Архив / 1998 / №1(14) / 

Электрический контроль режима трения в подшипниках электродвигателей

Наиболее благоприятным для подшипников качения электродвигателей является режим жидкостного трения, когда тела и дорожки качения благодаря гидродинамическому эффекту разделены тонким слоем смазочного материала. Долговечность подшипников заметно возрастает, если толщина слоя смазки между контактируемыми телами в 2-3 раза превышает среднюю квадратическую высоту микронеровностей:

l=ho/Ra , где

l - параметр режима трения;

ho - толщина смазочного слоя;

Ra - средняя квадратическая высота микронеровностей.

Толщина слоя смазки может быть измерена различными методами: индуктивным, емкостным, интерферометрическим и др.

На практике наиболее распространены методы измерений падения напряжения на слое смазки при тлеющем разряде и полного электрического сопротивления слоя смазки в зоне контакта тел и дорожек качения.

По первому методу через смазочный материал проходит ток более 1А [1]. Достоинством метода является малая зависимость падения напряжения на слое смазки от температуры и площади контакта, что облегчает тарировку. Недостаток – ионизация смазки под действием больших токов, что приводит к изме-нению ее физико-химических свойств.

По второму методу измерения проводятся на переменном токе повышенной частоты. Напряжение на пленку, равное 30 мВ, подается от генератора тока. Этот метод позволяет проводить измерения без нарушения свойств смазочного материала. Емкостное сопротивление не всегда может быть использовано в качестве показателя, характеризующего среднюю толщину гидродинамической масляной пленки. Пластичные смазочные материалы, содержащие в своем составе эфиры и некоторые виды присадок, во время работы подшипника образуют на поверхности трения устойчивые пленки, электрически разделяющие тела и дорожки качения при остановленном электродвигателе. Поэтому при длительной работе электродвигателя более прием-лем метод замера полного электрического сопротивления слоя смазки. В зависимости от ожидаемой толщины пленки при измерениях напряжение на пленке не должно превышать 500 мВ.

Измерение сопротивления смазочных пленок в подшипниках электродвигателя имеет ряд особенностей. Подшипники большинства электрических машин не изолированы от корпуса и включены для измеритель-ного тока параллельно. В электродвигателях имеются шунтирующие подшипники цепи в основном в виде емкости между статором и ротором. Между концами вала, а также валом и корпусом имеется напряжение, кото-рое может вызвать появление подшипниковых токов. Схема замещения электродвигателя приведена на рис. 1.

В асинхронных двигателях мощностью 2,2 кВт с частотой вращения 3000 об/мин напряжение Е1 между концами вала составляет 20...30 мВ, напряжение Е2 между валом и корпусом – 1,2...1,5 В, сопротивление Z1 составляет единицы Ом, сопротивление Z2 – порядка сотен кОм. Общая емкость «вал-корпус» Свк=1700...2000 пФ, что значительно превышает емкость меж-ду кольцами подшипников Сп, поэтому для проведения измерений толщины смазочных слоев требуется изоляция наружного кольца подшипника от корпуса.

Рис. 2. Нарушение гидродинамического режима смазки подшипников электрической машины при уменьшении частоты вращения
Рис. 2. Нарушение гидродинамического режима смазки подшипников электрической машины при уменьшении частоты вращения

В асинхронных двигателях мощностью 2,2 кВт с частотой вращения 3000 об/мин напряжение Е1 между концами вала со-ставляет 20...30 мВ, напряжение Е2 между валом и корпусом – 1,2..1,5 В, сопротивление Z1 составляет единицы Ом, сопротивление Z2 – порядка сотен кОм. Общая емкость «вал-корпус» Свк=1700...2000 пФ, что значительно превышает емкость меж-ду кольцами подшипников Сп, поэтому для проведения измерений толщины смазочных слоев требуется изоляция наружного кольца подшипника от корпуса.

При работе электродвигателя важно определить момент нарушения гидродинамического режима и установление граничного режима трения. При l<1,5 сопротивление «вал-корпус» уменьшается. В качестве критерия нарушения целостности слоя смазки может быть принято резкое уменьшение напряжения между валом и корпусом вследствие короткого замыкания между кольцами и шариками подшипника. На рис. 2 приведены осциллограммы напряжения «вал-корпус» при подаче на вал напряжения от генератора тока. Нару-шение гидродинамического режима смазки, связанное с появлением контакта вершин микро-неровностей, наблюдается при частоте вращения 700...600 об/мин во время выбега ротора электродвигателя.

Схема измерения электрического сопротивления масляных слоев в подшипниках электрических машин с выходным валом приведена на рис. 3.

 

Рис. 3. Схема измерения электрического сопротивлениямасляных слоев в подшипниковых узлах электрической машины:В1, В3 - переключатели;В2 - выключатель автоматичес-кий; ЭМ - электрическая маши-на;Т - токосъемник; Д - датчик оборотов; Ч - частотомер;ГЗ - генератор звуковой частоты; Осц - осциллограф шлейфовый; У - вольтметр; R1 - магазин сопротивлений; R2 - резистор; ПЧ - преобразователь частоты
Рис. 3. Схема измерения электрического сопротивлениямасляных слоев в подшипниковых узлах электрической машины:В1, В3 - переключатели;В2 - выключатель автоматичес-кий; ЭМ - электрическая маши-на;Т - токосъемник; Д - датчик оборотов; Ч - частотомер;ГЗ - генератор звуковой частоты; Осц - осциллограф шлейфовый; У - вольтметр; R1 - магазин сопротивлений; R2 - резистор; ПЧ - преобразователь частоты

При изменении режима тре-ния в подшипниках электродвигателя, контролируемого путем измерения электрического сопротивления, происходит модуляция приложенного к смазочной пленке напряжения из-за изменения мгновенных значений активного сопротивления. Поэтому отсутствие металлического контакта (ОМК) между телами и дорожками

Рис. 4. Изменение режима трения в зависимости от температуры, нагрузки и частоты вращения для различных смазочных материалов (шарикоподшипники 310, наработка 100 ч, осевая нагрузка - 1600 Н): а) ВНИИНП-242 – , масло И-50 – ; б) ЦИАТИМ-221 – , ВНИИНП-271 – , ВНИИНП-288 – ;

качения целесообразно оценивать по значениям относительного времени ОМК к общему времени измерения [2]. Повышение ОМК с 5% до 95% соответствует возрастанию толщины слоя смазки в зоне трения и увеличению параметра l в 2,5 раза, что соответствует гидродинамическому режиму трения. Шероховатость поверхностей шариков соответствует 12 классу, колец – 11 классу, средне-арифметическое отклонение профиля Ra=8•10-8 м, максимальная высота неровностей шариков составляет 3•10-7 м. Следовательно, отсутствие металлического контакта свидетельствует о наличии пленки не менее 0,5 мкм.

При изучении динамики образования гидродинамического режима и состояния смазки в подшипниках электродвигателя N=3 кВт и nc=3000 об/мин частота вращения ротора изменялась плавно от 0 до nн. Были испытаны различные марки пластичных смазок (рис. 4).

Кривые показывают, что динамика перехода от граничного к гидродинамическому режиму для разных марок смазок неодинакова. Менее вязкие смазки (ВНИИНП-271) образуют жидкостный режим трения при более высоких частотах вращения подшипников, чем более вязкие (ЦИАТИМ-221). Существенное влияние на образование стабильного гидродинамического режима оказывает рабочая температура, с повышением которой вязкость смазки снижается, что приводит к образованию жидкостного режима при более высоких частотах вращения.

Таким образом, повышение долговечности подшипников и смазочного материала может быть достигнуто снижением частоты пуска, остановки и реверсирования электродвигателя, что увеличит общее время работы подшипников в условиях гидродинамического режима трения.

Литература

1. Райко М.В., Тривайло М.С. Метод измерения толщины смазочного слоя в контакте деталей машин. - Физико-химическая механика материалов. Т. 1, 1965, № 5.

2. Горбунов А.Г. Диагностика подшипников электродвигателей. - Автоматизация и производство, № 3(13), 1997 г.

Александр Горбунов
Московский государственный открытый университет