ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ С ПОМОЩЬЮ НОВОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ РОТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

By Anil Jacob and Dr. Y. I. Sharaf-Eldeen

Новый метод контроля состояния основан на анализе вибрационных сигналов в фазовой области (цикла действия или вращения машины), когда анализируемым параметром служит угловое движение ротора. В отличие от анализа во временной области, где в качестве независимой переменой выбирается время, здесь в качестве такой переменной используется угол поворота ротора или фаза. В настоящей статье проведено сравнение результатов диагностирования, полученных с помощью спектров сигналов, снятых непосредственно с выхода акселерометра, и результатов, полученных с помощью характеристик, рассчитанных в фазовой области для различных условий нагружения, частоты вращения и степени повреждения зубьев зубчатых передач. Анализ полученных результатов показал эффективность нового метода при контроле состояния коробок передач.

Перевод с англ. И.Р.Шейняка, под ред. В.А. Смирнова, к.т.н.

     Неудачи применения общепринятых методов анализа состояния по сигналу вибрации связаны с тем, что передаваемая вибрационная энергия может и не отражать в полной мере истинное состояние машины. Акселерометр воспринимает суммарный сигнал от всех источников, не делает никакого различия между ними. Вибрация от источников, не относящихся к объекту вашего исследования, но имеющих те же частоты, затрудняет проведение анализа. Кроме того, повреждение можно и не обнаружить, если акселерометр будет установлен в неподходящем месте. Как результат, зачастую акселерометры помещают во всех критических точках машины, получая при этом огромный объем информации, которую затем необходимо еще обработать для получения правильного заключения.
     Для того, чтобы преодолеть указанные проблемы, был разработан и испытан новый метод контроля состояния, основанный на анализе углового движения. В качестве независимой переменной выбирается не время, как при обычных методах анализа, а угол поворота (фаза цикла вращения). В качестве датчика сигнала, который отображается в фазовой области, используется оптический кодер. Сигнал на выходе этого датчика преобразуется в напряжение, обратно пропорциональное угловой скорости, с помощью специально сконструированной системы испытаний и анализа (METAS). Сигнал с выхода METAS может быть подвергнут самым разнообразным видам обработки.

     Оборудование и процедуры, изложенные ниже, были специально подготовлены для сравнения концепции обработки в фазовой области с традиционными методами вибрационного анализа и обнаружения неисправностей.

Оборудование

     На рис. 1 схематически изображена 2-х ступенчатая зубчатая передача, которая использовалась в эксперименте. Все зубчатые колеса были изготовлены из алюминия и имели шаг зацепления 24, ширину венца 6,4 мм (1/4 дюйма) и диаметр втулки 12,7 мм (1/2 дюйма). Общий коэффициент зубчатой передачи - 1:7,14. Концы валов были жестко соединены со стальной плитой размером 457 х 609 х 19 мм. Эта плита была зафиксирована на столе с помощью двутавровой балки.
     Двигатель, используемый для привода зубчатой передачи (фирмы "Дайтон Электрик", модель 4Z380) представлял собой двигатель постоянного тока с переменной скоростью вращения и встроенной системой охлаждения. Максимальная частота вращения двигателя составляла 1725 об/мин (28,75 Гц), на этой частоте максимальный крутящий момент был равен 0,84 кгм. Движением двигателя управлял контроллер с однооперационным триодным тиристором фирмы "Дайтон Электрик", модель 4Z377B. Нагрузкой зубчатой передачи служил электрический динамометр фирмы "Мегатех", модель DG3, передающий механическую энергию на электрогенератор. Производимый генератором ток рассеивался на внутренних катушках сопротивления динамометра. Максимальная мощность динамометра на частоте вращения 5000 об/мин составляла 3,6 л.с., что позволяло обеспечивать крутящий момент от 0 до 55,2 кгсм. Для охлаждения динамометра применялся автономный вакуумный вентилятор, изготовленный отделением "Лэм Электрик" фирмы "Аметек", модель 115717, с номинальной частотой вращения 19875 об/мин.
     Акселерометр модели 12213E фирмы "Эндевко", был установлен вблизи второй ступени передачи на 3-х компонентном блоке. В качестве преобразователя для обработки в фазовой области использовался оптический кодер модели R85 фирмы "Роббин Майерс разрешением 1000 меток на оборот.
     METAS представляет собой полностью цифровой прибор, специально сконструированный для обработки сигнала в фазовой области [6]. Для получения информации о фазе движения использовался датчик угла поворота. Принцип действия данного прибора заключается в определении времени, за которое вращающийся вал проходит от одной отметки фазы до другой и последующего преобразования его в пропорциональное напряжение посредством преобразователя время-напряжение [6].
     Для наблюдения сигналов с акселерометра и кодера, после преобразования последнего прибором METAS, использовался осциллограф модели 2221 фирмы "Тектроникс". Анализ полученных данных осуществлялся с помощью Фурье-анализатора модели 2630 той же фирмы, [9], подсоединенного к IBM PC/AT-совмести-мому компьютеру через последовательный порт. Выходы акселерометра и прибора METAS были подсоединены к входным каналам Фурье-анализатора, что позволяло осуществлять сравнение спектров сигналов с этих устройств.

Рис. 1. Испытуемая зубчатая передача

Эксперимент

     Данные одновременно снимались с акселерометра и прибора METAS в течение всего хода испытаний. Поскольку собранная информация сразу преобразовывалась и хранилась в форме спектров, под данными в дальнейшем мы будем понимать только представление информации в частотной области.
     Когда у динамометра в положении "Включено" находился только основной переключатель, единственным вращающимся элементом экспериментальной установки являлся вентилятор системы охлаждения динамометра. В этом режиме данные собирались для оценки вклада вентилятора динамометра в сигналы с обоих датчиков.
     В каждом из описанных ниже экспериментов динамометр был соединен с экспериментальной установкой. Всего было проведено 4 испытания для разных состояний зубчатой передачи:
     - в исходном состоянии (рис. 2а);
     - с наполовину отпиленным зубом у шестерни 4 (рис. 2б);
     - с полностью отпиленным зубом (рис. 2в) для имитации поломки зуба;
     - с полностью удаленным зубом и с поврежденным предшествующим зубом (рис. 2г).
     Исходное состояние, соответствующее рис. 2а, принято как нормальное (исправное). Эксперимент, который проводился для передачи в исходном состоянии, служил для получения эталонных характеристик для сравнения с результатами последующих экспериментов.
     Терминологически под предшествующим зубом понимался зуб, который вступал в зацепление непосредственно перед зубом с повреждениями.
     Данные снимались на частотах вращения последнего вала передачи - приблизительно 240 об/мин (4 Гц) и 750 об/мин (12,5 Гц) ,- при нагрузках 7,6 кгсм, 3,8 кгсм и без нагрузки. Полученные данные использованы для пополнения библиотеки диагностических признаков (характерных частот) повреждений зубчатых колес [2]. В данной статье для краткости представлены только данные для частоты вращения 750 об/мин и нагрузки 7,6 кгсм.
     Основное внимание при анализе спектров было уделено расположению и изменению уровня боковых полос зубцовых частот, а также изменению уровня составляющих на частотах вращения валов.

Рис. 2. Условия проведения испытаний.

Рис. 3. Испытания на определение вклада вентилятора динамометра.

Результаты

     Обозначения на рис. 4, 5, 6 и 7:
- частота зацепления 1-й ступени обозначена цифрой 1;
- частота зацепления 2-й ступени обозначена цифрой 2.
     При внесении повреждений боковые полосы, обозначенные цифрой 7, появляются вблизи зубцовой частоты 2. Боковые полосы, отстоящие от зубцовой частоты 2 на 12,6 Гц, как показано на рис. 5, 6 и 7, указывают на повреждение зубчатого колеса 4, вращающегося с частотой 12,6Гц. На рис. 8 можно видеть, что амплитуды боковых полос увеличиваются с ростом повреждений.

     Составляющая на частоте 327 Гц присутствует только в спектре сигнала акселерометра (см. рис. 5, 6, 7, 8 и 9) и обозначена цифрой 5. Частота 415 Гц и ее 2-я гармоника различима в спектрах сигналов с обоих датчиков и обозначена цифрой 6. Кроме того, в спектрах сигналов с обоих датчиков постоянно присутствует сетевая помеха (частота 60 Гц) с гармониками.

     Отметим появление семейства частотных составляющих, отстоящих на 12,5 Гц, в спектре сигнала с прибора METAS на рис. 6, которых нет в соответствующих сигналах акселерометра. Уровень этих составляющих повышался с нагрузкой. Было сделано предположение, что источником этих составляющих является динамометр. Для проверки этого акселерометр установили на корпус динамометра, предварительно отсоединив его от экспериментальной установки. Динамометр был запущен в режиме стартера, в спектре вибрации при этом наблюдались схожие частотные составляющие с шагом равным частоте вращения вала динамометра (рис. 9). Таким образом, было сделано заключение, что проблема была связана с динамометром, а не с экспериментальной установкой. Производитель динамометра определил, что нарушения в этом приборе возникли вследствие повреждения угольных щеток.

     Исследования показывали, что для обнаружения дефектов зубчатой передачи пригодны как анализ сигнала вибрации, так и анализ сигнала, полученного с помощью прибора METAS. С возрастанием степени повреждения наблюдалось существенное увеличение амплитуд боковых полос в спектрах сигналов с обоих датчиков. Важно, однако, отметить, что частоты вращения на разных стадиях эксперимента (исходное состояние и состояние с наполовину удаленным зубом), были хотя и близки друг к другу, но полностью не совпадали. Схожее поведение боковых полос в спектрах сигналов с обоих датчиков можно легко увидеть из рис. 8. Испытания A, B, C, D, E (рис. 8) - это 5 испытаний, проведенных в схожих условиях.

     Заключение о повышении уровня боковых полос согласуется с экспериментальными результатами, изложенными в [1,8]. Это подтверждает также теоретическое объяснение дефектов зубчатых колес в коробке передач, данное Рэндаллом [5]. Тэйлор и Аатола в своих исследованиях применяли датчики виброскорости и виброускорения. Составляющие на частотах вращения валов и их гармоники в спектрах сигналов с обоих датчиков были совершенно незаметны и не изменялись с ухудшением состояния зубчатой передачи - это не соответствует выводам, сделанным в работе [1]. В экспериментах, проводимых Аатолой, силы, возникающие в результате поломок зубьев, могли, воздействуя на вал, приводили к появлению дополнительных импульсов, следующих с частотой вращения вала.

     Удаление части зуба приводит к потере контакта между зубьями в зацеплении, что приводит к появлению удара, когда этот контакт восстанавливается. При возрастании повреждения время потери контакта еще более возрастает, что приводит к возрастанию относительной разности скорости движения ведущего и ведомого колес и, соответственно, возрастанию амплитуды удара. Следовательно, как видно из спектров сигналов с обоих датчиков, при удалении целого зуба наблюдается рост боковых полос.

     Присутствие боковых полос при поломке зуба для некоторых частот вращения и нагрузок может быть и не столь легко различимо. Это объясняется тем, что на низких частотах вращения боковые полосы располагаются слишком близко от частоты зацепления. Для исследования данных на низких частотах вращения необходим анализ в узких полосах частот, что, однако, невозможно осуществить вследствие размывания дискретных составляющих спектра из-за нестабильности вращения двигателя и колебаний нагрузки. Другой причиной является то, что на низких частотах вращения ударные эффекты в зацеплении (относительное изменение частот вращения валов) меньше, и, следовательно, меньше также глубина модуляции. Поэтому боковые полосы проще различить на высоких скоростях при больших нагрузках.

     Для того, чтобы в произвольный момент времени оценить состояние коробки передач, важно иметь возможность наблюдать за изменением данных в предшествующий период времени. Внезапное изменение амплитуды боковых полос служит признаком повреждения зубчатого колеса, хотя установить точное соответствие между изменениями амплитуды и повреждениями зубьев затруднительно.

     В экспериментах, следовавших после эксперимента №3, была отмечена разница в спектрах сигналов с акселерометра и прибора METAS. Спектр последнего содержал гармоники с шагом 12,5 Гц (частоты вращения выходного вала), а амплитуды боковых полос на частоте зацепления 2 уменьшились..

     С увеличением повреждения должна возрастать разность скоростей движения зубчатых колес, что должно приводить к появлению более сильных ударов. Однако, боковые полосы в спектрах сигналов, полученных в испытаниях после полного удаления зуба, понизились. Причиной этого могла быть неисправность динамометра. Трение смещенных угольных щеток о корпус динамометра могло быть причиной уменьшения разницы скоростей движения ведущего и ведомого зубчатых колес, т.е. ослабления ударов и, как следствие, уменьшению амплитуд боковых полос, наблюдаемое в спектрах сигналов как с прибора METAS, так и с акселерометра.

     В спектре сигналов с обоих датчиков наблюдалась частота 415 Гц, отмеченная цифрой 6, которая не связана с частотой вращения двигателя. В обоих спектрах присутствовала также и 2-я гармоника этой частоты. Поскольку эта частота присутствовала на всех частотах вращения установки, ее нельзя связать с вращением отдельных элементов этой установки, поэтому с точки зрения наших исследований она не представляется важной.

     Заметная составляющая на частоте 327 Гц наблюдалась только в спектре сигнала с акселерометра. Предполагается, что источником этой вибрации является вакуумный вентилятор, который использовался как автономный блок для охлаждения динамометра. Работа этого вентилятора не зависела от скорости вращения двигателя и не влияла на вращательное движение других элементов динамометра, а поэтому не могла оказывать влияние и на движение зубчатых колес. Поэтому составляющая на 327 Гц не проявляла себя в спектре сигнала с прибора METAS. Это заставляет предположить, что прибор не подвержен воздействию сторонних возмущений, если только эти возмущения не воздействуют непосредственно на вращательное движение системы. В этом смысле METAS можно рассматривать как фильтр на пути сторонних возмущений. Эта особенность прибора может оказаться крайне важной в случаях, когда не представляющие интереса частоты стороннего возмущения накладываются на частоты системы, подвергающейся анализу, что способно затруднить поиск неисправностей и привести к неправильным выводам.

Заключение

     Приведенные выше результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Как акселерометр, так и прибор METAS показали свою пригодность для использования в качестве датчиков сигнала при исследовании состояния зубчатой передачи и обнаружении неисправностей.

2. При внесении повреждений зубчатого колеса по обе стороны от зубцовой гармоники этого колеса появляются боковые гармоники, с шагом равным частоте вращения колеса. Амплитуда боковых гармоник повышается с ростом повреждения колеса, однако выявление количественной связи между степенью повреждения и спектрами сигналов с обоих датчиков (акселерометра, METAS) представляется затруднительным.

3. Поскольку даже значительные внешние возмущения не влияют на вращательное движение исследуемой системы (в отличии от вибрации корпуса- прим. ред.), прибор METAS представляется более эффективным средством для использования в системе контроля состояния и диагностирования повреждений, по сравнению с традиционными методами вибрационного анализа.

4. Описанный новый метод анализа может использоваться для выявления проблем, связанных как с вращательным движением зубчатых систем, так и с вращательным движением механизмов, соединенных с ними.

Рис. 4. Испытания передачи в исходном состоянии

Рис. 5. Испытания с внесенным дефектом: удалена половина зуба

Рис. 6. Испытания с внесенным дефектом: удален полный зуб

Рис. 7. Испытания с внесенным дефектом: удален полный зуб, предшествующий зуб поврежден

Рис. 8. Сравнение амплитуд боковых полос. Нагрузка равна 7,6 кгсм

Литература

1. Aatola,S.,RLeskinen, Cepstrum Analysis Predicts Gearbox Failure, Noise Control Engineering Journal, March-April 1990, Vol 34(2), 53-59

2. Jacob,A.,Fault Diagnosis of Gear-trains using a New Technique for Condition Monitoring of Rotating Machinery, M.S. Thesis, Florida Institute Of Technology, June 1992.

3. Kemerait, R.C., G.W.Pound, L.J. Owiesny, Vibration Analysis for Detection of Bearing and Gear Faults within Gearboxes: An Innovative Signal Processing Approach, Proc. of the 41st Meeting of the Mechanical Failures Prevention Group, Naval Air Test Center, Maryland, Oct. 28-30, 1986,145-159.

4. Lin H., R.I.Hustion, J.J. Coy, On Dynamic Loads in Parallel Shaft Transmissions: I-Modelling and Analysis NASA TM-100180.

5. Randal, R.B., A new method of modelling gear faults, Journal of Mechanical Design, Vol.104, 259-267, 1982.
6. Schaub, R.S., P.V.Vliet, Handbook of the Theory and Application of METAS.

7. Stewart, R.M., The specification and development of a standart for gearbox monitoring. I Mech E Conference Publication, C303/80.

8. Taylor, J.I., Identification of gear defects by vibration analysis, I Mech E Conference Publication, C275/80.

9. Tektronix, 2630 FOURIER ANALYZER USERўS GUIDE, April 1991.

10. Wang,C.C., On Derivation of Hertzian Impact Formula in the Geared Rotational System, 80-C2/DET-55.

11. Yang,D.C.H., Z.S.Sun. A Rotary Model for Spur Gear Dynamics, Journal of Me-chanisms Transmissions, and Automation in Design. Dec. 1985, Vol. 107, 529-535.