Применение вибрационного анализа для обнаружения дефекта во вращающихся механических элементах

В настоящее время существует тенденция к постоянному повышению требований к безопасности отечественных объектов транспортной инфраструктуры (ОТИ) [1]. В состав этих требований входит профилактический контроль ОТИ. Такой контроль осуществляется при помощи различных методов [2], например, механические – базируются на измерениях геометрических размеров, зазоров в сопряжениях, давлений и скорости элементов; электрические (ваттметрия) – базируются на измерениях силы тока, напряжений, мощности, сопротивлений и других электрических параметров; неразрушающего контроля – магнитные, вихретоковые, оптические, ультразвуковые. В данной работе рассмотрено применение методов вибрационного анализа для исследования полученных в результате компьютерного моделирования данных о вибрации для коробки передач, валы которой вращаются с фиксированной скоростью. Синхронное со временем усреднение используется для выделения компонентов вибрации, связанных с конкретным валом или шестерней, и усреднения всех других компонентов. Спектры огибающей полезны при выявлении локальных дефектов у шестерней, вызывающих высокочастотные удары. Инструментарием при создании компьютерной модели служила система MATLAB, при помощи которой можно решать задачи в различных предметных областях [3, 4].

Постановка задачи

В качестве примера выбрана двухвальная коробка передач, имеющая только первичный (ведущий) и вторичный (ведомый) валы [5].

Крутящий момент передаётся непосредственно с шестерён первичного вала (Pinion) на шестерни вторичного (Gear).

Рассмотрим идеализированную коробку передач, состоящую из 15-зубчатой Pinion

(NPinion=15), и находящейся в зацеплении с 38-зубчатой Gear (NGear=38). При выборе количества зубьев был учтен факт предпочтительности нечетной суммы NPinion+ NGear. В этом случае уменьшается вероятность наличия общего множителя у суммы и ее слагаемых, что приводит к более равномерному износу зубьев. Pinion соединена с входным валом, соеди- ненным с первичным приводом. Gear соединена с выходным валом. Валы поддерживаются роликовыми подшипниками на корпусе коробки передач. Акселерометр A размещен на корпусе редуктора. Съем информации с акселерометра происходит с частотой дискретизации 30 кГц. Схематично такая идеализированная коробка передач представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Идеализированная коробка передач.

Pinion вращается со скоростью fPinion = ния Gear и выходного вала равна:

25 Гц или 1500 об/мин. Тогда частота враще-

Gear

Pinion

Np. -

Pinion

•-------------------------

NGear

= 25 •15 « 9.86

³⁸        [Гц].

Частота зубчатого зацепления, представляющая из себя частоту, с которой зубья Pinion и Gear периодически входят в

зацепление равна:

fMesh

f Pinion

• N pnon

= 25 - 15 = 375

[Гц].

Ставится задача детектирования отсутствия или наличия дефекта в процессе эксплуатации коробки передач.

Предлагаемое решение

На рисунке 2 представлены результаты моделирования вибраций, измеряемые акселерометром A за 0.2 с. Форма волны в виде зубчатой сетки отвечает за передачу нагрузки и, следовательно, обладает наибольшей амплитудой вибрации. Aксе-лерометр A регистрирует вклад вибрации от двух валов и зубчатой передачи. В этой модели вклад тел качения подшипников в сигналы.

Рис. 2. Вибрации

вибрации, регистрируемые с помощью акселерометра A, считается незначительным.

Рис. 3. Локальный дефект (скол) на Gear

Предположим, что один из зубьев Gear имеет такой локальный дефект, как скол (рис. 3). В результате за один оборот Gear возникает удар [6, 7]. То есть локальная неисправность вызывает удар, продолжительность которого меньше продолжительности зацепления зубьев. Дефект на поверхности зубьев Gear генерирует высокочастотные колебания в течение всего времени удара. Частота ударов зависит от свойств компонентов коробки передач и ее собственных частот. В данной модели произвольно предполагается, что удар вы- зывает вибрационный сигнал частотой 2.5 кГц и происходит в течение примерно 15% от 1/fMesh, или за 0.0004 секунды. Удар повторяется один раз за оборот Gear.

В данной модели к сигналу на рисунке 2 добавляется сигнал от удара и белый шум. После этого, добавив белый шум к исходному сигналу (рис. 2), визуализируем за 0.25 с полученные данные (рис. 4). Места ударов обозначены на графике неисправного механизма красными треугольниками. Как видно на графиках, они почти неразличимы.

Рис. 4. Зашумленные сигналы для исправной и дефектной Gear

Сравнение спектров мощности сигналов

Локализованный дефект приводит к появлению распределенных боковых полос в окрестности частоты зубчатого зацепления:

fideebaadl , Pinion

^{= f}Mesh ^{± m ⋅ f}Pinion

V m e [1,2,3,...]

fsidcbamd , Gear   ^fMesh ± m "  ^fGear       ^V m ^{e [1}, ², ³,."^]

На рисунке 5 представлен спектр с исправными и неисправными шестернями. Поскольку дефект связан с Gear, а не с Pinion, то появляются боковые полосы fsideband, Gear

расположенные на расстоянии

f

Gear

друг от друга. Спектры показывают

ожидаемые пики при

f

Gear

f

Pinion

и

fMesh

Но

наличие шума в сигнале делает пики на

f ideband , Gear и ■s'sibeinand , Pinion трудно раЗЛИЧИМЫМИ.

Рис. 5. Спектры для исправной и дефектной Gear

Синхронизированное по времени усреднение выходного сигнала

Синхронизированное по времени усреднение (time-synchronous averaged – tsa) позволяет усреднить случайные шумы с нулевым средним значением и c любыми формами сигналов, не связанных с частотами конкретного вала [8-9]. Это упрощает процесс детектирования дефектов.

На рисунке 6 представлены синхронизированные по времени Pinion и Gear сигналы (tsa – сигналы) для одного вращения.

Воздействие хорошо видно на Gear tsa – сигнале, в то время как для Pinion он усреднен. Место удара, указанное на графике маркером, имеет более высокую амплитуду, чем пики соседних зубчатых зацеплений.

На рисунке 7 представлен спектр мощности Gear tsa – сигнала с 10 боковыми полосами. Обращают на себя внимание на sideband ,Gear пики на , .

05                                   1                                   1.5

Фаза (вращения)

Фаза (вращения)

Рис. 6. Pinion и Gear tsa – сигналы для одного вращения

Рис. 7. Спектр мощности Gear tsa – сигнала

На рисунке 8 представлен спектр мощности Pinion tsa – сигнала с боковыми полосами.

Можно заметить отсутствие заметных пиков на fsideband,Pinion

Рис. 8. Спектр мощности Pinion tsa – сигнала

Заключение

Спектры мощности исходного вибрационного сигнала содержат данные от двух разных валов, а также шум. В этом случае достаточно трудно различить гармоники боковой полосы. А вот в спектре tsa – сигнала хорошо заметны пики в боковых полосах. Также следует обращать внимание на неравномерность значений амплитуды в боковых полосах. Этот факт является ин-

tsa – сигнала Pinion отсутствуют пики на боковых полосах. Данный факт позволяет сделать вывод об исправности Pinion.

Таким образом, применяя tsa-обработку сигналов, можно идентифицировать неисправные шестерни по гармоникам боковой полосы. Эта функциональность полезна, например, в случае необходимости извлечения сигнала от соответствующего вала (шестерни), из коробки передач с несколь-

дикатором локализованных неисправностей в Gear. С другой стороны, в спектре

кими валами и шестернями.