Устройство для диагностики зубчатых передач

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ишин Николай Николаевич Адашкевич Владимир Иосифович Скороходов Андрей Станиславович Трухнов Леонид Иванович Карпович Петр Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для диагностики зубчатых передач, содержащее канал измерения вибрации, состоящий из последовательно соединенных датчика вибросигнала, усилителя регулируемого и аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с блоком памяти 57212009.12.30 программируемым, канал измерения нагружающего момента, коммутатор, индикатор и контроллер с четырьмя выходами, первый и второй выходы которого связаны с входами аналого-цифрового преобразователя и коммутатора, отличающееся тем, что содержит блок синхронного усреднения, входы которого соединены с выходом блока памяти программируемого и третьим выходом контроллера блок преобразования Фурье, вход которого соединен с выходом блока синхронного усреднения, а выход - с коммутатором датчик отметки и модуль ввода данных, которые своими выходами связаны с первым и вторым входами контроллера, четвертый выход которого соединен с входом блока памяти программируемого блоки опорной и текущей дискриминант, входы которых связаны с выходами коммутатора, а выходы - с блоком сравнения, связанным с входом индикатора,при этом канал измерения нагружающего момента присоединен к третьему входу контроллера.(56) 1. Патент 2125248, МПК 01 17/00, 1997. 2. Патент 7366, МПК 01 17/00, 2005. Полезная модель относится к области измерительной техники, преимущественно к области диагностики зубчатых передач, и может быть использована для диагностики коробок передач и бортовых передач автотракторной техники, редукторов мотор-колес самосвалов и других приводных механизмов в условиях эксплуатации. Известно устройство для диагностики механизмов 1, содержащее канал выделения измерительной информации, состоящий из последовательно соединенных первичного преобразователя вибраций, предварительного усилителя, регулируемого полосового фильтра и дополнительного регулируемого усилителя, блока распознавания сигналов, индикатора, программируемого вычислителя, регистрирующего устройства и блока команд. Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности идентификации частотных спектров и амплитудных значений колебаний, генерируемых непосредственно в зубчатом зацеплении, с параметрами вибрационного сигнала,зафиксированного первичным преобразователем вибраций, установленным на корпусе диагностируемой передачи. Это приводит к ошибкам в оценке технического состояния диагностируемого объекта и не позволяет выявить дефекты на ранней стадии их возникновения. Из известных аналогов к предлагаемому устройству наиболее близким по технической сущности является устройство для диагностики передач зацеплением 2, содержащее канал измерения вибрации и определения угловой координаты, канал измерения нагружающего момента, канал измерения частоты вращения ведущего вала. Каждый из каналов состоит из последовательно соединенных датчика основного параметра (датчика вибросигнала, датчика углового положения, датчика нагружающего момента, датчика частоты вращения), регулируемого усилителя и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Устройство содержит также контроллер, обеспечивающий работу АЦП, коммутатора и блока памяти программируемого. Устройство осуществляет достоверное диагностирование зубчатых передач при их испытаниях в стационарных условиях, при которых характерны предварительно установленные постоянные нагрузочные режимы и скорости вращения, отсутствие внешних динамических воздействий. В этом случае параметры вибраций, по которым судят о техническом состоянии диагностируемого объекта, определяются только внутренней динамикой приводного механизма, обусловленной погрешностями изготовления геометрических размеров взаимодействующих элементов, погрешностями монтажа, а также усталостными и износными явлениями, проявляющимися в процессе испытаний. В усло 2 57212009.12.30 виях эксплуатации автотракторной техники вибрационное поле на корпусе передачи зацеплением формируется не только его внутренней динамикой, но и внешней - вибрации, порождаемые взаимодействием элементов двигателя внутреннего сгорания колебания от неровностей дороги при движении колебания, обусловленные неравномерностью скорости вращения входного вала трансмиссии, непостоянством нагружающего момента и др. Вследствие этого, диагностическая информация о техническом состоянии узлов и элементов зубчатой передачи, содержащаяся в вибрационном сигнале, оказывается в значительной степени скрыта в общей вибрации машины. Это затрудняет анализ вибраций и идентификацию элементов зубчатых передач с генерируемыми ими колебаниями, что не позволяет выявить дефекты на стадии их возникновения и развития, приводит к ошибкам в оценке технического состояния диагностируемого объекта. Исходя из вышесказанного, к существенным недостаткам данного устройства относятся ограниченные функциональные возможности при диагностике зубчатых передач приводных механизмов, например бортовых передач, редукторов мотор-колес самосвалов и др., в условиях эксплуатации. Задача настоящего технического решения - расширение функциональных возможностей и также упрощение конструкции устройства для диагностики зубчатых передач. Расширение функциональных возможностей устройства обеспечивается диагностированием зубчатых передач в условиях эксплуатации или при их натурных испытаниях путем выделения и анализа из общего виброакустического сигнала, сформированного на корпусе диагностируемого объекта различными источниками возмущения, вибраций, генерируемых только элементами зубчатой передачи, а упрощение конструкции - посредством замещения каналов определения угловой координаты и частоты вращения на датчик отметки оборотов вала зубчатой передачи, взаимодействующий с контроллером. Для решения поставленной задачи предлагается устройство для диагностики зубчатых передач приводных механизмов, содержащее канал измерения вибрации, состоящий из последовательно соединенных датчика вибросигнала, усилителя регулируемого и аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с блоком памяти программируемым, канал измерения нагружающего момента, индикатор и контроллер, первый и второй выходы которого связаны с входами аналого-цифрового преобразователя и коммутатора соответственно, причем, согласно техническому решению, устройство содержит блок синхронного усреднения, входы которого соединены с выходом блока памяти программируемого и третьим выходом контроллера соответственно, блок преобразования Фурье, вход которого соединен с выходом блока синхронного усреднения, а выход - с коммутатором,датчик отметки и модуль ввода данных, своими выходами связанные с первым и вторым входами контроллера, четвертый выход которого соединен с входом блока памяти программируемого, также дополнительно установлены блоки опорной и текущей дискриминант, входы которых связаны с выходами коммутатора, а выходы - с блоком сравнения,при этом канал измерения нагружающего момента присоединен к третьему входу контроллера, а индикатор - к выходу блока сравнения. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для диагностики зубчатых передач. На фиг. 2 представлен спектр вибраций на входном валу коробки передач автомобиля МАЗ. На фиг. 3 представлен спектр вибраций на промежуточном валу коробки передач автомобиля МАЗ. Устройство (фиг. 1) содержит контроллер 1, первый вход которого соединен с датчиком 2 отметки, второй вход - с модулем 3 ввода данных, третий вход - с каналом 4 измерения нагружающего момента, выходы контроллера 1 соединены соответственно с входами аналого-цифрового преобразователя 5, блока памяти 6 программируемого, коммутатора 7 и блока 8 синхронного усреднения, вход которого связан с выходом блока па 3 57212009.12.30 мяти 6 программируемого, а выход - с блоком 9 преобразования Фурье, выход которого связан с входом коммутатора 7. Канал 10 измерения вибраций, содержащий последовательно соединенные датчик 11 вибросигнала, усилитель 12 регулируемый и аналогоцифровой преобразователь 5, связанный своим выходом со вторым входом блока памяти 6 программируемого, блок 13 опорных дискриминант и блок 14 текущих дискриминант соединены своими входами с выходами коммутатора 7, а выходы блоков 13 и 14 связаны соответственно с блоком 15 сравнения. Индикатор 16 присоединен к выходу блока 15 сравнения. Расширение функциональных возможностей устройства для диагностики зубчатых передач приводных механизмов достигается за счет выделения посредством синхронного усреднения по времени только тех составляющих вибросигнала, которые согласованы с вращением диагностируемого вала зубчатой передачи. Шумовые и несинхронные составляющие сигнала в процессе синхронного усреднения стремятся к нулю. Так, например, ухудшение состояния контактирующих поверхностей зубчатых пар и узлов типа абразивного изнашивания сопровождается ростом амплитуд спектральных составляющих практически во всем частотном диапазоне вибросигнала, но каждая кинематическая пара характеризуется своими частотами возбуждения. Для зубчатой пары это частота вращения каждого колеса и зубцовая частота, каждая из которых является образующей для целого гармонического ряда частот. Скорости вращения валов приводного механизма связаны определенной кинематикой с частотой возбуждения в зубчатом зацеплении. При этом частоты возбуждения изменяются пропорционально частоте вращения. Устройство работает следующим образом. Предварительно, путем анализа кинематической схемы диагностируемого узла (например, коробки передач, бортового редуктора и др.), определяются пересчетные коэффициенты частоты вращения промежуточных и выходного валов коробки передач по отношению к частоте вращения ее входного вала. Далее информация вводится через модуль ввода данных 3 в контроллер 1. Датчик 11 вибросигнала, установленный на корпусе приводного механизма, содержащего зубчатые передачи, генерирует сигнал, являющийся источником информации о текущем состоянии передачи зацеплением (зубчатых колес и подшипниковых узлов). В качестве датчика 11 вибросигнала применяется пьзоэлектрический преобразователь со встроенным усилителем заряда, обеспечивающий передачу сигнала по длинной линии и устойчивость к электромагнитным помехам. Сигнал от датчика 11 вибросигнала, пропорциональный виброускорению, подается на вход усилителя 12 регулируемого, который обеспечивает автоматический выбор коэффициента усиления, необходимого для передачи сигнала виброускорения в пределах динамического диапазона, и приведение его до уровня нормализованного, а также осуществляет его предварительную фильтрацию в заданном диапазоне частот. Фильтрация необходима для подавления составляющих вибросигнала, лежащих вне информативного диапазона частот, что позволяет минимизировать эффект наложения спектров. После фильтрации сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь 5, который производит дискретизацию сигнала с частотой, не менее чем в 2,56 раз превышающей максимальную частоту в полосе пропускания канала 10 измерения вибрации. При этом частота дискретизации и длительность цикла выборки вибросигнала определяется сигналами управления, поступающими от контроллера 1 на вход аналого-цифрового преобразователя 5. Начало и конец отсчета цикла выборки синхронизируются от сигнала датчика 2 отметки, установленного на одном из валов диагностируемой зубчатой передачи приводного механизма. В качестве датчика 2 отметки может применяться, например, бесконтактный преобразователь на основе эффекта Холла или преобразователь индуктивного типа,взаимодействующий с конструктивным элементом вала зубчатой передачи, таким как шлиц или шпоночный паз, или специально установленным на вал элементом. Этот элемент, обеспечивающий взаимодействие бесконтактного датчика с валом при его вращении 4 57212009.12.30 и соответственно формирование импульсного сигнала на выходе датчика 2 отметки, называется отметкой. Положение отметки относительно датчика 2 отметки в каждый момент времени позволяет определять угловое положение всех валов диагностируемой зубчатой передачи. Контроллер 1 вычисляет длительность цикла выборки вибросигнала для данного диагностируемого вала в соответствии с пересчетными коэффициентами, заданными от модуля 3 данных относительно быстроходного вала с отметкой. Контроллер 1, получая последовательные импульсы от датчика 2 отметки, вычисляет по их периоду частоту вращения диагностируемого вала. Сформированный аналого-цифровым преобразователем 5 файл выборки по команде контроллера 1 передается параллельным кодом в блок 6 памяти программируемый. После этого повторяется заданное количество циклов выборки, при тех же начальных условиях, и осуществляется запись этих файлов выборки в блок 6 памяти программируемый. Одновременно, в процессе аналого-цифрового преобразования и записи заданного числа файлов выборки, контроллер 1 передает в блок памяти 6 программируемый среднее значение нагружающего момента от канала 4 измерения нагружающего момента и среднее значение частоты вращения для данного диагностируемого вала. Канал 4 измерения нагружающего момента реализуется в виде последовательно соединенных датчика крутящего момента и усилителя-нормализатора. При этом в качестве датчика крутящего момента может применяться, например, тензометрическая муфта,установленная на любом из валов зубчатой передачи или входном валу приводного механизма. Если же в приводном механизме использован электродвигатель, то определение крутящего момента на валу зубчатой передачи может осуществляться косвенным образом,посредством измерения потребляемого электродвигателем тока. Сформированный в блоке 6 памяти массив данных содержит среднее значение нагружающего момента, среднее значение частоты вращения для всего времени выборок вибросигнала для данного диагностируемого вала, мгновенные значения вибросигнала, соответствующие обозначенной временной дискретной выборке аналого-цифрового преобразования, а также временное положение в выборке отметки углового положения вала. Общее число выборок аналогоцифрового преобразования в массиве соответствует не менее 15 оборотам диагностируемого вала. Этот массив данных, записанный в блоке 6 памяти программируемом и представленный в текстовом формате, передается по команде контроллера 1 в блок 8 синхронного усреднения. Далее в блоке 8 синхронного усреднения мгновенные значения вибросигнала всего массива, соответствующие обозначенной временной дискретной выборке аналого-цифрового преобразования, перманентно суммируются (т.е. суммируются элементы выборок, занимающие одно и то же положение в буфере данных). Полученная сумма выборок, по данной обозначенной временной дискрете аналого-цифрового преобразования, делится на общее количество этих дискретных выборок (например, 15). Такое усреднение производится для всех обозначенных дискрет аналого-цифрового преобразования и после этого формируется файл реализации, соответствующий одному обороту диагностируемого вала и содержащий достоверные значения вибросигнала, поскольку точки, где значения сигнала, синхронизованного с вращением диагностируемого вала,всегда находятся в одном и том же месте относительно начала выборки и их последовательное суммирование позволяет выделить эти значения на фоне шума и несинхронных составляющих. После усреднения полученный файл реализации подается на блок 9 преобразования Фурье, где посредством процессора блок 9 преобразования Фурье происходит преобразование данных из временной области в частотную с получением гармонического спектра амплитуд вибраций контролируемого вала. Эти данные обозначаются как файл спектра данного диагностируемого вала. Далее файл спектра, содержащий также средние значения нагружающего момента и частоты вращения, по команде контроллера 1 заносится через коммутатор 7 в блок 14 текущих дискриминант. В процессе эксплуатации приводного механизма с зубчатой передачей в блоке 13 опорных дискриминант предварительно создает 5 57212009.12.30 ся библиотека файлов спектра, именованных для каждого диагностируемого вала по среднему нагрузочному моменту и средней частоте вращения. Блок 15 сравнения осуществляет выборку из блока опорных дискриминант подходящего для сравнения файла спектра(совпадение данных файла) с файлом спектра, полученным от блока 14 текущих дискриминант, и осуществляет сравнение этих файлов спектра диагностируемого вала по заданным параметрам (амплитуде, среднеквадратическому значению и др.). После каждой операции сравнения, в случае достижении величины дискриминанты диагностируемого вала (отдельной зубчатой пары), предельно допустимой для данного узла, блок 15 сравнения выдает информацию о техническом состоянии зубчатой передачи диагностируемого вала на индикатор 16 и сигнализирует о дальнейшей эксплуатации машины в виду возможного аварийного выхода контролируемого узла из строя. Описанная процедура контроля периодически повторяется для каждого из валов зубчатой передачи приводного механизма, своевременно информируя оператора о текущем техническом состоянии наиболее нагруженных элементов зубчатой передачи. Применение датчика 2 отметки оборотов ведущего вала зубчатой передачи позволяет конструктивно упростить устройство и тем самым дополнительно расширить функциональные возможности предлагаемого устройства при его использовании в условиях эксплуатации автотракторной техники. Предлагаемое устройство было создано и апробировано при проведении испытаний коробки передач (КП) производства Минского автомобильного завода. Датчик вибросигнала (пьезоакселерометр) был установлен на корпусе коробки передач, а датчик отметки оборотов - на ее входном валу. Испытания велись при включенной 6-й передаче и частоте вращения входного вала КП 670 мин-1. На входном валу КП расположено колесо с числом зубьев 33, на промежуточном - несколько зубчатых колес с числом зубьев 14,20,28,35. На фиг. 2 представлен спектр вибраций на входном валу коробки передач автомобиля МАЗ. На спектре вибраций входного вала фиг. 2 доминируют 33 и 66 гармоники вибраций,которые генерируются колесом с числом зубьев 33. На спектре вибраций промежуточного вала фиг. 3 четко фиксируются все гармоники,соответствующие числам зубьев колес, расположенных на данном валу. Полученные спектры подтверждают возможность идентификации и оценки уровня вибрационных колебаний, излучаемых зубчатой передачей при работе приводного механизма. Испытания коробки передач производились на различных этапах ее жизненного цикла. При этом диагностирование испытываемой коробки, посредством предлагаемого устройства, показало достаточную эффективность контроля ее технического состояния и обеспечило выдачу информации на индикатор о предельном состоянии зубчатой передачи. Реализация предложенного устройства для диагностирования зубчатых передач приводных механизмов позволяет существенно расширить возможности идентификации виброакустических параметров с источниками их возникновения в условиях эксплуатации машин, осуществить эффективный комплексный анализ процессов динамического взаимодействия элементов зубчатых передач и на его основе с высокой степенью достоверности установить их действительное техническое состояние, своевременно произвести ремонтные работы, не допуская аварийного выхода приводного механизма или трансмиссии из строя. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7