3.4.1 Измерение траектории движения центра вала и толщины смазочного слоя
Траекторию движения центра вала обычно измеряют индуктивными датчиками перемещения, принцип действия которых основан на изменении индуктивности обмотки с сердечником вследствие изменения магнитного сопротивления в цепи датчика при перемещении вала в подшипнике.
Недостатками данного метода являются сравнительно малая чувствительность датчиков и измерительной системы, отсутствие надежных методов определения положения центра вала и вследствие этого невозможность достаточно точного определения абсолютных толщин масляного слоя. Кроме того, для измерения перемещений в шатунном подшипнике требуется создание надежных устройств токосъема.
Наибольшей трудностью, возникающей при обработке результатов измерений индуктивными датчиками, является построение траектории и определение минимальной толщины смазочного слоя. Метод, позволяющий непосредственно по осциллограммам записи перемещений устанавливать положение центра вала, причем и при деформации подшипника. Идея метода состоит в одновременной записи изменения зазора двумя противоположно установленными датчиками и разности их показаний. При такой записи за счет вертикального переноса кривых можно установить положение горизонтальной оси проекций центра подшипника (рисунок 3.15). Точно так же по данным двух взаимно перпендикулярных датчиков устанавливается положение вертикальной оси. Используя вывод сигналов на двухлучевой осциллограф, сразу получается траектория движения центра подшипника. Определить величину и место минимального расстояния между валом и подшипником, которое достигается в процессе перемещения, можно лишь пересчетом. При этом в силу относительно малой чувствительности индуктивных датчиков, необходимости учета отклонений реального подшипника от идеального, погрешностей пересчета минимальная толщина, полученная этими датчиками, может существенно отличаться от действительной. Если нужно более точно знать толщину слоя, проводить сравнение различных вариантов конструкций подшипника, изучать условия нарушения сплошности смазочного слоя, используется емкостной метод измерения. Этот метод нашел широкое применение для изучения условий работы различных узлов трения, в том числе подшипников коленчатого вала тепловозных двигателей. Принцип работы емкостных датчиков состоит в том, что при изменении толщины смазочного слоя меняется емкость между датчиком, заделанным в вал и изолированным от него, и вкладышем подшипника. Изменение емкости датчика, включенного в контур высокочастотного генератора, вызывает изменение частоты генерируемого напряжения, которое затем усиливается, детектируется и подается на регистрирующий прибор.
Датчики, примененные при исследованиях подшипников, имеют конструкцию (рисунок 3.16). Для уменьшения балластной емкости «электрод—вал» на образующей электрода (1) была выполнена кольцевая выточка. Гнезда под датчики изготовлялись таким образом, чтобы обеспечить параллельность поверхностей Л и В, а также перпендикулярность поверхности С по отношению к поверхности В. Для плотного прижатия электрода к телу вала через слюдяную изоляцию цилиндрическая поверхность втулки заканчивалась болтовой головкой, с помощью которой создавалось усилие сжатия на прокладку. После установки втулки и датчика головку спиливали, а поверхность шейки пришабривали специальными притирами. В дальнейшем при испытаниях подшипников датчики устанавливали на новом колончатом валу до шлифовки шеек вала. Окончательно шейки вала обрабатывали с установленными в них датчиками по обычной технологии изготовления вала, что обеспечивало сохранение геометрии его шейки.
Рисунок 3.15 – Положение центра вала, полученное с помощью индуктивных датчиков
1- окружность радиального зазора; 2 – траектория движения центра вала; 3 –изменение положения центра вала, измеренное датчиком I; 4 – то же датчиком II; 5 – изменение координат y1-y2; 6 – линия пересечения кривых 3,4,5; I-IV – номера индуктивных датчиков
Одним из недостатков датчиков описанной конструкции является выход их из строя вследствие попадания частиц металла подшипника между электродом (1) и втулкой (3) в процессе работы подшипника, а иногда и во время заделки датчика. Для ликвидации этого недостатка используется датчик с утолщенной фарфоровой изоляцией и изменённая форму электрода (рисунок 3.16 б). Применение фарфоровых втулок (5) полностью ликвидировало замыкание датчиков. Вместе с тем, значительно повысились требования к качеству изготовления поверхности С, гнезда электрода и торцовой части нажимной втулки. При неплотном их прилегании в процессе сборки датчиков выступ керамической втулки разрушается. Электрод (1) и прижимную втулку (3) следует изготовлять из того же материала, что и коленчатый вал. Если электрод выполнен из стали, то в процессе нагрева вала во время работы двигателя за счет разности коэффициентов линейного расширения датчик может выступать над поверхностью шейки.
Каждый датчик соединяется с ртутным токосъемником коаксиальным кабелем, выдерживающим температуру до 100°С.
Толщину слоя смазки измеряют трехканальным усилителем ПТМП-3-55. Усилитель построен по принципу частотной модуляции. Область изменений толщины смазочного слоя от 1 до 100 мкм обеспечивается тремя диапазонами частот задающего генератора высокочастотных колебаний: 800, 600, 300 кГц. Усилитель настроен таким образом, чтобы при входной балластной емкости не более 300 пф обеспечивалась линейная зависимость между рабочей емкостью и выходным током для измеряемого диапазона толщин смазочного слоя.
Рисунок 3.16 – Датчики для измерения толщины смазочного слоя емкостным методом
А – исходная конструкция; б – датчик конструкции НАТИ; 1 –электрод;2,4 – слюдяные прокладки; 3 – прижимная втулка; 5 – фарфоровая втулка; 6 – тело вала; A,B,C – контролируемые параметры
Частота процессов, которые могут фиксироваться усилителем, находится в диапазоне от 10 до 1000 Гц. Усилитель питается от стабилизированных источников питания.
Для расшифровки осциллограмм необходимо знать зависимость между выходным током усилителя или отклонением шлейфа осциллографа и зазором между вкладышем и шейкой вала. Применяют различные тарировочные устройства, которые позволяют проводить тарировку непосредственно на дизеле.
Принцип действия тарировочного устройства (рисунок 3.17) состоит в том, что с помощью втулки (5) с двойной микрометрической резьбой, имеющей малый шаг, задается перемещение штоку (4), расположенному над датчиком. Изменение положения штока фиксируется индикатором часового типа с ценой деления 1 мкм. Устройство должно устанавливаться на шейку вала так, чтобы центр поверхности штока находился над центром датчика. В полость между валом (1) и корпусом (2) заливается смазка, разделяющая поверхности штока и датчика. Для тарировки электрод датчика подводится под шток, шток приводится в соприкосновение с электродом и этот момент регистрируется по резкому переходу шлейфа осциллографа в нулевое положение. Индикатор устанавливается на нуль, шток поднимается, индикатор регистрирует зазор, а на осциллографе отмечается отклонение шлейфа. При правильной установке тарировочных устройств этого типа обеспечивается получение тарировочной кривой, начиная с 5 мкм. В зоне малых толщин использовали метод электротарировки. По формуле плоского конденсатора для диаметра датчика (3) мкм было найдено изменение емкости датчика в зависимости от зазора в подшипнике. Величину емкости на входе в усилитель, имитирующую изменение толщин слоя, измеряют переменным конденсатором, погруженным в применяемое на двигателе масло и градуированным с помощью цифрового моста типа Р-589.
Рисунок 3.17 – Тарировочное устройство
1 – вал; 2 - корпус; 3 – электрод датчика; 4 –шток; 5 – втулка с микрометрической резьбой: 6 – индикаторная головка
Толщина слоя в зоне преимущественного действия сил инерции значительно меньше, а протяженность несущей части смазочного слоя намного больше, чем для других зон. Такое соотношение толщины смазочного слоя в различных зонах имеет место на всех установившихся режимах работы дизеля. Это полностью согласуется с выводом по результатам расчетов о том, что в подшипниках тепловозных дизелей наименьшая толщина слоя и наиболее опасный режим трения достигается в зонах преимущественного действия инерционных сил поступательно и вращательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма.
Емкостный метод измерения дает возможность установить режимы нарушения сплошности смазочного слоя как во время пуска и остановок, так и на установившихся режимах.
При сопоставлении емкостного и индуктивного методов измерения толщины смазочного слоя ряд исследователей к недостаткам емкостного метода измерений относят изменение диэлектрических свойств масла вследствие наличия пузырьков воздуха, абразивных частиц, изменение емкости в соединениях между датчиком и измерительной аппаратурой, необходимость использования высокочастотной аппаратуры, пробой малых толщин слоя. Опыт применения емкостных датчиков, показывает, что отмеченные факторы не оказывают существенного влияния на точность измерений. Так, при работе дизеля и надежных соединениях датчиков заметных изменений емкости за счет вращения проводов на валу и вибрации дизеля не наблюдалось. Статистическая обработка осциллограмм изменений толщины слоя за необходимое число циклов работы дизеля показала, что дисперсия измеряемой величины мала. Это является свидетельством слабого влияния случайных воздействий, в том числе и таких, как пузырьков воздуха и частиц абразивов.
Наиболее существенными недостатками емкостного метода измерений является невозможность получить достоверную траекторию движения вала и необходимость выбирать места установки датчиков в зонах, где должна реализоваться минимальная толщина масляного слоя.
Наилучшие результаты дает совместное применение обоих методов измерений. Абсолютная толщина смазочного слоя определяется при измерении емкостным методом, а траектория движения строится с помощью индуктивных датчиков. Материалы обрабатываются двумя способами. При первом считается, что никаких деформаций подшипника не происходит, и толщину отсчитывают от окружности. Во втором строится изменение базовой окружности в зависимости от угла поворота вала. При этом установлено, что базовая окружность при работе дизеля значительно деформируется.
Таким образом, анализируя способы измерения траектории движения центра вала и толщин смазочного слоя, можно сделать следующие выводы:
для измерения траектории движения центра вала наибольшее распространение получили методы, использующие индуктивные датчики. Датчики следует заделывать во вкладыши, располагать четыре датчика под углом 90° друг к другу и каждые два противоположных датчика соединять по дифференциальной схеме. Положение центра вала можно устанавливать по разности показаний противолежащих датчиков;
емкостный метод является надежным средством измерения толщины смазочного слоя, сопоставления вариантов конструкций и условий работы подшипников скольжения, изучения режима нарушения сплошности масляного слоя. Емкостные датчики следует устанавливать в места» определенные по предварительно проведенному гидродинамическому расчету;
применение одновременно емкостных и индуктивных датчиков позволяет избежать многих недостатков, присущих обоим методам. Обработку осциллограмм, полученных с обоих типов датчиков, следует проводить на ЭВМ.