Способ измерения жесткости подшипника и устройство для его осуществления

(71) Ульяновский политехнический институт(73) Ульяновский политехнический институт(56) Авторское свидетельство СССРВ 813166, кл. 6 01 М 13/04, 1978.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЖЕСТКОСТИПОДШИПНИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГООСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование: в подшипниковой промышленности для контроля жесткостиподшипников и повышения производительности процесса измерения. Сущность изобретения: нагружают подшипник грузом с 6 упругим элементом, вводят упругий элемент в контакт с подшипником, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания системы упругий элемент-груз,.Изобретение относится к подшипниковой промышленности и может быть использовано преимущественно при контроле жесткости собранных подшипниковИзвестны способы измерения жесткости подшипника, заключающиеся в установ-. ке подшипника на вибростенд, нагружении его грузом, создании вынужденных колебаний вибростенда, измерении резонансной частоты подшипника, и вычислении по измеренной частоте жесткости подшипникаа.Известные способы имеют невысокую точность измерения жесткости, что объясняется зависимости измеренного значения реательно, и жечасти подшипльно широких иксации резо- части подшивной частоты от ледовнойдовонойфнойнанс пособ измерена, эаключающийсна вибростенд, поении его двумя раэении резонансныхужении,и вычислетотам и массам груподшипника. ия яв СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР 2измеряют частоту свободных колебаний системы и вычисляют жесткость подшипника по соответствующей формуле. Упругий элемент устройства выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины. Груз - в виде намагниченного в осевом направлении постоянного цилиндрического магнита, закрепленного на пружине и введенного на половину своей длины в осевое отверстие соленоида, установленного с воэможностью осевого перемещения и подключенного к источнику постоянного тока, дифференцирующей цепи и частотомеру. Повышение чувствительности, точности измерения, увеличение производительности процесса, исключение нелинейных эффектов, дребезга, упрощение конструкции устройства для измерения, исключение влияния массы подвижной части подшипника на результат, 2 с.п. ф-лы, 4 ил. зонансной частоты, а, ссткости от массы подвижника, изменяющейся впределах, сложности точнансной частоты подвижника, зависимости резоналичия смазки.Известен также сжесткости подшипникустановке подшипникаследовательном нагружными грузами, измерчастот при каждом нагрнии по измеренным часэом значения жесткости5 10 20 25 30 35 45 50 55 Однако, имел недостатки, общие с двумя вышеописанными способами, что обуславливает невысокую точность измерения, данный способ измерения жесткости чрезвычайно трудоемок, малопроизвадителен, что затрудняет возможность ега использования при оперативном контроле собранных подшипников, выпускаемых значительными сериями, и ограничивает возможность использования только единичным контролем в лабораторных условиях,Наиболее близким по технической сущностИ к предлагаемому является способ измерения жесткости подшипника, заключающийся в установке подшипника на подвижной части вибростенда, нагружении его грузом, соединенным с упругим элементом с регулируемой жесткостью, создании вынужденных колебаний вибростенда, изменении жесткости упругого элемента, определении резонанса колебательной системы, измерении величины жесткости упругого элемецта в момент резонанса и вычислении па величине этой жесткости, частоте вынужденных колебаний вибростенда и массами груза и упругого элемента жесткости подшипника,Данный способ характеризуется низкой чувствительностью и точностью измерения жесткости,Ниэкал чувствительность объясняется малой крутизной изменения регистрируемого параметра - резонансной частоты колебаний подвижной части подшипника, упруго соединенной с грузом, при изменении контролируемого параметра - жесткости подшипника. Это обьясцяется параллельным включением при реализации способа жесткости подшипника и жесткости упругого элемента, вследствие этого сложецию этих жесткостей при измерении и малом влиянии эа счет этого жесткости подшипника ца суммарную жесткость, а следовательно и на резанансцую частоту, используемую для вычисления жесткости подшипника, При определенных условиях чувствительность предложенного способа может превосходить чувствительность прототипа практически на порядок.Низкая точность измерения жесткости обьясцяется целым рядом факторов, Во первых, в значение массы, считаемое известной величиной и используемой для вычисления жесткости подшипника, входит и масса подвижной части подшипника, значение которой ца практике "плавает" вдовольцо широких пределах. При возбуждении вынужденных колебаний на вибростенде естественно происходят и колебания падвижной части подшипника, то есть масса этой части входит в состав колебательной системы, резонансная частота которой экспериментально определяется. Таким образом, наряду с искомым параметром- жесткостью подшипника, в процесс измерения входит и параэитный параметр-масса подвижной части подшипника, обуславливающая погрешность измерения. Вавторых, известный способ измеренияпредусматривает целый ряд операций действий); это фиксация резонансного режима , по максимуму амплитуды сигнала, фиксация частоты вибростенда в момент резонанса,измерение жесткости упругого элемента вданный момент, Сложение погрешностей каждой иэ этих операций может привести к значительной погрешности измерения жесткости в конечном итоге. В третьих, наличие смазки в подшипнике приводит к погрешности при фиксации резонансной частоты. В четвертых, возбуждение резонансных колебаний подвижной части подшипника на вибростенде обязательно вызовет дребезг за счет возникновения вибраударнага режима, что затрудняет фиксацию резонанса. В пятых. подвижная часть подшипника, как известно, нелинейная колебательная система, которая рассматривается как линейная при малой интенсивности внешних воздействий и при соответствующей этим воздействиям малой амплитуде колебаний. Однако, известный способ предусматривает работу подвижной части в составе колебательной системы в резонансном режиме, что приведет к существенной погрешности при, определении резонансной частоты.Известно устройства для измерения жесткости подшипника содержащее вибро стенд, приспособление для крепления подшипника ца платформе вибростенда, закрепленный на подшипнике груз с вибродатчиком,Известное устройство имеет низкую точность измерения эа счет сложения погрешностей при фиксации резонансного режима по вибродатчику и фиксации частоты вибростенда в момент возникновения резонанса. Кроме того устройство не позволяет при наличии резонансного режима обеспечить при любом варианте фиксации подшипника на платформе вибростенда предотвращение виброударного режима и дребезга подвижной части подшипника, что дополнительно приводит к погрешности измерения.Наиболее близким по технической сущности к. предлагаемому устройству является устройство для измерения жесткости под 1776347тельность измерения шипника, содержащее вибростенд, подвешенный на его подвижной части через испытуемый подшипник груз с вибродатчиком, направляющую. жестко связанную С подвижной частью вибростенда, плоскую пружину, один конец которой шарнирно соединен с грузом. а другой жестко связан с направляющей и кареткой, смонтированной на направляющей с возможностью перемещения по плоской пружине.Данное устройство имеет низкую точность измерения вследствие сложения погрешностей при фиксации резонанса по вибродатчику и вольтметру, измерении резонансной частоты и задания регулируемой жесткости при перемещении каретки по направляющей.Кроме того, процесс измерения на данном устройстве очень трудоемок и не может быть даже поэтому использован для оперативного контроля подшипников, характеризующихся массовым производством. Необходимодля измерения последовательно возбудить вынужденные колебаиия, изменять жесткость упругого. элемента, зафиксировать резонанс, жесткость элемента и частоту в момент разонанса, и только после этого вычислить по зафиксированным значениям жесткость подшипника. Отличаясь значительной сложностью механической части, известное устройство не универсально, не позволяет измерить жесткость подшипника в сборе, а обязательно предусматривает установку отдельно подшипника на стол вибростенда,Цель изобретения - повышение чувст вительности и точности измерения способаизмерения жесткости подшипника, а такжеповышение точности и производительностиустройства для осуществления данного способа,Поставленная цель достигается тем, чтов способе измерения жесткости подшипника, включающем нагрукение подшипникасоединенным с упругим элементом грузом,возбуждение колебаний и определениежесткости подшипника по зафиксированной частоте колебаний и масса грузаи упругого элемента, устанавливают грузна упругом элементе, вводят упругий элемент в контакт с подшипником с заданным усилием поджатия, возбуждаютимпульсным воздействием свободныеколебания системы упругий элемент -груз, измеряют частоту свободных колебаний данной системы и определяют жесткость подшипника по формуле 5 10 15 20 25 ЗО СпС - ивгде Сп - жесткость подшипника;С - жесткость упругого элемента;в - масса груза с упругим элементом; в - частота свободных колебаний системы упругий элемент - груз.Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для измерения жесткости подшипника, содержащем контактирующую с испытуемым подшипником механическую колебательную систему в виде соединенного с упругим элементом груза, упругий элемент выполнен в виде винтовой цилиндрической пружины, имеющей на обращенном к подшипнику торце контактирующий с внутренним кольцом подшипника плоский центр, а груз выполнен в виде намагниченного в осевом направлении постоянного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины и введенного концентрично на половину своей длины в осевое отверстие соленоида, установленного с возможностью осевого перемещения с фиксацией и электрически подключенного к источнику посто-. янного тока, дифференцирующей цепи и частотомеру. В предложенном способе измерения иустройстве для его реализации реализован не метод вынужденных, а метод свободных колебаний, причем, возмущающее импульсное воздействие приложено не к подшипнику, а непосредственно к грузу, что позволяет практически выключить массу подвижной части подшипника и перейти непосредственно к измерению жесткости подшипника, входящей в состав образованной колебательной системы. Здесь полностью ушли от резонансного режима, что позволило также решить задачи по повышению точности измерения. В предложенном способе исключен целый ряд операций: поиск резонанса, изменение жесткости, сведено все к одной операции, которая в принципе может дать погрешность измерения: измерения частоты свободных колебаний. Принципиально изменена схема соединения жесткости упругого элемента и подшипника: от параллельного соединения перешли к последовательному, что позволило практически на порядок увеличить чувствиПринципиальное изменение способа привело к необходимости и создания принципиально нового устройства для измерения, Процесс измерения полностью эв 17763475 10 15 20 30 35 40 5055 томатизирован, устранены сложные механические элементы, обусловливающие погрешность измерения, в несколько раз уменьшено число датчиков, обуславливающих погрешность: вольтметр, вибродатчик, направляющая с кареткой и т.п. В устройстве применен принципиально новый механизм поджатия груза с упругим элементом к подшипнику в виде намагниченного сердечника, введенного в зону постоянного тягового усилия соленоида на половину своей длины, Такое выполнение позволяет полностью исключить влияние усилил поджатия на частоту колебательной системы, обеспечивает простоту регулировки, полностью исключает нелинейность при возникновении процесса свободных колебаний.На фиг,1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - разрез по А - А фиг.1; на фиг.З и 4 - обобщенные физические модели процессов измерения соответственно для способа-прототипа и предлокенного способа.Устройство для измерения жесткости подшипника содержит испытуемый подшипник 1, установленный в отверстии стола 2 с фиксацией по внешнему кольцу, при этом стол закреплен на специальном штативе 3 (типа штатива микроскопа, подробно штатив 3 не показан, так как его конструкция не принципиальна). С подшипником 1 введена в контакт механическая колебательная система, состоящая из упругого элемента, выполненного в.виде винтовой цилиндрической пружины 4, имеющей на .обращенном к подшипнику 1 торце контактирующий с внутренним кольцом подшипника 1 плоский центр 5, и груза 6, выполненного в виде намагниченного в осевом направлении постоянного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины 4. При этом свободный конец магнита 6 введен концентрично на половину своей длины, т.е, в середину зоны постоянного тягового усилия - в осевое отверстие соленоида 7,плотно вставлонного в цилиндрический немагнитный корпус 8, закрепленный, как и стол 2, на штативе 3, Предусмотрена возможность осевого перемещения с фиксацией соленоида 7 за .счет установки его нижнего торца на входящих в осевую прорезь 9 корпуса 8 выступах 10 кольца 11, надетого на корпус 8 и фиксируемого в заданном положении с помощью винтов 12. Соленоид 7 электрически подключен к источнику постоянного тока 13 с полярностью, при которой соленоид имеет встречное направление полюсов относительно магнита б, т,е. верхняя на фиг.1 сторона соленоида 7 имеет полюс К, При таком подключении, естественно, сердечник (магнит б) стремится вытолкнуться из соленоида 7. Параллельно с источником постоянного тока 13 к соленоиду 7 электрически подключены дифференцирующая цепь 14 и частотомер 15 через конденсатор 16, предотвращающий поступление постоянного электрического сигнала на вход частотомера 15. Ключ 17 служит для одновременного включения дифференцирующей цепи 14 и частотомера 15,Способ измерения жесткости осуществляют следующим образом. Устанавливают испытуемый подшипник 1 в отверстие стола 2. Вводят плоский центр 5 в контакт с внутренним кольцом подшипника 1, одновременно подавая ток с источника постоянного тока 13 в соленоид 7. Приэтом магнит 6 с пружиной 4 оказывается через центр 5 прижатым к внутреннему кольцу подшипника 1. Подавая с источника 13 ток заданной величины и смещая соленоид 7 осевым перемещением кольца 11 с винтами 12 добиваются с одной стороны заданного усилия поджатия Е (фиг.4) внутреннего кольца подшипника 1, и с другой одновременно - введения магнита б наполовину своей длины в соленоид 7, то есть в середину зоны постоянного тягового усилия, Здесь (в конструкции) двойная независимая регулировка, естественно и обеспечивается воэможность выполнения двух условий. Естественно, такая регулировка проводится не каждый раз, а только на стадии отработки способа, при изменении типа, размера подшипника и т,пто есть один раз. При измерении уже серийнойконструкции устройство настроено, кольцо 11 зафиксировано в нужном осевом положении, с источника постоянного тока 13 снимается уже точно определенный сигнал. Теперь непосредственно следует процессизмерения (до этого была настройка устройства). Включают ключ 17, включается частотомер 15, одновременно с дифференцирующей цепи 14 в соленоид 7 подается короткий электрический импульс, при этомсоленоид 7 оказывает импульсное воздействие на сердечник 6, упруго установленный на последовательно соединенных пружине 4 жесткости С и подвижной части подшипника с жесткостью Сп (фиг.4). Возникают свободные колебания системы упругий элемент - груз 6, при этом жесткость упругого элемента есть эквивалентная жесткость вышеуказанного последовательного соединения жесткостей, Следовательно, собственная частота колебательной системы10 15 20 будет при заданных значениях гп - массы груза 6, и жесткости С определяться жесткостью подшипника С, При свободных колебаниях магнита 6 на пружинах в соленоиде 7 наводятся э,д.с, в виде затухающего процесса с частотой в, накладывающаяся на присутствующий в соленоиде 7 сигнал постоянного тока, Переменная составляющая этого процесса проходит на частотомер 15, постоянная не пропускается конденсатором 16, измеряется собственная частота в, после чего по приведенной выше аналитической зависимости при известных значениях в и С вычисляют жесткость подшипника Сп. Выбор заданного усилия поджатия упругого элемента 4 и центра 5 к подвижной части подшипника 1 осуществляют, как было сказано выше, регулировкой осевого положения соленоида 7 и величины постоянного тока, подаваемого в соленоид 7 от источника 13, при этом выбор усилия поджатия осуществляют из ряда соображений. Во первых, поджатие должно быть достаточным для устойчивого положения сердечника 6 в осевом отверстии соленоида 7. Так как сердечник 6 выталкивается из соленоида 7 постоянной силой Г, то при достаточном отношении диаметра пружины 4 к ее длине, обеспечивающем поперечную устойчивость пружины, и при достаточном усилии поджатия и возникновении за счет этого достаточной силы трения между центром 5 и торцом внутреннего кольца подшипника 1 в поперечном направлении, обеспечивается центрирование сердечника 6 в зазоре соленоида 7. Во вторых, поджатие должно быть достаточным, чтобы при подаче в соленоид 7 электрического импульса с дифференцирующей цепи 14 не происходило отрыва центра 5 от внутреннего кольца подшипника 1, при этом не возникнет дребезг подвижной части. В третьих, поджатие не должно быть очень большим, так как подвижная часть подшипника, как известно, в принципе нелинейная система, однако, эта нелинейность проявляется при значительных интенсивностях воздействий как статических, так и динамических, при резонансных колебаниях и т,п. При сравнительно малых усилиях поджатия и возбуждения свободных колебаний (отсутствии резонансных режимов) колебательную систему можно практически без погрешностей рассматривать как линейную и пользоваться расчетными зависимостями для линейных колебательных систем,25 30 35 40 45 50 55 Обеспечивая при регулировке заданное усилие поджатия, одновременно обеспечивают ввод сердечника 6 на половину своей длины в осевое отверстие соленоида 7. Для этого в устройстве предусмотрены две независимые воэможности регулировки положения сердечника 6 . относительно подшипника 1: подачей постоянного тока в соленоид 7 и перемещением самого соленоида. Принцип способа (см.фиг.4), предусматривающий измерение частоты в свободных колебаний и вычисление по ней жесткости Сп подшипника, обуславливает постоянство усилия поджатия Р, чтобы и в принципе не зависело от Г. Для этого необходимо, чтобы при возникновении свободных колебаний системы и смещении сердечника 6 относительно соленоида 7 сила Г в определенной области не менялась, Указанное выше положение сердечника соответствует как раз середине эоны постоянной тяги. В этой зоне тяговое усилие со значительной точностью постоянно и имеет максимальное значение, Этим полностью исключается возможность возникновения нелинейности при колебаниях.Процесс регулировки производится следующим образом, На сердечнике 6 имеется специальная риска (не показана), по расположению которой относительно торца корпуса 8 с учетом осевого положения кольца 11 автоматически обеспечивается ввод сердечника 6 в осевое отверстие на половину своей длины. Выбор заданного усилия поджатия также экспериментально отработан иэ необходимости обеспечения трех вышеназванных условий. Такая регулировка проводится один раз, и далее процесс измерения идет автоматически. Жесткость С упругого элемента 4 и масса в груза с упругим элементом выбраны стандартными, поэтому шкала частотомера 15 проградуирована непосредственно уже в единицах жесткости, Поэтому, нет необходимости каждый раз вычислять С по аналитической зависимости, а сразу снимается величина жесткости подшипника.Точность предложенного способа очевидна, Из сравнения на фиг.З и 4 обобщенных физических моделей (расчетных схем) процессов видно, что в отличие от способа-прототипамасса подвижной части подшипника вп в предложенном способе в принципе исключена из процесса измерения, и здесь напрямую измеряется только жесткость Сд подшипника, В предложенном способе и устройстве практически ис12 1776347 10 15 20 25 30 40 45 50 щССпС - аР щ ние чувспособа тотипа. С го оключены операции и датчики (узлы) для их осуществления, которые могут повлечь погрешность измерения. Здесь из таких операций производится только измерение собственной частоты, осуществляемое частотомером 15 с высокой точностью, В способах и устройствах прототипах присутствуют кроме этого определение резонансного режима с помощью вибродатчика и вольтметра, а также регулировка жесткости упругого элемента с помощью специальной . направляющей и перемещающейся по ней каретки. Отсутствие при измерении в принципе резонансного режима колебаний и воэможность выбора требуемого усилия поджатия полностью исключает возможность появления нелинейности при измерении, возникновение дребезга и влияние смазки подшипника на процесс измерения,Как известно, собственная частота колебательной системы ш =ба, где Сэ " эквивалентная жесткость. Для данной ко- леГательной системы (см,фиг,4) жесткости упругого элемента С и подшипника Сп соединены последовательно. Для такого соединения Сэ = ССп/(С + Сп), подставив формулу для Сэ в формулу для со и выразив иэ полученного аналитического выражения Сп, получим расчетную аналитическуо зависимость для нахождения жесткости подшипника.Чувствительность способов измерения определяется крутизной изменения регистрируемого параметра - собственной частоты ю, при изменении контролируемого параметра - жесткости подшипника Сп, В способе-прототипа определение жесткости производится по формуле Сп=щ йР -С (обозначения взяты те же, что и данной заявке). Определяем чувствительность как производную Я -0 в(бСП), предварительно выразив а и после проведения некоторых преобразований получим Я 1=1 - . + чувствительность спосоС+Сп я ба- прототипа. Аналогично находим иэ расчетной зависимости для предлагаемого способа С-оР тС/(С- иР а) после того ряда преобразований при взятии частной производнойй чувствительность предлагаемого Р 1 способа Я 2= - 2Сразу гп Сл(Сд+С)Я 2 ХОДИМ = С - ОТИОШ Я 1С(С+ С) ствительности предложенно к чувствительности способа-ипомощью последнего выражен можно уже сделать конкретные выводы, На пример, при жесткости упругого элемента С в три раза больше ориентированной жесткости подшипника Сл Я 2/Я 1=1,3. Если выбрать С= = 5 Сл, то уже Я 2/Я 1=1,9, Если же С = 10 Сп, то Я 2/Я 1=2,9. Таким образом, данный способ измерения позволяет путем рационального подбора жесткости упругого элемента подобрать требуемую величину чувствительности.П р и м е р. Был проконтролирован подшипник радиального типа 209, наружный диаметр 0=42 мм, внутренний б=20 мм, масса груза (сердечника) с упругим элементом а=12010 кг, жесткость упругого элемента С = 810 Н/м, Измеряем.частоту свободных колебаний системы в= =1052 рад/с=168 Гц, после чего по аналитической зависимости вычисляем жесткость подшипника Сл=1,610 Н/м. Было выбрано усилие поджатия Г=20 Н, длительность импульса, снимаемого с дифференцирующей цепи х = 2010 с.Предложенный способ и устройство были опробованы на подшипниках различных типов; авторами накоплен значительный экспериментальный материал, подтверждающий сделанные выводы.Предложенный способ и устройство найдут широкое применение при оперативном контроле серийно выпускаемых подшипников. Формула изобретения 1. Способ измерения жесткости подшипника, включающий нагружение подшипника соединенным с упругим элементом грузом, возбуждение колебаний и оп ределение жесткости подшипника по зафиксированной частоте колебаний и массе груза и упругого элемента, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения, устанавливают груз на упругом элементе, вводят упругий элемент в контакт с подшипником с заданным усилием поджатия, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания системы упругий элемент-груз, измеряют частоту свободных колебаний данной системы и определяют жесткость подшипника Сп по фор- муле С - жесткость упругого элемента;в - масса груза с упругим элементом;1776347 14 13 2,2 оставитель Д. Белыйехред М.Моргентал Корректор О, Гус Редактор А. Хорин каз 4050 ВНИИПИ Госу Тираж Подписноенного комитета по изобретениям и открытиям3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 КНТ С оизводств но-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 со- частота свободных колебаний системы упругий элемент - груз.2. Устройство для измерения жесткости подшипника, содержащее контактирующую с испытуемым подшипником механическую 5 колебательную систему в виде соединенного с упругим элементом груза, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и производительности процесса измерения, упругий элемент выполнен в ви де винтовой цилиндрической пружины, имеющей на обращенном к подшипнику торце: контактирующий с внутренним кольцом подшипника плоский центр, а груз выполнен в виде намагниченного в осевом направлении постоянного цилиндрического магнита, закрепленного на другом торце пружины и введенного концентрично на половину своей длины в осевое отверстие соленоида, установленного с возможностью осевого перемещения с фиксацией и электрически подключенного к источнику постоянного тока, дифференцирующей цепи к частотомеру.