CC BY
63
621.002.5
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ В СИСТЕМЕ ПРИВОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
А.П. ПАДАЛКА
Кубанский государственный технологический университет
Оборудование производства и переработки пищевой продукции включает привод с роторными механическими системами (зубчатыми, цепными, ременными, передачами и редукторами). Ресурс этого привода, как правило, лимитируется ресурсом элементов вращения механических систем. Диагностирование данных элементов позволит прогнозировать техническое состояние оборудования и обеспечить его безаварийную работу.
Техническое состояние объекта делят на три основные категории: исправное, работоспособное и предельное, каждое из которых характеризуется отсутствием либо наличием определенного количества неисправностей. От возрастания числа неисправностей зависит переход из одной категории в другую, а при достижении предельного состояния оборудование снимается с эксплуатации. Поиск неисправностей является основной задачей диагностики.
Каждый объект диагностирования можно охарактеризовать рядом выходных параметров, которые указывают на его принадлежность к определенной группе технических состояний. Так, для системы привода это такие параметры, как частота и мощность вращения на выходе, чистота смазки, отсутствие или наличие повышенной вибрации и т. д. Совокупность таких технических параметров 1 = {2 (?), г (?)2, г (?)3, ... , г (/)т} определяет состояние механизма Ж (/) в данное время.
Множество возможных состояний каждого параметра механизма дает определение технического состояния объекта Ж1 (исправное) или Ж2 (работоспособное). Каждое множество состояний различается запасом работоспособности, которая характеризуется приближением механизма к предельно допустимому состоянию. В различных состояниях механизм имеет разные диагностические сигналы работы элементов и = {щ (/), и2 (?), и3 (0, ... , щ (?)}, поэтому каждому состоянию механизма Ж (?) соответствует определенное значение технических параметров 2 (/),■ с характерными для них параметрами диагностических сигналов щ (?).
Чтобы определить техническое состояние, все возможные состояния нужно разбить на некоторое конечное число т классов, подлежащих распознаванию [1]. Число классов в подмножестве неработоспособных состояний определяется числом возможных отказов. На основе этого определяется область технического состояния объекта Ж1 или Ж2. Анализ состояний объекта в подмножестве Ж1 позволяет установить характер из-
менения его работоспособности и предсказать момент перехода в подмножество Ж2, а следовательно, осуществить прогнозирование состояния объекта.
Таким образом, можно оценить изменение диагностических сигналов при прохождении деградацион-ных процессов в узлах исправного механизма. Диагностирование состояния механизмов на данном этапе называют диагностированием зарождающихся дефектов. Это особенно важно при сборке изготовленных агрегатов перед сдачей их в эксплуатацию.
Во многих деталях машин уже в процессе изготовления появляются дефекты: непровары, горячие и холодные трещины; в литых деталях - газовые пузыри, шлаковые включения, литейные трещины; возможно появление дефектов при нарушениях технологии термической обработки, шлифования и т. п. При наличии резкой концентрации напряжений и дефектов могут возникнуть усталостные трещины на ранних стадиях эксплуатации. Поэтому большое значение имеет проблема оценки долговечности (живучести) детали в условиях эксплуатации на стадии развития дефекта, т. е. момента появления первой макроскопической трещины длиной 0,2-0,5 мм. Диагностирование состояния механизмов на данном этапе особенно актуально [2].
В случае увеличения числа и качества неблагоприятных виброакустических параметров щ (?) с помощью диагностирования можно выявить возникшую неисправность и определить качество объекта в работоспособном состоянии. В каждый момент времени ? состояние механизма можно охарактеризовать набором диагностических признаков и (?). Таким образом, между совокупностью технических параметров (состояний) механизма 2 () и набором диагностических признаков механизма и (/) можно выявить определенную зависимость [1]
(Щ (4 и2 (4 из (?), ... , Щ (?)), (1)
или в частном случае для отдельно взятого технического состояния
2{ = ^ (и) (2)
из чего следует, что каждому параметру технического состояния 2^ удается поставить в соответствие только один характерный диагностический признак и)■ [3].
Таким образом возможно предсказывать время перехода объекта исследования к предельному состоянию.
Одним из методов, наиболее полно определяющим состояние объекта и всех его составляющих, является
виброакустическая диагностика. В ней решаются задачи определения значимости отдельных источников механизма в создании акустического поля этого механизма, что помогает выделению когерентной составляющей в общем шуме или вибрации механизма. Этот метод дает аппарат, позволяющий отыскать «характерный» диагностический признак, однозначно связанный с каким-либо одним параметром технического состояния механизма.
Наиболее информативными являются такие параметры виброакустического сигнала, которые мало меняются от эксперимента к эксперименту при задании одних и тех же параметров технического состояния. Они имеют наименьшую дисперсию при условии, что средние значения этих признаков для разных дефектных состояний достаточно отличаются друг от друга.
Будем считать, что виброакустический сигнал, снимаемый пьезоэлектрическим датчиком вибрации с корпуса исследуемого механизма в системе передачи вращения, имеет вид
Ь (і) = 5 (і) + N (і),
(3)
5 (і) = А - Ехр [-аі] біп (ю0і + ф),
(4)
где £ (?) - полезный сигнал, т. е. составляющая, обусловленная появлением дефекта в составе виброакустического сигнала; N (?) - поме -ха.
Структурный шум, включающий и полезный сигнал, - это собственная корпусная вибрация механизма, к примеру, подшипника, которую назовем вибродиаг-ностическим сигналом £ (?), является сложной периодической функцией, обусловленной периодичностью соударений в кинематических парах. В качестве примера объектов диагностирования выберем подшипник качения как наиболее часто используемый элемент в системе привода агрегатов.
Усталостное разрушение подшипника качения начинается с образования микротрещин. При развитии трещина углубляется и образует раковину, которая является элементарным очагом разрушения.
При ударе тела качения о раковину (рис. 1) усталостного выкрошивания беговой дорожки в кольцах подшипников возбуждаются акустические импульсы, формы которых могут быть описаны выражением [4]
где а - параметр, зависящий от упругих свойств и конструкции соударяющихся деталей и от способа крепления подшипника качения; ф - начальная фаза колебаний; о0 - собственная частота колебаний соударяемой детали; А - амплитуда; ? - текущее время.
Рис. 2
Элементарной составляющей импульса данного удара, регистрируемого датчиком виброакустического сигнала, является затухающая синусоида (рис. 2).
Параметры о и а для подшипника качения можно считать постоянными и не зависящими от технического состояния его деталей.
Амплитуда виброакустического сигнала А является параметром, несущим информацию о техническом состоянии подшипника. Величина А определяется долей кинетической энергии тела качения АЕ, расходуемой на его удар о края дефекта. В результате соударения деталей подшипника возбуждаются упругие колебания на их резонансных частотах.
Информативными диагностическими признаками являются также продолжительность и момент появления импульса, частота и фаза гармонического сигнала.
Наиболее употребительной характеристикой виб-роакустического сигнала является энергетический спектр - поставщик информации об амплитудно-час -тотных изменениях в сигнале при появлении неисправности.
Модель полигармонического возбуждения колебаний в роторных механизмах [4] является удобной формой представления спектра колебательного процесса, позволяющей сконцентрировать внимание исследователя лишь на определенных частотах к/в, кратных основной частоте возбуждения колебаний /в диагностируемого узла механизма.
Известно [1], что любая периодическая функция £ (?), удовлетворяющая условиям Дирихле, может быть разложена в ряд Фурье
а гс " і і
5 (і) = — + )\ак еов2рК—! Ьк біп 2рК —
2 к=1 # * т к т
(5)
Рис. 1
Подставим в выражение параметры амлитуд-но-частотных характеристик
а=4€ї ! Ь* - амплитуда колебания; (6)
ф * = агС^ — - фаза колебания; (7)
Ьк
2р ту /о\
®к = т К - частота. (8)
Тогда воспринимаемый измерительной аппаратурой сигнал 5 (і) представляет ряд гармоник
Рис. 3
) £k = Ak 5т(щг + фk).
(9)
Следовательно, виброакустическая информация подшипника заключена в амплитуде Ак, а скрытые периодичности дефектов определяются круговой частотой Юк.
Сигнал вибрации от ударных импульсов во временном виде (рис. 3) представляется в виде суммы составляющих гармоник с разными периодами, а также периодическими и стационарными случайными составляющими.
Диагностическая информация в таких сигналах является трудночитаемой и не представляет особого интереса. Поэтому, используя выражение
(10)
анализе свойств сил трения и ударных импульсов, представляющих собой нестационарные процессы [5].
Таким образом, переходим к сигналам модулированным, выраженным в частотной форме. Большей информативностью обладают сигналы с амплитудной модуляцией, так как именно такой сигнал показывает наличие дефектов. Модулированные сигналы имеют меньшее влияние помех, что увеличивает точность результата исследования и уменьшает погрешности измерения. Модулирование сигнала при необходимости проводят по частоте или фазе.
Получив частотный спектр огибающей вибрационного сигнала и зная рабочую частоту составных элементов механизма, можно проверить рабочее состояние каждого элемента конструкции данного механизма по наличию либо отсутствию амплитудного всплеска рабочей частоты в проверяемом диапазоне. Информативными будут являться и боковые составляющие данного всплеска.
Например, мы можем проверить состояния тел качения подшипника по частоте вращения тел качения
Г =
л т.к.
Лв 2 а
1 -
СОБ2 Р
(11)
где 5 - коэффициент затухания сигнала.
Преобразуем временной сигнал в частотный (рис. 4) для удобства и простоты чтения полезной информации сигнала. Такая форма выводимого сигнала наглядно показывает структурные изменения в исследуемом механизме.
Анализ процесса диагностирования будет более точным в случае проведения исследования частотного сигнала не ударных импульсов, а огибающей данного сигнала (рис. 5).
Спектральный анализ огибающей применяется для анализа медленных изменений мощности относительно быстрых процессов. Применительно к вибрационной диагностике роторных машин можно говорить об
При наличии всплеска на заданной частоте или час -тоте кратной этому значению стоит говорить о наличии определенного дефекта. Выделение заданной величины проводят с использованием полосовых фильтров.
Используя виброакустическую диагностику, можно определить наличие следующих дефектов изготовления, сборки и эксплуатации для деталей системы приводов [5].
Для подшипников качения:
из дефектов изготовления подшипников: неровности поверхности трения наружного или внутреннего колец, неровности поверхности трения тел качения, разноразмерность тел качения;
из дефектов монтажа подшипников: повышенный неоднородный радиальный или осевой натяг подшипника, перекос неподвижного кольца подшипника, проскальзывание кольца в посадочном месте;
из приобретенных в процессе эксплуатации дефек -тов: износ наружного или внутреннего кольца, износ тел качения, раковины и трещины на кольцах качения,
Рис. 4
Рис. 5
к = 1
2
сколы и трещины на телах качения, износ и трещины в сепараторе, дефекты смазки.
Для механических передач:
с муфтой: бой (несоосность) муфты, износ пальцев или зубьев муфты, автоколебания вала;
зубчатые передачи: бой ведущей или ведомой шестерни, износ (сколы, трещины) зубьев шестерен, дефекты зацепления;
ременные передачи: бой шкива, бой ремня, дефекты шкива и ремня.
Для редукторов: бой вала, дефекты зубьев шестерни (трещины, сколы, налипание материала), дефекты зацепления шестерен, дефекты сателлита, а также все вышеперечисленные дефекты подшипниковых узлов и
соединительных муфт, находящихся в данном редукторе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балицкий Ф.Я. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. - М.: Наука, 1984.
2. Канарчук В.Е. Основы надежности машин. - Киев: Науч. мысль, 1982.
3. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. -М.: Машиностроение, 1971.
4. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. - М.: Высш. школа, 1975.
5. Барков А.В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. - СПб.: АО ВАСТ, 1997.
Кафедра технической механики
Поступила 10.04.07 г.
621.31.004.18
РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ ПЕРВОЙ ГР УППЫ ДИАГРАММ ПЕРЕМЕЩЕНИЯМИКРОПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С УПРУГИМИВАЛОПРОВОДАМИ
Ю.П. ДОБРОБАБА, В.И. КОНОПЛИН
Кубанский государственный технологический университет
В условиях комплексной автоматизации технологических процессов различных отраслей пищевой промышленности необходимо внедрение в производство микропозиционных электроприводов с упругими валопроводами. Такие электроприводы должны удовлетворять требованиям быстродействия и высокой точности позиционирования исполнительных органов механизмов.
В настоящее время решены задачи оптимального по быстродействию перемещения микропозиционных электроприводов с упругими валопроводами без учета влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя при наличии ограничений по току [1], по току и скорости механизма [2]. В работах [3-7] определены оптимальные по быстродействию соответственно 1, 2, 3, 4 и 5-го видов (первой группы) диаграммы перемещения электропривода с упругим валопроводом при ограничении по напряжению без учета влияния нагрузки. Для достижения необходимой точности позиционирования исполнительных органов механизмов в указанных работах учтено влияние индуктивности якорной цепи электродвигателя.
Полученные результаты позволяют перейти к решению задачи оптимального по быстродействию перемещения электроприводов с упругими валопроводами с учетом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя и нагрузки.
Электропривод с двигателем постоянного тока и упругим валопроводом описывается уравнениями
U — Се И ! + Яш 1 ш + ^ш dw,
См 1ш — M_ ! J-1;
dt
M_ — С_ (ф , - ф2);
т dw 2 M — М_ ! J 2 *
dI„
dt
dt
dj, dt dj2 dt
M c =const,
— ®2;
где и - напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигате -ля, В; /я - ток якорной цепи электродвигателя, А; 01 и 02 - угловые скорости электродвигателя и исполнительного органа механизма, рад/с; ф1 и ф2 - углы поворота электродвигателя и исполнительного органа механизма, рад; Му и Мс - момент упругий и момент сопро -тивления, Н • м; Се - коэффициент пропорциональности между напряжением и угловой скоростью электродвигателя, В • с/рад; Яя - сопротивление якорной цепи электродвигателя, Ом; Д - индуктив -ность якорной цепи электродвигателя, Гн; См - коэффициент пропорциональности между током и моментом электродвигателя, В • с; с/1 и с/2 - моменты инерции электродвигателя и исполнительно -го органа механизма, кг • м ; Су - жесткость валопровода, Н • м/рад.
Критерий оптимизации
* ц
5
dt — min,
где Тц - длительность цикла, с.
По техническим требованиям на электропривод с упругим валопроводом накладывается ограничение по напряжению
