Способ определения угла контакта в шарикоподшипнике и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к подшипниковой промышленности и предназначено для использования при реализации контроля шарикоподшипников в процессе их изготовления и при осуществлении диагностики в процессе их эксплуатации. Предложено измерять угол контакта в шарикоподшипнике, используя вибросигналы, полученные с вращающегося под нагрузкой подшипника. Измеряют амплитудный спектр вибраций всех элементов, дискретизируют и преобразовывают вибросигналы в цифровую форму. Определяют составляющие спектра вибраций в заданных диапазонах частот, вводят сигнал в рабочий буфер, подвергают вибросигнал быстрому преобразованию Фурье и определяют частоты вращения ротора, сепаратора с шариками относительно наружного и внутреннего колец и шарика вокруг собственной оси. Затем определяют угол контакта как функцию параметров частот деталей подшипника. Устройство, с помощью которого осуществляется данный способ, включает в себя вибропреобразователь, усилитель-корректор, фильтр, узел обработки и аналого-дискретного преобразования сигнала, преобразователь Фурье, определители частоты вращения наружного кольца, комплекта шариков относительно наружного и внутреннего колец, шарика вокруг собственной оси и блок вычисления и регистрации искомого угла контакта. Предложение обеспечивает высокую точность измерения. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к подшипниковой промышленности и может быть использовано преимущественно для контроля шарикоподшипников при их изготовлении или диагностики в процессе эксплуатации.

Известен способ измерения угла контакта шарика с профилем желоба кольца подшипника, при котором кольца устанавливают неподвижно в контакт с одним из шариков, в диаметрально противоположных точках его вводят два параллельных цилиндрических стержня, свободно вращающихся вокруг своих осей, перемещают их синхронно в осевом направлении в противоположные стороны на заданную величину, измеряют угол поворота стержней и определяют угол контакта шарика с кольцами по функциональной зависимости, связывающей его с углом поворота стержней (авт. свид. СССР, 669179, кл. G 01 B 5/24, 1979).

Однако такой способ является весьма трудоемким и не обеспечивает необходимую точность измерения.

Известно также устройство для измерения угла контакта шарикоподшипников, содержащее смонтированные в корпусе механизм фиксации подшипника, шпиндель для вращения подшипника, привод вращения и торможения шпинделя, узел нагружения, отсчетное устройство и командоаппарат (авт. свид. СССР, 1250885, кл. G 01 M 13/04, 1986).

Однако такое устройство основано на механической кинематике деталей и узлов измерительной цепи, что не обеспечивает быстродействия технологических операций и точности измерений.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятым за прототип, является способ и устройство (патент РФ, 2052185, кл. G 01 M 13/04, 1996), согласно которому способ контроля угла заключается в определении функции а устройство для его осуществления содержит корпус, шпиндель с приводом вращения подшипника, узел нагружения и узел отсчета с датчиками, информация от которых выведена через блок формирования и первичной обработки импульсов на ЭВМ.

Однако такой способ контроля угла контакта и устройство для его осуществления не являются универсальными, не позволяют проводить измерения на подшипниках, находящихся в эксплуатации в изделиях без их разборки, а устройство имеет сложное конструктивное исполнение.

Поставлена задача устранить указанные недостатки прототипа, предложить более современную технологию измерения и более простое устройство без использования в цепи измерения механических кинематических связей, что повысило бы точность измерений.

Задача решается тем, что в качестве сигнала измерительной информации используют вибросигнал, а полученный дискретный сигнал подвергают преобразованию Фурье, при этом по выявленному амплитудному спектру вибраций с квадратическим усреднением в заданных частотных диапазонах рассчитывают частоту f_р вращения внутреннего кольца и частоту f_н вращения комплекта шаариков относительно наружного кольца, далее, вычитая f_н из f_р, вычисляют частоту f_в вращения комплекта шариков относительно внутреннего кольца, а выделяя из амплитудного спектра найденные f_н и f_р, фиксируют частоту f_ш вращения шарика относительно собственной оси, искомый угол контакта определяют по выражению где - - угол контакта подшипника; f_ш - частота вращения шарика вокруг собственной оси; f_н - частота вращения комплекта шариков относительно наружного кольца; f_в - частота вращения комплекта шариков относительно внутреннего кольца.

Как один из вариантов вибросигнал обрабатывают и преобразуют в дискретную форму с частотой дискретизации 800 Гц, частотой среза для низких частот 300 Гц и временем 40 с. При этом амплитудный спектр анализируют в диапазоне 300-400 Гц, а частоты вращения внутреннего кольца подшипника и комплекта шариков относительно наружного кольца - в диапазонах соответственно 24-25 Гц и 9,3-10 Гц.

Устройство для измерения угла контакта по предлагаемому способу содержит вибропреобразователь - узел отсчета с датчиком, между выходом вибропреобразователя и входом узла обработки и аналого-дискретного преобразования сигнала введены последовательно соединенные усилитель-корректор и полосовой фильтр, а между выходом узла обработки и аналого-дискретного преобразования сигнала и входом упомянутого узла вычисления и регистрации - последовательно соединенные преобразователь Фурье, определитель частоты вращения внутреннего кольца, определитель частоты вращения комплекта шариков относительно внутреннего кольца и определитель частоты вращения шарика относительно собственной оси. Узел вычисления и регистрации угла контакта шарика с профилем желоба кольца выполнен с возможностью определения отношения диаметра окружности центров шариков к диаметру шарика.

На чертеже показана схема устройства.

Устройство содержит вибропреобразователь 1, установленный на исследуемом подшипнике, закрепленном на вращающемся роторе. К его выходу последовательно подключены усилитель-корректор 2, фильтр 3, блок подготовки вибросигнала, ввода и АЦП 4, преобразователь Фурье 5, определитель частоты вращения наружного кольца 6, определитель частоты вращения комплекта шариков относительно внутреннего кольца 7, определитель частоты вращения комплекта шариков относительно наружного кольца f_н 8, блок определения частоты вращения шарика вокруг собственной оси f_ш 9, блок вычисления и регистрации угла контакта cos 10 с дисплеем 11 и печатающим устройством 12.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Механические колебания подшипника, вращающегося под нагрузкой, которые появляются вследствие имеющихся в нем неточностей изготовления и сборки, фиксируются вибропреобразователем 1, который преобразует их в пропорциональные электрические сигналы. С усилителя-корректора 2, предназначенного для усиления и согласования высокого выходного сопротивления вибропреобразователя 1 с последующими элементами цепи, сигнал поступает на вход полосового фильтра 3 и через него - на блок подготовки вибросигнала, ввода и АЦП 4. Ввод осуществляют в режиме, характеристики которого приведены в таблице.

Определяют частоту вращения внутреннего кольца и комплекта шариков относительно внутреннего и наружного кольца по поступившему сигналу с использованием исследованных свойств спектра вибраций.

Первоначально вибросигнал, записанный в первом режиме, подвергают быстрому преобразованию Фурье с использованием 8192 точек с усреднением по амплитудным спектрам среднеквадратичных значений. В результате получают амплитудный спектр вибраций подшипника в диапазоне до 400 Гц с разрешением по частоте f = 0,997 Гц. Поскольку при вводе сигнала граничная частота фильтра НЧ составляла 300 Гц, то фактическое значение составляющие спектра получают на частоте, не выше граничной.

В этом спектре существует значительная составляющая, соответствующая частоте вращения внутреннего кольца. Поблизости нет других составляющих спектра. На этом основан алгоритм точного определения частоты вращения внутреннего кольца. Сначала определяем составляющую спектра в диапазоне от 24 до 25 Гц, имеющую максимальную амплитуду. Затем берем две предыдущие и две последующие составляющие. Частоту вращения определяем как средневзвешенную частот этих пяти составляющих, где в качестве весов берутся квадраты соответствующих амплитуд. Если номер максимальной гармоники обозначить i, частоты пяти исходных гармоник f_i-2; f_i-1; f_i; f_i+1; f_i+2; а амплитуды a_i-2; a_i-1; a_i; a₁₊₁; a_i+2, то значение частоты вращения определяем по формуле (1):
Она определяется, таким образом, с точностью лучше, чем 0,05 Гц.

Далее по тому же спектру определяют частоту вращения комплекта шариков относительно наружного кольца f_н. Гармоника, соответствующая этой частоте, обычно выражена очень слабо, а зачастую и вовсе незаметна на общем фоне. В то же время ярко выражена гармоника, соответствующая частоте прохождения шариков по наружному кольцу, которая равна искомой частоте, умноженной на число шариков в подшипнике. Зная примерно частоту вращения комплекта шариков относительно наружного кольца f_н, умножением границ этого диапазона частот на количество шариков получают новый диапазон, в котором, действуя по алгоритму, описанному для частоты вращения внутреннего кольца (т.е. определяя в начале максимальную составляющую в полученном диапазоне и заканчивая вычислением по формуле (1)), определяют частоту прохождения шариков по наружному кольцу с точностью не хуже 0,05 Гц. Деля на количество шариков эту частоту, получают частоту вращения комплекта шариков относительно наружного кольца с точностью не менее 0,01 Гц.

После определения частоты вращения внутреннего кольца f_р и частоты вращения комплекта шариков относительно наружного кольца f_н вычисляют частоту вращения комплекта шариков относительно внутреннего кольца по формуле (2):
f_в = f_р - f_н .(2)
На основе определения трех из четырех необходимых частот строят линейчатую часть спектра вибраций подшипника. Четвертую частоту вращения шарика вокруг собственной оси f_ш определяют позднее.

Рассмотрим структуру спектра вибраций подшипника.

В линейчатой части спектра вибраций шарикоподшипника можно выделить три набора гармоник, которые возбуждаются соответственно наружным и внутренним кольцами и комплектом шариком. Пусть n - это количество шариков в подшипнике. Обозначим через K целое число, диапазон измерения которого будет указан отдельно для каждой из групп гармоник. Пусть m - это еще одно целое число в диапазоне от 0 до 5.

Тогда частоты гармоник, соответственно возбуждаемые наружным кольцом, будут:
Knf_н mf_р, (3)
где
K = 1 ... 125
Частоты гармоник, соответствующие возбуждению от внутреннего кольца:
Knf_в mf_р, (4)
где
K = 0 ... 85
Частоты гармоник, соответствующие возбуждению от комплекта шариков:
mf_н (5)
Kf_ш mf_н, (6)
где
K = 1 ... 200
Все указанные составляющие не обязательно будут представлены в реальном спектре вибраций. Так, например, для внутреннего кольца редко появляются гармоники, соответствующие m = 0 в формуле (4), а присутствующие боковые частоты. Для наружного кольца, наоборот, в основном присутствуют гармоники, соответствующие m = 0 в формуле (3). То же и для шариков: гармоники, соответствующие m = 0 в формуле (6), обычно слабо выражены, а присутствуют боковые частоты. Частоты, описываемые формулой (5) и характеризующие разноразмерность шариков, не всегда проявляются. Однако программа измерения угла каждый раз индивидуально для каждого подшипника анализирует наличие или отсутствие всех указанных гармоник и определяет их амплитуду.

Такая структура подтверждается результатами подробных экспериментальных и теоретических исследований и полностью соответствует реальному спектру вибраций подшипника качения.

Формирование спектра вибраций осуществляют следующим образом. Сначала выделяют все пики в спектре вибраций. Для этого вычисляют спектр скользящего среднего в диапазоне 20 предшествующих и 20 последующих гармоник. Затем рассматривают последовательно гармоники исходного спектра, и в случае, если ее амплитуда превосходит соответствующую среднюю в два раза, она считается элементом пика. Идущие последовательно без пропусков элементы пиков считают элементом одного пика. Для идентификации отдельных пиков в процессе перебора в соответствии с алгоритмом в специальный массив пар чисел записываются номера гармоник, являющихся первыми и последними элементами каждого из пиков. Из полученного набора пиков выбирают те, которые соответствуют частотам, возбуждаемым наружным кольцом, т.е. те, которые соответствуют формулам (3) и (4) в рассматриваемом диапазоне частот. Они одновременно исключаются из исходного спектра и включаются в спектр вибрации наружного кольца. Та же операция повторяется для внутреннего кольца с использованием частот, описываемых формулой (5). Тогда в исходном спектре остаются только пики, соответствующие шарикам. Эти пики исключаются из исходного спектра и включаются в спектр вибраций, возбуждаемых шариками.

В результате получают три спектра вибраций, соответствующих возбуждениям от трех основных причин: наружного кольца, внутреннего кольца и шариков.

Для получения исходного спектра осуществляют сначала быстрое преобразование Фурье, затем производят остальные операции, описанные выше. Затем вычисляют угол контакта шарика с профилем желоба кольца подшипника по формуле:

где
- - угол контакта подшипника;
f_ш - частота вращения шарика вокруг собственной оси;
f_н - частота вращения комплекта шариков относительно наружного кольца;
f_в - частота вращения комплекта шариков относительно внутреннего кольца.

Последней вычислительной операцией является определение отношения диаметра окружности центров шариков подшипника (D_ср) к диаметру шарика подшипника (d_ш) по формуле:

Результаты измерения угла контакта шариковых подшипников и вычисления соотношения диаметра окружности центров шариков подшипника к диаметру шарика выводят на экран дисплея и одновременно на печатающее устройство.

Предлагаемые способ и устройство для измерения угла контакта шариковых подшипников очень просты, технологичны, не требуют дорогостоящего аппаратного оборудования и предполагают использование широко применяемого оборудования для вибродиагностики подшипников. Кроме того, они позволяют проводить указанные измерения на подшипниках, находящихся в эксплуатации в изделиях без их разборки, что делает предлагаемый способ и устройство универсальными современными средствами контроля и диагностики шарикоподшипников.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной по сравнению с прототипом, имеет изобретательский уровень по сравнению с известными техническими решениями и промышленно применимо, что соответствует требованиям патентоспособности изобретения.

Формула изобретения

1. Способ определения угла контакта в шарикоподшипнике, согласно которому подшипник вращают под нагрузкой ротором, с помощью датчика, установленного на наружном кольце подшипника, формируют сигнал измерительной информации, обрабатывают его, преобразуют в дискретную форму и вычисляют угол контакта шарика с профилем желоба кольца по функциональной зависимости угла от полученного дискретного сигнала, отличающийся тем, что в качестве сигнала измерительной информации используют вибросигнал, а полученный дискретный сигнал подвергают преобразованию Фурье, при этом по выявленному амплитудному спектру вибраций с квадратическим усреднением в заданных частотных диапазонах рассчитывают частоту f_р вращения внутреннего кольца и частоту f_н вращения комплекта шариков относительно наружного кольца, далее, вычитая f_н из f_р, вычисляют частоту f_в вращения комплекта шариков относительно внутреннего кольца, а выделяя из амплитудного спектра найденные f_н и f_р, фиксируют частоту f_ш вращения шарика относительно собственной оси, искомый угол контакта определяют по выражению

обрабатывают и преобразуют в дискретную форму с частотой дискретизации 800 Гц, частотой среза для низких частот - 300 Гц и временем - 40 с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что амплитудный спектр вибраций анализируют в диапазоне 300 - 400 Гц, а частоты вращения внутреннего кольца подшипника и комплекта шариков относительно наружного кольца - в диапазонах соответственно 24 - 25 Гц и 9,3 - 10 Гц.

3. Устройство для определения угла контакта подшипника, установленного на роторе с приводом и снабженного углом нагружения, содержащее узел отсчета с датчиком сигнала измерительной информации, узел обработки и аналого-дискретного преобразования сигнала, узел вычисления и регистрации угла контакта шарика с профилем желоба кольца, выполненный в виде ЭВМ с дисплеем и печатающим органом, отличающееся тем, что в нем узел отсчета выполнен с датчиком в виде вибропреобразователя, между выходом вибропреобразователя и входом узла обработки и аналого-дискретного преобразования сигнала введены последовательно соединенные усилитель-корректор и полосовой фильтр, а между выходом узла обработки и аналого-дискретного преобразования сигнала и входом упомянутого узла вычисления и регистрации - последовательно соединенные преобразователь Фурье, определитель частоты вращения внутреннего кольца, определитель частоты вращения комплекта шариков относительно наружного кольца, определитель частоты вращения шариков относительно внутреннего кольца и определитель частоты вращения шарика относительно собственной оси.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что узел вычисления и регистрации угла контакта шарика с профилем желоба кольца выполнен с возможностью определения отношения диаметра окружности центров шариков к диаметру шарика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2