Влияние микрогеометрических параметров сферической поверхности ролика на звуковое давление и вибрацию подшипника

Влияние микрогеометрических параметров сферической поверхности ролика на звуковое давление и вибрацию подшипника

Авторы: В.А. Носенко, А.В. Зуев, В.Е. Орлянский

Источник: Наукоёмкие технологии в машиностроении, №1(151) 2024, с. 30-40

DOI: 10.30987/2223-4608-2024-30-40

Аннотация

В производственных условиях АО «ЕПК Волжский» показана возможность повышения вибрационного разряда подшипников с коническими роликами за счёт использования роликов с заданными микрогеометрическими параметрами сферической поверхности, изготовленных в общем производственном потоке. Сфера формируется при совмещении чернового, чистового и окончательного шлифования с использованием сборного абразивного инструмента, состоящего из трёх кругов различных характеристик.

Установлено, что в подшипнике при последовательной замене роликов, где шероховатость сферы изменяется в диапазоне 0,10 < Ra ≤ 0,20 мкм, на ролики с шероховатостью Ra ≤ 0,10 мкм, средние значения микрогеометрических параметров сферы ролика в подшипниках (Ra, волнистость W, отклонение от круглости Δ) снижаются в 2,4–4,3 раза.

Проведена оценка влияния комплекта роликов с различными параметрами микрогеометрии сферического торца ролика на звуковое давление и вибрацию подшипника. Установлено, что с увеличением количества роликов с микрогеометрическими параметрами сферы, приближающимися к нижней границе поля допуска, значения общего уровня вибрации, уровня вибрации в третьей полосе частот и уровня звукового давления подшипника улучшаются.

Проведён статистический анализ данных параметров. Определены значимость анализируемых факторов и условия повышения вибрационного разряда подшипника при обеспечении режимов обработки в рамках действующего технологического процесса. Найдены корреляционные и функциональные зависимости между средними значениями микрогеометрических параметров сфер роликов в подшипниках и параметрами звукового давления и вибрации.

Ключевые слова: подшипник, конический ролик, шлифование сферы, микрогеометрия, вибрации, звуковое давление.

1. Введение

С развитием отечественного автомобилестроения появляется необходимость к снижению шума и вибрации узлов транспортных средств, в том числе подшипников, входящих в их состав. Подшипники используются во множестве автомобильных узлов (ступицы, коробки передач, ведущие мосты) и качество их изготовления во многом определяет гарантийные сроки эксплуатации машины.

Повышение комфорта водителя и пассажиров, наряду с обеспечением требований законодательства по защите от вредного воздействия вибрации и шума, являются актуальной задачей. Вибрационные параметры подшипников, в отличие от статических, например, температуры, являются носителями динамических характеристик технического состояния.

Инструментальный метод контроля вибрации и шума в процессе производства используется для комплексной оценки соответствия параметров подшипников требованиям конструкторской документации, а в процессе эксплуатации является вспомогательным диагностическим признаком при планировании технического обслуживания машин и механизмов, позволяющим выявить дефект до того, как произойдёт отказ изделия.

Существенное влияние на образование вибраций подшипников оказывают микрогеометрические параметры деталей, входящих в его состав. В работе описаны методы определения неисправностей роликовых подшипников на основе анализа параметров вибрации и звукового давления с последующим определением причин их возникновения, в том числе, на роликах или кольцах.

Влияние геометрических размеров ролика на вибрации подшипника рассмотрено в работах, микрогеометрических параметров, такие как волнистость дорожек качения колец – в работах. Существенное влияние на вибрации подшипника оказывают шероховатость, волнистость и форма профиля поверхности упорного борта внутреннего кольца подшипника, контактирующего со сферой ролика, волнистость дорожки качения внутреннего кольца подшипника.

Уровень вибраций зависит от соотношения количества волн на поверхности дорожки качения кольца с числом роликов в подшипнике. Установлено, что с увеличением шероховатости сферы ролика уровень шума и вибрации подшипника возрастают. Для определения источников повышенной вибрации конического подшипника в дополнении к измерению общего уровня вибраций рассмотрены вибрации в трёх диапазонах частот, что позволяет определить более узкий диапазон частот, в котором происходят наиболее значимые изменения.

Литературный анализ позволяет сделать следующие основные выводы:

• Вибрационные показатели относятся к числу важнейших динамических показателей подшипника, узлов и изделий, где данный подшипник установлен.

• Уровень вибраций и шума подшипника зависят от большого количества факторов, в том числе, от качества изготовления деталей подшипника, что во многом определяется микрогеометрическими параметрами обработанных поверхностей.

• Одними из факторов, влияние которых рассмотрено в меньшей степени, являются микрогеометрические параметры сферы роликов конических подшипников, что и определило цель работы: исследование влияния микрогеометрических параметров сферы ролика на уровни вибраций и звукового давления конического подшипника.

2. Методика исследований

Для исследований выбран подшипник (стандартного исполнения из общего производственного потока) ведущей шестерни заднего моста автомобиля с большим углом контакта (более 20°), воспринимающий значительные осевые нагрузки.

Обработку торца ролика конического подшипника на АО «ЕПК Волжский» выполняют на сферошлифовальных автоматах модели SXK-5A методом шлифования на проход. До входа в зону контакта с абразивным инструментом обрабатываемая поверхность заготовки конического ролика плоская, сформированная на предыдущей операции двустороннего шлифования торцов.

Абразивный инструмент на операции шлифования сферы представляет собой сборный шлифовальный круг, состоящий из трёх кругов различных характеристик: 14АF90OB, 14АF120KR, 14АF400JB4. Перед шлифованием цилиндрическую поверхность сборного инструмента правят на радиус, соответствующий радиусу сферической поверхности конического ролика подшипника.

За один проход по вогнутоправленной сферической поверхности сборного абразивного инструмента происходит совмещение в одной операции чернового, чистового и окончательного шлифования сферической поверхности конического ролика. В результате плоская торцовая поверхность конического ролика преобразуется в сферическую с заданными геометрическими и микрогеометрическими параметрами. Стойкость шлифовального круга по технологическому процессу 2,0 ч.

После операции совмещённого шлифования измеряли шероховатость сферического торца (параметр Ra – среднее арифметическое отклонение профиля) на профилометре FormTalysurf, волнистость W и отклонение от круглости ΔEFK – на кругломере Talyrond.

Вибрации подшипника исследовали на установке КВП-3 с использованием измерителя уровня вибраций ИУВ-3М. Замер выполняли пьезоэлектрическим датчиком, установленным на наружное кольцо подшипника. Определяли общий уровень вибрации (ОУВ) по виброускорению в диапазоне частот 50...10000 Гц и уровень вибраций в трёх полосах частот по виброскорости в диапазоне частот: 50...300 Гц (УВ1), 300...1800 Гц (УВ2) и 1800...10000 Гц (УВ3).

Уровень звукового давления (УЗД) подшипника измеряли анализатором шума и вибрации «Ассистент S» в фильтре частот «А» (общее звуковое давление) и в полосах частот в диапазоне 31,5...16 000 Гц.

3. Результаты измерений. Анализ результатов

Для исследований подготовлена партия из 200 роликов. По параметру шероховатости Ra из данной партии отобрано два комплекта роликов по семнадцать штук в каждом комплекте, что соответствует количеству роликов в одном подшипнике.

Комплект 1 сформирован роликами, шероховатость сферической поверхности которых находится в пределах нижней границы поля допуска: Ra ≤ 0,10 мкм.

Комплект 2 – параметр Ra находится в середине поля допуска: 0,10 < Ra ≤ 0,20 мкм.

На отобранных комплектах роликов дополнительно измерены волнистость W и отклонение от круглости Δ сферы ролика.

Таблица 1. Микрогеометрические параметры сферы роликов

В каждом комплекте определены средние значения микрогеометрических параметров сферы роликов: Ram, Wm, Δm. Средние значения микрогеометрических параметров сфер роликов комплекта 2 больше средних значений микрогеометрических параметров сфер роликов комплекта 1:

• Ram – в 2,4 раза;

• Wm – в 3,1 раза;

• Δm – в 4,3 раза.

Ролики комплекта 2 собраны в подшипник. В соответствии с методикой измерений определены численные значения параметров вибрации и уровня звукового давления собранного подшипника. С целью определения влияния количества роликов комплекта 1 на изменение шума (уровня звукового давления) и вибраций подшипника, ролики комплекта 2 были поочерёдно заменены в подшипнике на ролики комплекта 1 с такими же номерами. При каждой смене ролика комплекта 2 на ролик комплекта 1 измеряли уровень звукового давления и вибрации подшипника. В конечном итоге все 17 роликов комплекта 2 были заменены на ролики комплекта 1.

Таблица 2. Уровни вибраций и звукового давления, вибрационный разряд подшипников

Примечания:

• – подшипник с роликами комплекта 2;
  ** – количество роликов в подшипнике комплекта 2, заменённые на ролики комплекта 1;
  *** – подшипник, в котором все ролики комплекта 2 заменены на ролики комплекта 1.

Из таблицы 2 следует, что увеличение количества роликов из первого комплекта снижает уровень вибрации подшипника по третьей полосе частот и соответственно повышает вибрационный разряд подшипника (ВРП) до Ш3 (вибрационный разряд подшипника определяли в соответствии с РД ВНИПП.038-08).

На основании данных таблицы 1 определены средние значения микрогеометрических параметров сфер роликов в подшипнике при каждой замене роликов комплекта 2 на ролики комплекта 1.

Таблица 3. Средние значения микрогеометрических параметров сфер роликов в подшипниках

Примечания:

• – подшипник с роликами комплекта 2;
  ** – количество роликов в подшипнике комплекта 2, имеющих соответствующие номера от 1 до 17, заменённые на ролики комплекта 1 с такими же номерами;
  *** – подшипник, в котором все ролики комплекта 2 заменены на ролики комплекта 1.

Таблица 4. Коэффициенты корреляции

В соответствии с классификацией Чеддока сила связи между количеством n заменённых роликов комплекта 2 на ролики комплекта 1 и средними значениями микрогеометрических параметров сферы ролика весьма высока, коэффициент корреляции положительный (r = 1,00).

Взаимосвязь n с параметрами ОУВ, УВ2 и УЗД также весьма высока. Коэффициенты корреляции между данными параметрами приближаются к единице. Взаимосвязь между n и уровнем вибрации по виброскорости в первой (УВ1) и второй (УВ2) полосам частот относится к категории «высокая». Коэффициент корреляции, определяющий взаимосвязь между параметрами уровней вибрации и звукового давления положительный, что свидетельствует о прямой связи между ними.

Рисунок 1. Зависимости от количества роликов n:

а) для средних значений микрогеометрических параметров:
1 – Ram; 2 – Wm; 3 – Δm

б) для параметров вибрации и шума подшипников:
1 – ОУВ; 2 – УВ3; 3 – УВ2; 4 – УЗД; 5 – УВ1

Графики аппроксимированы линейными зависимостями:

Y = an + b, (1)

где Y – среднее значение микрогеометрического параметра; a и b – постоянные коэффициенты.

Таблица 5. Коэффициенты a, b и достоверности аппроксимации R² линейных уравнений (1)

Коэффициент R² = 0,99 свидетельствует о правомерности описания взаимосвязи микрогеометрических параметров Ram, Wm, Δm от n линейной зависимостью (1).

Аналогичные зависимости между показателями вибраций и шума от количества заменённых роликов n приведены на рисунке 1, б. Наибольшее значение коэффициента достоверности аппроксимации получены для параметров ОУВ, УЗД и УВ3 (см. табл. 5). Снижение R² наблюдается при аппроксимации линейной зависимостью от n уровня вибрации по виброскорости во второй и третьей полосах частот (УВ1, УВ2). Статистический анализ дисперсий данных параметров показал отсутствие значимого различия между средними значениями данных параметров в интервале n от 1,0 до 17. В отношении УВ1, УВ2 можно говорить лишь о тенденции снижения данных параметров с увеличением n.

Из сравнения результатов аппроксимации геометрических параметров роликов, уровней вибраций и шума подшипников от количества роликов n следует, что анализируемые параметры должны быть взаимосвязанными. С увеличением n снижаются средние значения параметров шероховатости Ram, волнистости Wm, отклонения от круглости Δm сферы ролика, параметры шума и вибрации.

Силу корреляционной связи между микрогеометрическими параметрами, параметрами звукового давления и вибраций также оценили по коэффициенту парной корреляции. В связи с отсутствием значимого различия между параметрами уровня вибрации по виброскорости во второй и третьей полосах частот (УВ2, УВ3), влияние микрогеометрических параметров на данные параметры не рассматривали (см. табл. 5).

Таблица 6. Коэффициенты парной корреляции R² между показателями уровня вибраций и шума подшипников и микрогеометрическими параметрами сферы роликов

Максимальные значения R² получены между теми параметрами, которые имели высокий коэффициент парной корреляции с количеством замещённых роликов (см. табл. 6). Наибольшее влияние на показатели уровня вибраций и звукового давления подшипников оказывают средние значения шероховатости Ram, волнистости Wm и отклонение от круглости ∆m сферы ролика.

Коэффициенты парной корреляции между данными параметрами и показателями вибрации и шума (общий уровень вибрации по виброускорению ОУВ, скорректированный по фильтру А, уровень звукового давления УЗД и уровень вибрации по виброскорости УВ3 в третьей полосе частот) находятся в интервале 0,95...0,98, что свидетельствует о высокой силе корреляционной связи между ними. Взаимосвязь между параметрами прямая, т. е. с уменьшением показателей микрогеометрических параметров (Ram; Wm; ∆m) показатели уровня вибраций и шума подшипников снижаются.

Рисунок 2. Зависимости параметров уровней вибраций и шума подшипников от параметров качества обработанной поверхности сферы ролика:

а – зависимость ОУВ, УВ3, УЗД от Ram;
б – зависимость ОУВ, УВ3, УЗД от Wm;
в – зависимость ОУВ, УВ3, УЗД от Δm

1 – ОУВ; 2 – УВ3; 3 – УЗД

Функциональные связи по аналогии с формулой (1) представлены линейными зависимостями:

Y₂ = a₂x₂ + b₂, (2)

где Y₂ – показатели уровня вибраций и шума подшипников (ОУВ, УВ1, УЗД), x₂ – средние значения соответствующих показателей микрогеометрических параметров, a₂ и b₂ – постоянные коэффициенты.

Таблица 7. Коэффициенты a₂, b₂ и достоверности аппроксимации R²

| Параметры | Ram | | | Wm | | | Δm | | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| | a₂ | b₂ | R² | a₂ | b₂ | R² | a₂ | b₂ | R² |
| ОУВ | 78,4 | 91,8 | 0,94 | 9,76 | 93,4 | 0,94 | 1,33 | 94,1 | 0,95 |
| УВ3 | 91,6 | 75,1 | 0,90 | 11,50 | 76,8 | 0,91 | 1,58 | 77,6 | 0,94 |
| УЗД | 52,5 | 69,9 | 0,94 | 6,54 | 70,9 | 0,93 | 0,87 | 71,5 | 0,91 |

Из этого следует, что основными факторами, влияющими на шум и вибрацию подшипника, являются микрогеометрические параметры.

В соответствии с принятой методикой первоначальное формирование групп роликов конических подшипников осуществлялось по параметру шероховатости обработанной поверхности – среднему арифметическому отклонению профиля Ra. Остальные микрогеометрические параметры – волнистость и максимальное отклонение от круглости, специально не выбирали. В данном случае они являлись как бы второстепенными факторами, привязанными к конкретному значению параметра Ra.

Но в результате принятой методики усреднения микрогеометрических параметров в каждом из семнадцати рассмотренных подшипников, содержащих семнадцать различных комплектов роликов, информативность усреднённых значений Wm и ∆m, относящихся к подшипнику в целом, по сравнению с индивидуальными параметрами конкретного конического ролика Wi и ∆i, возросла. В связи с этим, представляет интерес рассмотреть связь данных средних микрогеометрических параметров со средним параметром Ram.

Рисунок 3. Зависимости от среднего значения Ram средних значений параметров:
1 – Wm; 2 – Δm

Графические данные аппроксимированы двумя функциональными зависимостями: линейной и логарифмической. В первом случае коэффициент достоверности Wm(Ram) R² = 0,91, во втором – 0,99. В связи с более высоким значением R² взаимосвязь параметров аппроксимировали логарифмической зависимостью:

Wm = 5,92 ln(Ram) + 18,04, где R² = 0,99

При моделировании взаимосвязи параметров ∆m(Ram) также использовали логарифмическую зависимость:

∆m = 0,80 ln(Ram) + 2,52, где R² = 0,98

4. Выводы

1. При обеспечении параметров шероховатости Ra сферической поверхности роликов стандартного исполнения из общего производственного потока в соответствии с требованиями конструкторской документации в пределах до 25 % поля допуска возможно повышение вибрационного разряда подшипника с Ш1 до Ш2 и Ш3.

2. Подшипники с вибрационным разрядом Ш3 обладают лучшими характеристиками по шуму (звуковому давлению) и вибрации и составляют конкуренцию аналогам подшипников иностранного производства, применяемым в узлах легковых и грузовых автомобилей, прицепной техники.

3. Микрогеометрические параметры сферы роликов подшипника оказывают значимое влияние на следующие показатели уровня вибраций и шума подшипников:

   • общий уровень вибрации по виброускорению ОУВ;

   • уровень вибрации по виброскорости УВ3 в третьей полосе частот;

   • уровень звукового давления УЗД.

4. Установлена линейная зависимость между параметрами вибрации и шума подшипников и средними арифметическими значениями микрогеометрических параметров сферической поверхности роликов в подшипниках.

5. При снижении средних значений параметров шероховатости сферы роликов в подшипнике Ra в 2,5 раза, волнистости – в 3,1 раза, максимального отклонения от круглости сферы роликов – в 4,4 раза:

   • общий уровень вибрации и уровень звукового давления снижаются на 7,0 %;

   • уровень вибрации в третьей полосе частот УВ3 – на 13 %.

Список источников

1. Никитин А.А., Погораздов В.В., Дробязко С.В., Лукьяненко В.В., Шпак П.Ф. Вибрация как показатель технического состояния подшипника качения и технологического уровня его восстановления // Тяжелое машиностроение. 2010. №10. С. 35–37. EDN NAVEND.

2. Чечуевский В.П., Шкаликов Э.А. Экспериментальные исследования оценки технического состояния неразборных подшипников качения авиационных двигателей по уровню их вибрации // Научный вестник ГосНИИ ГА. 2011. №1. С 76–82. EDN QYVRZL

3. Ляхов В.В., Кобыляцкий Ю.В. Шум и вибрация в подшипниковых узлах электродвигателей. Виды и способы их устранения // Вестник современных технологий. 2016. № 2 (2). С. 50–55. EDN YFMTLN.

4. Баляба М.В., Крючков А.Н., Ермилов М.А., Плотников С.М., Ермилова Е.Н., Видяскина А.Н. Анализ вибрационного состояния подшипников качения при дефекте «износ внутренней обоймы подшипника» // Динамика и виброакустика. 2021. Т. 7. № 1. С. 6–14. EDN JIGYBG.

5. Орлов А.В. Вибрация в радиальном роликовом подшипнике, вызываемая износом // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. № 4. С. 63–69. EDN QYWVGF.

6. Vishwagna Ramya, J. Chandra Sekhar FEA Study on Vibration Analysis of Tapper Roller Bearing. International journal and magazine of engineering, technology, management and research. 2015. V. 2. P. 1474–1493.

7. T. Xu, Y. Liu, A. Pei, and L. Jiang. The Roller Bearing Fault Diagnosis Methods with Harmonic Wavelet Ppacket and Multi-classification Relevance Vector Machine/ Journal of Vibroengineering, 2015. Vol. 17, No. 6. P. 2962–2976.

8. F. Gu, X. Tian, Z. Chen, T. Wang, I. Rehab A. Ball. Fault Severity Diagnosis of Rolling Element Bearings Based on Kurtogram and Envelope Analysis. International Conference on Advances in Civil, Structural and Mechanical Engineering, 04-05 January 2014, p. 25–29. ID: 1123057.

9. Tandon N., Choudnury A. A Review of Vibration and Acoustic Measurement Methods for the Detection of Defects in Rolling Element Bearings. Tribology International. 1999. No32. P. 469–480.

10. Kiral Z., Karagulle H. Vibration Analysis of Rolling Element Bearings with Various Defects Under the Action of an Unbalanced Force. Mechanical Systems and Signal Processing, 2006. No20. P. 1967–1991. DOI: 10.1016/j.ymssp.2005.05.001.

11. Щерба М.Ю., Кохановский В.А. Статистические исследования отклонений профилей дорожек качения подшипников цилиндрошлифовальных станков // Вестник ДГТУ. № 1(62). Вып. 1. 2012. С. 74–78. EDN PBKETZ.

12. Jing Liu. Investigation for Vibrations of Tapered Roller Bearing Considering the Surface Waviness on the Rib of the Inner Race / Journal of Mechanical Engineering. 2018. 54(8):26. DOI: 10.3901/JME.2018.08.026/

13. Xintao Xia. Information Poor Relation of Inner Ring Rib Roughness with Tapered Roller Bearing Vibration / 2011 Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering. 2011. Inner Mongolia, China. DOI: 10.1109/MACE.2011.5988139

14. Носенко В.А., Зуев А.В., Голованов А.Н. Влияние шероховатости сферической поверхности ролика на шумовые характеристики конического подшипника // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2019. № 1 (224). С. 29–32. EDN VTRZRK.

15. P. Li, Y. Zhang, D. Huang. Study on Three Axis Vibration Measurement Technology of Roller Bearing. Vibroengineering Procedia. 2016. Vol. 10. Р. 144–148.

Статья поступила в редакцию 05.11.2023; одобрена после рецензирования 20.11.2023; принята к публикации 02.12.2023