Виброакустический метод определения технического состояния зубчатых передач

МАШИНОСТРОЕНИЕ И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ

УДК 534.61:534.141.2

И. В. Ившин, С. Ю. Гармонов, В. А. Гаврилов,

М. Е. Широков

ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

Ключевые слова: виброакустический метод, диагностика, зубчатые передачи, vibroacous-

tic method, diagnostics, gearing.

Представлены результаты разработки нового способа применения виб-роакустического метода для определения технического состояния зубчатых передач машин и механизмов. In the work set out results of working new means of application vibroacoustic method for determination technical state gearing machine and mechanism

Диагностика зубчатых передач мостов, элементов трансмиссии автомобилей является актуальной проблемой. В настоящее время нет эффективных методов неразрушающего контроля, приборов и устройств для определения технического состояния элементов шасси автомобилей.

Виброакустические методы диагностики являются наиболее чувствительными методами обнаружения неисправностей. Сигнал вибрации содержит достаточную диагностическую информацию для того, чтобы с помощью современных информационных технологий обнаружить дефектную деталь или узел машины, определить вид и глубину дефекта и дать долгосрочный прогноз его развития [1].

В настоящее время диагностику зубчатых передач проводят следующими способами:

- по спектру вибросигнала;

- по сверхузкополосному спектру;

- по взаимоспектральным характеристикам;

- по взаимокорреляционным характеристикам;

- по спектру огибающей;

- по порядковому анализу.

Анализ существующих методов показал, что наиболее эффективным является способ диагностики зубчатых передач по спектру вибросигнала [1].

Целью данной работы является разработка нового способа определения дефектов зубчатой передач по анализу вибросигнала, полученного от работающей зубчатой пары, диагностического комплекса и программного обеспечения в среде LabVIEW .

Диагностический комплекс включает (рис. 1): микрофон 5, сигнал от которого поступает на вход аналогового усилителя сигнала 4, с выхода усилителя сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь USB-6009 3, где он преобразовывается в цифровой код и по USB шине направляется на вход ЭВМ 2.. С использованием счетчика оборотов 6

оператор определяет скорость вращения выходного вала исследуемого редуктора 7. В ЭВМ 2, при помощи составленных в среде Lab VIEW программ сигнал записывается на промежутке времени равному целому полному обороту исследуемой шестерни. На данный комплекс получен государственный патент на полезную модель № 73738 от 27.05.2008 г.

Рис. 1 - Принципиальная схема диагностического комплекса

Принцип работы измерительного диагностического комплекса состоит в следующем. Запускается электродвигатель 8, с помощью счетчика оборотов 6, устанавливается необходимая частота вращения на выходном валу редуктора. С использованием передаточных чисел редуктора вычисляется скорость вращения диагностируемой шестерни и время её полного оборота. Задав в программе время записи равное одному обороту диагностируемой шестерни, сигнал записывается в память компьютера. После чего из записанной числовой последовательности выбирается массив данных, соотвествующий времени целого числа оборотов шестерни.

На заданном интервале временного сигнала формируется амплитудный спектр, который в последующем используется как эталонный. Запустив программу обработки сигнала, по формуле

П2

V =----

^ 60

вычисляется зубцовая частота и, задав ее величину в интерфейсе программы на одном из осциллографов, получаем сигнал, отфильтрованный из общего потока данных на данной частоте, где одно полное колебание соответствует «звучанию» зуба шестерни в зацеплении. На сигнале зубцовой частоты выделяются участки, соответствующие колебаниям, генерируемым отдельными зубьями при их повороте на угловой шаг. На каждом выделенном участке строится амплитудный спектр, который сравнивается с эталонным с использованием статистики амплитуд. По результатам сравнения делается вывод об исправности зубчатого механизма.

Статистика амплитуд вычисляется как среднее арифметическое значение натурального логарифма частного от деления амплитуды анализируемого спектра на амплитуду эталона:

A =

( \ n a¡

Z ln—

¡ = as¡

V s¡ J

где Э\ - амплитуда на і -ой частоте текущего спектра; а3| - амплитуда на I -ой частоте эталонного спектра.

Доверительные интервалы для статистики амплитуд строятся на основании популярной гипотезы об асимптотической нормальности этих и многих других оценок — отбраковываются все значения A статистики, удовлетворяющие неравенству

A - A

S*t (a,m-і),

где A — оценка математического ожидания статистики (для статистики амплитуд равна 0); S — робастная оценка разброса вычисленных значений статистики (MAD — медиана абсолютных отклонений от математического ожидания); t(a, m) — а-квантиль t-распределения Стьюдента с m степенями свободы; m — количество спектров, сравниваемых с эталоном.

Если значение статистики амплитуд, полученное при сравнении спектра «звучания» зуба с эталонным спектром, находится в пределах границ доверительного интервала, то делается вывод об исправности зуба шестерни. При выходе значения статистики амплитуд за пределы доверительного интервала делается вывод о дефекте в этом зацеплении.

Обработка полученных при измерениях данных предполагает поиск, и выделение наиболее информативной части сигнала, формирование амплитудного и фазового спектров, сравнение начальных фаз колебаний, выделение разности фаз двух и более колебаний, фильтрацию сигнала на необходимой полосе частот и.т.д.

С этой целью в программной среде Lab VIEW 8.2 создана программа «Gear Detector», воспроизведения сигнала осциллограммы, выделения его части, последующего спектрального анализа, фильтрации на необходимой полосе частот. Программа прошла государственную регистрацию и получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611249 от 2008 г.

Данная программа позволяет воспроизвести ранее записанный сигнал, выделить сигнал на интересующей оператора полосе частот и построить спектр на выделенном участке сигнала. Интерфейс программы состоит из шести осциллографов. Осциллограф «Весь сигнал» показывает весь записанный сигнал, осциллограф «Экран визуального выделения сигнала» выполняет функции экрана, на котором происходит процесс выделения нужной области из записанного сигнала (часть сигнала белого цвета). На осциллографе «Выделенный сигнал» показывается выделенная часть осциллограммы. На осциллографе «Отфильтрованный сигнал» отображается сигнал, отфильтрованный на интересующей полосе частот (в нашем случае на зубцовой частоте), данный осциллограф программно связан с осциллографом «Экран визуального выделения сигнала» длинна участка на осциллографе «Отфильтрованный сигнал» соответствует выделенному участку на осциллографе «Экран визуального выделения сигнала». На осциллографе «Спектр на выделенном участке» отображается спектр на выделенном участке сигнала. При запуске программы пользователь выбирает файл, содержащий ранее записанный сигнал, задает полосу частот для фильтрации сигнала, затем указывает индекс начала и длительность нужного участка сигнала, получает спектр на заданном участке, который выводится на осциллографе

«спектр на выделенном участке». После завершении работы, пользователь останавливает работу прибора нажатием кнопки «STOP» на лицевой панели виртуального прибора. Структурно программа состоит из следующих частей:

- подпрограмма запроса необходимого файла;

- обработка потока данных и выделение участка;

- определение спектра на выделенном участке;

- фильтрация на необходимой полосе частот;

На рис. 2. представлен внешний вид данной программы составленной в среде LabVIEW 8.2.

Рис. 2 - Внешний вид блок диаграммы, виртуального прибора для обработки данных в формате осциллограммы, составленной в среде LabVIEW 8.2

Ниже представлены функции, применяемые в данном приборе, а также их краткое описание [2]:

Spectral Measurements

Измерение спектра. Экспресс-ВП выполняет измерения спектра сигнала, такие как измерения амплитудного спектра и спектра мощности.

Прибор воспроизведения осц^

Данный ВП, предназначен для выбора необходимого файла с данными и его воспроизведения.

Normalize Waveform.vi

Нормализовать осциллограмму. ВП определяет масштаб и смещение, необходимые

для преобразования данных входной осциллограммы к диапазону от -1.0 до 1.0.

Get Waveform Subset.vi

Получить часть осциллограммы. ВП извлекает часть осциллограммы, начинающуюся с заданного времени или индекса и имеющую заданную длительность. Данный полиморфный ВП, можно использовать для извлечения части аналоговой или цифровой осциллограммы или набора цифровых данных.

Append Waveforms.vi

Добавить осциллограмму. ВП оперирует двумя осциллограммами, подаваемыми соответственно на два его входа (А и В). Добавляет осциллограмму В к концу осциллограммы А. Если частоты выборок не совпадают, то кластер ошибки возвращает ошибку. Время запуска осциллограммы В игнорируется. Тип данных атрибута Y осциллограммы А и осциллограммы В определяет используемую полиморфную реализацию ВП.

Таким образом, пользователь получает вполне корректный и точный анализ данных. Преимуществом данной программы перед другими аналогами является мобильность средств обработки сигнала, а именно широкий спектр возможностей обработки данных, от простого просмотра до глубокой обработки. В приложении Lab VIEW 8.2 предусмотрены функции обработки сигнала во временной области, в частотной области, функции фильтров и обработки весовыми окнами.

Литература

1. Технические средства диагностирования: Справочное пособие под ред. В.В.Клюева.- М: «Машиностроение», 1989. - 672с.

2. Создаем мини- лабораторию по обработке звука [электронный ресурс]. - режим доступа: http://labview .com.ua/.htm

© И. В. Ившин - канд. техн. наук, профессор, начальник каф. № 4 КВВКУ; С. Ю. Гармонов - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; В. А. Гаврилов - канд. техн. наук, преп. каф. № 4 КВВКУ; М. Е. Широков - адъюнкт той же кафедры.