Разработка технических средств для исследования нестационарных процессов в опорах качения

УДК 681.2.082

А. И. КОВАЛЕВ

A. I. KOVALEV

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОПОРАХ КАЧЕНИЯ

DEVELOPMENT OF TECHNICAL MEANS FOR RESEARCH OF NON-STATIONARY PROCESSES IN SWING SUPPORT

В данной статье рассматриваются проблемы разработки оборудования для исследования работы опор качения, в условиях нестационарного режима работы и предлагается установка, способная решить некоторые из них. Приведены структурные и принципиальные схемы стенда для проведения экспериментов с опорами качения, позволяющие измерять сопротивление области трения опоры качения, нормированное интегральное время электрического контактирования и среднюю частоту микроконтактирования.

Ключевые слова: опора качения, нестационарный процесс.

In this article problems of development of the equipment for research of work of support of swing are considered, in the conditions of a non-stationary operating mode and the installation, capable to solve some of them is offered. Block and schematic diagrams of the stand for carrying out experiments with the swing support, allowing to measure resistance of area of friction of a support of swing, rated integrated time of an electric short circuit and average frequency of a short circuit are provided.

Keywords: swing support, non-stationary process.

Описание проблемы

В испытательной технике существует немало образцов систем, позволяющих производить исследование процессов, протекающих в подшипниках качения. Однако, наибольшая часть существующего оборудования предполагает анализ результатов измерения диагностических параметров в стационарном режиме, то есть после выхода объекта в режим работы, характеризующимся относительным постоянством условий фрикционного взаимодействия. Зависимости от условий трения электрических диагностических параметров, таких как нормированное интегральное время микроконтактирования (НИВ), активное сопротивление и средняя частота микроконтактирований (СЧМ), могут быть описаны набором уравнений, связывающих данные параметры с внутренними и внешними факторами, определяющими условия трения (скорость вращения кольца, нагрузка на подшипник, характеристики смазочного материала, толщина смазочного слоя, характеристики микрогеометрии рабочих поверхностей и т. п.).

В стационарном режиме усредненные значения названных параметров должны быть постоянны. На практике такого не происходит из-за неидеальности подшипника и колебаний параметров эксперимента. Флуктуации сопротивления достигают частоты 109 Гц, а его значения колеблются от единиц Ом при разрушении смазочного слоя в зоне контакта во время реализации сухого трения до единиц и десятков МОм в условиях жидкого трения. Существующее оборудование позволяет проводить измерения электрического сопротивления в частотном диапазоне в пределах 105 Гц. Кроме того, оно позволяет проводить измерения в относительно узком интервале сопротивлений.

Для получения информации об интегральном времени или средней частоте микроконтактирования этих данных достаточно, при условии использования порогового алгоритма отслеживания микроконтакта. Устанавливается определенный граничный уровень сопротивления смазочного слоя, и определяются интервалы времени, когда сопротивление не превышает значения уставки. Однако по этим данным нельзя ничего сказать о толщине смазочного слоя в моменты времени, когда разрушения не происходит.

Направления совершенствования измерительных каналов

Современные аналоговые компоненты вполне позволяют работать на частотах в сотни МГц. С цифровой частью также проблем не возникает – интерфейс USB 2.0 позволяет вести передачу данных со скоростью в пределах 48 Мбит/с, применение же более современных интерфейсов позволит еще более ее увеличить. Однако, с аналого-цифровым преобразованием все обстоит иначе. Оцифровка данных – относительно длительный процесс, при этом, чем более точное преобразование выполняется, тем больше разрядность АЦП и тем дольше однократное преобразование. Снижение же разрядности АЦП приводит к сужению диапазона измерения. Вариантов решения можно предложить два: использование многоканальных систем измерений и компромиссный вариант с использованием многоразрядных АЦП максимальной частоты преобразования. В частности, в предлагаемой схеме (рисунок 2) предложено использовать АЦП AD7671. Параметры данного компонента приведены в таблице 1.

Второй проблемой при реализации широкого диапазона измерения наряду с разрядностью АЦП является внутреннее сопротивление источника питания измерительной цепи системы. При измерении сопротивления, как правило, используют две основные схемы. Если измеряемое сопротивление относительно невелико (не более нескольких десятков Ом), удобнее использовать источник тока с большим внутренним сопротивлением, а на нагрузке измерять падение напряжения. При высоком сопротивлении ситуация обратная – постоянное напряжение и переменная сила тока. В предлагаемой схеме используется двухканальная система, измеряющая одновременно ток и напряжение (рисунок 1).

Таблица 1 – основные параметры АЦП AD7176;

Параметр	Значение
Разрешение, бит	16
Производительность, выб./с	106
Интерфейс	SerialPort
Потребляемая мощность, мВ	112
Число каналов обработки данных	1
Входное сопротивление (Аналоговый вход), Ом	948
Напряжение питания, В	5
Входное напряжение, В	0 – 5

Рисунок 2 – принципиальная схема измерительной части стенда

(аналоговая часть).

Рисунок 3 – принципиальная схема измерительной части стенда

(цифровая часть)

Измерение производится следующим образом. Входы измерительного канала подключаются объекту контроля и к включенному последовательно с ним резистору. Последний ограничивает протекающий ток и одновременно осуществляет преобразование ток – напряжение. Снимаемые напряжения через входные истоковые повторители подаются вначале на усилители, а за тем на входные интеграторы. Интегрирование производится для стабилизации работы АЦП.

Далее производится аналого-цифровое преобразование, и после передачи на микроконтроллер данные вместе с текущими параметрами проведения эксперимента передаются по интерфейсу USB на ПК.

управление и контроль параметров при нестационарном режиме работы

Выше перечисленные проблемы относятся как к стационарному, так и к нестационарному режимам работы опоры качения. Однако, при исследовании процессов в режиме нестационарности, возникают дополнительные трудности. При изменении параметров систему нельзя рассматривать в статике, и зависимости электрических диагностических параметров от условий фрикционного взаимодействия описываются уже дифференциальными уравнениями. Возникает необходимость изменения внешних влияющих факторов в процессе проведения эксперимента. Постановка подобных исследований на существующем оборудовании в принципе возможна, если оператор, вручную будет изменять условия. Однако, точность при этом будет невелика, даже при управлении только одним из параметров. Наибольшую же сложность будет вызывать последующая корреляция изменения настроек установки и влияния этого изменения на измеряемый параметр. Поэтому в функции оборудования для исследования нестационарных процессов должна входить возможность динамического управления и контроля параметров проведения эксперимента с отслеживанием моментов времени изменения условий. Подобная задача осуществима с помощью ЭВМ.

Структурная схема предлагаемой установки представлена на рисунке 3. В ней предполагается возможность управления и контроля скорости вращения привода, нагрузки и температуры. Блок 1 – система управления температурой. Нагреватели располагаются по окружности внешнего кольца подшипника в четырех точках. В восьми точках по окружности внешнего кольца расположены термодатчики. С их помощью можно измерять температуру внешнего кольца подшипника и по мере необходимости корректировать его нагрев. Еще один датчик контролирует температуру окружающей среды. Блок 2 – система управления скоростью вращения привода. Блок 6 – система регулировки нагрузки. Блок 7 – система измерения сопротивления смазочного слоя подшипника. Управление, контроль всех систем и предварительная обработка измерительной информации осуществляется микроконтроллером 3. За тем через преобразователь интерфейса 4 информация передается на ПК – 5. Блок 8 обеспечивает питание стенда.

Предлагаемый стенд позволит проводить эксперименты по измерению сопротивления зоны контакта, НИВ и СЧМ с одновременным контролем динамики изменяющихся параметров. Это обеспечит возможность исследования работы опоры качения в условиях нестационарности.

Рисунок 4 – Структурная схема установки

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  АЦП и их подключение к порту. [Электронный ресурс], режим доступа: http://*****/projects/Beginners. htm

2.  Джонс, – практический курс: Учебное пособие для ВУЗов [Текст]. – М.: Постмаркет. – 2003. – 528 с.,

ил. ISBN -4

3.  Гусев, и микропроцессорная техника[Текст] / , . – М.: Высшая школа 1982 –495 с.

Сведения об авторах

,

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» УНИИ ИТ, г. Орел

Магистрант группы 21-П(М) кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация»

[e-mail]