автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение информативности диагностики подшипников качения на основе статистической модели акустической эмиссии при контактировании



и 11 С СССР

МОСКОВСКИ* ОРДЕНА ЛЕММ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ШИШ ИНСТИТУТ ИНЖКЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

щ. а.а. дзерймнского

На нравах рукописи

ЛАЗАРЕВ Константин Владимирович

УДК. 621.822.6.001.18:629.4.027.117.2

ПОВЫ^ШЕ ИНЗОВШИВНОСТЛ ДИАГаииьШ

подшипников качйия на осноаЕ сгАтастачЕпши ¡¿ОДЕЖ

/КУС'МШЮА ЗЛЛССИИ Ш КОп'Гк.- пРОЗАВЫ

05.02.02.-Машноведеше и детали шшн

05.02.II.-Методы контроля и диагностика в машиностроении

АВГ0Р£(1£РАТ диссертации на соисканич ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990г.

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени институте инженеров железнодорожного транспорта им. СБ.Э.Дзеряинсхого

Научный руководитель - доктор.технических наук, профессор

Евсеев Дмитрий Геннадиевич

Научный консультант - кандидат технических наук Медведев Борис Михайлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук , с.н.с.

Муравин Григорий Борисович, кандидат технических наук Кукол Николай Петрович

Ведущее предприятие - Московский локомотиво-ремонтный завод

Зшдита состоится «/<3 "<^¿^990 г. в ^"час. на заседании специализированного совета KII4.05.1I в 1'осковском институте ишсенеров железнодорожного транспорта по адресу: 101473, ГСП, Москва, А-о5, ул. Образцова, 15, аудитория $ ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан" " Л^О/й- 1990г.

Ртзыв т автореферат, заверенный печатью, просим направить по адресу института.

Ученый секрс арь специализированного совета

Подзей В.А.

£ ОТПА

. . йдхе

• ТА-VI

:сертщий

ВВЕДЕНИЕ

-Актуальность теш. Для повышения качества и надежности

подшипниковых узлов, в значительной степени ответственных за безаварийное функционирование объектов подвижного состава в условиях постоянно увеличивакщейся интенсивности их эксплуатации, проводится комплекс испытаний на всех стадиях существования технических систем. Особое место занимает испытания на этапах производства и ремонта.

В связи с высокой долговечностью подшипников качения (ПК), ресурсные испытания приводят к значительным комплексным затратам, сокращение которых может быть осуществлено лишь при реализации методов безразборной диагностики, чувствительных к динамике дефектной структуры ПК. Одним из наиболее перспектИБ!шх методов является акустикоэкиссион-ный (АЭ).

При практической реализации метода важно икеть эталонную информацию - математическую модель иирокополосной АЭ бездефектного ГК в процессе испытаний, что позволит оптимизировать процедуры поиска и распознавания дефектов ПК.

Цель работы. Повышение эффективности и надежности испытания 1К путем создания и реализации комплексной методики акустикоэмиссионной диагностики.

Методика исследований. Разработка математической модели АЭ, сопровождающей процесс испытаний ПК проводилась в соответствии с положениями теории упругости, теории случайна процессов и трибологии.

Б основе первичного анализа сигналов АЭ лежит демо-дуляционная методика с последующим спектральным анализом

огибакщей.

Обработка сигналов АЭ и моделирование процессов проводились с использованием вычислительного комплекса IBM PC/AT - САМА С.

Научная новизна:

- создана математическая модель АЭ, обуславливаемой частичной диссипацией упругой энергии взаимодействия шероховатых поверхностей контактирующих тел в акустический канал в процессе трения качения;

- разработаны методики расчета спектральной плотности АЭ при качении упругого шероховатого шара и цилиндра {аналоги шарико- и роликоподшипников);

- создана и реализованы на ЭВМ алгоритмы расчетов спектральной плотности в диапазоне частот от О до 500 кГц в зависимости от степени шероховатости, упруго-механических свойств, скорости перемещения, геометрических характеристик контактирующих гел и максимальной контактной нагрузки, позволяющие определить особенности Зоновых сигналов АЭ, свойственных бездефектным ПК при испытаниях;

- на основе данные методик и алгоритмов уточнена методика локализации дефектов iIK и создан алгоритм идентификации наиболее распространенных типов дефектов при анализе спектра низкочастотной огибающей высокочастотной АЭ в процессе испытаний.

Практическая ценность. Разработала и реализована концепция автоматизированной системы беэразборной АЭ диагностики ПК в процессе испытаний на основе современных средств вычислительной техники.

Для производственных испытаний реализованы разработанные схемы аналогового электронного тракта регистрации и обработки АЭ информации применительно к многоканальной системе диагностики ПК на базе профессионального компьютера IBM PC/AT.

Для испытаний на стадии ремонта разработвны и реализованы схемы устройств регистрации и первичной обработки АЭ сигналов в составе системы на базе ЭВМ CMI634.

Результаты работы внедрены п НЛО ВКИШ при создании автоматизированной системы диагностики ПК и на предприятии ЫПС Оиелянский электромеханический ремонтный завод в системе оперативной диагностики ПК тяговых электродвигателей объектов подвижного состава.

Обсуждения и публикации. Основные результаты работы обсуждались на П Всесоюзной конференции по акустической ямиссии (Кишинев, 1937 г.), на 1У Всесоюзном совещании "ОСУ и измерительные приборы на их основе" (Барнаул, 1938 г.), на отраслевой научно-технической конференции "Автоматизированные системы испытаний объектов хелеэнодородного транспорта" (Москва, 1988), на заседаниях кафедр "Детали машин" и "Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава" МИИГа.

По »материалам диссертации опубликованы 3 печатные работы. '

Диссертация состоит из введения, ^¿S* страниц машинописного текста, 51 иллюстрации и 2 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ БЕЗРАЗБОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ годапников КАЧЕШЯ

Как известно, одним из основных достоинств акустико-эмиссионного метода неразруцаидего контроля (НК) является способность оперативного реагирования на зарождающиеся и развивающиеся дефекты. В связи с этим применение данного метода в аспекте безразборной диагностики Ж при ресурсных испытаниях позволит снизить комплексные затраты с одновременным повышением надежности и достоверности проводимых испытаний,

В настоящее время состояние ПК в процессе испытаний контролируется, в основном, по косвенный признакам: тепловым, акустическим и виброакустическим. Данные методы развиты благодаря усилиям таких видных специалистов, как Ф.Я. Балицкий, Н,А. Буше, Е.Я. Красковекий, H.A. Слицын, K.M. Рагульскис, Р. Коллакот, Р. Пальмгрен, Т. Игараши н др.

Вместе с тем, используя направление, развитое трудами советских (Д.Г. . Евсеев, Б.М. Медведев) и зарубежных (П.Д. Макфадден, Дне.Д. СЫт, Т. йошиока) ученых, заключающееся в спектральном анализе низкочастотной огибающей АЭ, обуславливающейся процессом трения качения, можно оценить дефектность ПК в реальном масштабе времени и на более ранней стадии.

Но данном этапе развития АЭ диагностики ПК в процессе испытаний построена кинематическая модель, связываю-

щая акустические проявления дефектов элементов ПК с максимумами в спектра огибайзей (Ф.Я. Балицкий, Н.Д. Генкин, А.Г. Соколова, К.Н. Явленский, Л.Д. Мак^аддем, Дк.Д. СЪ<т, Д.Р. Хартинг), позволягедая реализовать методику локализации дефектов.

Для дальнейшего совергвнствосании кзтода необходима углубленная проработка вопроса о связи фонового излучения ПК с реалькьм физическим процессом контактирования упругих тел.

Задачи исследования

1. Создание математической модели, устанав.таваэчей зависимость вида спектров АЭ от основных параметров, ха-рактер«зукзж процесс трения качения авроховатюс поверхностей упруггас тел в ыирокой полосе частот»

2, Создание алгоритмов для расчета фоновой АЭ, со-провогдагцей процесс испытаний ргалыгьгг ПК.

3« На основе получегаож расчетов уточнение имеесих-ся з настоящее время способов определения иесторасполо-еймя и' типа дефектов ПК по характерным особенностям спектров АЭ.

4. Создание и реализация скоте!.« АЭ безразборной-диагностики Щ в процессе производственных испытаний на-базе современных средств НГ„

5. Реализация методики диагностики Ш тяговых электродвигателей подвижного состава для ремонтных ?стендо-вых) испытаний на основе АЭ.

2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АЭ ПРИ КАЧЕНИИ В РИШ1Е ГРАНИЧНОГО ТРЕМЯ

Исходными предпосылками при создании данной модели явились следующие положения:

- модель контактного взаимодействия Гриньуда-Вильяы-сона в форме чисто упругой постановки;

- решение классической задачи Герца, известной из области теории упругости;

- методика расчета спектральной плотности энергии АЭ для случайнкх процессов, имекщих Пуассоновский характер распределения.

На основании данных положений произведены расчеты спектров АЭ для качения упругого шероховатого цилиндра и шара, что является, в данной постановке, аналогом вращения единичного тела качения ролико- и шарикоподшипников соответственно.

Для упрощения в расчетах не учитываются передаточные характеристики акустического тракта и наличие одновременно нескольких взаимодействующих тел.

Рассмотрим движение цилиндра по плоскости. Микронеровности, вступая во взаимодействие друг с другом образуют пульсации нагрузки, длительность которых определяется скоростью и упругими свойствами тел, а модуль - контактной нагрузкой и расгчеделением процесса контактирования.

Основное уравнение модели Гринвуда-Вильямсона:

связывает контактную нагрузку Р(с/) и высоты вершин выс-

тупов 2 , учитывая, что высоты распределены по норлаль-ному закону, через константы поверхности и сблняение плоскостей с{ .

Независимость процесса упругого взаимодействия версии радиуса /2 есть одно из допущении исходной модели, что приводит к Пуассоновсксму потоку пульсаций, а, следовательно, ■ и к аналогичному типу поюяа ее части, дкссипируемой в акустическую область.

Как известно, для таких потоков:

; «>

где ¡з(и>)- энергетический спектр АЭ;

/V - скорость счета событий;

РМй- Фурье-преобраэование единичного импульса.

В данном случае, полный спектр АЭ иожно записать как

з;

гдо J - определяет величину высоты группы вершин, а, поскольку, величины высот также независимы, сзойстьо Пуассоновских потоков применит вторично:

ШЬ^{Р^Ш)]2 ; <4>

На основе данной формулы осуществляются все дальнейшие выкладки.

Проведя равномерное разбиение переменной (Ж непрерывной функции (I) получим дискретный набор действующих нагрузок РсЫ) , определяэдих по Герцу набор координат XI внутри какро зоны контактирования и эквивалентное значение нагрузки на единичный выступ P¿)j ,

Сомюжитель N определяется как число выступов, вступающих в контактное взаимодействие б единицу времени.

Окончательно, для-спектра цилиндра выражение (4) имеет

гд.:' г.-ы-^С'-Е'-я-аЧ-йи^яг-у; ю

¡^ - поверхностная плотность выступов; (Г - С.К.О. нормального распределения; £ - приведенный модуль Юнга; $ - радиус вераины Еыступа;

2а - ширина макро зоны, контакта; Ь - высота цилиндра; V - скорость линейного перемещения;

ли - шаг разбиения переменной о/ .

Для расчета спектров шара воспользуемся тем очевидным соображением, что исходные предпосылки инвариантны по отношению к форме движущегося тела.

Чтобы свести задачу к предыдущей, разобьем шар на /-. элементарных цилиндров плоскостями перпендикулярными оси ь ращения. Получим интегральное контактирование ¿, -'¿- элементарных цилиндров внутри которых нагрузка и координаты меняются дискретно и для результирующего спектра которых также применимо выражение (4).

Окончательно получим:

. См -ф - чФ <? (- ш) >

где: Ш^г/Ш7-!/ ; са>

А 2 - квант разбиения;

- полуоси эллипсоида Герца.

Полученные пыражения (5) и (7) с учетом (6) и (0) носят дискретный характер и могут непосредственно использоваться при вариационном модулировании процессов на ЭВМ.

По реализованной модели были проведены расчеты спектров цилицдра и шара с вариацией основных параметров Р и У* , наиболее характерные результата которое приведены на рис. I и рис. 2 соответственно.

Прежде всего следует отметить характерное сходство полученных графиков со спектрами, описывающимися функцией вида:

; «>

представляющей собой спектр большого числа прямоугольных импульсов, расчитанных при одинаковых значениях Р =20 кг/:*м7 V - 10000 ».¡м/с.

Отличия определяются различной степенью интегральности процессов трения качения для цилиндра и шара и эаклвчаегся, главным образом, в смещении минимумов по оси частот и-превышением минимальных амплитуд для спектра шара в высокочастотной области.

Спектры ЛЭ, расчитанные по предложенной модели содержат характерные особенности, присущие модулированным процессам и адекватно отражают изменения основных параметров трения качения при проведенном моделировании.

Ограничения модели вытекают из формы ее постановки:

- ойлясть действующ!« нагрузок ограничена зоной чисто упругого деформирования вериин микронеровностей;

- не учитыьаются особенности поверхностей контактирующих тел, содержащих дефектные структуры;

- не учитывается сложный характер распространения акустических воли е слошнюс средах;

- наконец, полагается, что в каждый момент временн в контактное взаимодействие вступают только два контактирующих тела.

3. РАЗРАБОТКА И ОБОСЮВАШЕ ПАРАМЕТРОВ И АЛГОРИТМОВ АНАЛОГОВОЙ И ПРОБОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АЭ

В предыдущей главе получены виды энергетических спектров АЭ для аналогов ПК, что служит наглядным доказательством возможностей высокочастотной АЭ диагностики, поскольку, подтверждено наличие АЭ ь иирокой полосе частот и связь ее спектров с параметрами процесса трения качения.

В связи с отим подведена теоретическая основа углубления и развития методики локализации и идентификации дефектов ¡К в процессе испытаний.

Известная ранее методика локализации подвергнута модернизации в аспекте нормировки и способах поиска характерных частот в спектре огибавдей АЭ.

Для производственных испытаний, характеризующихся иирокой номенклатурой ПК и высокой длительностью процесса обоснована необходимость отождествления типа дефекта, что дает возможность более надежного прогноза его состояния,

определения вероятности исчезновения при приработке, степени опасности. Приведен формализованный алгоритм идентифика- . ции дефектов с предварительным выполнением алгоритмов расширенной локализации и последующим анализом на масштабность и распределенность -характерных максимумов в спектре огибающей АЭ.

Реализация методики безразборной АЭ диагностики ПК продолжена на уровне разработки архитектуры системы на базе специализированного профессионального компьютера CAI.1AC - 137 (аналог IBM PC/AT) в сопряжении с подсистемой цифровой обработки АЭ информации в стандарте САМАС, дополненной аппаратурными решениями по тракту аналоговой регистрации и обработки сигналов АЭ.

Структурная схема системы приведена на рис. 3. Данный вариант архитектуры позволяет проводить оперативное диагностирование до 32 ПК (до 8 испытательных машин (ИД)) последовательно либо, в режиме программного выбора с одновременным съемом параметров режимов испытаний: температуры и частоты вращения ротора. Длительность одного опроса с реализацией алгоритма быстрого преобразования Фурье и 16-ти кратным усреднением - I мин. Частота опроса выбранного канала-5 кГц.

В системе применена методика аналоговой регистрации и первичной обработки сигналов АЭ с последующим аналого-цифровым преобразованием, предоставляющим информацию для анализа спектров 114 огибающей программным ci- собом.

Реализован тракт аналоговой обработки АЭ, обладающий следующими параметрами:

752

7Ь 2

АШ1

АЦП

АЦП

АЦП

753

753-2 АЦП

ПУ ДД

ИМ

крзйт СМ/АС

Рио. 3. Структурная схема системы безразборной диагностики подшипников качения

- ред резонансных частот фильтров: 32, 100, 200, 400 кГц;

- ряд добротностей соответствующих фильтров 3, 5, 10, 20;

- неравномерность в полосе иропускания - менее Г дБ;

- коэффициент усиления регулируемый в диапазоне 40+80 дБ;

- максимальный уровень выходного напряжения - 10 В,

При разработке аналогового электронного тракта использованы прогрессивные конструкторские и схемотехнические решения: объединение пьезоэлектрического датчика (Щ) и предварительного усилителя (ПУ) в единый конструктив, исполнение всех каскадов на операционных усилителях в интегральном исполнении.

Большинство электронных схем, а также их объединение в блок фильтров (Бй), совместимый с САМАС - магистралью реализованы впервые.

Кратко описана структура пакета программ диагностики ПК. Отдельно проработан вопрос программного управления магистралью САМАС через интерфейс С-Ш, осуществляемого компьютером.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА АЭ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ИС1ЫГАШЙ Ж НА СТАДИИ РЕМОНТА

Эксперименты по диагностика ПК тяговых ЭД подвижного состава проводились на кафедре "Локомотивы и локомотивное хозяйство" МИИГа и на испытательной станции заказчика "(СМРЗ). Испытывались двигатели ЭД-107, ЭД-107А, ЭД-П8, содержащие роликовие подшдпники 92417, 32330, 32330Ш2М. о

Частота вращения ротона варьировалась в диапазоне 2100 * 2700 об/мин. Осевая нагрузка - 0, режим испытаний -

холостой ход.

Регистрировалась АЭ на резонансной частоте фильтра -¿СО кГц, добротность полосовых фильтров - 10, сквозной коэффициент усиления - 200 <• 2000, отношение сигнал/и ум -не менее 60 дБ, динамический диапазон - 62 дБ.

Для повышения уровня визуализации процессов диагностирования на выход разработанных устройств регистрации и первичной обработки сигналов АЭ был подключен процессор специализированной обработки сигналов 6Р- 920.

Коннретезироьан образ бездефектных подшипников качения по равномерному спектру НЧ огибающей во всем диапазоне вплоть до частоты среза, име«щему легную "розовую" окраску.

Установлены "аномальные" подшипники качения с признаками максимумов в спектре огибакщей, частоты которых соответствуют частотам проявления соответствующих дефектов.

После демонтажа электродвигателей и проверки дефектности подшипников качения установлено, что при отбраковке 4-х подшипников с идентификацией типа дефекта признано дефектными - 3, правильно установлен тип дефекта также в 3-х случаях из 4-х. При этом, возможность оаибки П рода (отбраковки исправного подшипника) была предсказана заранее, поскольку зарегистрированный максимум, соответ- • стаукций дефекту наружного кольца обуславливался способом регистрации АЭ.

Таким образом ни основе представленного экспериментального .материала мояшо судить о достаточной надежности и информативности предложенной и реализованной методики безразборной диагностики подлинников на основе АЭ.

ОНЦИЕ БНБОДЦ

1. Обоснована и создана математическая модель источников АЭ при контактном взаимодействии шероховатые поверхностей, учитывающая влияние; шероховатости, упруго-механических свойств, геометрических характеристик, скорости перемещения контактирующих тел и максимальной контактной нагрузки, лежащая в осноье анализа АЭ при испытаниях ч диагностике реальных подшипников качения.

2. Создан алгоритм, реализован!! ""программы и произведены расчеты спектров АЭ возникающей при качении цилиндра и тара, что явилось аналогом фоновой высокочастотной АЭ, сопровождащей процесс испытаний соответственно .ролико- и шарикоподшипников в реальных условиях.

3. Достоверность и информативность предложенной модели подтверждаются адекватным изменением функции спектральной плотности при вариационном моделировании основных параметров процесса трения качения.

4. Предложена комплексная методика диагностики под-«, иипникон качения при испытаниях на стадии производства на основе анализа спектров АЭ, позволяющая осуществить локализацию и идентификацию дефектов подаипников качения.

5. Разработаны алгоритмы локализации и идентификации дефектов подлинников качения на основе анализа спектров НЧ огибаодей высокочастотной АЭ с учетом фонового излучения, модель и методика расчета которых предложены впервые.

6. Разработана архитектура многоканальной системы АЭ диагностики подшипников качения на основе компьютер-! IBM PC/AT, включающая в себя-комплекс новых ехемотехни-

- 2Ü г

ческих решений по устройствам регистрации и первичной обработки АЭ сигналов, позволяющей автоматизировать процесс испытаний и предоставляющей оперативную информацию о состоянии подшипников качения.

7. Разработана и реализована методика бе;:разборной диагностики подаипников качения тяговых электродвигателей подвижного состава на основе анализа спектров низкочастотной огибающей высокочастотной A3, даюцая возможность диагностировать дефекты монтажа подшипниковых узлов и дефекты деталей подшипников качения.

6. Реализован комплекс устройств адаптирующих ЭВМ CM-I634 к системе диагностики подшипников качения тяговых электродвигателей подвижного состава на стадии ремонтных испытаний с использованием новых конструкторских и схемотехнических решений, обеспечивающей существенное сокращение длительности и повышение надежности испытаний электродвигателей.

9. Результаты диссертационной работы внедрены в НПО . ВНИШ при создании автоматизированной многоканальной системы диагностики подшипников качения и на предприятии MI1C Смелянский электромеханический ремонтный завод при реализации системы оперативной диагностики подшипников качения тяговьсс электродвигателей подвижного состава.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

I. Лазарев К.В., Рябов А.Н., ¡Один A.A. Об амплитудном распределении сигналов акустической эмиссии.Дез.докл.

II Всесоюзной конференции по акустической эмиссии.-Кишинев, 1987.- с. 147.

2. Лазарев К.В. Использование модульной структуры КАМК в автономной системе керазрукащего контроля // Оптические сканирующие устройства и нзмерительныэ приборы на

их основе / Тез. докл. 1У Всессозного совещания.-Барнаул, 1968.- с. 361-162.

3. Евсеев Д.Г., Медведев Б.М., Лазарев К.В. и др. Система акустикоэмиссионного контроля на основе интеллектуального крейт-коыплекса в стандарте КАМАК // Меявуз, сб. научн. тр. / МИИ1.-1968.- вып. Э14: Автоматизированные системы испытаний объектов делеэнодорожного транспорта,- с. 43-45.