POMIAR ZMIAN LUZU ROBOCZEGO W GŁÓWNYM ŁOśYSKU

POMIAR ZMIAN LUZU ROBOCZEGO W GŁÓWNYM ŁOśYSKU

1
Joachim Potrykus, Wojciech Kwaśny
Ćwiczenie nr 9 (18)
POMIAR ZMIAN LUZU ROBOCZEGO
W GŁÓWNYM ŁOśYSKU WRZECIONA OBRABIARKI
1. Wprowadzenie, cel ćwiczenia
Luzy jakie w czasie pracy maszyn występują w łoŜyskach, tocznie łoŜyskowanych wałków,
mają duŜy wpływ na sztywność i dokładność ich ruchu obrotowego. Do zespołów, w których cechy te mają szczególne znaczenie, zalicza się zespoły wrzecionowe obrabiarek. W węzłach łoŜyskowych wrzecion nastawia się z tego powodu takie luzy pomontaŜowe, by w warunkach pracy
luzy robocze znalazły się w obszarze niewielkich wartości ujemnych. Poza wspomnianymi wyŜej
korzyściami wynikającymi ze stosowania luzów ujemnych, liczyć się jednak naleŜy w takich
przypadkach z dodatkowym obciąŜeniem łoŜysk siłami wewnętrznymi. Powoduje to określony
wzrost oporów ruchu, a tym samym wzrost temperatury łoŜysk. Zmienność prędkości obrotowych
i obciąŜenia zewnętrznego wrzecion wynikające z realizowanych przez nie procesów technologicznych będzie powodować zmiany wartości luzu roboczego w czasie pracy wrzecion, a tym
samym niepoŜądaną zmienność istotnych właściwości wrzecionowych zespołów obrabiarek.
Celem ćwiczenia jest poznanie oryginalnej metody dynamicznego pomiaru ujemnych wartości luzu, zastosowanej w pomiarze luzu roboczego w łoŜysku wrzecionowym NN3018K, w czasie pracy ciągłej i przerywanej.
Obserwację i rejestrację cieplnych zmian luzu roboczego w łoŜysku NN3018K oraz towarzyszących im temperatur umoŜliwia stanowisko badawcze pokazane na rys.1.
Rys 1. Stanowisko badawcze do pomiaru i rejestrowania cieplnych zmian luzu roboczego
w łoŜysku wrzecionowym NN3018K
Pierwotną przyczyną wywołującą cały łańcuch zjawisk towarzyszących pracy węzła łoŜyskowego jest generowanie ciepła w łoŜyskach. Zamiana energii mechanicznej na cieplną występuje w przestrzeni ograniczonej bieŜniami (wewnętrzną i zewnętrzną) łoŜysk tocznych. Z racji
małej pojemności cieplnej elementów tocznych oraz złych warunków odprowadzania z nich cie-
2
pła poprzez styki punktowe (kulki) lub liniowe (wałeczki), elementy te nagrzewają się bardzo
szybko i to o kilkadziesiąt stopni, co powoduje niemal skokowe zmniejszenie luzu w łoŜysku w
wyniku rozszerzalności cieplnej tych elementów. Dla przykładu w łoŜysku z elementami tocznymi o średnicy 10 mm, po przyjęciu wartości współczynnika cieplnej rozszerzalności stali łoŜyskowej równej 12,3 µm/m⋅°C, łatwo obliczyć, Ŝe wskutek rozszerzalności samych tylko elementów tocznych, ze wzrostem ich temperatury np. o 60 °C, nastąpi zmniejszenie luzu w łoŜysku o
14,8 µm.
Z niewielkim opóźnieniem czasowym, w stosunku do elementów tocznych, nagrzewać się
będą pierścienie łoŜyska, później nagrzeje się wrzeciono, a po dłuŜszym czasie obudowa, której
pojemność cieplna jest największa. Oprócz pojemności cieplnej, na czas nagrzewania się elementów węzła, będą miały wpływ warunki odprowadzania z nich ciepła. Przepływ ciepła przez elementy węzła łoŜyskowego i jego przekazywanie do otoczenia sprawiają, Ŝe po ustabilizowaniu
się warunków cieplnych w węźle, stwierdza się charakterystyczny promieniowy rozkład temperatury, który pokazano na rys.2. W przypadku osiowo symetrycznej obudowy, jaką zastosowano na
stanowisku pomiarowym, osiowo symetryczny będzie teŜ promieniowy rozkład (pole) temperatur.
Rys.2. Typowy promieniowy rozkład temperatury w węźle łoŜyskowym
JeŜeli zmiany luzu zachodzą w dodatnim zakresie jego wartości i w warunkach swobodnej
rozszerzalności elementów węzła łoŜyskowego, to dla przedstawionego rozkładu temperatur
zmianę luzu moŜna obliczyć z uproszczonej zaleŜności:
[
∆l = β ⋅ d m ( ∆Tsw − ∆Tsz ) + 2d w ⋅ ∆Tsw
]
[ µm ] ............................ ( 1 )
gdzie: β - współczynnik rozszerzalności cieplne stali łoŜyskowej równy 12,3 µm/ m⋅°C
dm - średnia średnica łoŜyska, w mm,
dw - średnica elementu tocznego, w mm,
∆Tsw, ∆Tsz - przyrost temperatury pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego w °C.
Zmiana luzu roboczego, w ujemnym zakresie jego wartości zaleŜy dodatkowo od relacji jakie
zachodzą między sztywnością samego łoŜyska oraz sztywnością wrzeciona i obudowy.
Na rys. 3 pokazano wykres przyrostu temperatury w charakterystycznych punktach węzła łoŜyskowego (na pierścieniu wewnętrznym i zewnętrznym łoŜyska oraz na obudowie), a takŜe odpowiadające im zmiany luzu w łoŜysku. Zmiany te w pierwszych minutach pracy są bardzo duŜe,
osiągając po pewnym czasie swoje maksimum, by następnie, po nagrzaniu się obudowy i ustabilizowaniu się warunków wymiany ciepła, nieznacznie zmniejszyć swoją wartość, która jednak
zdecydowanie róŜni się od wartości luzu pomontaŜowego, jaką miało łoŜysko w stanie zimnym.
3
JeŜeli luz pomontaŜowy był ujemny
lub bliski zeru, a sztywność obudowy i
wrzeciona jest duŜa, to w wyniku zmiany
luzu, wywołanej rozszerzalnością cieplną elementów węzła, mogą wystąpić
znaczne siły wewnętrzne obciąŜające łoŜysko. Biorąc pod uwagę dodatnie sprzęŜenie, jakie zachodzi między temperaturą
łoŜyska, zmianą luzu i wzrostem obciąŜenia, wynikającego z ujemnej jego wartości, moŜe dojść nawet do zatarcia łoŜyska. W obawie przed takimi konsekwenRys.3. Przyrost temperatur i odpowiadające im zmiany luzu w
cjami stosuje się często dodatnie luzy
czasie pracy węzła wrzecionowego
pomontaŜowe. Najlepsze właściwości
wykazuje jednak zespół wrzecionowy wówczas, gdy jego łoŜyska pracować będą z nieznacznym
napięciem wewnętrznym, odpowiadającym luzom ujemnym rzędu:
od 0 do -5 µm, w przypadku łoŜysk walcowych,
od -5 do -10 µm, w przypadku łoŜysk kulkowych.
Przy pracy przerywanej zespołów
wrzecionowych, w szczególności wysokoobrotowych, temperatura łoŜysk podlega znacznym wahaniom, co pociąga za
sobą duŜe wahania wartości luzu roboczego. Wahania luzu roboczego w czasie
przerywanego cyklu pracy, zmierzone na
stanowisku badawczym z ułoŜyskowanym w nim wrzecionem tokarki TUD-40,
pokazano na rys.4. Amplituda zmian jest,
jak widać, znaczna i dobrze korelująca z
Rys.4. Zmiany temperatury łoŜyska ∆Tp, obudowy ∆To i luzu amplitudą zmian temperatury łoŜyska.
roboczego podczas ciągłej (pierwsze 120 min.) oraz
przerywanej pracy wrzeciona (120-200 min.)
2. Metoda pomiaru
Metodę mierzenia zmian luzu roboczego oparto na pomiarze miejscowych odkształceń zewnętrznego pierścienia łoŜyska z pomocą pojedynczego tensometru. Tensometr naklejono na dnie
płaskiego rowka w zewnętrznym pierścieniu (p. rys.5), nad przednim rzędem elementów tocznych dwurzędowego łoŜyska walcowego. Tensometr, wraz z rezystorem kompensacyjnym, tworzy, ze wzmacniaczem pomiarowym Spider8, mostek pomiarowy zasilany napięciem stabilizowanym 4V. Pojawienie się w łoŜysku ujemnych wartości luzu promieniowego (luzu ujemnego)
wywoła, w wyniku przetaczania się wałeczków łoŜyska, zmienne odkształcenia tensometru, generując sinusoidalny sygnał o amplitudzie proporcjonalnej do wartości luzu ujemnego.
4
tensometr
wzmacniacz
cyfrowy
komputer
Rys.5. Schemat blokowy dynamicznej metody pomiaru
luzu roboczego w łoŜysku
Sinusoidalny przebieg odkształceń tensometru jest zakłócany błędami
kształtu bieŜni wewnętrznej (niekołowość czopa) oraz zróŜnicowaniem
średnic wałeczków łoŜyska. Błędy te
mają jednak charakter systematyczny,
nie wypaczający w badaniach porównawczych poprawności wnioskowania.
Główny przebieg, którego średnia amplituda jest miarą wielkości luzu, moŜna wyraźnie odróŜnić od wpływu zakłóceń A2 (niekołowość czopa i bieŜni
wewnętrznej łoŜyska), co widać na
rys.6.
Przebieg sygnałów o amplitudzie
A1 i okresie T1 odpowiada przetaczaniu się poszczególnych elementów tocznych względem tensometru. Przebieg zaś o amplitudzie A2 i okresie T2, odpowiadającym czasowi jednego pełnego obrotu wrzeciona, jest spowodowany błędem kształtu bieŜni wewnętrznej i czopa wrzeciona. W czasie obrotu powoduje to cykliczną zmienność rozkładu sił, a tym samym napręŜeń w
pierścieniu zewnętrznym, sygnalizowaną „falowaniem”
zapisu pochodzącego od przetaczania się wałeczków
względem tensometru pomiarowego.
Przyjęta metoda moŜe słuŜyć wyłącznie do pomiaru
ujemnego luzu roboczego, gdyŜ tylko wówczas przetaczające się pod rowkiem elementy toczne będą powodować odkształcenia pierścienia łoŜyska i tensometru, proporcjonalne do wartości ujemnego luzu. Uśredniona amplituda tego przebiegu moŜe być wykorzystana jako miara ujemnego luzu w łoŜysku.
Rys. 6 Przebieg zmian rezystancji tensometru
(zmian luzu roboczego): A1 - amplituda przebiegu głównego, odpowiadająca przetaczaniu
się elementów tocznych pod tensometrem, A2
- amplituda przebiegu zakłócającego, spowodowana niekołowym kształtem bieŜni wewnętrznej
Amplitudy odkształceń pierścienia łoŜyskowego pochodzące od przetaczania się kolejnych elementów tocznych, a takŜe charakter zakłóceń moŜna śledzić na ekranie komputera (rys.7). Na pokazanym
przebiegu widoczne jest zarówno pewne zróŜnicowanie amplitud, wywołane odchyłkami średnic
elementów tocznych od wymiaru nominalnego, jak i falowanie przebiegu spowodowane biciem
czopa i bieŜni wewnętrznej łoŜyska. W łoŜysku NN3018K liczba wałeczków w jednym rzędzie
wynosi 27. Koszyk łoŜyska obraca się natomiast dwa razy wolniej niŜ wrzeciono. Aby więc zaobserwować impulsy od wszystkich 27 wałeczków wrzeciono musi wykonać dwa pełne obroty, co
zaznaczono na rys.7. Na podstawie tych 27 amplitud program wylicza amplitudę średnią, przelicza ją zgodnie z wzorcowaniem układu na odpowiadającą tym odkształceniom średnią wartość
ujemnego luzu roboczego i wyświetla na ekranie jako LUZ.
5
Rys.7. Sygnał z tensometru oraz średnia wartość jego amplitudy odpowiadająca luzowi roboczemu, wyświetlane na
monitorze komputera
Z uwagi na konieczność zastosowania specjalistycznego oprzyrządowania, oraz na czas, jaki
pochłania przeprowadzenie wzorcowania układu do pomiaru ujemnego luzu L, nie wchodzi ono
w zakres ćwiczenia. Celowe jest jednak, aby student zapoznał się z metodą oraz oprzyrządowaniem zastosowanym przy wyznaczaniu funkcji A = f(L).
Dla wywzorcowania układu do pomiaru luzu ujemnego zastosowano oprzyrządowanie, pokazane schematycznie na rys.8. Miało ono na celu uzyskanie moŜliwości obciąŜania łoŜysk poprzecznych (w tym i łoŜyska z naklejonym czujnikiem tensometrycznym) bez zginania wrzeciona. Cel ten osiągnięto, wprowadzając do wrzeciona 1 specjalny wałek 2, stykający się z wewnętrzną powierzchnią wrzeciona w płaszczyznach symetrii A i B łoŜysk poprzecznych. Wałek
ten zakończony był czopem 3, współpracującym z półpanwią 4. Półpanew obciąŜano siłą wywieraną i mierzoną przez siłomierz 5. Odkształcenie spręŜyste δ przedniego łoŜyska A pod działaniem siły wywieranej przez siłomierz 5 mierzono z dokładnością ±
0,5µm bezdotykowym czujnikiem indukcyjnym 6, usytuowanym w odległości 40mm od płaszczyzny symetrii
łoŜyska A.
Wychodząc z definicji ujemnego luzu, za który Rys.8. Sposób obciąŜania łoŜysk wrzeciona, bez
jego zginania, stosowany we wzorcowauwaŜa się podwojoną wartość spręŜystego odkształniu
cenia δ zespołu bieŜnia - element toczny - bieŜnia,
trzeba było drogą wzorcowania przyporządkować określonej wartości odkształcenia δ (luzu
ujemnego) odpowiadającą jej amplitudę sygnału pomiarowego.
6
Pomiar luzu roboczego w badanym łoŜysku, w dowolnej chwili po uruchomieniu napędu
wrzeciona, będzie polegać na odczytaniu średniej wartości amplitudy wprost z ekranu monitora.
3. Przebieg praktycznej części ćwiczenia
W czasie ćwiczenia, oprócz obserwacji odkształceń pierścienia łoŜyskowego, mierzone będą: średnia wartość luzu roboczego, temperatury łoŜysk poprzecznych i gradienty temperatur na
elementach ich zabudowy (wrzecionie i tulejach osadczych) oraz prędkość obrotowa wrzeciona
(rys.9) Średnia wartość luzu roboczego oraz temperatury mierzone w wybranych punktach węzłów wrzecionowych, są przez cały czas trwania pomiaru wyświetlane na monitorze komputera.
Rys. 9. Widok głównej planszy pomiarowej, opracowanej z pomocą programu Catman do wizualizacji i przetwarzania wyników pomiarów.
Ćwiczenie naleŜy przeprowadzić wg następującego harmonogramu:
1. Przed uruchomieniem wrzeciona naleŜy zapoznać się ze stosowaną aparaturą i z budową stanowiska.. Podłączyć następnie czujniki do wzmacniaczy pomiarowych SPIDER8, włączyć zasilanie stanowiska i przyrządów pomiarowych oraz uruchomić program pomiarowy.
2. W celu określenia wartości luzu w badanym łoŜysku w stanie zimnym (luzu pomontaŜowego),
naleŜy przeprowadzić jego pomiar jeszcze przed uruchomieniem silnika napędowego. Pomiar
taki polega na ręcznym wykonaniu kilku obrotów wrzeciona i obserwacji odkształceń pierścienia łoŜyska oraz odczytaniu początkowej wartości luzu roboczego z ekranu monitora.
3. Uruchomić stanowisko (obroty wrzeciona n=1000obr/min) na pierwszym biegu silnika. Pierwsze 2-3 odczyty wartości luzu roboczego, temperatur i gradientów naleŜy wykonać co minutę
korzystając ze wskazań na ekranie monitora. Do ustabilizowania się warunków (około 10 minut) wykonać jeszcze dwa odczyty (np. w 5 i 10 minucie). Zmierzyć prędkość obrotową wrzeciona.
7
4. Przełączyć silnik na drugi bieg i wykonać odczyty wielkości mierzonych co minutę zaraz po
przełączeniu, później rzadziej, co kilka minut. Odczyty prowadzić do ustabilizowania się luzu
roboczego (około 30 minut). Zmierzyć prędkość wrzeciona.
5. Podczas pracy zespołu wrzecionowego do przedniego węzła łoŜyskowego podać około 1,5 cm3
oleju VG46. Pierwsze 2 odczyty wartości luzu roboczego naleŜy wykonać co minutę a następnie w 5-tej i 10-tej minucie pracy.
6. Zatrzymać wrzeciono na okres 5 minut. W tym czasie naleŜy wykonać kilka pomiarów luzu i
temperatur przy ręcznym obracaniu wrzeciona. Pierwsze dwa pomiary naleŜy wykonać co minutę, następny w 5 minucie.
7. Ponownie uruchomić stanowisko (obroty wrzeciona n=2000obr/min) na drugim biegu silnika.
Odczyty wielkości mierzonych wykonać w 1,2 i 5 minucie pracy stanowiska. Zakończyć pomiary i wyłączyć stanowisko.
4. Opracowanie wyników pomiarów
W czasie ćwiczenia naleŜy wpisywać do kolumn tabeli na str. 2 formularza wyniki uzyskiwane w czasie pomiarów tj.: prędkość obrotowa wrzeciona „n”, czas pracy stanowiska „τ”, luz
roboczy L, gradienty temperatur ∆ Tpz i ∆ Tpw, oraz temperatura odniesienia To i, przyrost temperatury w łoŜysku przednim Tp. Wyznaczyć i wpisać do odpowiednich kolumn w tabeli: sumy gradientów ∆ Tpz i ∆ Tpw oraz temperaturę łoŜyska przedniego jako sumę (To+Tp).
Poprawnie wypełniona tabela jest podstawą do sporządzenia wykresu na str.3 formularza, na
którym w funkcji czasu nanieść trzeba zmiany temperatury łoŜyska (To+Tp), wartości sumarycznego gradientu ∆ Tpz i ∆ Tpw, i korelujące z nim zmiany luzu roboczego L.
Na ostatniej stronie formularza sprawozdawczego naleŜy zamieścić krótkie uzasadnienie badanego zjawiska i wnioski praktyczne.
instr18_n.doc
8
POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
Instytut
Imię i Nazwisko ......................................
.................................................................
Technologii Maszyn i Automatyzacji
Studia.......................................................
Rok ........................Grupa lab. ..............
Data ćwiczenia .......................................
Ć w i c z e n i e 9 (18)
POMIAR CIEPLNYCH ZMIAN LUZU ROBOCZEGO
W GŁÓWNYM ŁOśYSKU WRZECIONA OBRABIARKI
1. Spis aparatury pomiarowej
1. Wzmacniacze cyfrowe tensometryczne w Spider 8 (pomiar luzu )
2. Wzmacniacze cyfrowe napięciowe w Spider 8 (pomiar mocy i temperatury )
3. Elektroniczny przetwornik mocy ( w układzie zasilania )
4. Watomierz ( 2 szt. ) analogowy w układzie Arona (w układzie zasilania )
5. Komputer PC
2. Spis czujników
1. Termopary Cu- Ko - pomiar temperatur - Tp, Tt
2. Stosy termopar Cu-Ko - przyrosty temperatur - ∆Tpz, ∆Tpw, ∆Ttz, ∆Ttw
3. Tensometr + rezystor (półmostek) - luz ujemny - L
4. Przetwornik mocy – moc pobierana przez silnik - N
5. Termometr rtęciowy - temperatura odniesienia - To
6. Tachometr optyczny - prędkość obrotowa wrzeciona - n
9
3. Tabela pomiarów
Prędkość Smaroobrotowa wanie
n
uwagi
obr/min
Czas
τ
min
0
1
2
5
10
11
12
15
20
25
30
35
40
41
42
45
50
51
52
55
56
57
60
Luz
T e m p e r a t u r a
roboczy
L
Tp
∆Tpw ∆Tpz ∆Tpw+∆Tpz T0
0
0
K
K
K
C
C
µm
T0+Tp
0
C
10
[C]
Temperatura Tp
Suma gradientów temperatury (∆Tpw + ∆Tpz) [K]
[µm]
Luz roboczy L
4. Wykres zmian luzu roboczego i temperatur w funkcji czasu
L = f(ττ); (To+Tp) = f(ττ); ∆TPw + ∆TPz = f(ττ)
0
10
20
30
Czas τ
40
50
60
[min]
5. Krótkie uzasadnienie badanego zjawiska i wnioski