Уплотнения с датчиком утечки
В большинстве современных машин используются уплотнительные устройства. Их задача — предотвратить вытекание смазочного материала из полостей со смазкой и предохранить их от загрязнений извне. Выход из строя уплотнения может нести за собой тяжелые последствия: вытекание смазки — масляное голодание механизма — заклинивание или преждевременный износ. Проконтролировать же состояние классического уплотнения возможно только при разборке, что не всегда рентабельно.
Решить эту проблему позволяют уплотнения со встроенными датчиками. На рис. 1 представлено модульное уплотнение для вала с датчиком утечки фирмы Simrit (Германия). В состав такого уплотнения входят (рис. 1, а): армированная манжета с пыльником; интегральная плата с оптическим датчиком; алюминиевый или стальной каркас платы; адсорбирующее смазку кольцо из нетканого материала; кабель для передачи сигнала. Место вывода кабеля не требует дополнительной герметизации.
Работает уплотнение следующим образом. При износе уплотняющей кромки избыточная смазка поступает внутрь манжеты и адсорбируется кольцом из нетканого материала. Насыщенный смазкой материал меняет свои оптические свойства. Степень загрязненности контролируется оптическим датчиком. Когда загрязненность достигает заданного конструктором уровня, генерируется сигнал о необходимости замены уплотнения. Он может быть передан обслуживающему персоналу по телефону или Интернету. При замене уплотнения электронная часть может быть установлена в новую армированную манжету, что уменьшает стоимость ремонта.
Применяются такие уплотнения, прежде всего, в крупногабаритных и труднодоступных машинах: ветроэнергетических агрегатах, эскалаторах, промышленных редукторах. Встраивание в конструкцию агрегатов мехатронного уплотнения позволяет перейти от системы плановопредупредительного ремонта к системе ремонта по состоянию, а также предупреждать отказы. Только этот комплекс мер дает суммарный экономический эффект, поскольку стоимость мехатронного уплотнения существенно выше, чем обычного. В таблице 1 приведен экономический расчет фирмы Simrit (Германия) для эскалатора.
Уплотнения с встроенным датчиком утечки входят в стандартную программу производства фирмы Simrit (Германия). В таблице 2 представлены геометрические размеры уплотнений MSS1+CM и требования к посадочным местам. Материал манжеты — бутадиеннитрильный каучук (NBR) или фторкаучук (FKM). Условия применения: окружная скорость до 6 м/с; рабочая температура 25…+100°C; избыточное давление до 0,5 бар.
Сенсорные уплотнения
Уплотнения с датчиком утечки контролируют состояние манжеты и предупреждают о ее износе. Однако, в уплотнение можно встраивать и другие датчики, контролирующие параметры уплотняемой среды. Именно эта концепция положена в основу семейства гибких печатных плат с уплотняющими функциями фирмы Simrit.
Этот вид продукции представляет собой гибкую печатную плату, проходящую сквозь резиновую часть уплотнения любого типа. Место стыка является герметичным. Основной проблемой для производства явилась температура вулканизации резины, которая выше температуры плавления печатной платы. Фирма Simrit (Германия) разработала соответствующую технологию и предлагает новый вид уплотнений.
На рис. 2 представлена уплотняющая прокладка с присоединенной гибкой печатной платой. В состав такого уплотнения входит уплотняющий элемент, датчик, гибкая печатная плата с токопроводящими дорожками, соединительный разъем, фиксатор. Все элементы объединены в единый узел и не требуют дополнительного уплотнения для проходящих сквозь уплотнение дорожек.
К гибкой печатной плате могут быть подсоединены датчики для измерения различных параметров внутренней среды: давления, температуры, других физических или даже химических параметров.
Сегодня сенсорные уплотнения применяются: в системах впрыска топлива и управления двигателей внутреннего сгорания; элементах трансмиссии; измерителях расхода жидкостей. Для изготовления гибких печатных плат применяют материалы на основе полиамида и полиэтиленового нафталина, имеющие стойкость к моторному и трансмиссионному маслу, дизельному топливу, бензину. Температурная стойкость до 150°C.
Подшипники с датчиком вращения
В мехатронных системах блокам управления необходимо получать точную информацию о перемещении вращающихся деталей и узлов. Для этого используются датчики вращения различных конструкций, устанавливаемые на валах.
На рис. 3, а представлен инкрементальный энкодер, позволяющий контролировать положение вала.
Альтернативой такой конструкции являются мехатронные подшипники (рис. 3, б), полученные путем встраивания датчиков вращения в подшипник. Как правило, такие подшипники позволяют регистрировать: количество оборотов в минуту; скорость вращения; направление вращения; относительное положение; ускорение или замедление.
Подшипник со встроенными датчиками вращения (рис. 4), производимый фирмой SKF (Швеция), состоит из: радиального шарикоподшипника с встроенным уплотнением и канавкой под стопорное кольцо; магнитного импульсного кольца; корпуса датчиков; соединительного кабеля. Изображенный подшипник предназначен для работы с вращающимся внутренним кольцом и неподвижным корпусом датчиков.
За основу взят радиальный шариковый подшипник качения, который соответствует стандарту ISO 15:1998, за исключением ширины, увеличенной изза встроенных датчиков. С одной стороны элементы подшипника защищены встроенным уплотнением. С противоположной стороны корпус датчиков и импульсное кольцо образуют лабиринтное уплотнение.
Композитное магнитное импульсное кольцо разделено на определенное количество северных и южных полюсов, зависящее от размеров подшипника. Магнитное кольцо крепится к внутреннему кольцу подшипника.
Корпус датчиков крепится к наружному кольцу подшипника. В него встроено два датчика, смещенные относительно друг друга. Датчики состоят из чувствительных элементов, основанных на эффекте Холла, и электронных блоков усиления и преобразования сигнала.
Принцип работы встроенных датчиков оборотов следующий. При вращении вала, на который установлен подшипник, заодно с ним вращается магнитное импульсное кольцо. Датчики Холла фиксируют чередование магнитных полюсов и генерируют аналоговый синусоидальный сигнал (рис. 5). Этот сигнал усиливается и преобразуется в прямоугольные импульсы триггером Шмитта. Направление вращения определяется по фазе сигнала.
Максимальная точность измерения составляет 256 импульсов за оборот, что соответствует разрешению 1,4°. Такую же разрешающую способность имеют простейшие инкрементальные энкодеры. Для работы датчика требуется стабилизированное напряжение 5…24 В.
Первоначально подшипники со встроенными датчиками были применены в автомобилестроении. На рис. 6, а изображен подшипник ASB фирмы SNR, устанавливаемый в ступицу колеса, и передающий сигнал в системы стабилизации движения автомобиля (ABS, ESP).
На рис. 6, б представлен пример установки промышленного подшипника с датчиком. Подшипник должен быть зафиксирован в осевом направлении на валу и упираться в заплечик наружным кольцом стороной, свободной от датчиков. Со стороны датчика устанавливают стопорное кольцо и тонкостенную втулку с пазами.
Подшипники со встроенным датчиком оборотов производятся серийно. В таблице 3 приведены основные параметры продукции фирмы SKF (Швеция). Выбор размера подшипника производится аналогично обычным подшипникам — по требуемой долговечности. Рабочая температура подшипников 40…+120°С. Поставляются подшипники наполненными пластичной смазкой на весь срок службы и не требуют технического обслуживания.
Уплотнения с датчиком оборотов
Подшипники с датчиком оборотов имеют встроенные уплотнения, одно из которых образуют элементы датчика оборотов. Однако, применение закрытых подшипников не всегда возможно. Например, в редукторах, коробках передач, двигателях внутреннего сгорания используется жидкостная смазка, которой смазываются и подшипники. В этом случае функцию подсчета оборотов можно возложить на внешние уплотнения. Именно по такое решение предлагает фирма Simrit (Германия).
Этот производитель уплотнений разработал технологию внедрения в резиновые смеси магнитных материалов и создал уплотнения со встроенным магнитным кодирующим кольцом (рис. 7, а). Такое кольцо представляет собой металлический диск, к которому привулканизирован эластомер, заполненный частицами феррита. Ферритовые полосы попеременно намагничиваются северным и южным полюсами. Если к такому вращающемуся кольцу приблизить индуктивный датчик, на выходе получится дискретный сигнал (рис. 7, б).
Магнитное кодирующее кольцо может устанавливаться на вращающуюся деталь и использоваться для определения параметров вращения (рис. 8, а). Производитель предлагает кольцо с привулканизированной втулкой для установки индуктивного датчика с осевым или радиальным расположением.
Магнитное кодирующее кольцо можно встраивать в состав уплотнений. На рис. 8, б представлено кассетное уплотнение и манжета с кодирующим кольцом. Датчик оборотов устанавливается радиально.
Применение магнитных кодирующих колец имеет следующие преимущества: компактность узла замера; возможность увеличения воздушного зазора до 3 мм при уровне ошибок 0,6% … 1,5%; возможность применения датчика без магнита, поскольку магнитное поле создается кодирующим кольцом.
Магнитные кодирующие кольца имеют химическую стойкость к маслам, топливам, тормозным жидкостям, антифризам и выдерживают температуры до 170°C.
Заключение
Большинство современных машин управляются электроникой. Успехи электроники в корне меняют и механическую часть машин, и подходы к обслуживанию техники. Система ABS, важнейшим элементом которой является датчик оборотов колеса, вытеснила из тормозной системы механический регулятор давления. Сенсорные манжеты изменили графики ремонта ветроэнергетического оборудования.
Из статьи видно, процесс усложнения компонентов развивается в глубину. Уже сегодня уплотнительные манжеты для валов умеют звонить по телефону и выходить в Интернет. Так что сохраняйте в тайне номера своих мобильных телефонов, а то среди ночи вас будут будить манжеты, подшипники и другие мехатронные детали машин…
Михаил Гранкин,
инженер – конструктор
grankin@mail.ru
Использованная литература:
1. Каталог фирмы SKF (Швеция). Общий каталог. — 2007, 1129 с.
2. E.И. Громаков, А.А. Ильченко. Мехатронные подшипники Active Sensor Bearing. — http://www.snr.com.ru/e/ActiveSensorBearing.mht
3. Каталог фирмы SNR (Франция). Industry General Catalogue. — 2009, 707 c.
4. Информация о продукции Simmerring MSS1+CM Simrit (Германия). — 2006, 8 с.
5. Каталог фирмы Simrit (Германия). Simmering and Rotary Seals. — 2007 г., 293 с.
6. Подураев Ю.В., Кулешов В.С. Принципы построения и современные тенденции развития мехатронных систем. — Мехатроника №1, 2000 г.
7. Решетов Д.Н. Детали машин. — М., 1989, 496 с.
"