close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13639

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.10.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 13639
(13) C1
(19)
G 01M 13/00
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ, РАСХОДУЕМОЙ
НА ТРЕНИЕ В РАДИАЛЬНОМ ПОДШИПНИКЕ КАЧЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20081273
(22) 2008.10.09
(43) 2010.06.30
(71) Заявитель: Лустенков Михаил Евгеньевич (BY)
(72) Автор: Лустенков Михаил Евгеньевич (BY)
(73) Патентообладатель: Лустенков Михаил
Евгеньевич (BY)
(56) КОШЕЛЬ В.М. Подшипники качения.Минск: Навука i тэхнiка, 1993.- С. 64.
SU 319866, 1971.
SU 1762144 А1, 1992.
SU 1176196 А, 1985.
(57)
Способ определения мощности, расходуемой на трение в радиальном подшипнике качения, в котором определяют частоту вращения n1 внутреннего кольца подшипника, результирующую нагрузку на подшипник Р и определяют мощность трения, отличающийся тем, что определяют частоту вращения наружного кольца n2 и частоту вращения
сепаратора n3, а мощность трения П сумм определяют из выражения:
m

   0,5
3
(− n1 (R 0 − rw ) + n 2 (R 0 + rw )) − n1 +
+
γ
⋅
(
)
1
2
cos
i

 × δ
∑
m
 rw


i =1

5


301 + ∑ 2 cos (γ ⋅ i ) 
i =1



0,5
(− n1 (R 0 − rw ) + n 2 (R 0 + rw )) − n 2  + 2f  n 3R 0 − 0,5(n1 (R 0 − rw ) + n 2 (R 0 + rw ))   ,
+


rw

BY 13639 C1 2010.10.30
П сумм =
Pπ
Фиг. 1
BY 13639 C1 2010.10.30
где i - номер шарика или ролика в подшипнике;
m - половина нагруженных тел качения, m =
z
, с округлением в меньшую сторону, z 4
число шариков или роликов в подшипнике;
γ - угловой шаг расположения тел качения, γ =
2π
;
z
δ - коэффициент трения качения;
rw - радиус тела качения;
R0 - радиус окружности расположения центров тел качения;
f - коэффициент трения скольжения.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения
мощности, расходуемой на трение в радиальных подшипниках качения.
Известен способ определения момента трения испытываемого подшипника, в котором
одно кольцо испытываемого подшипника вращается с постоянной скоростью, в то время
как другое кольцо соединено через измерительную головку с пружиной, действующей как
определитель силы, которая генерирует сигнал для измерения момента трения тестового
подшипника, для того, чтобы простым способом одновременно иметь возможность получить высокую разрешающую способность и тарирование момента трения по времени,
предложено, с целью как можно большей стабилизации движения системы, включающей
головку и пружину, для тарирования всего испытательного приспособления, заменить испытываемый подшипник воздушным подшипником, с применением которого генерировался бы сигнал, пропорциональный деформации пружины, и сигнал, пропорциональный
ускорению измерительной головки, суммарный сигнал был бы сформирован из двух сигналов и отношения этих двух сигналов были бы установлены так, что они взаимно погасили бы друг друга и при измерении момента трения испытываемого подшипника, так как
при этом отношение двух сигналов остается неизменным, суммарный сигнал двух сигналов может быть определен как мера возникающего момента трения [1]. Данный метод
сложен и при его применении момент трения определяется не в условиях эксплуатации, а
на специальном стенде.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения мощности,
расходуемой на трение в подшипнике, в котором определяют частоту вращения n внутреннего кольца подшипника, результирующую нагрузку на подшипник Р и определяют
мощность трения согласно формуле Nmp = Pfmpπdn, где fnp - приведенный коэффициент
трения [2]. С помощью данного известного способа можно определить лишь усредненные
значения мощности, расходуемой на трение, и он не учитывает ее изменения в процессе
работы.
Задачей изобретения является разработка метода, позволяющего определять мощность, расходуемую на трение в радиальных подшипниках качения с учетом ее изменения
во времени в условиях эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения мощности, расходуемой на трение в радиальном подшипнике качения, в котором определяют частоту вращения n1 внутреннего кольца подшипника, результирующую нагрузку на подшипник Р и
определяют мощность трения, согласно изобретению, определяют частоту вращения
наружного кольца n2 и частоту вращения сепаратора n3, а мощность трения Псумм определяют из выражения:
2
BY 13639 C1 2010.10.30
П сумм =
Pπ
m


1
2
cos3 ( γ ⋅ i)  ×
+

∑
m


i =1

301 + ∑ 2 cos5 ( γ ⋅ i)  
i =1


  0,5
 
0,5
 δ
 
(
n
(
R
r
)
n
(
R
r
))
n
(
n
(
R
r
)
n
(
R
r
))
n
−
−
+
+
−
+
−
−
+
+
−
1
0
w
2
0
w
1
1
0
w
2
0
w
2 +


r
r
×  w
w
 


 + 2f ( n R − 0,5(n (R − r ) + n (R + r )) )

3
0
1
0
w
2
0
w


где i - номер шарика или ролика в подшипнике;
m - половина нагруженных тел качения, m =
z
, с округлением в меньшую сторону, z 4
число шариков или роликов в подшипнике;
γ - угловой шаг расположения тел качения, γ =
2π
;
z
δ - коэффициент трения качения;
rw - радиус тела качения;
R0 - радиус окружности расположения центров тел качения;
f - коэффициент трения скольжения.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема взаимодействия тела качения с основными деталями подшипника, на фиг. 2 изображена схема
устройства для измерения мощности, расходуемой на трение в радиальном подшипнике
качения в условиях эксплуатации.
Рассмотрим на фиг. 1 схему контакта тела качения 4 с внутренним 1 и наружным 2
кольцами радиального подшипника, а также с сепаратором 3. Радиус окружности расположения центров тел качения равен R0. Тело качения 4 с радиусом rw с центром в точке С
контактирует с внутренним кольцом 1 в точке А, с наружным кольцом 2 - в точке В.
Предлагаемый способ предусматривает измерение в процессе работы частоты вращения
внутреннего кольца 1 - n1, частоты вращения наружного кольца 2 - n2 и частоты вращения
сепаратора 3 - n3. Перевод частоты вращения n, измеряемой в оборотах в минуту в угловую скорость ω, измеряемую в радианах в секунду (или c-1), производится по известной
π ⋅ ni
. Таким образом, становятся известными угловые скорости внутреннеформуле: ωi =
30
го кольца ω1, наружного кольца ω2 и сепаратора ω3.
Линейные скорости точек А, В и С (соответственно υ1, υ2 и υ3) определятся по следующим формулам:
(1)
υ1 = -ω1(R0-rw),
(2)
υ2 = -ω2(R0+rw),
(3)
υ3 = -ω3·R0.
Знак "-" в выражениях (1)-(3) учитывает, что при вращении тела в направлении против
хода часовой стрелки его угловая скорость положительна, при вращении тела по ходу часовой стрелки его угловая скорость отрицательна.
Применим метод остановки тела качения, рассматривая его движение как мгновенно
поступательное, т.е. мысленно сообщим всем его точкам линейную скорость, равную по
модулю υ3, но направленную в противоположную сторону. При этом точки А, В и С получат также дополнительные линейные скорости, равные по модулю υ3, но направленные
в противоположную сторону (фиг. 1). Условные линейные скорости при остановленном
теле качения в точках А и В (на фиг. 1 показаны прерывистыми линиями со стрелками)
будут равны:
(4)
υ1y = υ1-υ3;
3
BY 13639 C1 2010.10.30
(5)
υ2y = υ2-υ3.
В точке С условная линейная скорость равна нулю (υ3y = υ3-υ3 = 0), так как тело качения 4 мысленно остановлено.
Условные угловые скорости тела качения определятся из уравнения зависимости линейной и угловой скоростей:
υ1y υ1 − υ3
ω1y =
;
=
(6)
rw
rw
υ2 y − (υ2 − υ3 )
ω2 y =
.
=
(7)
rw
rw
Знак "-" в выражении (7) для угловой скорости ω2y следует из известного векторного
уравнения υ = ω × r [3, С. 142, формула (14)], где υ - вектор линейной скорости точки те
ла, совершающего вращательное
движение, ω - вектор угловой скорости, направленный
вдоль оси вращения, r - радиус-вектор, соединяющий центр, лежащий на оси вращения с
рассматриваемой точкой. Так как в данном случае центром является центр тела качения,
радиус-векторы, соединяющие центр С и точки А и В, разнонаправлены, поэтому и угловые скорости в выражениях (6) и (7) имеют разные знаки.
Абсолютная угловая скорость тела качения с учетом выражений (6) и (7) определится
как среднее значение:
s
∑ ωiу
(8)
ω1у + ω2у 0,5
=
(υ1 − υ2 ),
s
2
rw
где s - число точек контакта (на фиг. 1, s = 2).
При этом в формуле (8) и далее контактом тела качения 4 с сепаратором 3 пренебрегаем, так как действующая сила между ними незначительна из-за ненагруженности сепаратора, следовательно, пренебрежимо малой будет мощность, расходуемая на трение.
Определяем из известной теоремы о сложении угловых скоростей [3, С. 207, формула
(3)] при известной абсолютной угловой скорости ω относительные угловые скорости тела
качения (относительно внутреннего кольца ω1r и наружного кольца ω2r).
0,5
ω1r = ω − ω1 =
(υ1 − υ2 ) − ω1 ;
(9)
rw
0,5
ω2r = ω − ω2 =
(υ1 − υ2 ) − ω2 .
(10)
rw
Скорости скольжения в точках контакта А и В найдем как разницу внешних скоростей
υ1 и υ2 и приложенных в этих точках переносной скорости υ3 и относительной скорости,
равной ωrw:
(11)
υsk1=υ1-(υ3+ω⋅rw)=-υ3+0,5(υ1+υ2);
(12)
υsk2=υ2-(υ3-ω⋅rw)=-υ3+0,5(υ1+υ2).
Таким образом, скорости скольжения в точках контакта А и В равны.
Скалярные выражения (11) и (12) также являются следствием векторного уравнения
(13)
υi = υski + υ3 + ω × ri ,
что объясняет различие знаков в формулах для определения скоростей скольжения, так
как радиус-векторы ri , соединяющие центр C с точками A и B, имеют разную направленность.
Равномерное распределение скорости скольжения по двум точкам контакта оправдано
в данной системе и тем, что нормальные силы, а значит, и силы трения (при одинаковых
материалах, термообработке и шероховатости поверхности) будут равны. В данном случае
ω=
i =1
=
4
BY 13639 C1 2010.10.30
потерями на трение тел качения о сепаратор также пренебрегаем, так как сепаратор подшипника не нагружен.
Потери на качение шариков (роликов) при контакте со внутренним и наружным кольцами определятся как сумма произведений моментов сопротивлений качению и относительных угловых скоростей.
 0,5

0,5
П к = Fsum δ( ω1r + ω2 r ) = Fsum δ
(υ1 − υ2 ) − ω1 +
(υ1 − υ2 ) − ω2 ,
(14)
rw
 rw

где Fsum - суммарная радиальная нагрузка на нагруженные тела качения подшипника; δ коэффициент трения качения.
Согласно теории силового анализа подшипника, сила, действующая на наиболее
нагруженное тело качения Fr0, и сила, действующая на i-ый шарик в нагруженной зоне Fri,
определяются:
P
, Fri = Fr 0 cos3 ( γ ⋅ i) ,
Fr 0 =
m
(15)
1 + ∑ 2 cos5 ( γ ⋅ i)
i =1
где Р - результирующая нагрузка на подшипник; γ - угловой шаг расположения тел качения (γ = 2π/z, z - число шариков или роликов); m - половина нагруженных тел качения
(m = z/4, с округлением в меньшую сторону).
Суммарная нагрузка Fsum на нагруженные тела качения будет больше, нежели результирующая радиальная нагрузка на подшипник Р:
m
m
P


Fsum = Fr 0 + 2∑ Fri =
+
1
2
cos3 ( γ ⋅ i) .

∑
m
i =1
i =1

(16)
1 + ∑ 2 cos5 ( γ ⋅ i) 
i =1
Потери на скольжение в точках A и B с учетом двойного контакта тел качения:
П с = 2fFsum υsk1(2) = 2fFsum ( - υ3 + 0,5(υ1 + υ2 ) ),
(17)
где f - коэффициент трения скольжения; υsk1(2) - любая из скоростей скольжения (υsk1 или
υsk2), так как они равны.
Коэффициент трения качения δ и коэффициент трения скольжения f определяются по
справочной литературе для заданных материалов деталей подшипника.
Суммарные потери мощности с учетом формул (1)-(17):
П сумм = П к + П с =
 0,5
0,5
= Fsum δ
(υ1 − υ2 ) − ω1 +
(υ1 − υ2 ) − ω2
rw
 rw
+ 2fFsum ( - υ3 + 0,5(υ1 + υ2 ) ) =

+


Pπ
m


+
1
2
cos3 ( γ ⋅ i)  ×

(18)
∑
m


5
i =1

301 + ∑ 2 cos ( γ ⋅ i) 
i =1


  0,5
 
0,5
 δ
 
−
−
+
+
−
+
−
−
+
+
−
(
n
(
R
r
)
n
(
R
r
))
n
(
n
(
R
r
)
n
(
R
r
))
n
1
0
w
2
0
w
1
1
0
w
2
0
w
2 +
rw
×   rw
 .


 + 2f ( n R − 0,5(n (R − r ) + n (R + r )) )

3
0
1
0
w
2
0
w


На фиг. 2 показана схема устройства для практической реализации предлагаемого метода. Устройство состоит из датчиков угловой скорости 5, 6 и 7, блока синхронизации 8 и
персональной ЭВМ 9. Датчик угловой скорости 5 принимает сигнал от внутреннего кольца 1, датчик угловой скорости 6 принимает сигнал от сепаратора, датчик угловой скорости
=
5
BY 13639 C1 2010.10.30
7 принимает сигнал от наружного кольца 2. Датчики угловой скорости имеют бесконтактный принцип действия, например фотоэлектрические датчики с прерывателем либо электромагнитные датчики. При этом на основных деталях 1, 2 и 3 закрепляют диски с
отверстиями либо выступы из ферромагнетиков. Блок синхронизации работы датчиков 8
предназначен для обеспечения синхронной работы всех датчиков, настройки и усиления
сигнала, поступающего от датчиков, первичной обработки и передачи данных на ЭВМ 9
для их последующей обработки. Питание блока 8 осуществляется от ЭВМ 9. В качестве
ЭВМ может быть использовано переносное вычислительное устройство - ноутбук.
Определение мощности, расходуемой на трение в радиальном подшипнике качения,
осуществляется следующим образом. Сигналы, определяющие частоты вращения внутреннего кольца n1, наружного кольца n2 и сепаратора n3 от датчиков 5, 6 и 7, соответственно поступают в блок синхронизации 8, далее, после обработки, сигналы поступают
на ЭВМ 9. На ЭВМ 9 информация обрабатывается ее процессором по программе, составленной по формуле (18). При этом в качестве исходных данных в программу вводятся параметры: R0, rw, f, δ и P. Радиусы R0, rw зависят от типоразмера испытываемого
подшипника, коэффициенты f, δ определяются по справочной литературе, результирующая нагрузка Р рассчитывается по известным формулам курсов теоретической механики и
деталей машин в зависимости от передаваемой мощности и расположения подшипников
на валу.
Значения мощности могут выводиться на монитор компьютера и на печать в виде графиков и табличных данных в зависимости от времени.
Данный способ позволяет определить мощность, расходуемую на трение в подшипнике в условиях его эксплуатации, без остановки машины и демонтажа узла, где установлен
подшипник, и позволяет проследить характер изменения данной мощности во времени.
Так как при измерении и в расчетах используются не усредненные значения мощности, а
текущие, повышается точность измерений. Способ позволяет выявить подшипники, в
процессе эксплуатации которых мощность, расходуемая на трение, увеличивается, и произвести мероприятия по устранению этого явления, не дожидаясь разрушения подшипника и выхода из строя узла и машины, где он установлен.
Источники информации:
1. Патент США US 4763508. Method for determining the friction torque of a test bearing
(author - Volker Buck) Int. Cl.4 МПК G 01 N 19/02, 1988 (аналог).
2. Кошель В.М. Подшипники качения. - Мн.: Навука i тэхнiка, 1993. - 255 с. - С. 64
(прототип).
3. Никитин Н.Н. Курс теоретической механики: Учеб. для машиностроит. и приборостроит. спец. вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1990. - 607 с.: ил. - С. 142, 207.
6
BY 13639 C1 2010.10.30
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
252 Кб
Теги
патент, by13639
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа