Методы контроля эксплуатационного состояния зубчатых колес редукторных систем

В статье предлагается бесконтактный способ контроля, основанный на обработке, отраженного от зубцов колеса зондирующего электрического СВЧ сигнала, в реальном времени путем его сравнения с параметрами эталонных сигналов, полученных аналогичным образом в начале эксплуатации колеса. Параметры зондирующего сигнала определяются геометрическими размерами зубцов и технологической конфигурацией зоны контроля. Основным критерием при этом служит получение необходимой точности диагностики состояния зубца.

Выделяются следующие варианты разрушения зубьев: поломка зубьев, выкрашивание зубьев, повреждения торцов зубьев, абразивный износ, появление дефектов в виде трещин, отслаивание или глубинное контактное разрушение материала [1, 2]. В процессе диагностики из преобразованного в электрический сигнал отраженного зондирующего потока выделяется несколько информационных параметров. Из всех вышеуказанных видов разрушений с помощью предлагаемого способа нельзя диагностировать только появление трещин зубцов, если они расположены не на исследуемой поверхности, т.е. глубинное контактное разрушение материала.

Результаты экспериментальных исследований показали, что принятый отраженный сигнал после детектирования имеет форму колоколообразного импульса. Информационные параметры, выделяемые из сигнала, на основании которых происходит оценка степени износа зубчатого колеса следующие: амплитуда сигнала, коэффициент корреляции сигнала, нормированная длительность фронтов сигнала, скорости нарастания фронтов, нормированная длительность сигнала, отсутствие сигнала.

Каждый из видов износа оказывает влияние на определенный информационный параметр, выделяемый из отраженного потока. Так от- сутствие сигнала указывает на поломку зуба. Выкрашивание зубьев влияет на следующие информационные параметры:

. амплитуда сигнала;

. скорости нарастания фронтов;

. коэффициент корреляции;

. нормированная длительность сигнала.

Абразивный износ зубьев предопределяет такие информационные параметры как:

. коэффициент корреляции;

. нормированная длительность сигнала;

. амплитуда сигнала;

. нормированная длительность фронтов сигнала;

. скорости нарастания фронтов сигнала.

Таким образом, каждый из видов износа зубцов контролируемого колеса влияет на несколько измеряемых информационных параметров.

Суть метода измерения заключается в том, что износ зубца изменяет его геометрические параметры, которые в свою очередь влияют на ту часть, отраженного от исследуемого объекта зондирующего СВЧ сигнала, который попадет на приемо-передающий торец волновода. Изменяющиеся в процессе износа геометрические параметры исследуемого объекта влияют также и на форму информационного сигнала, выделяемого из отраженного зондирующего потока, принятого волноводным датчиком.

Структурная схема устройства для измерения информационных параметров изображена на рис. 1.

СВЧ сигнал формируется в генераторе. Затем поступает в циркулятор по коаксиальной линии передачи. После циркулятора сигнал попадает в конструктивный элемент первичного преобразователя, выполненный в виде круглого волновода. Поток излучения с приемо-передающего торца волноводного преобразователя направляется на рабочую поверхность контролируемого зубчатого колеса. Отраженная волна частично попадает на приемо-передающий торец волноводного преобразователя и через циркулятор по коаксиальной линии передачи направляется в амплитудный детектор. С помощью детектора выделяется огибающая информационного полезного сигнала, которая затем усиливается и подается на АЦП. Оцифрованный сигнал в микроконтроллере сравнивается с эталонным сигналом, записанным в начале эксплуатации зубчатого колеса.

Волноводный преобразователь представляет собой круглый волновод, в котором возбуждается волна типа Е01. Структура поля волны данного типа, внутри круглого волновода, позволяет избежать точной настройки положения излучателя. Внутри круглый волновод заполняется кварцевым стеклом, что позволяет уменьшить габариты волновода, а так же предотвратить засорение внутреннего объема волновода. Использование электромагнитного излучения СВЧ диапазона позволяет избавиться от проблемы загрязнения оптически активного окна оптоэлектронных датчиков и увеличивает температурный диапазон работы первичного преобразователя [3].

Генератор СВЧ диапазона выполняется на СВЧ транзисторах или на диодах Ганна. В случае использования диодов Ганна необходимость в амплитудном детекторе отпадает, т.к. в этом случает диод работает в автодином режиме и выполняет функции генератора, приемника и детектора.

Пиковый детектор обеспечивает измерение амплитуды сигнала и участвует в генерации сообщения об отсутствии конкретного зубца. Зафиксированная амплитуда оцифровывается с помощью АЦП и сравнивается с эталонной, записанной в памяти микроконтроллера. Компа-

Рис. 1. Структурная схема устройства

раторы выполняют функцию информирования о достижении сигналом определенных пороговых уровней, заданных на основе априорных экспериментальных данных. Далее, полученная информация используется в сравнительном анализе длительности фронтов информационного импульса, его длительности и скорости нарастания фронтов сигнала. Отсутствие информационного сигнала свидетельствует об отсутствии зубца.

Датчик оборотов, установленный в устройстве, позволяет реализовать функцию идентификации номера зубца, измерить период вращения исследуемой шестерни, на основании которого произвести нормировку к периоду длительности сигнала и длительности его фронтов.

Предлагаемый способ оценки рабочего состояния зубчатых колес энергонагруженных редукторных систем позволяет проводить анализ состояния зубчатых колес в эксплуатации в любых динамических режимах. В конечном итоге, он позволяет более точно оценить их текущее рабочее состояние, уменьшить количество препарирований механизма, сгенерировать сигнал предаварийного состояния редукторной системы и тем самым значительно уменьшить вероятность отказа сложной и ответственной механической системы и обеспечить эксплуатацию зубчатых колес по их реальному техническому состоянию.