автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка метода определения нагрузок в узлах трансмиссии с помощью тензометрирования подшипников качения

ввдашш.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГЛАВА I. ОБЗОР И АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ, ЦЕЛЬ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор применяемых расчетных схем .II

1.2. Работы по экспериментальному определению нагрузок б подшипниках . I^

1.3. Цель и задачи исследования.2(

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ ТЕН30МЕТРИРУЕМ0Г

ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ.

2.1. Расчетная схема динамометрического участка наружного кольца подшипника.

2.2. Теоретический анализ деформаций динамометрического участка кольца, нагруженного одним телом качения.

2.3. Теоретический анализ деформаций динамометрического участка кольца, нагруженного двумя телами качения

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК

В ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ И ЕГО

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ.

3.1. Измерительные схемы при тензометрировании подшипников.

3.2. Стенд для тарирования и статических испытаний подшипников.

ГЛАВА ФОРМА И СПЕКТР ИМПУЛЬСОВ ДЕФОРМАЦИЙ

ТЕН30МЕТРИРУЕМ0Г0 ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ

4.1. Форма расчетных импульсов деформаций

2. Сравнение экспериментальных и расчетных импульсов деформаций.

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ ПРИ НАГРУКЕНИИ ПОДШИПНИКА

КАЧЕНИЯ.

5.1. Нагружение вращающейся радиальной силой

5.2. Комбинированное нагружение вращающейся радиальной и осевой силами.$О

5.3. Комбинированное нагружение осевой силой и центробежными силами тел качения

5.3.1. Методика измерений.

5.3.2. Спектр импульсов деформаций . . 9 |

5.3.3. Определение осевой силы

ГЛАВА б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ОПОРАХ РОТОРОВ И ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ МЕТОДОМ ТЕН30МЕТРИР0ВАНИЯ ПОДШИПНИКОВ . 1<Ч

6.1. Нагрузки в опорах высокоскоростного ротора.

6.2. Нагрузки в опорах высокоскоростного ротора с механической трансмиссией.

6.3. Нагрузки в подшипнике 8АВ1762 ПР1 высокоскоростного ротора.

6.4. Нагрузки в подшипниках и зубьях высокоскоростной зубчатой передачи

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее развитие и совершенствование конструкций машин, повышение их надежности и долговечности. Стремление к улучшению технических показателей машин ведет к усложнению их конструкции, а также к росту скоростей вращения. Одной из актуальных задач машиностроения является совершенствование методов исследования высокоскоростных трансмиссий, в частности,определение нагружен-ности опор качения, являющихся их составной частью. Анализ наг-руженности узлов трансмиссии позволяет установить источник нагрузок, дать их оценку, разработать меры по их уменьшению, предупредить возможные разрушения. Эти данные используются также для усовершенствования конструкции.

При определении в натурных условиях величины и характера изменения нагрузок,воспринимаемых опорами качения роторов, зубчатых передач и т.д., необходимы достаточно простые и универсальные методы и средства экспериментального исследования, к которым можно отнести использование динамометрических свойств самого подшипника качения.

Оценка механической работоспособности и общего динамического состояния при доводочных испытаниях особенно актуальна для узлов и деталей турбомашин, работающих в сложных условиях переменных нагрузок, высоких частот вращения и повышенных температур. На высокоскоростные опоры качения действуют в натурных условиях силы различного характера: осевые силы (вследствие разности давления воздуха и газа), вращающиеся радиальные силы,например, от дисбаланса ротора, а также центробежные силы тел качения подтипника, соизмеримые с величинами внешних сил.

При проектировании долговечность подшипников качения определяется по расчетным значениям усилий /5/, /20/. Однако выбор подшипников, исходя из расчетных условий, может привести к неудовлетворительным результатам из-за несоответствия расчетных усилий действительным, так как ряд эксплуатационных факторов, определяющих нагруженность, практически не поддается учету.

В ответственных подшипниковых узлах для обеспечения требуемого срока службы, своевременного выявления увеличения динамических нагрузок и предупреждения разрушений необходимо производить экспериментальное определение величины и характера действующих на подшипник сил. Силы, которые в конечном счете приложены в контакте тел качения с дорожками качения колец подшипника, могут служить источником информации как о внешних нагрузках в трансмиссии, передаваемых подшипником от вала к корпусу, так и о внутренних, возникающих в результате неточностей изготовления и монтажа, а также появления дефектов самого подшипника. При экспериментальном исследовании нагрузок применяются методы тензомет-рирования, наиболее отвечающие задачам исследования динамики машин и узлов. В качестве динамометрического устройства применяется участок наружного кольца подшипника, расположенный под выполненным в корпусе подшипника пазом и имеющий закрепленные на внешней поверхности тензорезисторы, что позволяет проводить измерения с минимальными изменениями в подшипниковом узле, без нарушений условий его работы.

В настоящее время имеется значительный опыт диагностики подшипников качения по величине и характеру изменения деформаций наружного кольца, однако вопросы определения нагрузок различного характера по деформациям наружного кольца изучены недостаточно.

- б

В связи с этим актуальной задачей является разработка методов определения действующих в узлах трансмиссии фактических нагрузок, передаваемых на опоры, применяя тензометрирование колец подшипников качения.

Целью данной работы является разработка метода определения величин вращающихся радиальныхипостоянно направленных радиальных сил, а такие осевых сил, действующих в узлах трансмиссии, по спектру деформаций динамометрического участка кольца подшипника качения.

Задача определения нагрузок решается методом тензометриро-вания участка наружного кольца подшипника, что позволяет избежать сложных препарировок в узле и практически не изменяет характеристик жесткости опор, являющихся составной частью колебательной системы трансмиссия - корпус.

Научная новизна метода заключается в установлении зависимостей амплитуды и формы импульсов деформаций динамометрического участка кольца подшипника от параметров этого участка и в разработке методов и средств для определения внешних сил различного характера, действующих в натурных условиях на подшипник качения высокоскоростной опоры,по спектру деформаций кольца подшипника путем выделения соответствующих составляющих этого спектра.

Разработанные методы применены при определении нагрузок в узлах трансмиссии при доводочных испытаниях высокоскоростных роторов и зубчатых передач. Наряду с оценкой нагруженноети, даны рекомендации по усовершенствованию конструкции узлов.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - величина составляющей спектра деформаций участка кольца, МБ;

Ас( - амплитуда импульсов деформации зуба колеса, В; (Х,& - координаты тензорезистора, мм; аа/г ; а, ; а* ;

- коэффициенты Фурье ; а'о/.А' а&г\ кт , /с - отношение величин составляющих спектра деформаций;

С - расстояние между точками контакта двух соседних тел качения с наружным кольцом подшипника, мм; Т) — диаметр окружности,проходящей по центрам тел качения,мм; с1 - диаметр тела качения, мм; £ - модуль упругости, Н/см^;

- параметр несимметричности расположения тензорезистора; Я" - центробежная сила тела качения, Н;

- осевая сила, Н; р~п - постоянно направленная радиальная сила, Н; Рп - вращающаяся радиальная сила, Н; ф - частота вращения вала, Гц;

X - частота прокатывания тел качения яерез динамометричес

Т гп кий участок кольца, Гц; /я - частота зацепления, Гц; И - высота сечения балки, мм;

7 - суммарный ток стабилизации источника питания измерительной схемы, мА; Ле/- коэффициент динамичности зубчатой передачи; £ - длина балки, мм;

М - изгибающий момент, Н.м; Мкр. - крутящий момент, Н.м; 771 - число тел качения подшипника; К - частота вращения вала, мин""*;

- усилие на наиболее нагруженное тело качения, Н;

Pi - усилие на с -е тело качения в нагруженной зоне, Н; Рг ; Рч ; - давление за компрессором и за турбиной, Н/см2; Яг - сопротивление тензорезистора, Ом;

- проскальзывание тел качения, % ;

5(a)) i SrM(<*>) 1 ~ спектральная плотность; £ - время, сек.;

Ыт - напряжение питания тензорезистора, В ; W - момент сопротивления сечения балки при изгибе, см^; W - прогиб балки, ма; ^ - число зубьев шестерни (колеса);

J3 - номинальный (начальный) угол контакта тела качения,град; JbH ; Jd>e ; - угол контакта тел качения с поверхностью качения наружного и внутреннего кольца, град.;

- угол наклона зубьев, град;

У - угол между телами качения, град.; & - база тензорезистора, мм ; £ - относительная деформация;

Г - относительная деформация на длине базы тензорезистора; У - угол нагруженной зоны, град.;

- угловая скорость вращения вала, сек""*; с - угловая скорость вращения сепаратора, сек""*; ^т - угловая скорость прокатывания тел качения через динамометрический участок кольца, сек""*;

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан метод определения действующих в натурных условиях в узлах трансмиссии нагрузок различного характера путем выделения соответствующих составляющих в спектре деформаций динамометрического участка кольца подшипника качения при сохранении характеристик жесткости подшипникового узла, являющее гося составной частью колебательной системы трансмиссия - корпус

2. На основе теоретического и экспериментального исследования амплитуды и формы импульсов деформаций динамометрического участка длина последнего выбрана равной шагу между телами качения, а отношение базы тензорезистора к длине динамометрического участка устанавливается в пределах 0,15 * 0,3. Установлено, что форма импульсов деформаций определяется отношением базы тензорезистора к длине участка кольца.

3. Применен метод статических испытаний с преобразованием принятой при динамических испытаниях потенциометрической схемы включения тензорезисторов, расположенных на динамометрическом участке кольца, в мостовую схему, имеющую балансировку.

Разработан и используется в НАМИ стенд для тарирования и статических испытаний тензометрируемых подшипников, на котором осуществляется комбинированное нагружение подшипника вращающейся радиальной силой и осевой силой, а также постоянно направленной радиальной силой.

5. Предложена и обоснована методика определения вращающихся радиальных сил и осевых сил, действующих в узлах трансмиссии и воспринимаемых опорами, по значениям первых гармонических составляющих спектра деформаций динамометрического участка кольца подшипника качения, соответственно с частотой вращения вала и с частотой прокатывания тел качения через ди- ' намометрический участок кольца.

6. Предложена и подтверждена экспериментально методика определения осевой силы,действующей на подшипник качения высокоскоростной опоры, с применением принципа суперпзиции деформаций участка кольца подшипника от составляющей осевой силы и центробежных сил тел качения.

7. Разработан метод определения нагрузок в высокоскоростной зубчатой передаче. Метод применен на практике для оценки нагруженности высокоскоростного редуктора при разных скоростных режимах. По статистическим распределениям деформаций тензо-метрируемого зуба колеса и результатам тензометрирования подшипника качения одной из опор определены коэффициенты динамичности, резонансные зоны и крутящие моменты.

8. Разработанный метод определения нагрузок в узлах трансмиссии применен при доводочных испытаниях высокоскоростных роторов и трансмиссий на предприятии ЯМЗ и в НАМИ. Определены действующие в узлах трансмиссии нагрузки, воспринимаемые опорами качения, и в ряде случаев установлены резонансные зоны и нарушение нормальных условий работы узлов, что позволило дать практические рекомендации по усовершенствованию конструкций.

1. Айрапетов ЭЛ., Генкин М.Д. Динамика планетарных механизмов, М., Наука, 1980. - с. 240-244.

2. Бауманн Э. Измерение сил электрическими методами. М.: Мир, 1978. с. 17-34.

3. Белянчиков М.П. Исследование основных силовых зависимостей в радиально-упорных шарикоподшипниках: Канд.дис.М.: 1961.

4. Бендат Э., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1971. 401 с.

5. Бейзельман Р.Д., Ципкин Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения: Справочник. б-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1975. - с.64, 80, 104-132.

6. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г,Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. 3-е изд. перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1979, - с.142-157.

7. Вибрации механизмов с зубчатыми передачами (под ред. М.Д.Генкина и Э.Л.Айрапетова. М.: Наука, 1978. 127 с.

8. Вибрация энергетических машин (Под ред. Н.В.Григорьева. Л.: Машиностроение, 1974. с^253.

9. Васильков В.Д., Москалев В.Н. Стенд для тарирования подшипников качения. Подшипниковая промышленность, 1983, № 6.-с. 7-10.

10. Воронков В.А.Универсальный статистический анализатор АСУ-3.- Труды НАМИ, 1976, вып. 160. с.63-83.

11. П.Гарф М.Э., Корсакевич Н.И. Измерение реакций на опорах качения вращающихся валов. Вестник машиностроение 1952. № I- с.38-41.

12. Гринкевич В.К., Неселовский Э.А., Сусанин В.И. Измерение радиальных усилий в опорах роторов. Вестник машиностроения, 1982,' № 10, с. 30-31.

13. Демидович Б.П., Марон И.П. Основы вычислительной математики, 3-е изд. М.: Наука, 1966. с.33-39.

14. Егорычев Л.П. Бесконтактная система измерений на вращающихся деталях с датчиками сопротивления. Измерительная техника, 1965, № 3.

15. Ерошкин А.И., Максимов В.П., Орманов П.И., Самылин Е.А. Экспериментальные методы обнаружения повреждений подшипников качения в ранней стадии. В кн.: Прочность и динамика авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1971, вып. 6, с. 260-273.

16. Идзава М. Исследование нагрузок в подшипниках качения: -Перевод № 68548. М.: ВИНИТИ, 1962.

17. Идзава К., Сасаки К. Характер движения шарика в линейном шариковом подшипнике; Перевод № 259060.М.: ВИНИТИ, 1976.

18. Исследовательские работы по турбоэлектрическому приводу городского автобуса типа 6x4. Заключительный сводный отчет № III34.- НАМИ, № гос регистрации Б938638, ВНТИД, 1980 - 45 м.с.

19. Карасев В.А., Максимов В.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1978.

20. Ковалев М.П., Народецкий М.З. Расчет высокоточных шарикоподшипников. 2-е изд.,перераб. и доп.-М.:Маштностроение, 1980.- с.13,48,- 55, 300-316.

21. Козлов И.А., Баженов В.Г., Матвеев В.В., Лещенко В.М. Исследование прочности деталей машин при помощи тензодатчиков сопротивления. Киев,: Техника, 1967.- с. 46, 66.

22. Корсакевич Н.И. Динамометрические свойства подшипников качения." Вестник машиностроения, 1955, № 12, с. 12-Ш5.

23. Корсакевич Н.И. Исследование деформаций и измерение усилий в подшипниках качения: Канд.дис. Киев: 1955.

24. Латхи Б.П. Системы передачи информации. М.: Связь, 1971, 324 с.

25. Колебания механизмов с зубчатыми передачами (под ред;

26. М.Д.Генкина и Э.Л.Айрапетова. М.: Наука, 1977. 149 с.

27. Методы диагностики повреждений подшипников качения (Ерош-кин А.И. и др. В кн.: Прочность и динамика авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1966, вып.4.

28. Москалев В.Н., Васильков В.Д. К вопросу статической тарировки при определении нагрузок в подшипниковых узлах ГТД методом тензометрирования. В кн.: Газотурбинные и комбинированные установки. М.: 1979. - с.169.

29. Москалев В.Н., Васильков В.Д. Результаты исследования деформаций динамометрического элемента тензометрируемого подшипника качения высокооборотного ротора. В сб^: Депонированные рукописи. М.: ВИНИТИ, 1982, № 12 (134), - с.75.

30. Васильков В.Д., Москалев В.Н. К вопросу исследования динамических нагрузок в деталях высокооборотной зубчатой передачи методом тензометрирования. В библиогр. указ.: Депонированные рукописи.М.:ВИНИТИ,1982, № 12,(134).- с.75.

31. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. -М.: Статистика, 1971.

32. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний. М.: Машиностроение, 1978. 251 с.

33. Опоры качения зубчатых передач (Айрапетов Э.Л., Айрапетов С.Э., Генкин М.Д., Лупандин В.В. М.:Наука,1984.- с.61-63.

34. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1975.-с.344,

35. Пинегин С.В., Фролов К.В. Вибрации и шум подшипников качения. Машиноведение, 1966, Ш 2. - с.36-45.

36. Разработка городского автобуса большой вместимости с турбо-электрической силовой установкой мощностью 250 л.с. с четырьмя мотор-колесами. Сводный отчет № 10944, НАМИ,госрегистрации Б836760, ВНТИЦ, 1979. 87 м.с.

37. Сидоренко М.К. Виброметрия газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973. 224 с.

38. Спришевский А.И. Подшипники качения. М.: Машиностроение, 1969. с. 35-105.

39. Солодовников В.В. Введение в статистическую динамику систем автоматического управления. М; Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952.- 366 с.

40. Сиротин H.H., Коровкин 10.М., Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1979.

41. A.c. 748I4I (СССР). Способ спектрального анализа вибраций машин (М.В.Колмаков. Опубл. в Б.И., 1980, № 26.

42. A.C. 800771 (СССР). Стенд для тарирования подшипников качения (В.Н.Москалев, В.Д.Васильков.- Опубл. в Б.И.,1981, № 4)

43. Толстов Г.П. Ряды Фурье. 3-е изд.- М.: Наука, 1980.-384 с.

44. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие (Под ^ ред.Р.А.Макарова, М.: Машиностроение, 1975.- 288 с.

45. Трейер В.Н. О распределении нагрузки по шарикам и роликам в подшипниках качения. Машиностроитель Белоруссии, 1957, - № 2.

46. Фесенко С.С. О динамических нагрузках в подшипнике с зазором от неуравновешенного ротора. Вестник машиностроения, 1969, № 10 , с.35-36.

47. Харкевич A.A. Спектры и анализ. 4-е изд. - М.: Физматгиз, 1962. - 234 с.

48. Хорна 0. Тензометрические мосты. М.; Л.: Энергия, 1962.333 с.

49. Хронин Д.В. Теория и расчет колебаний в двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970. 412 с.

50. Хирано Ф. О движении шарика в радиально-упорном шарикоподшипнике: Перевод № 63512. М.: ВИНИТИ, 1963.

51. Электрические измерения неэлектрических величин (под ред.

52. StLrrbrCLoUje£rc£.£esi ccrbter onc/er-er- £>er*üc/riLcAtLgunxj der- k-ecb. ~

53. Jn£rU& ^etrce^e- Stexjerccrug J 4Q&5 9 */4oa.5Ц. TSLetrLch JU. t OuLmo-wskL W. /?оиъоСот approachto thjL dynCLmic ¿оаоСсгьд of cjbocrs.- ¿sth. Ufotr&j

54. Uofnvouin W. %ur Тге,п/ъшъд von PcubcL-tcujfшъЫ Summen izcEucrucj if eh С&гл Se¿ c/er- Te¿^Jrr-e.¿^ oux jchruLk f /966, <tô9 во. HoÍ2.Lve¿i>Lruj JUetí^r G. JJyzt&chsuJc c/es

55. JJcLbcJ^jírusidyncxjtlUC. JZeipzLg : V£& Fct.<zh£uch -ixzrtaj^ , V9 73, -Gl Honrcuth K. jU-eA-íusug von KrcLftesz ¿n

56. VSdi^laa&rn." ViboLuAlríe-JlizeLq^ /355^/Q

57. Randa.W R. JtdvùsLCbb ¿n. thJL app¿¿co.tLon ofczp*>£ru.m Cltlo. Ъо ^touriooc cLCccQruD'iCi. ~1.r. Rotating JUcxcA. ¿nd.Cfnd. Con/. Carr?grZdg<>y 4 <3*0. s. "/6 9-/7V.

58. RdLtig H. QynjOu-nUcJie к reifte. гГуОУbzríchAe 4в?Ъ ¿/95. * >

59. Ruff irá. Jf. ßtCLTi /963 , A/9. s. ¿52.-235. 68. S¿c¿n РЖ. JUm.^ur¿no g&w-ùng *>¿ra.¿n - Cfrubtru-mesbté, cubd ConJzrol Sccv.ьЧ-s. S35-/59

60. Ge. Татиra H. , Shimlzu H. tiLbro£¿on of Ro tordu е. to fbaU ßzcwcng.- /bui¿e¿¿s> о/ Crs/f£j , v. H 9 л/v?.

61. UÍLtío-гыЫ f. ^Л/ctic/bcncnjgcr-cCu-ich von

62. ZW à-ta ùx^er-n . JUa-zch ¿n-cnus-e&L ил oíieJctrotzchrUk , 1366^9.

63. VSùrt S. Л л cunp ¿¿¿LLol-e. jtlocLu &cuLùon ¿hzory -fry gecLr- CcLuccof if¿£>rCLt¿on¿>.- 148