3.3 Использование теплогидравлических параметров для диагностирования
К числу теплогидравлических параметров относятся давление и температура масляного слоя. Давление зависит от скоростного режима коленчатого вала, характера его нагружения, свойств масла и др. Для сокращения числа действующих факторов сравнительный контроль осуществляют на фиксированном режиме работы двигателя (Ne, n = const). Таким образом, характер изменения нагрузки конкретного подшипника и скоростной режим остаются неизменными.
Избыточное давление, возникающее при движении вала относительно вкладыша, определяется зазором и состоянием поверхности. Оба конструктивных параметра меняются по мере эксплуатации узла, определяя величину давления в слое в конкретном месте измерения.
Поскольку подшипники коленчатого вала нагружены нестационарно, для получения наиболее полной картины распределения давления по сечению устанавливают несколько мембранных тензометрических датчиков давления. При этом датчики устанавливают как в шейках вала, так и во вкладышах.
Рисунок 3.8 – Схема пьезокварцевого датчика с дифференциальной опорой для кварцевых платин
1 – коренная шейка вала; 2 – изолятор; 3 – кварцы; 4- мембрана; 5 – электрод
Рисунок 3.9 – Зависимость показателя m от n
m – показатель степени; n – частота вращения, об/мин
Для регистрации изменения давления в слое масла коренного подшипника дизеля по углу поворота коленчатого вала применяют пьезокварцевые датчики, два из которых располагают в коренной шейке вала в плоскости кривошипа и один во вкладыше подшипника. Кабели датчиков, установленных в шейке вала, выводят через осевой канал вала к торцу и соединяют с контактными кольцами токосъемника, ввернутого в торец вала. Съем пьезотоков с колец осуществляют с помощью платиноиридиевых контактов. Запись диаграмм выполняют с помощью шлейфового осциллографа. Высокая чувствительность датчиков (во вкладыше подшипника устанавливают датчик аналогичной конструкции) достигается применением дифференциальной опорной части кварцев (рисунок 3.8). Объем камеры над мембраной датчика сводят к минимуму.
Гидродинамическое давление замеряют при помощи мембранных датчиков, сигнал от которых подается на усилители и записывается шлейфовым осциллографом. Датчики работают по принципу изменения сопротивления тензорезисторов, наклеенных на мембрану, прогибающуюся под действием гидродинамического давления в слое масла.
Увеличение зазора в сопряжении обусловлено износом вкладыша и шеики. Исходя из этого, связь износа шейки и давления масла в смазочной системе до первой замены вкладышей определяется формулой
где Uш — износ шейки вала;
с — доля зазора, обусловленного износом шейки;
a — постоянный коэффициент;
m — показатель степени (рисунок 3.9).
Таким образом, по изменению давления в смазочной системе рекомендуется определять и прогнозировать (при наличии предварительных данных) техническое состояние подшипников коленчатого вала, оценивать износ и изменение геометрической формы шеек коленчатого вала.
Работа трения при взаимном смещении слоев масла, преобразуясь в теплоту, определяет температурный режим. Температуру масла можно определить непосредственно в слое. Однако чаще ее измеряют вблизи поверхности вкладыша, учитывая, что температура по его толщине меняется на 1...1.3 °/мм.
С помощью хромель-копелевых термопар, изолированных кварцевой нитью, контролируют температурный режим рамовых подшипников. Для установки термопар во вкладышах таких подшипников сверлят глухие отверстия диаметром 2 мм, не доходящие до рабочей поверхности вкладыша на 0,5 мм (рисунок 3.10). Стенки отверстий изолируют диэлектрическими втулками для исключения возможности приварки спая к стенке отверстия. Для сведения к минимуму теплообмена термопары с окружающей средой участок термопары (длиной 20...40 мм), примыкающий к спаю, прокладывают по наружной поверхности вкладыша в специальных канавках. После установки вкладышей в фундаментную раму провода прокладывают по стенкам рамы и для защиты от воздействия масла и его паров покрывают стеклотканью с эпоксидным компаундом.
Рисунок 3.10 – Схема установки термопар
а и б – соответсвенно в верхнем и нижнем вкладыше; 1 – вкладыш; 2 – антифрикционный слой; 3 – каналы для установки термопар
Для замера температуры подшипника используют также хромель-копелевые термопары, горячий спай которых заливают в капсулы (диаметром 2 мм) из олова и заделывают на расстоянии 0,3...0,5 мм от поверхности трения. Термопарами замеряют наибольшую и наименьшую температуры в зонах трения и температуру в масляной канавке. ТермоЭДС термопар фиксируют потенциометром. Электрические сигналы от всех датчиков и термопар передаются с шатуна при помощи непрерывного рычажного токосъемника.
Перспективным направлением в области измерения средних температур подвижных деталей является применение бесконтактных устройств с индуктивной связью датчика и измерительной системы. Бесконтактные методы передачи информации от датчиков к прибору лишены многих недостатков и позволяют проводить измерения в течение длительного времени при высокой частоте вращения коленчатого вала. Учитывая опыт замера температур, можно применить данный метод для замера температур подшипников скольжения, находящихся в постоянном движении, например, головного и шатунного. При этом один измерительный мост может обслуживать несколько точек замера температуры. При таком способе первичную (неподвижную) катушку закрепляют на остове двигателя, а вторичные (подвижные) катушки — на шатуне. При вращении коленчатого вала происходит последовательное взаимодействие вторичных катушек с измерительным мостом. Поскольку оно кратковременно, необходимо одинаковое конструктивное решение обеих катушек, направленное на максимальное увеличение площади поперечного сечения магнитопроводов и соблюдение идентичных геометрических форм и размеров подвижных и неподвижных катушек. Катушки наматывают на ферритовые сердечники и помещают в ферритовые чашечки. Подвижные катушки при помощи кронштейнов закрепляют на одинаковом расстоянии от оси вращения.
Температура является объективным параметром состояния подшипникового узла. Опытами установлено резкое возрастание температуры при нарушении жидкостного трения. Фактором, уменьшающим несущую способность подшипника, являются также прогибы и перемещения шеек коленчатых валов.
Рисунок 3.11 – Схема датчика давления мембранного типа
1 – электрод; 2 – втулка; 3 – пластина; 4 – пята; 5 – гайка; 6 – штифт; 7 – мембрана; 8 – пробка; 9 – коленчатый вал