Способ вибродиагностики передач зацеплением

 

Изобретение относится к способам вибродиагностики передач зацеплением. Предложенный способ заключается в том, что предварительно устанавливают требуемую частоту вращения каждого зубчатого колеса, по зубцовым и кратным им частотам настраивают узкополосные фильтры, снимают сигнал с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтруют его узкополосными фильтрами и полученные диагностические данные фиксируют в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде числовых последовательностей, после чего из каждой числовой последовательности выбирают массивы данных, соответствующие целым числам оборотов диагностируемых колес и колебаниям, генерируемым отдельными зубьями при их повороте на угловой шаг, затем на выделенных участках определяют амплитудные значения колебаний и с их учетом оценивают техническое состояние диагностируемого зубчатого колеса. Один из узкополосных фильтров настраивают на частоту собственных колебаний диагностируемого зубчатого колеса и из зафиксированных, с его использованием, в памяти вычислительного средства числовых последовательностей, соответствующих взаимодействию отдельных пар зубьев при их повороте на угловой шаг, выделяют группы данных, соответствующих однопарному и двухпарному зацеплению, рассчитывают средние квадратические величины колебаний на каждом из упомянутых выделенных массивов данных и отношения к ним соответствующих максимальных амплитуд собственных колебаний, а в качестве диагностического параметра используют среднее значение логарифмического декремента затуханий собственных колебаний. Данное изобретение позволяет использовать критерии диагностирования, не связанные с эталонными значениями амплитуд колебаний, местом расположения вибродатчика и тарировкой измерительных трактов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам вибродиагностики передач зацеплением, преимущественно зубчатых передач с коэффициентами торцевого перекрытия, меньшими двух.

Известен способ вибродиагностики передач зацеплением при испытаниях (патент РБ №4261, кл. G 01 M 13/02, 2001 г.), в соответствии с которым перед съемом контролируемых параметров на зубе одного из зубчатых колес диагностируемой передачи, имеющем максимальную погрешность шага зацепления, устанавливают 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 соответствующие времени нахождения в зацеплении тензометрируемого зуба информативные составляющие, в качестве которых служат амплитуды снятых параметров вибраций, определяют их статистические 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.

К определенным недостатком известного способа можно отнести то, что его реализация требует использования достаточно технически сложного и дорогостоящего метода тензометрирования, что не всегда экономически целесообразно и технически возможно при вибродиагностике мобильных машин, что существенно ограничивает области применения данного способа.

Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ вибродиагностики передач зацеплением (патент SU №4872337, кл. G 01 M 13/02, 1989 г.), выбранный в качестве прототипа, в котором техническое состояние каждого зубчатого колеса передачи определяется отдельно, при этом предварительно устанавливают требуемую частоту его вращения, в соответствии с которой рассчитывают зубцовую и кратные ей частоты диагностируемой передачи, по ним настраивают узкополосные фильтры, затем при двух и более оборотах диагностируемого колеса снимают сигнал с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтруют его узкополосными фильтрами и фиксируют в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде числовой последовательности, в графическом форме имеющей синусоидальный вид, после чего из нее выделяют участки, кратные целым числам оборотов диагностируемого колеса и колебаниям, генерируемым отдельными зубьями при их повороте на угловой шаг, на выделенных участках определяют амплитудные значения колебаний, рассчитывают их средние квадратические значения для отдельных зубьев и диагностируемого колеса в целом, которые сравнивают между собой и с эталонными значениями и по результатам сравнения судят о техническом состоянии диагностируемого зубчатого колеса и его зубьев.

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 вибродиагностики можно отнести необходимость наличия базы данных с эталонными значениями средних квадратических величин амплитуд колебаний. Кроме того, на точность диагностирования существенное влияние оказывают место расположения вибродатчика и тарировка измерительных трактов, что в целом существенно снижает точность и достоверность полученных результатов.

Задача изобретения - повышение точности и достоверности вибродиагностики путем использования критериев диагностирования, не связанных с эталонными значениями средних квадратических величин амплитуд колебаний, местом расположения вибродатчика и тарировкой измерительных трактов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе вибродиагностики передач зацеплением, в котором техническое состояние каждого зубчатого колеса передачи определяют отдельно, при этом предварительно устанавливают требуемую частоту его вращения, по зубцовым и кратным им частотам настраивают узкополосные фильтры, снимают сигнал с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтруют его узкополосными фильтрами и полученные диагностические данные фиксируют в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде числовых последовательностей, после чего из каждой числовой последовательности выбирают массивы данных, соответствующие целым числам оборотов диагностируемых колес и колебаниям, генерируемым отдельными зубьями при их повороте на угловой шаг, затем на выделенных участках определяют амплитудные значения колебаний и с их учетом оценивают техническое состояние диагностируемого зубчатого колеса, согласно изобретению один из узкополосных фильтров настраивают на частоту собственных колебаний диагностируемого зубчатого колеса и из зафиксированных с его использованием в памяти вычислительного средства числовых последовательностей, соответствующих взаимодействию отдельных пар зубьев при их повороте на угловой шаг, выделяют группы данных, соответствующих однопарному и двухпарному зацеплению, рассчитывают средние квадратические величины колебаний на каждом из упомянутых выделенных массивов данных и отношения к ним соответствующих максимальных амплитуд собственных колебаний, а в качестве диагностического параметра используют среднее значение логарифмического декремента затуханий собственных колебаний, при этом предварительно устанавливаемую частоту вращения диагностируемого зубчатого колеса выбирают из соотношения:

ω=2·π·f₀/(k·Z),

где ω - частота вращения диагностируемой зубчатого колеса, рад/с,

f₀ - собственная частота колебаний диагностируемого зубчатого колеса,

π=3,1415...,

k - отношение частоты собственных колебаний к зубцовой частоте, принимаемое равным k=2; 3; 4 - для реализации только режима однопарного зацепления при повороте диагностируемого зубчатого колеса на угловой шаг и k=6; 8 при реализации режима однопарно-двухпарного зацепления диагностируемого зубчатого колеса при его повороте на угловой шаг;

Z - число зубьев диагностируемого зубчатого колеса, а логарифмические декременты затухания собственных колебаний диагностируемого зубчатого колеса определяют из зависимости:

u=1,3·[(L_AMAX/Lσ)-1,46]/(n-1),

где u - логарифмический декремент затухания;

L_AMAX - максимальная амплитуда собственных колебаний на рассматриваемом участке выделенной числовой последовательности;

Lσ - среднее квадратическое значение собственных колебаний в выделенных массивах данных,

n - число полных периодов собственных колебаний диагностируемого колеса в выделенных массивах данных для однопарного или двухпарного зацепления.

Целесообразно, чтобы в способе вибродиагностики передач зацеплением для соответствующих целым числам полных оборотов диагностируемого зубчатого колеса из выделенных массивов данных с зубцовыми и собственными колебаниями определялись средние квадратические значения колебаний, а в качестве дополнительного диагностического параметра использовалось их соотношение.

Повышение точности и достоверности виброакустической диагностики передач зацеплением достигается в результате того, что в качестве диагностических параметров используются безразмерные величины - логарифмические декременты затухания собственных колебаний диагностируемого колеса и соотношение средних квадратических значений собственных колебаний и колебаний на зубцовой частоте, определенных для целого числа оборотов диагностируемого колеса.

Это исключает необходимость наличия базы данных с эталонными значениями средних квадратических величин амплитуд колебаний, исключает влияние на диагностические параметры места расположения вибродатчика и точности тарировки измерительных трактов.

Установка частоты вращения диагностируемого зубчатого колеса, равной:

ω=2·π·f₀/(k·Z)

обеспечивает реализацию 2-х ÷ 4-х (n=2÷4) полных периода затухающих собственных колебаний диагностируемого зубчатого колеса, зафиксированных в каждом выделенном массиве данных для однопарного или двухпарного зацепления.

Выбор величины n определяется тем, что при n=1 возникают близкие к резонансным явления, при n≥5 резко снижается точность оценки величины u.

На фиг.1 показана осциллограмма исходного сигнала 1, колебаний на зубцовой частоте 2 и собственные колебания 3 диагностируемого зубчатого колеса при его повороте на угловой шаг.

На фиг.2 показаны изменения средних квадратических значений колебаний диагностируемого зубчатого колеса на зубцовой частоте 4 и собственных колебаний 5 при увеличении нагружающих моментов Т на его валу от 40 Нм до 200 Нм, определенных для числовых последовательностей, соответствующих целым числам оборотов диагностируемого зубчатого колеса.

На фиг.3 показаны изменения отношений средних квадратических значений собственных и зубцовых колебаний диагностируемого зубчатого колеса, определенных при увеличении нагружающих моментов Т на его валу от 40 Нм до 200 Нм для числовых последовательностей, соответствующих целым числам оборотов диагностируемого зубчатого колеса.

Пример осуществления способа.

Предлагаемый способ был апробирован на стенде для испытаний зубчатых колес, включающем в себя двигатель с плавно регулируемой частотой вращения, коробку с установленной в ней диагностируемой зубчатой парой и 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. При диагностировании зубчатое колесо нагружалось моментами Т=40; 60; 80; 100; 120; 140; 160; 180 и 200 Нм. Эмпирически определенная собственная частота колебаний составляла f₀ ≈ 3200 Гц.

Принималась величина k=8, что позволяло получить числа полных периодов собственных колебаний, соответственно равных для зоны однопарного зацепления n=4 и для зоны двухпарного зацепления n=4 (фиг.1). Исходя из этого рассчитывалась и устанавливалась на стенде частота вращения диагностируемого зубчатого колеса, равная:

ω=2·π·f₀/(k·Z)=2·3,1415·3200/(8·40)=63 рад/с.

На валу диагностируемого зубчатого колеса устанавливалась частота вращения, равная 63 рад/с.

В процессе проведения диагностирования вибродатчиком фиксировались в реальном масштабе времени (с помощью микропроцессорной системой сбора и обработки измерительной информации) виброускорения, генерируемые диагностируемым зубчатым колесом на его подшипниковой опоре.

Узкополосные фильтры настраивались на срединные зубцовую частоту f_z=400 Гц и собственную частоту колебаний f₀=3200 Гц. Полоса пропускания составляла 5% от срединной частоты.

Съем сигнала с вибродатчика осуществлялся при трех полных оборотах диагностируемого колеса. Исходный сигнал 1 (фиг.1) с вибродатчика фильтровался в соответствии с зубцовой (осциллограмма 2 на фиг.1) и собственной (осциллограмма 3 на фиг.1) частотами, фиксировался в цифровом виде на ПЭВМ с привязкой к реальному масштабу времени.

Из массивов данных, соответствующих собственным частотам f₀, генерируемым отдельными зубьями при повороте на угловой шаг, выделялись массивы данных с различной парностью зацепления (фиг.1). Для каждого из выделенных массивов данных определялись максимальная амплитуда виброускорений L_AMAX, средняя квадратическая величину виброускорений вибраций Lσ, рассчитывалось их отношение L_AMAX/lσ, логарифмические декременты затухания u, и их средние значения для рассматриваемого случая, равные:

для зон однопарного зацепления

u=0,047÷0,063;

для зоны двухпарного зацепления

u=0,12÷0,18.

Полученные значения сравнивались с результатами определения логарифмического декремента затухания, полученными с использованием известных методов. Погрешность практически не превышает погрешностей измерений.

Для рассматриваемых скоростных и нагрузочных режимов для полных оборотов диагностируемого колеса определялись средние квадратические значения зубцовых и собственных колебаний (фиг.2) и их соотношения (фиг.3), которые использовались в качестве дополнительного диагностического параметров.

Как показали проведенные исследования, использование в качестве диагностического параметра логарифмических декрементов затухания u и соотношений средних квадратических значений зубцовых и собственных колебаний позволяет:

- исключить необходимость наличия базы данных с эталонными значениями абсолютных величин амплитуд колебаний;

- исключить влияние на результаты диагностирования места расположения вибродатчика и точности тарировки измерительных трактов;

- определить нагрузочные режимы, при которых реализуется только однопарное зацепление, переходную зону и зону реализации однопарного и двухпарного зацепления, что позволяет путем расчета соответствующих деформаций оценить реальную точность изготовления диагностируемой зубчатой передачи по шагу зацепления, степень износа диагностируемого зубчатого колеса по смещению переходной зоны;

- определить в режиме динамического нагружения логарифмический декремент затухания колебаний, оказывающий существенное влияние на виброакустическую активность передачи;

- установить по изменениям логарифмического декремента затухания момент возникновения изгибных трещин у ножек зубьев и осуществить мониторинг их развития.

В целом, это позволяет существенно повысить точность и достоверность результатов диагностирования и на основе этого значительно увеличить его эффективность и информативность.

Формула изобретения

1. Способ вибродиагностики передач зацеплением, при котором техническое состояние каждого зубчатого колеса передачи определяют отдельно, при этом предварительно устанавливают требуемую частоту его вращения, по зубцовым и кратным им частотам настраивают узкополосные фильтры, снимают сигнал с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтруют его узкополосными фильтрами и полученные диагностические данные фиксируют в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде числовых последовательностей, после чего из каждой числовой последовательности выбирают массивы данных, соответствующие целым числам оборотов диагностируемых колес и колебаниям, генерируемым отдельными зубьями при их повороте на угловой шаг, затем на выделенных участках определяют амплитудные значения колебаний и с их учетом оценивают техническое состояние диагностируемого зубчатого колеса, отличающийся тем, что один из узкополосных фильтров настраивают на частоту собственных колебаний диагностируемого зубчатого колеса и из зафиксированных с его использованием в памяти вычислительного средства числовых последовательностей, соответствующих взаимодействию отдельных пар зубьев при их повороте на угловой шаг, выделяют группы данных, соответствующих однопарному и двухпарному зацеплению, рассчитывают средние квадратические величины колебаний на каждом из упомянутых выделенных массивов данных и отношения к ним соответствующих максимальных амплитуд собственных колебаний, а в качестве диагностического параметра используют среднее значение логарифмического декремента затуханий собственных колебаний, при этом предварительно устанавливаемую частоту вращения диагностируемого зубчатого колеса выбирают из соотношения

ω=2·π·f₀/(k·Z),

где ω - частота вращения диагностируемого зубчатого колеса, рад/с;

f₀ - собственная частота колебаний диагностируемого зубчатого колеса;

π=3,1415...;

k - отношение частоты собственных колебаний к зубцовой частоте, принимаемое равным k=2; 3; 4 - для реализации только режима однопарного зацепления при повороте диагностируемого зубчатого колеса на угловой шаг и k=6; 8 при реализации режима однопарно-двухпарного зацепления диагностируемого зубчатого колеса при его повороте на угловой шаг;

Z - число зубьев диагностируемого зубчатого колеса,

а логарифмические декременты затухания собственных колебаний диагностируемого зубчатого колеса определяют из зависимости

u=1,3·[(L_AMАХ/Lσ)-1,46]/(n-1),

где u - логарифмический декремент затухания;

L_AMAX - максимальная амплитуда собственных колебаний на рассматриваемом участке выделенной числовой последовательности;

Lσ - среднее квадратическое значение собственных колебаний в выделенных массивах данных;

n - число полных периодов собственных колебаний диагностируемого колеса в выделенных массивах данных для однопарного или двухпарного зацепления.

2. Способ вибродиагностики передач зацеплением по п.1, отличающийся тем, что для соответствующих целому числу полных оборотов диагностируемого зубчатого колеса из выделенных массивов данных с зубцовыми и собственными колебаниями определяют средние квадратические значения колебаний, а в качестве дополнительного диагностического параметра используют их соотношение.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3