Лекция 7

3. Методы и средства дефектоскопии

Физические основы. Попадание дефектного участка поверхности (риски, лунки, трещины, раковины и т.п.) в нагруженную контактную зону вызывает релаксацию давления, что приводит к снижению толщины разде­ляющей поверхности смазочной пленки, возрастанию вероятности микроконтактирования деталей и, соответ­ственно, значения параметра К. При этом степень влия­ния дефекта на К зависит от его вида и величины, а меж­ду его размерными параметрами (протяженность, глуби­на, объем) и значением К существуют однозначные мо­нотонные зависимости (рис. 21).

Это явление положено в основу электрических ме­тодов дефектоскопии, которые применительно к под­шипнику качения обеспечивают обнаружение регламен­тированных НТД повреждений рабочих поверхностей колец и тел качения как отдельного подшипника, так и опоры качения узла с глубиной поиска до поврежденно­го тела качения и местоположения дефекта на дорожке качения каждого из колец в условиях рабочего и тесто­вого диагностирования.

Специфика электрорезистивных методов (отсутст­вие первичного преобразователя, совершающего пере­мещения относительно контролируемой поверхности при сканировании) и объекта диагностирования (контро­лируемые поверхности при работе подшипника совер­шают сложные относительные перемещения) обуславли­вает специфику принципов локализации зоны контроля на исследуемой поверхности и сканирования.

а ) б ) в)

Рис. 21. Примеры эпюр гидродинамического давления в контактной зоне подшипника (а) и расчетных зависимостей К от глубины (6) и протяженности (в) моделируемой раковины:

1. - дефект отсутствует, А = 0,612 мкм; 2 - глубина дефекта 0,212 мкм, протяженность 236 мкм, А = 0,547 мкм;

3 - глубина дефекта 1мкм, протяженность 221 мкм, А = 0,354 мкм; 4 - глубина дефекта 1мкм, протяженность 236 мкм, А = 318 мкм

Принцип локализации зоны контроля заключается в обеспечении неизменного положения исследуемой рабо­чей поверхности относительно вектора радиальной со­ставляющей нагрузки F_r за время измерения Т_и пара­метра К :

За счет радиальной силы происходит односторон­ний выбор зазора, и в подшипнике образуется зона на­гружений, ограниченная некоторым угловым сектором ±φ₀ (рис. 22). В этом случае зона контроля совпадает с зоной нагружения, расположена симметрично вектору F_r, а нагрузка в ее пределах изменяется от максималь­ного значения в центре до 0 на ее границах (рис. 23). Минимально возможный размер зоны контроля, обеспе­чивающий наилучшую чувствительность и разрешаю­щую способность метода, определяется угловым рас­стоянием между телами качения (φ₀ = γ) и обеспечива­ется для шариковых и для роликовых подшипников при выполнении условий:

В этом случае относительная нагрузка F_θ на тело качения с координатой θ < γ, определяется только зна­чением 0 (кривые 3 на рис. 23):

Рис. 22. Схема радиально нагруженного подшипника качения

а )

О 100 g 200 град 300

б )

Рис. 23. Распределение F_θ в зоне нагружения подшипника типа 306 для различных значений радиального зазора G_r при F_r = 3 кН (а) и для различной нагрузки F, при G_r = 20 мкм и θ = 180° (б)

П ринцип сканирования заключается в изменение от­носительного положения исследуемой поверхности и вектора F_r при обеспечении неизменной чувствитель­ности диагностического параметра к состоянию контро­лируемых участков поверхностей и стабилизации влияния на его значение качества неконтролируемых поверхно­стей и прочих факторов. Пути реализации данного прин­ципа могут быть различными: перемещение контроли­руемой поверхности относительно F_r; изменение на­правления F_r относительно поверхности; анализ взаим­ного положения F_r и поверхности при работе объекта в эксплуатационных режимах и автоматическое управле­ние алгоритмом обработки информации.

Алгоритмы диагностирования подразделяются на рабочие (пассивные) и тестовые (активные), на алгорит­мы с непрерывным последовательным, дискретным зо­нальным и дискретным зонально-селективным сканиро­ванием (рис. 24).

П ри реализации непрерывного сканирования путем изменения взаимного положения исследуемой поверхно­сти и вектора нагрузки с постоянной скоростью сканиро­вания ω_ск осуществляют перемещение зоны контроля по этой поверхности при непрерывной регистрации ди­агностического параметра K(t). О наличии дефекта судят по характерному увеличению (всплеску) параметра К_л относительно фонового уровня К_ф, о его местопо­ложении - по координате всплеска, соответствующей расположению дефекта на линии действия нагрузки, а о размерах дефекта - по величине всплеска. На рис. 25 в качестве иллюстрации представлены примеры характер­ных диаграмм K(t) при поиске дефектов рабочих по­верхностей бывших в эксплуатации подшипников (алго­ритм непрерывного последовательного сканирования за счет изменения положения контролируемой поверхности о тносительно Fr) и фотографии выявленных дефектов.

А лгоритмы дискретного зонального сканирования предусматривают деление поверхности на участки, сме­щенные друг относительно друга на шаг сканирования ω_ск , и получение информации о каждом из участков (теле качения) путем измерения параметра K_i при совмещении центра участка (тела) с направлением нагрузки.

П ри реализации алгоритмов дискретного зонально­селективного сканирования подшипник работает в экс­плуатационных режимах, а информация о различных участках контролируемой поверхности формируется пу­тем анализа взаимного расположения поверхности и на­грузки и автоматического управления алгоритмом обра­ботки информации. При этом значение параметра K_i для каждого участка поверхности определяется за не­сколько (Н_ц) циклов измерения в периоды времени на­хождения этого участка в зоне контроля.

Выбор базового алгоритма осуществляется в зави­симости от конструктивных особенностей объекта, этапа диагностирования и требуемых его показателей с учетом рекомендаций табл. 5.

Режимы поиска дефектов для каждого из алгорит­мов задаются из условия обеспечения заданных показа­телей диагностирования. Их расчет производится по спе­циальным методикам и программам, при этом в качестве исходных данных наряду с требуемыми показателями диагностирования (глубиной поиска, точностью опреде­ления местоположения дефекта, продолжительностью диагностирования) рассматриваются структурные пара­метры объекта и априори известные режимы; в качестве определяемых параметров – F_r , Т_и, φ_ск , ω_ск частоты

вращения колец (ω_н(в)) или нагрузки (ω_F), а в каче­стве критериев - максимальная чувствительность, пре­дельно допускаемые значения флуктуаций диагностиче­ского параметра, не обусловленных изменением качества поверхностей, и нестабильности нагружения контроли­руемых и неконтролируемых поверхностей.

Рис. 24. Алгоритмы сканирования при поиске дефектов

Р ис. 25. Примеры зависимостей К(t) при дефектоскопии подшипников 208 с различными локальными дефектами поверхностей:

а - усталостное отслаивание на шарике; б - два участка коррозионной сыпи на дорожке наружного кольца; в - трещина внутреннего кольца; г - локальный износ внутреннего кольца в виде коррозии; д - раковина усталостного выкрашивания на шарике

5. Сравнение характеристик различных алгоритмов поиска дефектов

Так, например при поиске дефектов колец при дис­кретном зонально-селективном сканировании основны­ми расчетными режимами являются F_r ,φ_ск и N_ц, при этом F_r определяют из ранее приведенных условий обеспечения минимальных размеров зоны контроля, φ_ск выбирают кратным Z из выражения: φ_ск ≤ 4π , а N_ц - удовлетворяющим условиям обеспечения предельно допускаемой нестабильности эпюр средней нагрузки на контролируемом и неконтролируемом кольцах (𝛥_к, 𝛥_нк) и средней нагрузки тел качения (𝛥_т):

где 𝛥 - предельно допускаемая неравномерность мак­симума F_ср(θ) на контролируемой дорожке; индексы к(нк), т - свидетельствуют о принадлежности параметра контролируемому (неконтролируемому) кольцу или телу качения; С_К(_НК)(θ) - число контактов точки с координа­той θ дорожки качения кольца с нагруженными телами качения за N_ц циклов нагружения; F_ср(θ),F_θi (θ) - номинальная средняя нагрузка и нагрузка, воспринимаемая при i-м контакте с телом качения точкой дорожки каче­ния с координатой θ; F_{τ тi} (θ_τ ) - нагрузка, восприни­маемая т-м телом качения с координатой θ_τ в i-м цикле нагружения;

θ_0mi = γ(m-1)+2π(i-1)k₁, θ_τ=( θ_0mi+ψ_k k₁)€[0, 2π] - начальная и текущая координаты т-го тела качения в i-м цикле нагружения; ψ_к € [0, 2γ] - угол поворота кольца с момента начала каждого из циклов.

Средства поиска дефектов включают, как правило, электронные устройства (приборы и системы) для сбора и анализа измерительной информации о флуктуирующем значении диагностического параметра и стендовое обо­рудование для привода и требуемого нагружения объек­та контроля (при рабочем диагностировании стендовое оборудование может отсутствовать). На рис. 26 в качест­ве примера представлены структурные схемы некоторых из них.

а )

б)

в )

г)

Рис. 26. Устройства поиска дефектов тел качения (а) и колец подшипников (б-г) с дискретным зональным (а), дискретным зонально-селективным (б) и непрерывным последовательным (в, г) сканированием за счет изменения направления F_r относительно поверхности (а - в) и положения поверхности относительно F_r (г): 1 - контролируемый подшипник; 2 - вал; 3 - корпус; 4 - источник напряжения; 5 - формирователь импульсов; 6 - токосъемник; 7 - счетчик; 8 - временной селектор; 9 - генератор опорной частоты; 10-устройство нагружения; 11 - датчик углового положения; 12 - блок управления; 13 - генератор; 14 - блок задержки; 15 - одновибратор; 16 - ключ; 17- канал дискретного счета; 18 - диск с метками; 19,20 - делители частоты; 21 - триггер; 22,23 - приводы; 24 - элемент дискретного счета; 25 - интегратор;

26 - дифференциальный усилитель; 27 - регистрирующее устройство; 28 - компенсатор; 29 - пороговый элемент; 30 - отметчик; 31,32- преобразователи положения вала и F_r\ 33 - переключатель; 34 - преобразователь разности фаз

Обязательным элементом электронных устройств является цепь формирования электрического сигнала, несущего информацию о значении диагностического параметра НИВ (К). Цепь включает источник постоян­ного электрического напряжения 4, формирователь импульсов 5 и осуществляющие контакт с подвижными деталями объекта токосъемники 6. Она преобразует им­пульсы проводимости объекта контроля 1 при микрокон­тактировании в прямоугольные импульсы напряжения той же длительности с уровнем логической единицы на выходе формирователя 5. Сигнал, пропорциональный параметру К, формируется с помощью счетчика 7, вре­менного селектора 8 и генератора опорной частоты 9 или путем аналогового интегрирования импульсов напряже­ния блоком 25.

Д ля реализации сканирования в условиях тестового диагностирования используется либо дополнительный привод 6, осуществляющий перемещение контролируе­мой поверхности относительно вектора радиальной на­грузки, либо устройство радиального нагружения 10, реализующее заданный закон нагружения объекта в про­цессе контроля. Поиск дефектов в условиях рабочего диагностирования при использовании алгоритма дис­кретного зонально-селективного сканирования предпо­лагает наличие дополнительных измерительных каналов для получения апостериорной информации о текущем взаимном расположении контролируемой поверхности (детали) и F_r, необходимой для автоматического управ­ления алгоритмом обработки данных.