Разработка методики испытания подшипников стоматологического турбинного наконечника

Размещено на http://allbest.ru

Самарский государственный технический университет

УДК 621.37

Разработка методики испытания подшипников стоматологического турбинного наконечника

Е.В. Мельников

г. Самара

Введение

Конструкция стоматологического наконечника состоит из двух основных узлов: головки и держателя. Вращение рабочего инструмента осуществляется при помощи радиальной турбинки, которая оформлена в виде сменной роторной группы, состоящей из двух подшипников и импеллера, закрепленных на шпинделе. По статистике, турбинные наконечники выходят из строя в 90% случаев из-за поломки подшипников и соединительных колец. В связи с этим при производстве подшипников остро встает вопрос проведения ресурсных испытаний. Подшипники выпускаются с высокими классами точности, значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры подшипников

Так как срок службы наконечника в условиях нормальной эксплуатации превышает один год, необходимо было разработать методику проведения испытаний подшипников, способную моделировать реальные условия эксплуатации наконечников в сжатые сроки - порядка 100-200 часов работы.

1. Описание разработанного стенда

Для проведения испытаний был разработан стенд, подающий на наконечник стабильную циклическую нагрузку в вертикальной и горизонтальной плоскостях, регулируемую в пределах от 0,1 Н до 3 Н, что моделирует условия работы наконечника во время его эксплуатации.

Стенд состоит из двух модулей по пять посадочных мест в каждом и позволяет одновременно испытывать десять наконечников. Нагрузка на наконечник осуществляется с помощью рычага с калиброванным противовесом, снятие нагрузки происходит с помощью пневмоцилиндра, нагрузка в горизонтальной плоскости производится путем регулирования угла перекоса подшипникового узла (лазерное устройство контроля): 0±20є;

Подача воздуха на пневмоцилиндры и наконечники осуществляется индивидуально, через пневмоклапаны, управляемые с компьютера. Управление производится с помощью модулей удаленного ввода-вывода фирмы ICP DAS. Замер частоты вращения шпинделя с бором производится индукционным тахометрическим датчиком оборотов с ICP DAS-интерфейсом собственной разработки. Замеры производятся с частотой 1 раз в секунду. Для измерения уровня шума и вибрации используется усилитель заряда РШ2731Э с внешним 14-разрядным АЦП фирмы «Центр АЦП». В качестве датчика вибраций используется миниатюрный вибродатчик с зарядовым выходом АП19.

При проведении испытаний основными показателями качества подшипника являются частота вращения шпинделя, меняющаяся в пределах от 350000 оборот/м до 400000 оборот/м для исправных подшипников, уровень шума и вибрации наконечника [1, 2].

Срок службы подшипников помимо качества изготовления определяется технологией сборки наконечника, при которой возможно появление следующих дефектов:

- подшипник на валу посажен без необходимого натяга. Или он совсем свободно перемещается, или держится частично за счет эллипсности - в любом случае при больших нагрузках, возникающих из-за высокой скорости вращения, неизбежно будет происходить деформация вала и внутренней обоймы подшипника из-за постоянных перемещений и микроударов, что приведет к резкому сокращению срока службы всего ротора;

- подшипник на валу посажен с чрезмерным натягом. В этом случае из-за растягивания внутренней обоймы подшипника зазор между дорожками качения и шариками может либо совсем исчезнуть (подшипник заклинит), либо он станет недопустимо малым во время работы. Из-за большего нагрева шариков по сравнению с остальными частями подшипника их размер увеличивается больше, чем дорожек качения, и при отсутствии необходимого зазора происходит не качение, а трение и, соответственно, быстрый износ.

- Сборка наконечников осуществляется с помощью специализированного пресса.

- Такты циклограммы испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2

Циклы испытаний подшипника

Для уменьшения влияния качества сборки одновременно производится испытание десяти наконечников.

2. Моделирование поведения подшипника

Основную трудность при разработке стенда составили определение параметров циклограммы стенда, наиболее полно имитирующих реальную работу подшипников, и анализ показаний вибродатчиков на предмет полноты измерений.

Для решения последней задачи было проведено моделирование работы подшипника на основе модели [3], предложенной N.S Feng и E.J. Hahn и используемой также авторами [4].

Модель основана на обобщенном уравнении движения подшипника качения:

M ? X`` + C ? X` + K ? X = F_U + F_B + W , (1)

Рис. 1. Модель подшипника наконечника

где M - матрица инерции роторной системы; K - матрица жесткости; С - матрица демпфирования и гироскопических сил; X``, X`, X - соответственно столбцы виброускорений, виброскоростей и виброперемещений; FU ? столбец неуравновешенных сил; FB ? столбец сил, возникающих в подшипниках и зависящих от перемещений и скоростей роторной системы; W ? сила веса. В общем случае силы, возникающие в подшипниках, являются функциями перемещений и скоростей, поэтому точное решение такого уравнения возможно только в нестационарной постановке. подшипник стоматологический турбинный шпиндель

При описании модели подшипника (рис. 1) были приняты следующие допущения: используется контактная теория Герца; инерция тел качения не учитывается; рассматривается линейное демпфирование; отсутствуют любые виды проскальзывания тел и поверхностей качения.

Опираясь на принятые допущения, можно записать уравнение для расчета сил, возникающих в контакте тел качения с обоймами подшипника:

(2)

где К_н - коэффициент контактной жесткости;

(3)

(4)

Коэффициент контактной жесткости рассчитывается как

(5)

где К_і, К_о ? коэффициенты контактной жесткости для внутренней и наружной обойм соответственно, которые в свою очередь рассчитываются исходя из так называемых сумм и разностей величин кривизны поверхностей контакта.

Сумма значений кривизны для контакта шарика с внутренней обоймой:

(6)

разность:

. (7)

Для контакта шарика с наружной обоймой имеем:

. (8)

Здесь

,

где б ? угол контакта;

r_i, r_o ? радиусы дорожек внутренней и внешней обойм,

D_b ? диаметр шарика;

Dр ? диаметр центров тел качения.

Учет демпфирования дополняет компоненты возникающих в подшипнике нагрузок

(9)

где С_b ? коэффициент демпфирования;

V_x, V_y ? относительные скорости:

Vx = Vx₁ ? Vx₂, Vy = Vy₁ ? Vy ₂. (10)

Моделирование подшипников производилось в системе MatLab, рассчитанные спектрограммы оказались тождественными результатам наблюдений, тождественность результатов позволяет использовать выбранные вибродатчики для анализа разрушений скоростных подшипников.

Рис. 2. График оборотов подшипника с семью шарами

Рис. 3. График оборотов подшипника с восемью шарами

На рис. 2 и 3 приведены графики замера оборотов бора c^-1, по оси х - часовые метки, по оси у - обороты для двух типов подшипников с семью и восемью шарами.

Обратите внимание на неравномерную ось времени. При малой девиации частоты данные не записываются. На рисунках хорошо видны этапы приработки подшипников, реакция подшипников на смазку и периодическое увеличение частоты оборотов вследствие выставления сепаратора после нагрузки.

Выводы

1. Результаты моделирования работы подшипников совпали с результатами натурных испытаний, что позволяет говорить об адекватности разработанной методики испытаний и достоверности полученных данных.

2. Разработанный стенд позволяет проводить ресурсные испытания наконечников. Первые испытания показали интересные данные о работе разных по конструкции подшипников.

Библиографический список

1. Диментберг Ф.М., Колесников К.С. Вибрации в технике. Справочник. - М.: Машиностроение, 1980. - Т. 3. - 544 с.

2. В.П. Максимов, И.В. Егоров, В.А. Карасёв. Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах. - М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.

3. N.S. Feng, E.J. Hahn and R.B. Randall. Simulation Of Vibration Signals From A Rolling Element Bearing Defect (DSTO-GD-0262).

4. Леонтьев М.К., Карасев В.А., Потапова О.Ю., Дегтярев С.А. Динамика ротора в подшипниках качения / Вибрация машин: измерение, снижение, защита. - 2006. - №4(7) - С. 40-45. - ISSN 1816-1219.

Аннотация

УДК 621.37

Разработка методики испытания подшипников стоматологического турбинного наконечника. Мельников Евгений Владиславович - к.т.н., доцент кафедры «Информационно-измерительная техника» Самарский государственный технический университет. 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Для разработки и испытания высокооборотных миниатюрных подшипников, используемых в стоматологии, разработана методика испытаний и изготовлено стендовое оборудование. Проведено моделирование работы подшипника.

Ключевые слова: подшипник, турбинный наконечник, ресурс, испытания.

Annotation

UDC 621.37

The development of the methods of the test bearing stomatologicheskogo turbine ferrule. Evgeny.V. Melinikov - Candidate of Technical Sciences, Associate professor. Samara State Technical University. 244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100

For development and test tiny bearing, used in stomatologies, is designed methods of the test and is made stand equipment. Organized modeling of the functioning the bearing.

Keywords: bearing, turbine ferrule, resource, test.

Размещено на Allbest.ru