАКЛЮЧЕНИЕ *