Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

 

Васильев В.О., Никитаева Т.В.

 

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ В ПОДШИПНИКАХ

 

Кинематическая пара вал-втулка образуют подшипник скольжения. Подшипники скольжения характеризуются рядом параметров – нагрузочной способностью, диапазоном рабочих частот вращения, долговечностью и т.д. Важной характеристикой подшипника являются параметры трения, которые в значительной степени определяют износостойкость и долговечность. Принято оценивать трение в подшипнике по величине момента трения для различных режимов работы [2]. Известные установки для определения моментов трения в подшипниках [1] предполагают прямое измерение момента трения весовым методом. При таком подходе точность измерения весьма низкая, велики субъективные погрешности.

Предлагаем основные технические решения по созданию автоматизированной установки для измерения момента трения в подшипниках на различных частотах вращения и при различных радиальных нагрузках. Предлагаемая установка состоит из механической части с исследуемым подшипником и электрического блока управления и измерения. Конструктивная схема механической части приведена на рис. 1.

Исследуемый подшипник представлен валом 1 и втулкой 2. По торцам вала 1 закреплены диски 3, 4 из листового магнитомягкого материала, которые взаимодействуют посредством магнитного поля с неподвижными электромагнитами постоянного тока 5, 6. Сила взаимодействия пропорциональная электрического току в обмотке электромагнита. На диске 3 под некоторым углом к осевой линии установлено плоское зеркало 7, которое входит в оптический канал с неподвижным осевым осветителем 8 и приемным световодом 9. Тонкий луч осветителя имеет сечение либо круга, либо треугольника. Световод представляет собой сборку в один слой световолокон, закрепленных на оправке 10. В результате торцы световолокон на оправке образуют кольцо, концентричное осевой линии вала 1. Вторые концы световолокон собраны в одну точку и оптически связаны с фотоприемником, например, с фотодиодом VD.

 

Рис. 1 Конструктивная схема механической части установки

 

Рис. 2 Эпюры напряжений на выходе формирователя фотодиода

 
Примем количество световолокон Nb=6000, их диаметр 0,02 мм, тогда диаметр оправки будет равен 38,2 мм. Фотодиод подключен к электронному формирователю F (расположен в электрическом блоке), который по переднему фронту обегающего оптического сигнала формирует короткие (меньше времени прохождения шага световода) прямоугольные электрические импульсы. При вращении вала 1 на выходе формирователя F будет последовательность прямоугольных электрических импульсов (см. рис. 2) с периодом следования TVD равном времени прохождения фронта оптического луча между соседними световолокнами.

На торце второго диска 4 закреплена фрикционная шайба 11, с которой взаимодействует ответная фрикционная шайба 12. Последняя находится на торце диска 13. Этот диск, в свою очередь, установлен на шлицах 14 вала 15 электродвигателя 16. Элементы 11, 12 образуют фрикционную муфту, которая управляется перемещением диска. Отдельные типовые конструктивные решения на рис. 1 не отражены. В частности, не показаны блокировка вала 1 по осевому смещению и орган управления фрикционной муфтой – в зависимости от исполнения это может быть ручной управление или электромагнитное.

Рис. 3 Функция выбега

 
Обратимся к принципу измерения искомого параметра и структуре электронной схемы электрического блока. В основу принципа определения момента трения положено измерение параметров функции выбега – см. рис. 3, где мгновенное значение частоты вращения     вала 1 обозначено

 ,                              (1)

где φ – текущий угол поворота вала.

Работа сил трения на участке от φmax до φmin может быть выражена через потерю кинетической энергии

 ,                                     (2)

где γ – момент инерции вращающихся частей, или через изменение угла поворота

                                              (3)

Приравнивая выражения (2) и (3) получим для искомого параметра

                                                  (4)

Прежде всего сформируем тахометрический канал. Обычно частоту вращения выводят на индикатор не в размерности рад/с, а в размерности об/мин. Поскольку 1 мин = 60 с, а в одном обороте 2 π радиан

 ,                                            (5)

где                                                         

Примем для тахометрического канала цифровой принцип образования информации частоты вращения n. Тогда на счетчике n должно быть количество импульсов численно равное n. Временной интервал является генератором 17 опорной частоты, счетчиком интервала 18 (двоичный 8-мм разрядный), дешифратором 19 и RS-триггером 20. Нулевое значение позиционного кода дешифратора устанавливает триггер 20 в состояние сброса, а значение 255 – в единичное состояние. Таким образом, на выходе триггера 20 формируется прямоугольный импульс длительностью Т0 255 периодов частоты генератора 17.

Рис. 4 Функциональная схема тахометрического канала

 

Частота вращения вала 1 пропорциональна количеству импульсов фотодиода за время Т0. Импульсы ƒVD фотодиода 21 доводятся до прямоугольной формы формирователем 22 и поступают на вход конъюктора 23, который открывается импульсом Т0 триггера 20. Прошедшие за время Т0 импульсы ƒVD записываются в счетчик частоты 24, переводятся в позиционный код дешифратором 25 и отражаются в десятичном 4-х разрядном коде индикатором 26. При указанных выше параметрах световода частота опорного генератора 17 равная ƒ0=426,7 Гц. Т0=0,6 с

Исследовательские установки не являются изделиями массового производства, поэтому целесообразно расчет по формуле (4) производить компьютером. При этом электрические блок установки должен задать первичную информацию. Для этого предусмотрена схема рис. 5.

При проведении эксперимента оператор назначает исходные условия – радиальную нагрузку и частоту вращения nи в виде симметричного допуска n1 и n2. Для этого служат кодовые задатчики 27, 28. Коды задатчиков сравниваются с выходными кодами дешифратора 25 частоты. При совпадении кодов схемы сравнения - СС1 29 и СС2 30 вырабатывают короткие прямоугольные импульсы соответственно t1 и t2, которые подключают программу компьютера для вычисления угловой частоты вращения в точках 1 и 2 функции выбега по формулам

  (6)
 ,

 ,

где      - угловой шаг световода,

tm1, tm2 – соответственно время вращения вала 1 в пределах одного шага, т.е период TF по рис. 2 для точек 1 и 2.

Рис. 5 Функциональная схема блока управления
Одновременно импульсы tm1, tm2 схем сравнения 29, 30 формируют с помощью триггера 31 фазы прямоугольный импульс длительностью, равной интервалу Δt (см. рис. 3). Этот интервал заполняется импульсами с выхода формирователя 22 фотодиода. На выходе конъюктора 32 количество импульсов пропорционально . Заметим, что сброс в исходное состояние триггеров осуществляется обычным образом фронтом питания, поэтому на схемах рис. 4, 5 не отражен.

Работает установка следующим образом. В соответствии с программой испытаний оператор устанавливает на электрическом блоке токи электромагнитов 5, 6, обеспечивающие заданное значение радиальной нагрузки подшипника. На задатчиках 27, 28 устанавливают значения частот n1 и n2. Смещением диска 13 замыкает фрикционную муфту и электродвигателем 16 доводит частоту вращения вала 1 до значения nmax (см. рис. 3). После размыкания фрикционной муфты начинается свободное вращение вала 1 подшипника – выбег. Обработка первичных сигналов по формуле (4) осуществляется как было отмечено выше. Результат получают на экране компьютера.

 

Литература:

1. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е. П. Осадчего. – М.: Машиностроение, 1979. – 480 с.

2. Остяков, Ю. А. Проектирование деталей и узлов конкурентно способных машин / Ю. А. Остяков, И. В. Шевченко. – СПб.: Изд-во «Лань», 2013. – 336 с.

3. Сажин, С. Г. Средства автоматического контроля технологических параметров: учебник / С. Г. Сажин. – СПб.: Изд-во «Лань», 2014. – 400 с.