книги / Трибология

вающих единственность и устойчивость режимов с минимальной амплитудой.

А.А. Аракчеев в работе «Методы активного гашения фрикционных автоколебаний» (2007) рассматривает ряд способов активного гашения фрикционных автоколебаний при помощи введения

всистемы различного воздействия: силового и параметрического.

Вработе Ю.В. Ашкерова «Исследование влияния ультразвуковых колебаний на трение качения» (1982) показано влияние ультразвуковых колебаний на качение шара без смазочного материала и граничном трении. В результате экспериментов установлено, что наличие ультразвукового поля в опоре приводит как при трении безсмазочного материала, так и при граничном трении к значительному уменьшению логарифмического декремента затухания и периодическому изменению амплитуд колебаний маятника.

К.М. Рагульскис и соавторы в работе «Вибрации подшипников» (1974) говорят о необходимости использовать для снижения момента трения в подшипнике «полезного действия внешней вибрации». Авторы исследовали воздействие крутильных колебаний на шарикоподшипниковый узел. На частоте крутильных колебаний

вспектре момента сопротивления появляется составляющая, которая имеет максимальное значение при больших амплитудах и малых частотах крутильных колебаний. Крутильные вибрации способствуют расширению диапазона частот момента сопротивления и уменьшению пиковых значений амплитуд низких частот.

К.Н. Явленский и А.К. Явленский в работе «Теория динамики и диагностики систем трения качения» (1978) строят математическую модель влияния внешней вибрации на динамику шарикоподшипников, уравнения которой решают методом Галеркина. Из решения следует, что наличие внешней вибрации увеличивает число областей параметрического резонанса и тем самым ухудшает собственную вибрацию подшипника. Позже в работе «Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем» (1983) они рассматривают эффект снижения трения качения контактирующих поверхностей на примере шарикоподшипника.

61

В работе «Особенности работы подшипников вибровозбудителей» (2001) Е.А. Мацканюк и В.А. Кузмичев сделали вывод, что силы, возникающие в результате внешних колебаний, создают дополнительное трение между элементами подшипника, с одной стороны, и ухудшают условие смазки, с другой.

И.И. Блехман в своих исследованиях вибрации (2003) пришел к выводу, что она «изменяет законы механики»: «Существенная черта вибрационных эффектов – нелинейный характер: результаты действия двух или нескольких факторов не складываются, а комбинируются, порой достаточно сложным, неожиданным образом».

В.Б. Балякин и А.И. Белоусов в работе «Актуальные направления исследований динамических и расходных характеристик опор роторов» (2002) говорят о том, что использование регулирования динамических характеристик опор роторов является весьма перспективным направлением борьбы с вибрацией в подшипниках качения.

Анализ существующих работ показывает, что вибрационные эффекты могут быть положены в основу создания высокоэффективных узлов опор качения, но они могут стать и причиной нежелательных и даже катастрофических ситуаций. Исследование влияния внешней вибрации на подшипниковый узел – актуальная задача современной науки, которая была решена в магистерской диссертации Д.М. Караваева (автора учебного пособия), выполненной под научным руководством канд. техн. наук Олега Михайловича Беломытцева.

Для экспериментальных исследований был модернизирован стенд ДМ-28 для исследования подшипников качения рис. 4.16. Стенд состоит из привода и испытательной головки, узла радиального нагружения, узла измерения температуры, узла измерения реактивного момента и регистрирующей и анализирующей аппаратуры. При модификации был сконструирован узел создания внешней вибрации, к корпусу испытательной головки были прикреплены взаимно перпендикулярные пластины

62

А и Б, для передачи усилия от вибратора, выполнено технологическое отверстие для термопары, смонтировано крепление для вибропреобразователя.

Рис. 4.16. Вид испытательного стенда

Испытательный стенд представлен на рис. 4.17, где приняты следующие обозначения: 1 – электродвигатель; 2 – клиноременная передача; 3 – защитный кожух; 4 – левая опора; 5 – шпиндель; 6 – правая опора; 7 – испытательная головка в сборе; 8 – узел создания внешней вибрации; 9 – пластина А; 10 – узел измерения температуры; 11 – вибропреобразователь; 12 – пластина Б; 13 – предохранительное устройство; 14 – узел измерения реактивного момента; 15 – узел радиального нагружения; 16 – измерительно-регистрирующий комплекс ИРК-2007; 17 – виброанализатор СД-11.

Вращениешпинделяподшипниковогостенда счастотой1000, 2000 и 3000 об/мин обеспечивает электродвигатель асинхронного типа АИС80А4 УХЛ2 (380 В, 50 Гц), IM1081 ТУ 16-521.649–85

мощностью 0,55 кВт через клиноременную передачу.

63

Узел измерения температуры состоит из термопары, расположенной в специальном корпусе, обеспечивающем ее прижатие к наружному кольцу подшипника. Запись показаний производится на регистрирующем комплексе.

Принцип действия узла измерения реактивного момента основан на том, что сила, действующая на тензобалочку (плоская пружина с двумя тензорезисторами), отклоняет ее от начального положения равновесия. В этом новом положении тензобалочка находится в равновесии под действием двух противоположных усилий: момента сопротивления вращения подшипника и силы упругости тензобалочки (плоской пружины), фиксирующей измеряемую величину. Измерение деформации плоской пружины с помощью тензорезисторов основано на тензоэффекте. Сбор данных осуществляется на регистрирующем комплексе.

Параметры вибрации подшипника измеряются цифровым виброанализатором и сборщиком данных СД-11.

Вид испытательной головки с обозначением составных частей представлен на рис. 4.18: 1 – опора шпинделя; 2 – шпиндель; 3 – гайка; 4 – крышка с прокладкой; 5 – испытываемый подшипник; 6 – винт; 7 – электромагнит; 8 – корпус испытываемого подшипника; 9 – пластина А; 10 – крышка с прокладкой; 11 – разрезная втулка с конусом; 12 – втулка с конусной поверхностью; 13 – винты установочные.

Рис. 4.18. Вид испытательной головки

65

Для экспериментальных исследований приняты подшипники качения, представленные на рис. 4.19, 4.20.

Основные параметры подшипников приведены в табл 4.4.

Таблица 4.4

Основные параметры подшипников

Регистрация момента трения ранее осуществлялась вручную с цифровой тензометрической станции ЦТИ-1 через определенный интервал времени в случае стабильного режима трения или с записью на шлейфовый осциллограф, что было до-

66

вольно трудоемкой операцией. Автором была разработана методика измерения, регистрации и обработки данных (значений момента трения и температуры) на базе компьютера с использованием специальной платы, встроенной в компьютер, которые совместно с тензостанцией, усиливающей сигнал от тензодатчиков, системой коммутации, специальной программой для обработки данных представляют собой специальный измерительнорегистрирующий комплекс ИРК-2007.

Универсальный измерительно-регистрирующий комплекс ИРК-2007 предназначен для автоматизации термо- и тензометрических измерений в условиях статического и динамического нагружения. Комплекс обеспечивает регистрацию измерительной информации, позволяет производить обработку, графическую интерпретацию полученных в эксперименте данных, а также возможность их сохранения в специальном электронном архиве.

Состав комплекса ИРК-2007:

персональная ЭВМ;

плата L-780M;

программа LGraph 2;

блок коммутации;

измерительный усилитель MIKROTECHNA типа 1101. Плата L-780M предназначена для преобразования аналого-

вых сигналов в цифровую форму для персональной ЭВМ. Программа LGraph 2 предназначена для регистрации (про-

смотр и сохранение в цифровом виде) аналоговых сигналов, поданных на входы. Программа LGraph 2 позволяет просмотреть собранные данные, провести спектральный анализ, построить гистограмму, экспортировать в математические пакеты, MATLAB и др.

Блок коммутации обеспечивает связь компьютера с объектом измерений или другими устройствами. Предусмотрена возможность передачи измерительной информации одновременно по шести каналам: два канала для термопарных сигналов и четыре канала для сигналов тензодатчиков. При термопарных измерениях предусмотрена автоматическая компенсация темпера-

67

туры холодного спая. Предусмотрена возможность автоматического прерывания измерений и отключения электропитания стенда по выполнению заранее запрограммированных условий.

Измерительный усилитель MIKROTECHNA типа 1101 представляет собой усилитель с током несущей частоты, предназначен для статических и динамических измерений с пассивными датчиками на сопротивлениях.

Основные технические данные измерительного усилителя:

напряжение питания датчиков синусоидальное 5 кГц ± 1 %, предусмотренососкачкообразнымвыборомвдиапазонах1,2и4В;

датчики на сопротивлениях 60…600 Ом при полумостиковом или цельномостиковом подключении;

пределы измерения ±0,1; ±0,2; ±0,5; ±1; ±2; ±5; ±10; ±20 мВ/В для питания датчиков 4 В;

плавное регулирование усиления;

частотный диапазон 0–550 Гц.

Перед подключением к блоку коммутации источников сигнала необходимо обеспечить общий контур заземления блока и измерительного усилителя MIKROTECHNA-1101. Для этого на задних панелях блока и усилителя предусмотрены клеммы заземления.

Элементы комплекса ИРК-2007 соединяются экранированными кабелями (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Блок-схема ИРК-2007

68

В ПО Mathcad была разработана программа обработки данных, состоящая из блока загрузки данных из LGraph 2, блока расчета коэффициента трения и блока статистической обработки. Внедрение ПО Mathcad позволило автоматизировать вычисления, что повысило точность и сократило время обработки данных.

Отработка методики проводилась на роликовом подшипнике 32109. Первоначально внутреннее кольцо подшипника 32109 упиралось в гайку 3 (см. рис. 4.18). Предварительные испытания проводились при радиальной нагрузке 400 Н. Вибрационная нагрузка изменялась дискретно за счет регулирования питания через 20 В от 0 до 200 В по шкале ЛАТРа, что соответствует изменению силы от 0 до 85,5 Н. В ходе отработки методики был зарегистрирован высокий реактивный момент, при осмотре подшипника обнаружены следы трения сепаратора о гайку (рис. 4.22). Роликоподшипники типа 32000 без бортов на внутреннем кольце допускают в процессе монтажа и эксплуатации двухстороннее осевое перемещение наружного кольца относительно внутреннего. Автором было принято решение устанавливать внутреннее кольцо подшипника на расстоянии 4 мм от гайки, расстояние устанавливать по калибру.

Рис. 4.22. Износ сепаратора после испытания

Установка подшипника на расстоянии от гайки привела к перекосу вектора радиальной нагрузки на 1°, так как узел нагружения не был смещен.

69

Эксперименты проводились с подшипниками качения: роликовым и шариковым, с вибрационной нагрузкой частотой 100 Гц перпендикулярной и противоположной направлению вектора радиальной нагрузки.

При скорости вращения вала n = 2000 об/мин в подшипники закладывали пластичную смазку Литол-24 – МЛи 4/12-3.

Подшипник нагружали шестью радиальными нагрузками: 50, 200, 400, 600, 800, 1000 Н.

С каждой радиальной нагрузкой проводились опыты с пятью вибрационными нагрузки: 6,1; 17,7; 35,5; 57,8; 85,5 Н и без нее.

Дополнительно был проведен опыт для определения влияния перекоса вектора радиальной нагрузки при 400 Н.

В табл. 4.5 и 4.6 приведены сводные данные значений коэффициентов трения испытаний шарикоподшипника № 109 при вибрационной нагрузке 100 Гц, частота вращения вала n =2000 об/мин,

вподшипник закладывали пластичную смазку Литол-24 – МЛи 4/12-3. Приведенные средние значения коэффициентов трения не учитывают промежутки времени, соответствующие пуску и останову, т.е. в период установившегося движения – в течение 10 с

вначале 1-й, 2-й и 3-й минуты испытания. Эти значения получены путем компьютерной обработки осциллограмм. По данным табл. 4.5 и 4.6 построены графики (рис. 4.23 и 4.24). Температура на поверхности наружного кольца подшипника в течение трех измерений составляет 40±5 °С.

Обозначения в табл. 4.5 и 4.6:

x– среднее арифметическое величин x1, x2, …, xn;

Sn – средняя квадратичная ошибка единичного результата

циент Стьюдента при доверительной вероятности .

70