INSTR'9 n, Remonty
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->1Joachim Potrykus, Wojciech KwaśnyĆwiczenienr 9 (18)POMIAR ZMIAN LUZU ROBOCZEGOW GŁÓWNYM ŁOŻYSKU WRZECIONA OBRABIARKI1. Wprowadzenie, celćwiczeniaLuzy jakie w czasie pracy maszyn występują w łożyskach, tocznie łożyskowanych wałków,mają duży wpływ na sztywność i dokładność ich ruchu obrotowego. Do zespołów, w których ce-chy te mają szczególne znaczenie, zalicza się zespoły wrzecionowe obrabiarek. W węzłach łoży-skowych wrzecion nastawia się z tego powodu takie luzy pomontażowe, by w warunkach pracyluzy robocze znalazły się w obszarze niewielkich wartości ujemnych. Poza wspomnianymi wyżejkorzyściami wynikającymi ze stosowania luzów ujemnych, liczyć się jednak należy w takichprzypadkach z dodatkowym obciążeniem łożysk siłami wewnętrznymi. Powoduje to określonywzrost oporów ruchu, a tym samym wzrost temperatury łożysk. Zmienność prędkości obrotowychi obciążenia zewnętrznego wrzecion wynikające z realizowanych przez nie procesów technolo-gicznych będzie powodować zmiany wartości luzu roboczego w czasie pracy wrzecion, a tymsamym niepożądaną zmienność istotnych właściwości wrzecionowych zespołów obrabiarek.Celemćwiczeniajest poznanie oryginalnej metody dynamicznego pomiaru ujemnych warto-ściluzu, zastosowanej w pomiarze luzu roboczego w łożysku wrzecionowym NN3018K, w cza-sie pracy ciągłej i przerywanej.Obserwację i rejestrację cieplnych zmian luzu roboczego w łożysku NN3018K oraz towarzy-szących im temperatur umożliwia stanowisko badawcze pokazane na rys.1.Rys 1. Stanowisko badawcze do pomiaru i rejestrowania cieplnych zmian luzu roboczegow łożysku wrzecionowym NN3018KPierwotną przyczyną wywołującą cały łańcuch zjawisk towarzyszących pracy węzła łoży-skowego jest generowanie ciepła w łożyskach. Zamiana energii mechanicznej na cieplną wystę-puje w przestrzeni ograniczonej bieżniami (wewnętrzną i zewnętrzną) łożysk tocznych. Z racjimałej pojemności cieplnej elementów tocznych oraz złych warunków odprowadzania z nich cie-2pła poprzez styki punktowe (kulki) lub liniowe (wałeczki), elementy te nagrzewają się bardzoszybko i to o kilkadziesiąt stopni, co powoduje niemal skokowe zmniejszenie luzu w łożysku wwyniku rozszerzalności cieplnej tych elementów. Dla przykładu w łożysku z elementami toczny-mi ośrednicy10 mm, po przyjęciu wartości współczynnika cieplnej rozszerzalności stali łoży-skowej równej 12,3µm/m⋅°C,łatwo obliczyć,żewskutek rozszerzalności samych tylko elemen-tów tocznych, ze wzrostem ich temperatury np. o 60°C,nastąpi zmniejszenie luzu w łożysku o14,8µm.Z niewielkim opóźnieniem czasowym, w stosunku do elementów tocznych, nagrzewać siębędą pierścienie łożyska, później nagrzeje się wrzeciono, a po dłuższym czasie obudowa, którejpojemność cieplna jest największa. Oprócz pojemności cieplnej, na czas nagrzewania się elemen-tów węzła, będą miały wpływ warunki odprowadzania z nich ciepła. Przepływ ciepła przez ele-menty węzła łożyskowego i jego przekazywanie do otoczenia sprawiają,żepo ustabilizowaniusię warunków cieplnych w węźle, stwierdza się charakterystyczny promieniowy rozkład tempera-tury, który pokazano na rys.2. W przypadku osiowo symetrycznej obudowy, jaką zastosowano nastanowisku pomiarowym, osiowo symetryczny będzie też promieniowy rozkład (pole) tempera-tur.Rys.2. Typowy promieniowy rozkład temperatury w węźle łożyskowymJeżeli zmiany luzu zachodzą w dodatnim zakresie jego wartości i w warunkach swobodnejrozszerzalności elementów węzła łożyskowego, to dla przedstawionego rozkładu temperaturzmianę luzu można obliczyć z uproszczonej zależności:∆l=β⋅dm(∆Tsw− ∆Tsz)+2dw⋅ ∆Tsw[][µm] ............................ ( 1 )gdzie:β- współczynnik rozszerzalności cieplne stali łożyskowej równy 12,3µm/m⋅°Cdm-średnia średnicałożyska, w mm,dw-średnicaelementu tocznego, w mm,∆Tsw,∆Tsz- przyrost temperatury pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego w °C.Zmiana luzu roboczego, w ujemnym zakresie jego wartości zależy dodatkowo od relacji jakiezachodzą między sztywnością samego łożyska oraz sztywnością wrzeciona i obudowy.Na rys. 3 pokazano wykres przyrostu temperatury w charakterystycznych punktach węzła ło-żyskowego(na pierścieniu wewnętrznym i zewnętrznym łożyska oraz na obudowie), a także od-powiadające im zmiany luzu w łożysku. Zmiany te w pierwszych minutach pracy są bardzo duże,osiągając po pewnym czasie swoje maksimum, by następnie, po nagrzaniu się obudowy i ustabi-lizowaniu się warunków wymiany ciepła, nieznacznie zmniejszyć swoją wartość, która jednakzdecydowanie różni się od wartości luzu pomontażowego, jaką miało łożysko w stanie zimnym.3Jeżeli luz pomontażowy był ujemnylub bliski zeru, a sztywność obudowy iwrzeciona jest duża, to w wyniku zmianyluzu, wywołanej rozszerzalnością ciepl-ną elementów węzła, mogą wystąpićznaczne siły wewnętrzne obciążające ło-żysko.Biorąc pod uwagę dodatnie sprzę-żenie,jakie zachodzi między temperaturąłożyska, zmianą luzu i wzrostem obcią-żenia,wynikającego z ujemnej jego war-tości, może dojść nawet do zatarcia łoży-ska. W obawie przed takimi konsekwen-Rys.3. Przyrost temperatur i odpowiadające im zmiany luzu wcjami stosuje się często dodatnie luzyczasie pracy węzła wrzecionowegopomontażowe. Najlepsze właściwościwykazuje jednak zespół wrzecionowy wówczas, gdy jego łożyska pracować będą z nieznacznymnapięciem wewnętrznym, odpowiadającym luzom ujemnym rzędu:od 0 do -5µm,w przypadku łożysk walcowych,od -5 do -10µm,w przypadku łożysk kulkowych.Przy pracy przerywanej zespołówwrzecionowych, w szczególności wyso-koobrotowych, temperatura łożysk podle-ga znacznym wahaniom, co pociąga zasobą duże wahania wartości luzu robo-czego. Wahania luzu roboczego w czasieprzerywanego cyklu pracy, zmierzone nastanowisku badawczym z ułożyskowa-nym w nim wrzecionem tokarki TUD-40,pokazano na rys.4. Amplituda zmian jest,jak widać, znaczna i dobrze korelująca zRys.4. Zmiany temperatury łożyska∆Tp,obudowy∆Toi luzuamplitudą zmian temperatury łożyska.roboczego podczas ciągłej (pierwsze 120 min.) orazprzerywanej pracy wrzeciona (120-200 min.)2. Metoda pomiaruMetodę mierzenia zmian luzu roboczego oparto na pomiarze miejscowych odkształceń ze-wnętrznego pierścienia łożyska z pomocą pojedynczego tensometru. Tensometr naklejono na dniepłaskiego rowka w zewnętrznym pierścieniu (p. rys.5), nad przednim rzędem elementów tocz-nych dwurzędowego łożyska walcowego. Tensometr, wraz z rezystorem kompensacyjnym, two-rzy, ze wzmacniaczem pomiarowym Spider8, mostek pomiarowy zasilany napięciem stabilizo-wanym 4V. Pojawienie się w łożysku ujemnych wartości luzu promieniowego (luzu ujemnego)wywoła, w wyniku przetaczania się wałeczków łożyska, zmienne odkształcenia tensometru, gene-rując sinusoidalny sygnał o amplitudzie proporcjonalnej do wartości luzu ujemnego.4tensometrwzmacniaczcyfrowykomputerRys.5. Schemat blokowy dynamicznej metody pomiaruluzu roboczego w łożyskuSinusoidalny przebieg odkształ-ceń tensometru jest zakłócany błędamikształtu bieżni wewnętrznej (niekoło-wość czopa) oraz zróżnicowaniemśrednicwałeczków łożyska. Błędy temają jednak charakter systematyczny,nie wypaczający w badaniach porów-nawczych poprawności wnioskowania.Główny przebieg, któregośredniaam-plituda jest miarą wielkości luzu, moż-na wyraźnie odróżnić od wpływu za-kłóceń A2(niekołowość czopa i bieżniwewnętrznej łożyska), co widać narys.6.Przebieg sygnałów o amplitudzieA1i okresie T1odpowiada przetaczaniu się poszczególnych elementów tocznych względem ten-sometru. Przebieg zaś o amplitudzie A2i okresie T2, od-powiadającym czasowi jednego pełnego obrotu wrzecio-na, jest spowodowany błędem kształtu bieżni wewnętrz-nej i czopa wrzeciona. W czasie obrotu powoduje to cy-kliczną zmienność rozkładu sił, a tym samym naprężeń wpierścieniu zewnętrznym, sygnalizowaną „falowaniem”zapisu pochodzącego od przetaczania się wałeczkówwzględem tensometru pomiarowego.Przyjęta metoda może służyć wyłącznie do pomiaruujemnego luzu roboczego, gdyż tylko wówczas przeta-czające się pod rowkiem elementy toczne będą powodo-wać odkształcenia pierścienia łożyska i tensometru, pro-porcjonalne do wartości ujemnego luzu. Uśredniona am-plituda tego przebiegu może być wykorzystana jako mia-ra ujemnego luzu w łożysku.Amplitudy odkształceń pierścienia łożyskowego po-chodzące od przetaczania się kolejnych elementów tocz-nych, a także charakter zakłóceń możnaśledzićna ekranie komputera (rys.7). Na pokazanymprzebiegu widoczne jest zarówno pewne zróżnicowanie amplitud, wywołane odchyłkamiśrednicelementów tocznych od wymiaru nominalnego, jak i falowanie przebiegu spowodowane biciemczopa i bieżni wewnętrznej łożyska. W łożysku NN3018K liczba wałeczków w jednym rzędziewynosi 27. Koszyk łożyska obraca się natomiast dwa razy wolniej niż wrzeciono. Aby więc zaob-serwować impulsy od wszystkich 27 wałeczków wrzeciono musi wykonać dwa pełne obroty, cozaznaczono na rys.7. Na podstawie tych 27 amplitud program wylicza amplitudęśrednią,przeli-cza ją zgodnie z wzorcowaniem układu na odpowiadającą tym odkształceniomśredniąwartośćujemnego luzu roboczego i wyświetla na ekranie jako LUZ.Rys. 6 Przebieg zmian rezystancji tensometru(zmian luzu roboczego): A1- amplituda prze-biegu głównego, odpowiadająca przetaczaniusię elementów tocznych pod tensometrem, A2- amplituda przebiegu zakłócającego, spowo-dowana niekołowym kształtem bieżni we-wnętrznej5Rys.7. Sygnał z tensometru orazśredniawartość jego amplitudy odpowiadająca luzowi roboczemu, wyświetlane namonitorze komputeraZ uwagi na konieczność zastosowania specjalistycznego oprzyrządowania, oraz na czas, jakipochłania przeprowadzenie wzorcowania układu do pomiaru ujemnego luzu L, nie wchodzi onow zakresćwiczenia.Celowe jest jednak, aby student zapoznał się z metodą oraz oprzyrządowa-niem zastosowanym przy wyznaczaniu funkcji A = f(L).Dla wywzorcowania układu do pomiaru luzu ujemnego zastosowano oprzyrządowanie, po-kazane schematycznie na rys.8. Miało ono na celu uzyskanie możliwości obciążania łożysk po-przecznych (w tym i łożyska z naklejonym czujnikiem tensometrycznym) bez zginania wrzecio-na. Cel ten osiągnięto, wprowadzając do wrzeciona 1 specjalny wałek 2, stykający się z we-wnętrzną powierzchnią wrzeciona w płaszczyznach symetrii A i B łożysk poprzecznych. Wałekten zakończony był czopem 3, współpracującym z półpanwią 4. Półpanew obciążano siłą wywie-raną i mierzoną przez siłomierz 5. Odkształcenie sprę-żysteδprzedniego łożyska A pod działaniem siły wy-wieranej przez siłomierz 5 mierzono z dokładnością±0,5µm bezdotykowym czujnikiem indukcyjnym 6, usy-tuowanym w odległości 40mm od płaszczyzny symetriiłożyska A.Wychodząc z definicji ujemnego luzu, za któryRys.8. Sposób obciążania łożysk wrzeciona, bezjego zginania, stosowany we wzorcowa-uważa siępodwojoną wartość sprężystego odkształ-niuceniaδzespołu bieżnia - element toczny - bieżnia,trzeba było drogą wzorcowania przyporządkować określonej wartości odkształceniaδ(luzuujemnego) odpowiadającą jej amplitudę sygnału pomiarowego.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]