СПОСОБ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЕРЕДАЧ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК G01M13/02 

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, кл. G 01 M 13/02, 2001 г.), по которому перед съемом данных на зубе диагностической 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 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, 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, кл, G 01 M 13/02, 1989 г.), выбранный в качестве прототипа, в котором предварительно фиксируют частоту вращения входного вала диагностируемой передачи, рассчитывают зубцовые и кратные им частоты, по ним настраивают узкополосные фильтры, снимают аналоговый электрический сигнал с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтруют его упомянутыми узкополосными фильтрами и полученные диагностические данные фиксируют в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде цифровой последовательности, в последней выбирают массивы данных, соответствующие времени полных оборотов диагностируемых колес и колебаниям, генерируемым отдельными зубьями, после чего параметры колебаний сравнивают с эталонными значениями и по результатам сравнения оценивают техническое состояние диагностируемых зубчатых колес и их зубьев.

Реализация данного способа позволяет последовательно оценить техническое состояние каждого из зубчатых колес и их зубьев при наличии базы данных с частотами эталонными значениями частот собственных колебаний при определенных частотах вращения входного вала и нагружающих моментах на выходном валу диагностируемой передачи.

К существенным недостаткам известного способа можно отнести ограниченные 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, выявление 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, мест установки датчиков, нагруженности и скоростных режимов ее функционирования.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе виброакустической диагностики передач зацеплением, в котором предварительно фиксируют частоту вращения входного вала диагностируемой передачи, рассчитывают зубцовые частоты, по ним настраивают узкополосные фильтры, снимают сигнал с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтруют его упомянутыми узкополосными фильтрами и полученные диагностические данные фиксируют в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде цифровой последовательности, в последней выбирают массивы данных, соответствующие времени полных оборотов диагностируемых колес, на которых затем выделяют участки, соответствующие колебаниям, генерируемым отдельными зубьями, после чего по параметрам колебаний оценивают техническое состояние диагностируемых зубчатых колес и их зубьев, согласно техническому решению съем данных осуществляют при различных нагружающих моментах на выходном валу диагностируемой передачи, при этом для каждого зуба определяют среднее значение размахов колебаний вибрационного сигнала, а в качестве диагностических параметров используют их изменение при увеличении нагружающих моментов и их отношение к нагружающим моментам на выходном валу диагностируемой передачи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагружающие моменты на выходном валу диагностируемой передачи при каждом последующем съеме диагностической информации ступенчато увеличивают, при этом шаг и диапазон ступенчатого увеличения нагружающих моментов выбирают из соотношений соответственно:
ΔT=(0,05÷0,2)•T₀•u (1)
0,3•T₀•u≤T≤T₀•u (2)
где ΔT - шаг ступенчатого увеличения нагружающих моментов на выходном валу диагностируемой передачи;
Т₀ - наименьший из максимально допустимых по условиям контактной и изгибной прочности зубьев зубчатых колес крутящий момент на валах диагностируемой передачи;
Т - момент на выходном валу диагностируемой передачи;
u - передаточное число кинематической цепи, связывающей выходной вал с валом, для которого определен Т₀.

Целесообразно, чтобы при работе диагностируемой передачи в режиме редуцирования съем данных осуществляют при по меньшей мере двух полных оборотах ее выходного вала, а при работе диагностируемой передачи в режиме мультипликации съем данных осуществляют при по меньшей мере двух полных оборотах ее входного вала. Одновременно с вибрационным сигналом дополнительно может быть снят 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 используют для оценки технического состояния диагностируемого зубчатого колеса и его зубьев по критерию контактной усталостной прочности.

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 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 зависимостью (1), позволяет при Т≤Т₀•u для зубчатых колес 6-8 степеней точности гарантированно реализовать режим перехода от однопарного к двухпарному зацеплению, исключив поломку зубьев и схватывание их рабочих поверхностей. При Т≤0,3•T₀•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 зависимостью (2), 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.

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 L_P к соответствующим размахам колебаний вибрационного сигнала L_V в процессе испытаний диагностируемой зубчатой передачи и возникновения контактного выкрашивания его зубьев.

Пример осуществления способа.

Предлагаемый способ был осуществлен на стенде для испытаний зубчатых колес, включающем в себя двигатель с плавно регулируемой скоростью 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 Т=40-200 Нм, шаг его изменения ΔT=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 рассчитывалась зубцовая частота диагностируемой зубчатой передачи, равная f_Z=360 Гц. Затем срединная частота узкополосного фильтра настраивались на эту частоту и осуществлялся при двух-трех оборотах выходного вала диагностируемой передачи съем сигнала с вибродатчика, установленного на ее корпусе.

Вибрационный сигнал фильтровался узкополосным фильтром 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 L_ik. Анализировалось их изменение при увеличении нагружающих моментов (L_ik на фиг.2) и отношения к нагружающим моментам на выходном валу диагностируемой передачи (фиг.3). Для контроля корректности предлагаемого способа диагностирования с помощью тензометрирования контролировалась нагруженность одного из зубьев P_ik, изменение которой при увеличении нагружающего момента на выходном валу передачи показано на фиг.2, на которой приведены изменения средних значений размахов колебаний вибрационного сигнала L_ik для того же (тензометрируемого) зуба.

По изменениям размахов (фиг.2) определялись параметры уравнений регрессии для каждого из зубьев диагностируемой передачи, с использованием которых определялись динамические составляющие нагрузок и рассчитывались погрешности шагов зацепления.

Полученные значения сравнивались с результатами контроля погрешностей шагов зацепления, измеренных универсальными измерительными средствами до сборки диагностируемой зубчатой передачи. В среднем, для диагностируемого зубчатого колеса, отклонение погрешностей шагов зацепления, определенные 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 Т≈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 погрешностей зацепления, 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 L_P к аналогичным параметрам вибрационного L_V увеличились в 1,1-1,3 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.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам виброакустической диагностики зубчатых передач. Предложенный способ заключается в том, что предварительно фиксируют частоту вращения входного вала диагностируемой передачи, рассчитывают зубцовые частоты, по ним настраивают узкополосные фильтры, снимают сигнал с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтруют его упомянутыми узкополосными фильтрами и полученные диагностические данные фиксируют в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде цифровой последовательности, в последней выбирают массивы данных, соответствующие времени полных оборотов диагностируемых колес, на которых затем выделяют участки, соответствующие колебаниям, генерируемым отдельными зубьями, после чего по параметрам колебаний оценивают техническое состояние диагностируемых зубчатых колес и их зубьев. При этом съем данных осуществляют при различных нагружающих моментах на выходном валу диагностируемой передачи, для каждого зуба определяют среднее значение размахов колебаний вибрационного сигнала, а в качестве диагностических параметров используют их изменение при увеличении нагружающих моментов и их отношение к нагружающим моментам на выходном валу диагностируемой передачи. Данное изобретение направлено на расширение технических возможностей вибродиагностики зубчатых передач при одновременном диагностировании всех зубчатых колес передачи и их зубьев. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ виброакустической диагностики передач зацеплением, в котором предварительно фиксируют частоту вращения входного вала диагностируемой передачи, рассчитывают зубцовые частоты, по ним настраивают узкополосные фильтры, снимают сигнал с вибродатчика, установленного на корпусе диагностируемой передачи, фильтруют его упомянутыми узкополосными фильтрами и полученные диагностические данные фиксируют в памяти вычислительного средства в реальном масштабе времени в виде цифровой последовательности, в последней выбирают массивы данных, соответствующие времени полных оборотов диагностируемых колес, на которых затем выделяют участки, соответствующие колебаниям, генерируемым отдельными зубьями, после чего по параметрам колебаний оценивают техническое состояние диагностируемых зубчатых колес и их зубьев, отличающийся тем, что съем данных осуществляют при различных нагружающих моментах на выходном валу диагностируемой передачи, при этом для каждого зуба определяют среднее значение размахов колебаний вибрационного сигнала, а в качестве диагностических параметров используют их изменение при увеличении нагружающих моментов и их отношение к нагружающим моментам на выходном валу диагностируемой передачи.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагружающие моменты на выходном валу диагностируемой передачи при каждом последующем съеме диагностической информации ступенчато увеличивают, при этом шаг и диапазон ступенчатого увеличения нагружающих моментов выбирают из соотношений соответственно

ΔТ=(0,05÷ 0,2)·T₀·u

0,3·T₀·u≤ T≤ T₀·u,

где ΔТ - шаг ступенчатого увеличения нагружающих моментов на выходном валу диагностируемой передачи,

Т₀ - наименьший из максимально допустимых по условиям контактной и изгибной прочности зубьев зубчатых колес крутящий момент на валах диагностируемой передачи,

Т - момент на выходном валу диагностируемой передачи,

u - передаточное число кинематической цепи, связывающей выходной вал с валом, для которого определен Т₀.