CC BY
52
УДК 631.436
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВИБРАЦИОННОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
В. А. Мачнев, доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8 (412) 628-579
Рассматриваются вопросы диагностирования и прогнозирования технического состояния механических передач тракторов и другой сельскохозяйственной техники по параметрам вибрационных сигналов, возникающих при работе механизма с выделением колебаний в ультразвуковой части спектра.
Ключевые слова: сельскохозяйственная техника, техническое обслуживание, диагностирование, вибрация, прогнозирование технического состояния.
Машины, как и их составные части, имеют разные значения коэффициента равноресурсности. В среднем для тракторов он колеблется в пределах 0,1...0,8 [1, 2, 3]. В силу этого приобретает большое значение вопрос нахождения остаточного ресурса, чтобы можно было определить, достаточен ли он для того, чтобы машина доработала до следующего ремонта или периодического обслуживания.
Прогнозирование и определение остаточного ресурса является необходимым условием повышения эффективности использования техники, составных частей
машин, снижения затрат на необоснованную разборку-сборку, обеспечения полного использования срока службы и других показателей надежности составных частей машин [3, 4, 5, 6, 7]. Несмотря на проведенные исследования по диагностированию вибрационным способом различных механизмов и машин, вопросы прогнозирования технического состояния машин и их элементов по параметрам вибрационных сигналов до сих пор остаются неизученными [4, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14].
С износом механической передачи (карданного вала, подшипника, зубчатой пере-
Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 83
дачи и т. д.) происходит увеличение скорости соударения деталей и скорости протекания деформаций, возникающих при мгновенном приложении нагрузки. Конечно, здесь мы не будем касаться случаев, когда происходит приработка деталей и многие погрешности взаимодействующих тел с течением времени уменьшаются, снижая скорость соударения деталей и амплитуду вибрационных сигналов [4, 8, 13].
В процессе эксплуатации, как показали проведенные нами исследования [4, 8, 11, 15], амплитуда сигналов, выделенных в ультразвуковом диапазоне частот, изменяется по плавной кривой. Бесконечно малому приращению наработки соответствует бесконечно малое приращение многих структурных параметров, и по этой причине наблюдается постепенное приращение амплитуды. Имеющиеся случаи внезапного отказа, например, по причине разрушения зуба, вызывают увеличение амплитуды от взаимодействия именно этого зуба порядка в 200...400 раз, что может определяться установлением порогового значения не от усреднения группы сигналов, а от максимального выброса амплитуды среди них. Однако такие случаи чрезвычайно редки и вызываются в основном попаданием посторонних предметов в зону зацепления.
Таким образом, амплитуда сигналов по мере наработки увеличивается постепенно по непрерывной функции A=<(t). В реальных условиях при одной и той же наработке происходит значительное рассеивание амплитуды сигналов. На это оказывает влияние ряд факторов: точность изготовления деталей, погрешности монтажа, технология изготовления или восстановления деталей, условия эксплуатации - нагрузка, характер выполненных машиной операций (транспортные работы, уход за растениями, работа с погрузчиком и т. д.). Перечисленные факторы определяют случайную природу долговечности деталей или машины в целом.
Изменение структурных или вибрационных сигналов с наработкой неплохо описывается степенной функцией, общий вид которой для амплитуды вибросигналов [1]
A(t)=А1 +Vcta+z(t) .
Здесь a(t) - текущее значение амплитуды сигналов, мВ; А1 - показатель, характеризующий номинальное значение, т. е. амплитуда сигналов после приработки, мВ; Vc - показатель средней скорости изменения амплитуды на единицу наработки, мВ/ мото-ч; t - наработка, мото-ч; а - показа-
тель степени, характеризующий крутизну кривой; 2(() - отклонение амплитуды сигналов под действием случайных внешних факторов, мВ.
Средняя скорость изнашивания находится из статистических наблюдений за значениями амплитуды и наработки. Функция отражает отклонение фактической функции амплитуды от теоретически полученной кривой в прогнозируемый период - на следующий межконтрольный период или наработку до достижения предельного состояния. В основном на влияют условия эксплуатации машины в предстоящем периоде. Показатель степени а функции зависимости амплитуды сигналов от энергии соударения отражает характер изменения функции, и, поскольку энергия пропорциональна квадрату скорости, показатель степени следует ожидать высоким.
Отклонение амплитуды сигналов от номинального значения будет характеризоваться функцией [2]
где АЛу) - отклонение амплитуды сигналов, мВ.
Функция для вибрационного сигнала, отражающая отклонение амплитуды от экстраполяционной функции, характеризуется нормальным случайным процессом с математическим ожиданием, равным нулю.
Целью прогнозирования служит не определение вида функции вибрационного сигнала, а нахождение остаточного ресурса механической передачи или ее элементов.
Прогнозирование осуществляется двумя методами - по среднему статистическому отклонению параметра и по реализации отклонения параметра. Первый метод целесообразно применять для определения технических требований на ТО и ремонт механизмов и их элементов, определения межконтрольной наработки, межремонтного ресурса, или среднего ресурса. Часть машин или их составных частей достигает предельного износа ранее среднего значения ресурса, а другая - позднее. В первом случае потребуется проводить необоснованные затраты на ремонт по устранению последствий отказа, а во втором будет наблюдаться неполное использование ресурса.
Метод прогнозирования по реализации учитывает индивидуальные особенности контролируемого механизма (составной части), которые отражают условия эксплуатации, технологические факторы и т. д. Данный метод предназначен для определения
ресурса конкретного элемента или механизма в целом по его ресурсообеспечи-вающим параметрам.
Остаточный ресурс передачи или ее деталей по реализации амплитуды вибросигналов можно определить по выражению [15]
^ ост ^К
ла
лА( г)
-1
(1)
где гост - остаточный ресурс, мото-ч;
гК - наработка к моменту последнего контроля, мото-ч;
ЛАп - предельное отклонение амплитуды сигналов, мВ.
Оптимальный остаточный ресурс определяется по наименьшим удельным затратам или путем применения приближенного коэффициента оптимизации, обычно принимаемого к = 0,8, на который умножают выражение (1).
В целях обеспечения возможности совмещения операций по техобслуживанию или ремонту, а также с учетом напряженности работ найденный остаточный ресурс определяют в интервале верхней и нижней границ, расширяя его на = 10...12,5 % от полученного значения. Тогда выражение остаточного ресурса можно записать в виде
=0,8^
ЛАп ЛА$)
-1
(1-5) ,
(2)
где ЛА(г) - измеренное отклонение амплитуды сигналов, мВ; 5 - коэффициент расширения интервала.
По формуле (2) определяется остаточный ресурс при известной наработке от начала эксплуатации до момента контроля и при одном измеренном значении вибрационного диагностического параметра. Она имеет ограниченное применение. В частности, при передачах, подвергшихся ремонту, может давать высокую погрешность.
При неизвестной наработке с начала эксплуатации и после проведения ремонтных работ, влияющих на динамику механической передачи, для снижения погрешности определения остаточного ресурса вычисления следует проводить по результатам двух измерений с наработкой между ними не менее межконтрольной. В этом случае
ост ост '
где
я=-
1
—+1,
(ла2 у 1
1мJ
тогда
г =г
ост
(ЛАп ^
1.ЛА
-1
где ЛА1, ЛА2 - отклонение амплитуды от номинального при первом и втором измерениях, мВ; г' - наработка между двумя измерениями, мото-ч.
Применение этой зависимости для прогноза, конечно, снижает погрешность, однако она не учитывает характер диагностирования по параметрам динамики передач.
Функция изменения амплитуды сигналов, полученная для механических передач, имеет свои особенности. Начальный период эксплуатации характеризуется малым углом наклона линии изменения вибрационного сигнала, и, наоборот, при значениях наработки и структурных параметров, близких к предельным, функция имеет большую крутизну - малому приращению наработки соответствует достаточно большое приращение амплитуды, что является следствием энергетических соотношений при ударе. Вместе с тем ресурс механических передач достаточно высок и обеспечивает возможность нескольких измерений даже при большой межконтрольной наработке, равной 1000 мото-ч. Поэтому для снижения погрешности прогноза предлагается использовать три измерения вибрационного параметра и с учетом этого определять остаточный ресурс. Следует учесть, что влияние на показания средней скорости Ус каждого результата измерения будет разным. Более сильным для нее служит значение амплитуды сигналов, полученное из последнего измерения. Введем для учета этого весовые коэффициенты Ь, равные при первом измерении Ь1=0,2, при втором Ь2=0,3 и при третьем Ь3=0,5. Тогда среднее значение скорости изменения амплитуды сигналов окажется
3
ЬЛА(г) га
V ср = _
&2
где Vcc!' - показатель усредненной скорости изменения амплитуды, мВ/мото-ч; Ь -весовой коэффициент; ЛА(г) - отклонение амплитуды от номинального значения при /'-м измерении, мВ; г- наработка к моменту /'-го измерения, мото-ч.
Имея в виду, что ЛА(га, и проведя с учетом этого соответствующие преобразования формулы (1), получим выражение для определения среднего остаточного
1=1
Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 85
ресурса гст при трех измерениях вибрационного параметра:
Г =
ост
I к*
-и
0,8(1±S).
Значение остаточного ресурса по этому выражению находится более точно, и в связи с этим границы интервала среднего остаточного ресурса могут быть расширены до S = 0,125, по сравнению с S = 0,1 при двукратном или однократном измерениях.
На практике зачастую следует знать, какого же значения достигнет амплитуда сигналов к концу остаточного ресурса. Известно, что она изменяется в сторону увеличения. При математическом ожидании функции z(t), равном нулю, постоянной дисперсии амплитуда в определенной степени зависит и от автокорреляционной функции, характеризующей тесноту связи функции вибрационного сигнала в момент контроля и в момент, когда механическая передача или ее элемент выработают свой ресурс. Тогда значение амплитуды сигналов в момент, когда передача отработает остаточный ресурс, будет
А=0Ост =V (tK +tост )+р(Ак +Ан +Vct:)+Ан ,
где Ак - значение амплитуды при последнем контроле, мВ; АН - значение амплитуды при номинальном состоянии, мВ; р -автокорреляционная функция.
Автокорреляционная функция зависит от того, каков остаточный ресурс. Если он больше межконтрольной наработки, то значение автокорреляционной функции следует принять равным нулю, поскольку неизвестна величина отклонения параметра и ее знак. Автокорреляционную функцию следует находить из выражения
t
t
при t <t остт
0 при г >г ,
-г ост т'
где гт - значение межконтрольной наработки, мото-ч.
Среднеквадратическое отклонение погрешности определения ресурса составляет
<у=.
Ym-1
где V - случайная величина скорости изменения отклонения функции 2(Р) от теоретической кривой; т - число измерений.
Нередко остаточный ресурс требуется определить при условии обеспечения безотказной работы с определенной вероят-
ностью. Для механических передач и их элементов, имеющих достаточно высокие показатели по ресурсу, целесообразно применять вероятность безотказной работы в пределах р = 0,8...0,99.
Основные показатели функции изменения амплитуды сигналов, такие как средняя скорость изменения амплитуды, показатель степени функции, показатель приработки (номинальное значение сигнала), а также погрешность диагностирования, предельное и допускаемое значения амплитуды сигналов, устанавливаются экспериментально путем набора статистических данных.
Из изложенного выше следует, что амплитуда вибрационных сигналов, выделенная в ультразвуковом спектре частот на резонансной частоте акселерометра, может использоваться не только для определения технического состояния, но и для прогнозирования остаточного ресурса механизмов или их элементов. Использование весовых коэффициентов для различных периодов эксплуатации позволит находить значение остаточного ресурса с меньшей погрешностью.
Литература
1. Михлин, В. М. Управление надежностью сельскохозяйственной техники /
B. М. Михлин. - М.: Колос, 1984. - 335 с.
2. Михлин, В. М. Система технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники по результатам диагностирования / В. М. Михлин. - М.: Информагро-тех, 1995. - 63 с.
3. Дринча, В. М. Диагностирование систем и агрегатов с помощью ЭВМ / В. М. Дри-нча, Н. И. Мошкин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. - № 7. -
C. 45-47.
4. Мачнев, В. А. Вибрации в зубчатых колесах коробки передач / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. - 2008. - № 2. - С. 55-57.
5. Мачнев, В. А. Использование вибрационных процессов в зубчатой передаче /
B. А. Мачнев, В. И. Шишкин // Техника в сельском хозяйстве. - 1996. - № 3. - С. 38-40.
6. Мачнев, В. А. Параметр для оценки состояния подшипников качения / В. А. Мач-нев, В. И. Шишкин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2001. - № 7. -
C. 43-44.
7. Мачнев, В. А. Связь вибраций с ресурсом механизма / В. А. Мачнев // Сб. мат-лов науч. конф. «Экология и безопасность жизнедеятельности». - Пенза, 2002. -С. 265-266.
8. Мачнев, В. А. Исследования работы подшипников качения трансмиссий тракто-
ров / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. -2008. - № 4. - С. 53-57.
9. Мачнев, В. А. Основные предпосылки вибрационного диагностирования / В. А. Мач-нев // Нива Поволжья. - 2007. - № 1. -С. 25-28.
10. Мачнев, В. А. Обоснование технологической карты поиска неисправностей передач / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. -2008. - № 3. - С. 63-66.
11. Мачнев, В. А. Вибрации редуктора диапазонов трактора Т-3К / В. А. Мачнев, И. Ф. Белый, А. В. Мачнев // Сб. мат. науч.-практ. конференции инженерного факультета «Роль науки в развитии АПК». - Пенза, 2005. - С. 120-122.
12. Мачнев, В. А. Обоснование параметров для оценки технического состояния под-
шипников качения / В. А. Мачнев, А. В. Мач-нев, В. И. Шишкин // Техника в сельском хозяйстве. - 2004. - № 3. - С. 28-29.
13. Мачнев, В. А. Влияние вибраций на изнашивание подшипников / В. А. Мачнев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2004. - № 3. - С. 48-49.
14. Мачнев, В. А. Прибор для контроля передач / В. А. Мачнев, И. Ф. Белый, А. В. Мач-нев // Сб. мат-лов науч. конф. «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств». - Пенза, 2003. - С. 127-129.
15. Мачнев, В. А. Вибрационное диагностирование и прогнозирование состояния механических передач тракторов: ав-тореф. дис... д-ра техн. наук: 05.20.01 / В. А. Мачнев. - М., 1997. - 41 с.
Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 87
