close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7238

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7238
(13) C1
(19)
(46) 2005.09.30
(12)
7
(51) G 01M 13/02
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЗУБЧАТОЙ
ПЕРЕДАЧИ
BY 7238 C1 2005.09.30
(21) Номер заявки: a 20020467
(22) 2002.05.29
(43) 2003.12.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт механики и
надёжности машин Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Басинюк Ярослав Владимирович; Басинюк Владимир Леонидович; Мардосевич Елена Ивановна;
Ишин Николай Николаевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт механики и надёжности машин Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(56) US 4872337 A, 1989.
BY 4261 C1, 2001.
SU 1511613 A1, 1989.
SU 1758415 A1, 1992.
(57)
1. Способ виброакустической диагностики зубчатой передачи, включающий предварительное фиксирование частоты вращения входного вала диагностируемой передачи, расчет
зубцовых и кратных им частот, настройку по ним узкополосных фильтров, съем сигнала с
вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтрацию указанного сигнала указанными узкополосными фильтрами, фиксирование полученных данных в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде цифровой последовательности, выбор в указанной последовательности массивов данных, соответствующих времени полных оборотов колес зубчатой передачи, последующий выбор в этих массивах
участков, соответствующих колебаниям, генерируемым отдельными зубьями, определение на
указанных участках диагностических параметров и оценку по ним технического состояния
зубчатых колес и зубьев диагностируемой передачи, отличающийся тем, что съем сигналов
осуществляют при различных нагружающих моментах на выходном валу диагностируемой
передачи, а в качестве диагностических параметров используют средние значения размахов
колебаний вибрационного сигнала и их отношения к нагружающим моментам на выходном
валу диагностируемой передачи, при которых был зафиксирован вибрационный сигнал.
Фиг. 1
BY 7238 C1 2005.09.30
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагружающий момент Т на выходном валу
диагностируемой передачи при каждом последующем съеме сигнала ступенчато увеличивают, при этом шаг ∆Т и диапазон ступенчатого увеличения нагружающего момента определяют из соотношений:
∆T = (0,05 ÷ 0,2) T0 u ,
0,3 Т 0 u ≤ T ≤ T0 u ,
где Т0 - наименьший из максимально допустимых по условиям контактной и изгибной
прочности зубьев зубчатых колес крутящий момент на валах диагностируемой передачи;
u - передаточное число кинематической цепи, связывающей выходной вал с валом, для
которого определен Т0.
3. Способ по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что при работе диагностируемой передачи в режиме редуцирования съем данных осуществляют при, по меньшей мере, двух
полных оборотах ее выходного вала.
4. Способ по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что при работе диагностируемой передачи в режиме мультипликации съем данных осуществляют при, по меньшей мере, двух
полных оборотах ее входного вала.
5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что одновременно с вибрационным сигналом дополнительно снимают акустический сигнал, который обрабатывают
идентично обработке вибрационного сигнала, при этом определяют отношения средних
значений размахов колебаний акустического сигнала для каждого диагностируемого зубчатого колеса и его зубьев к соответствующим средним значениям размахов вибрационного сигнала, а полученные результаты сравнения используют для оценки технического
состояния диагностируемого зубчатого колеса и его зубьев по критерию контактной усталостной прочности.
6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что погрешности шагов зацепления или эквивалентные им величины износа зубьев определяют из соотношения:
2



j ∑ Tj L ik − ∑ Tj ∑ L ik
 ,

(f pbr ) ik =   ∑ L ik −
T
/(
0
,
8
V
j
)
∑ j
0k
2
2


j
L
(
L
)
−
∑ ik ∑ ik



где (fpbr) ik – погрешность шага зацепления i-го зуба k-го колеса диагностируемой передачи или эквивалентные ей величины износа;
Lik - средний размах колебаний вибрационного сигнала, генерируемого i-м зуба k-го
колеса при j-м нагружающем моменте на выходном валу диагностируемой передачи;
j - количество режимов нагружения выходного вала диагностируемой передачи;
Tj - j-й нагружающий момент на выходном валу диагностируемой передачи;
V0k - окружная скорость k-го колеса.
Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам виброакустической диагностики зубчатых передач.
Известен способ виброакустической диагностики нагруженности зубьев зубчатых передач при испытаниях (патент РБ 4261, МПК G 01M 13/02, 2001), по которому перед съемом данных на зубе диагностируемой передачи, имеющем максимальную погрешность
шага зацепления, устанавливают средство прямого измерения нагруженности, например
тензорезисторы, съем данных с вибродатчика, установленного на подшипниковом узле
диагностируемой передачи, и тензорезисторов осуществляют одновременно в реальном
масштабе времени, по меньшей мере, при двух оборотах зубчатого колеса с тензометрируемым зубом, из полученных данных о вибрациях выделяют информативные составляющие, соответствующие времени нахождения в зацеплении тензометрируемого зуба, в
качестве которых служат амплитуды снятых параметров вибраций, определяют их стати2
BY 7238 C1 2005.09.30
стические характеристики и корреляционную зависимость между средним значением измеренных амплитуд параметров вибраций и динамической нагруженностью тензометрируемого зуба, а по аналогичным составляющим параметров вибраций нетензометрируемых зубьев судят о динамической нагруженности любого из них с использованием полученной корреляционной зависимости, при этом съем данных в известном техническом
решении осуществляют с частотой, выбранной из определенных соотношений, а зависимость между средним значением измеренных амплитуд параметров вибраций и динамической нагруженностью любого из зубьев представляют в виде соотношения регрессии.
Установка на зубьях диагностируемого колеса средств прямого измерения нагруженности, например тензорезисторов, - достаточно сложный и дорогостоящий процесс, приемлемый в основном для уникальных стендовых исследований. При этом для съема данных с тензорезисторов необходимы специальные токосъемники, которые практически невозможно, да и экономически и технически нецелесообразно устанавливать на валы
зубчатых передач, входящих в состав мобильных машин, станков и оборудования, что
существенно сужает технические возможности данного технического решения.
Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ вибрационной диагностики передач зацеплением (патент SU
4872337, МПК G 01M 13/02, 1989), выбранный в качестве прототипа, в котором осуществляется предварительное фиксирование частоты вращения входного вала диагностируемой передачи, расчет зубцовых и кратных им частот, настройку по ним узкополосных
фильтров, съем сигнала с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтрацию указанного сигнала указанными узкополосными фильтрами, фиксирование полученных данных в памяти вычислительного средства в реальном масштабе
времени в виде цифровой последовательности, выбор в указанной последовательности
массивов данных, соответствующих времени полных оборотов колес диагностируемой
передачи, последующий выбор в этих массивах участков, соответствующих колебаниям,
генерируемым отдельными зубьями, определение на указанных участках диагностических
параметров и оценку по ним технического состояния диагностируемой передачи.
Реализация данного способа позволяет последовательно оценить техническое состояние каждого из зубчатых колес и их зубьев при наличии базы данных с эталонными значениями амплитуд колебаний при определенных частотах вращения входного вала и нагружающих моментах на выходном валу диагностируемой передачи.
К существенным недостаткам данного способа диагностирования можно отнести ограниченные технические возможности оценки технического состояния и точностных параметров
новых зубчатых передач, для которых отсутствуют эталонные значения амплитуд колебаний.
Кроме того, амплитудные значения колебаний тесно связаны с местом установки датчика
вибраций, смещение от которого даже на несколько миллиметров в ряде случаев может привести к изменению амплитудных значений вибраций в 1,5-3 и более раз. На них существенно
влияют жесткостные и инерционные параметры механической системы, нагруженность и
скоростные режимы ее функционирования, что существенно сужает технические возможности данного технического решения.
Задача изобретения - расширение технических возможностей вибродиагностики зубчатых передач путем одновременного диагностирования всех зубчатых колес передачи и
их зубьев, выявления разрушений зубьев на ранней стадии их возникновения, исключения
из процесса диагностирования необходимости в эталонных значениях параметров колебаний и влияния на точность диагностирования жесткостных и инерционных параметров
механической системы, нагруженности и скоростных режимов ее функционирования.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе виброакустической диагностики зубчатой передачи, включающем предварительное фиксирование частоты вращения входного вала диагностируемой передачи, расчет зубцовых и кратных им частот, настройку по ним узкополосных фильтров, съем сигнала с вибродатчика, установленного на
3
BY 7238 C1 2005.09.30
корпусе диагностируемой передачи, фильтрацию указанного сигнала указанными узкополосными фильтрами, фиксирование полученных данных в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде цифровой последовательности, выбор в указанной
последовательности массивов данных, соответствующих времени полных оборотов колес
зубчатой передачи, последующий выбор в этих массивах участков, соответствующих колебаниям, генерируемым отдельными зубьями, определение на указанных участках диагностических параметров и оценку по ним технического состояния зубчатых колес и зубьев диагностируемой передачи, согласно техническому решению, съем сигналов осуществляют
при различных нагружающих моментах на выходном валу диагностируемой передачи, а в
качестве диагностических параметров используют средние значения размахов колебаний
вибрационного сигнала и их отношения к нагружающим моментам на выходном валу диагностируемой передачи, при которых был зафиксирован вибрационный сигнал.
Целесообразно, чтобы нагружающий момент T на выходном валу диагностируемой
передачи при каждом последующем съеме сигнала ступенчато увеличивался, при этом
шаг ∆T и диапазон ступенчатого увеличения нагружающего момента определялся из соотношений:
∆Т = (0,05 ÷ 0,2)Т0u,
0,3Т0u ≤ Т ≤ Т0u,
где T0 - наименьший из максимально допустимых по условиям контактной и изгибной
прочности зубьев зубчатых колес крутящий момент на валах диагностируемой передачи;
u - передаточное число кинематической цепи, связывающей выходной вал с валом, для
которого определен Т0.
При работе диагностируемой передачи в режиме редуцирования съем данных должен
осуществляться при, по меньшей мере, двух полных оборотах ее выходного вала, а при
работе диагностируемой передачи в режиме мультипликации - при, но меньшей мере,
двух полных оборотах ее входного вала, причем одновременно с вибрационным сигналом
целесообразно дополнительно снимать акустический сигнал, обрабатывать его идентично
обработке вибрационного сигнала, определять отношения средних значений размахов колебаний акустического сигнала для каждого диагностируемого зубчатого колеса и его
зубьев к соответствующим средним значениям размахов вибрационного сигнала, и полученные результаты сравнения использовать для оценки технического состояния диагностируемого зубчатого колеса и его зубьев по критерию контактной усталостной прочности, а погрешности шагов зацепления или эквивалентные им величины износа зубьев определялись из соотношения:
2



(f pbr )ik =   ∑ Lik − j∑ TjLik2 − ∑ Tj ∑ 2Lik ∑ Tj  / (0,8V0k j) ,
j∑ L ik − (∑ L ik )



где (fpbr)ik - погрешность шага зацепления i-ого зуба k-ого колеса диагностируемой передачи или эквивалентные ей величины износа;
Lik - средний размах колебаний генерируемого i-м зубом k-ого колеса при j-м нагружающем моменте на выходном валу диагностируемой передачи;
j - количество режимов нагружения выходного вала диагностируемой передачи;
Tj – j - ый нагружающий момент на выходном валу диагностируемой передачи;
V0k - окружная скорость k-ого колеса.
Расширение технических возможностей диагностирования достигается в результате
следующего.
Осуществление съема данных при различных нагружающих моментах, ступенчато
увеличивающихся при каждом последующем съеме диагностической информации, позволяет по изменениям отношений размахов колебаний к моментам на выходном валу диагностируемой передачи определить динамические составляющие нагрузки и связанные с
4
BY 7238 C1 2005.09.30
ними погрешности шагов зацепления и износы отдельных зубьев. Кроме того, в процессе
выборки зазоров между зубьями, связанных с погрешностями их шагов зацепления и износами, изменяется парность зацепления (происходит переход от однопарного к двухпарному
или от двухпарного к трехпарному зацеплению) и существенно изменяются отношения размахов колебаний вибрационного сигнала к соответствующим моментам на выходном валу
диагностируемой передачи. Эти величины нагружающих моментов служат дополнительным
критерием оценки погрешностей шагов зацепления и износов каждого из зубьев.
Диапазон изменений моментов в соответствии с приведенной выше зависимостью, позволяет при T ≤ Т0·u для зубчатых колес 6-8 степеней точности гарантировано реализовать
режим перехода от однопарного к двухпарному зацеплению, исключив поломку зубьев и
схватывание их рабочих поверхностей. При T ≤ 0,3·Т0·u, как показали исследования, резко
возрастает рассеивание контролируемых параметров и снижается точность диагностирования. Шаг изменений нагружающих моментов на выходном валу диагностируемой передачи, выбранный в соответствии с приведенной зависимостью, обеспечивает требуемую
точность оценки значений моментов, при которых происходит изменение парности зацепления.
Необходимо отметить, что в предлагаемом техническом решении не требуются эталонные значения размахов колебаний. Кроме того, градиенты изменения отношения средних размахов колебаний к соответствующим градиентам изменений моментов на выходном валу диагностируемой передачи связаны только с погрешностями изготовления по
шагу зацепления и износами и не зависят от места установки датчика вибраций, вариаций
жесткостных и инерционных параметров механической системы.
Реализация съема диагностических данных при, по меньшей мере, двух полных оборотах выходного вала диагностируемой передачи при ее работе в режиме редуцирования или,
по меньшей мере, двух оборотах входного вала при работе в режиме мультипликации обеспечивает съем диагностических данных с двух и более полных оборотов каждого зубчатого
колеса передачи и, как следствие, диагностирование всех зубчатых колес и их зубьев одновременно с приемлемой точностью определения средних величин размахов колебаний.
Аналитическая зависимость для определения погрешности шага зацепления или износа получена, исходя из полуэмпирической зависимости между погрешностью шага зацепления и динамической составляющей нагруженности.
Одновременный съем вибрационного и акустического сигналов, их обработка в соответствии с одинаковым алгоритмом и сопоставление между собой позволяет на ранней
стадии определить такой вид зарождающегося дефекта, как контактное выкрашивание
зубьев, которое при небольших разрушениях зубьев практически не влияет на амплитудные значения вибраций, но оказывает заметное влияние на амплитудные значения шума,
генерируемого "дефектным" зубом.
На фиг. 1 показана осциллограмма отфильтрованного и сглаженного сигнала с вибродатчика, фиксирующего колебания на корпусе диагностируемой передачи.
На фиг. 2 - изменения средних размахов колебаний вибрационного сигнала и нагруженности тензометрируемого зуба при увеличении нагружающего момента на выходном
валу передачи.
На фиг. 3 - отношения средних размахов колебаний вибрационного сигнала к моменту
на выходном валу передачи.
На фиг 4 - отношения средних размахов колебаний акустического сигнала LP к соответствующим размахам колебаний вибрационного сигнала LV в процессе испытаний диагностируемой зубчатой передачи и возникновения контактного выкрашивания его зубьев.
Пример осуществления способа.
Предлагаемый способ был осуществлен в ИНДМАШ HAH Беларуси на стенде для испытаний зубчатых колес, включающем в себя двигатель с плавно регулируемой скоро-
5
BY 7238 C1 2005.09.30
стью вращения, испытательную коробку с установленной в ней зубчатой парой, электромагнитный порошковый тормоз.
Испытуемая зубчатая пара включала прямозубые зубчатые колесо и шестерню с числами зубьев Z1 = Z2 = 40, модулем m = 3 мм, выполненные по 7-ой степени точности по
ГОСТ 1643-81 с исходным контуром по ГОСТ 13755-68. Диапазон расчетных величин нагружающих моментов на выходном валу диагностируемой передачи составил T = 40 ÷ 200
Нм, шаг его изменения ∆T = 20 Нм. Нагружение создавалось электромагнитным порошковым тормозом.
В процессе проведения диагностирования одновременно фиксировались в реальном
масштабе времени с помощью микропроцессорной системы сбора и обработки измерительной информации виброускорения (вибродатчиком, установленным на корпусе испытательной коробки), звуковое давление (микрофоном) и нагруженность одного из зубьев
диагностируемой передачи (тензометрированием). Тензометрирование осуществлялось
для дополнительного определения крутящего момента, при котором зацепление переходит от однопарного к двухпарному.
Перед диагностированием фиксировалась частота вращения входного вала диагностируемой передачи, которая составляла 54 рад/с. По частоте вращения входного вала рассчитывались зубцовые и кратные ей частоты диагностируемой зубчатой передачи, равные
fZ = 360 Гц, f2Z = 720 Гц, f3Z = 1080 Гц, f4Z = 1440 Гц. Затем срединные частоты узкополосных (гребенчатых) фильтров настраивались на эти частоты и осуществлялся при двухтрех оборотах выходного вала диагностируемой передачи съем сигнала с вибродатчика,
установленного на ее корпусе.
Вибрационный сигнал фильтровался узкополосными фильтрами и посредством аналого-цифрового адаптера фиксировался на ПЭВМ в цифровом виде в реальном масштабе
времени (фиг. 1). Затем выделялись массивы данных, соответствующие времени полных
оборотов диагностируемых колес, на которых затем выделялись участки, соответствующие колебаниям, генерируемым отдельными зубьями 1,2,3…40. На этих участках для каждого зуба определялось среднее значение размахов колебаний вибрационного сигнала
Lik. Анализировалось их изменение при увеличении нагружающих моментов (Lik на
фиг. 2) и отношение к нагружающим моментам на выходном валу диагностируемой передачи (фиг 3). Для контроля корректности предлагаемого способа диагностирования с помощью тензометрирования контролировалась нагруженность одного из зубьев Рik, изменение которой при увеличении нагружающего момента на выходном валу передачи показано на фиг. 2, на которой приведены изменения средних значений размахов колебаний
вибрационного сигнала Lik для того же (тензометрируемого) зуба.
По изменениям размахов (фиг. 2) с помощью метода наименьших квадратов определялись параметры уравнений регрессии для каждого из зубьев диагностируемой передачи,
из которых выделялись динамические составляющие нагрузок и рассчитывались погрешности шагов зацепления. Так, например, для тензометрируемого зуба погрешность шага
зацепления, определенная с использованием предлагаемого способа диагностирования,
составила
2



j∑ Tj L ik − ∑ Tj ∑ L ik
 / (0,8V j) = 10,7 мкм
f pbr =   ∑ L ik −
T
∑
j
ok 
2
ik  

j∑ L2ik − (∑ L ik )



Полученные значения сравнивались с результатами контроля погрешностей шагов зацепления, измеренных универсальными измерительными средствами до сборки диагностируемой зубчатой передачи. Так, например, для тензометрируемого зуба измеренная
универсальными средствами погрешность шага зацепления оказалась равной fpbr = 12 мкм.
Погрешность оценки величины fpbr, определенной с использованием предлагаемого способа, составила 1,3 мкм или 10,8 %, что практически не превысило погрешность измерения
( )
6
BY 7238 C1 2005.09.30
универсальными средствами. В среднем, для диагностируемого зубчатого колеса, отклонение погрешностей шагов зацепления, определенных с помощью предлагаемого способа
диагностирования, от измененных универсальными средствами составило 8,9 %.
Анализ градиентов изменения средних размахов колебаний при ступенчатом увеличении нагружающих моментов на выходном валу диагностируемой передачи и нагруженности тензометрируемого зуба показал, что при T ≈ 130 Нм зазоры в зацеплении, обусловленные погрешностями шагов зацепления, вследствие деформации зубьев были выбраны
и зацепление перешло от однопарного к двухпарному, что четко отразилось на градиентах
изменения размахов вибраций (фиг. 2) и их отношениях к нагружающему моменту на выходном валу передачи (фиг. 3). По зависимостям, связывающим деформацию зубьев с их
жесткостью и удельной нагруженностью, производился расчет величин деформации зубьев и соответствующих им погрешностей шагов зацепления, обеспечивших выборку зазоров и переход к двухпарному зацеплению. В результате этого были получены значения
(fрbr)ik, близкие к приведенным выше (отклонения составили 7-10 % от отклонений, полученных измерением универсальными средствами).
Были произведены длительные испытания на контактную усталостную прочность
зубьев, при которых периодически осуществлялся одновременный съем вибрационного и
акустического сигналов, их обработка в соответствии с одинаковым алгоритмом и сопоставление между собой. При появлении первых питтинговых лунок на рабочих поверхностях зубьев (менее 5 % выкрашенной поверхности) отношения размахов колебаний акустического сигнала LP к аналогичным параметрам вибрационного LV увеличились в 1,11,3 раза (фиг. 4), что позволило выявить этот дефект на ранней стадии его возникновения
и автоматизировать процессы контроля контактного выкрашивания зубьев.
В целом, как показали исследования, использование предлагаемого изобретения позволяет значительно расширить возможности оценки технического состояния зубчатых
колес и отдельных зубьев по критериям износа, разрушения зубьев при изгибе и контактного выкрашивания их рабочих поверхностей на ранней стадии возникновения дефекта, а
также определить точность изготовления и сборки передачи в условиях реального нагружения. Его реализация обеспечивает одновременное диагностирование всех зубчатых колес передачи и их зубьев, исключает необходимость использования эталонных значений
параметров колебаний, резко снижает влияние на точность диагностирования жесткостных и инерционных параметров механической системы, нагруженности и скоростных режимов ее функционирования.
Фиг. 2
Фиг. 3
7
BY 7238 C1 2005.09.30
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
122 Кб
Теги
патент, by7238
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа