CC BY
163
УДК 621.787:658.56
ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПУТЁМ ИХ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРИРАБОТКИ И ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ В СОБРАННОМ ВИДЕ
Батищева О.М., Пыльнова А.В., Шуваев В.Г.
Самарский государственный технический университет
Рассматривается влияние ультразвуковой приработки подшипников качения на эволюцию трибосистемы в рамках энергетического баланса трения с контролем качества средствами вибрационной диагностики.
Эксплуатационные характеристики подшипников качения формируются путем направленного введения ультразвуковых колебаний в процессе приработки с последующей оценкой качества методами вибрационной диагностики.
Ключевые слова: подшипники качения, ультразвук, надёжность,
диагностика.
Контроль, анализ и решение проблем, связанных с подшипниками, имеют для современной промышленности большое значение. Одним из путей повышения работоспособности подшипников качения является применение ультразвуковых технологий при сборке и приработке подшипников [1].
Ультразвуковая приработка отличается высокой производительностью, значительным снижением сил и моментов, повышением эксплутационных характеристик подшипников качения, а также возможностью механизации и автоматизации технологического цикла. Введением дополнительных
ультразвуковых колебаний возможно целенаправленно управлять
формированием контактных связей и процессом приработки подшипников, тем самым перенося режим приработки из этапа эксплуатации на стадию сборки. Управляющими параметрами при этом будут являться амплитуда, частота, и схема введения ультразвуковых колебаний, а также время их действия на узлы подшипника качения.
Контактные связи, формируемые при приработке деталей, определяют, с одной стороны, силовые и точностные параметры самого технологического процесса прирабатывания деталей, а с другой - эксплуатационные показатели приработанных узлов. Изменение характера взаимодействия поверхностей контакта, обусловленных физико-химическими процессами, которые сопровождают введение в зону сопряжения ультразвуковых колебаний, оказывает существенное влияние, как на сам процесс сборки, так и на выходные параметры соединений. В этих условиях большое значение приобретают исследования воздействия ультразвукового поля на формирование контактных связей на микро- и макроуровнях, а также реакции указанных связей на изменение основных параметров приработки. Введение
ультразвуковых колебаний существенно интенсифицирует процесс приработки с меньшими энергетическими затратами, способствуя ускоренному
достижению равновесной шероховатости.
Существенно повысить эксплуатационные свойства подшипников качения позволяет совместная ультразвуковая приработка подшипников в собранном виде, когда кольца сообкатываются с собственным комплектом тел качения. Поэтому представляется целесообразным создание и исследование методов ультразвуковой приработки, учитывающих реальные условия эксплуатации подшипника в узле и позволяющих повысить качество изготовления, а соответственно надежность и долговечность подшипников качения.
Для анализа различных состояний подшипника - как элемента трибосистемы - в процессе эксплуатации целесообразно использовать обобщенный термодинамический подход к оценке значений коэффициента трения в характерных точках перехода. Показано [2], что эволюция трибосистемы может быть представлена характерной кривой, соответствующей изменению коэффициента трения (рис. 1, кривая А) в зависимости от внешних параметров трения: контактного усилия N и скорости движения контактирующих поверхностей v. Отмечается, что зависимости m = f (N, v)
имеют общий вид для большого числа исследованных материалов, образующих пары трения, и для широкого диапазона изменения внешних параметров трения - так называемого активирующего фактора N ■ v [2].
Рис. 1. - Изменения состояния трибосистемы до состояния совместимости в обычных условиях (А) и при дополнительном воздействии ультразвука (В)
Начальные этапы изменения состояния трибосистемы связаны с преобладающим вкладом в трение процессов роста плотности скрытой энергии различного рода дефектов, а также повреждений структуры контактных объемов - сопровождаются ростом коэффициента трения. Происходит деформационное упрочнение фрикционного контакта.
Далее начинают преобладать процессы возврата энергии, что связано с высвобождением и диссипацией энергии деформации и, следовательно, понижением плотности накопленной энергии. Эти процессы сопровождаются уничтожением различного рода элементарных дефектов противоположных знаков, выходом их на поверхность, залечиванием обратимых субмикроскопических нарушений сплошности и т.д. Эти процессы сопровождаются снижением коэффициента трения.
Обе эти противоположные составляющие трения находятся в постоянной конкурентной взаимосвязи, а коэффициент трения р в общем случае характеризует общие закономерности эволюции трибосистемы - ее приспосабливаемость [2].
Эта кривая имеют принципиальные точки переходных состояний, которые определяют характерные области различных закономерностей трансформации энергии при трении: область возрастающего (точка 1) и падающего (точка 3) трения, точка максимума кинетического трения (точка 2) и естественная конечная эволюционная точка 4. Наличие точки 2 определяет достижение и существование предельного (критического) объема трения, в котором в дальнейшем протекают все процессы диссипативного структурного приспособления.
Введением ультразвуковых колебаний при сборке подшипников качения возможно целенаправленно управлять формированием контактных связей и процессом приработки подшипников, тем самым перенося режим приработки из этапа эксплуатации на стадию сборки. Проведенные исследования показали, что применение ультразвука способствует снижению трения в 2-4 раза. При этом пластичность материала повышается в 2-4 раза. Кривая трения типа m = f (N, v) при введении ультразвуковых колебаний приобретает новый вид (рис. 1, кривая В). Пиковые значения точек переходных состояний 1', 2', 3', 4', определяющих характерные области различных закономерностей трансформации энергии при трении, снижаются в 2-4 раза - в зависимости от интенсивности ультразвуковых колебаний. На рабочих поверхностях прирабатываемых подшипников формируется профиль с оптимальной геометрической формой, что снижает уровень максимальных контактных напряжений и приводит к их равномерному распределению по площадке контакта. После ультразвуковой приработки создается некоторая оптимальная шероховатость, не зависящая от первоначальной шероховатости. При этом, кроме профилирования, в процессе приработки шариковых подшипников происходит изменение микроструктуры поверхностного слоя в сторону его упрочнения, приобретаются благоприятные физико-механические свойства.
Такая приработка обеспечивает формирование рациональных геометрических параметров рабочих поверхностей деталей, а также благоприятные физико-механические свойства поверхностных слоев, повышая их износостойкость и способность противостоять усталостным разрушениям.
Разработанная автоматизированная система исследований процессов ультразвуковой приработки с одновременным контролем комплекса эксплуатационных параметров, по значениям которых судят об эффективности процесса приработки и техническом состоянии подшипника, показана на рис. 2.
Рис. 2. - Автоматизированная система исследований процессов ультразвуковой приработки
Система для проведения исследований процессов ультразвуковой приработки оснащена персональным компьютером для фиксации и обработки основных параметров процесса. Прирабатываемый подшипник 1 устанавливается на оправку 4, которая закрепляется на плите стенда. Нагружение подшипника в осевом направлении производится с помощью гидропресса, на котором закреплен магнитострикционный преобразователь 8, преобразующий электрические колебания в упругие механические колебания ультразвуковой частоты. Концентратор 7 магнитострикционного
преобразователя через промежуточный подшипник 2 воздействует на внутреннее кольцо прирабатываемого подшипника 1. Дополнительное вращение прирабатываемого подшипника создается электрическим двигателем, вращение которого через вал 11 передается с помощью клинового ремня через шкивы 10 на наружное кольцо подшипника.
В процессе приработки непрерывно с помощью силоизмерительного датчика 3 и датчика частоты вращения 9, через аналого-цифровые
преобразователи АЦП 1 и АЦП 2 в персональный компьютер (ПК) поступает информация о нагружающем усилии Р и частоте вращения подшипника 1. На протяжении всего процесса приработки с помощью датчиков вибрации 5 и 6, через АЦП 3 и АЦП 4 в ПК поступает информация о частотных характеристиках, соответственно, излучателя колебаний и прирабатываемого подшипника. Для регистрации усилия нагружения использовался
динамометрический датчик с электрическим выходом, в качестве датчиков вибрации применялись датчики типа KB-10 или KD-35 с пьезоэлектрической пластиной, работающей на изгиб. Для сбора информации с датчиков были использованы 12 разрядные АЦП типа ЛА-2ШВ-12 (Россия), позволяющие подключать до 32 однополюсных каналов к порту USB компьютера.
Вращение подшипника создавалось электродвигателем постоянного тока с дисковым якорем типа ПЯ-250Ф, управляемого напряжением от 0 В до 36 В, частота вращения (0U3000) мин-1. В качестве датчика частоты вращения был использован тахогенератор постоянного тока ТГП-5 класса точности 0,2 и с номинальной частотой вращения 6000 мин-1.
Результаты испытаний показали, что долговечность подшипников после ультразвуковой приработки увеличивается на 45 %. Проведенные исследования дают основание считать, что одним из факторов, повышающих работоспособность подшипников, является формирование благоприятных характеристик качества поверхностного слоя.
Таким образом, ультразвуковая приработка способствует повышению качества поверхностного слоя деталей. Причем, определяющее влияние на характеристики качества оказывают параметры ультразвуковых колебаний и скорость вращения, оптимизация которых является значительным резервом повышения эксплуатационных показателей подшипников качения.
Для объективной оценки влияния режимов и параметров ультразвуковой приработки на динамические характеристики подшипниковых узлов проводилась их вибрационная диагностика с помощью разработанного диагностического устройства [3], дающего возможность дифференцированного определения влияния режимов и параметров приработки на отдельные элементы подшипника, причем диагностика проводилась до и после приработки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Нерубай М.С. Физико-технологические методы обработки и сборки [Текст] / М.С. Нерубай, В.В. Калашников, Б.Л. Штриков, С.И. Яресько. - М: Машиностроение-1, 2005. - 396 с.
2. Фёдоров С.В. Обобщенная энергетическая интерпретация экспериментальной зависимости коэффициента трения // Трение и смазка в машинах и механизмах. Научно-технический журнал. - Изд. Машиностроение, 2006, № 11. - С. 3-10.
3. Шуваев В.Г., Батищева О.М., Пыльнова А.В. Устройство для вибрационной диагностики подшипников // Патент РФ на полезную модель № 100619 от 20.12.2010, Бюл. № 35.
IMPROVING THE RELIABILITY OF BALL BEARINGS BY THEIR ULTRASONIC BEDDING AND VIBRATION DIAGNOSTICS IN THE
ASSEMBLED CONDITION
Batishcheva O.M., Pylnova A.V., Shuvaev V.G.
Samara State Technical University
Consider the effect of ultrasonic bedding ball bearings on the evolution of tribosystem for purposes energy balance of friction with the quality control of the means of vibration diagnostics. Operating characteristics of ball bearings are formed by the directed introduction of ultrasonic vibrations during the running-in, followed by quality assessment methods of vibration diagnostics.
Key words: ball bearings, ultrasonic, reliability, diagnostics.
