Способ бесконтактного определения технического состояния зубчатых колес и устройство для его реализации
GEAR WHEELS TECHNICAL CONDITION CONTACT-FREE DETERMINATION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение предназначено для контроля технического состояния зубчатых колес и может быть использовано для диагностики рабочего состояния редукторных систем в процессе их эксплуатации.
Известен способ определения технического состояния редуктора (патент РФ №2257560, МПК G01M 13/02, опубликованный 27.07.2005 Бюл. 21). Данный способ основан на прикладывании крутящего и нагружающего моментов к валам испытуемого редуктора. По величинам электрических параметров электродвигателя, приводящего редуктор в движение, вычисляют нагрузочный момент электродвигателя на входе редуктора. По величинам электрических параметров электрогенератора, соединенного с выходным валом испытываемого редуктора, вычисляют нагрузочный момент генератора на выходе редуктора, после этого вычисляют КПД редуктора как отношение вычисленных нагрузочных моментов генератора и электродвигателя. Сравнивая получаемые данные с эталонными, судят о техническом состоянии редуктора.
В результате анализа данного решения выявлено несколько недостатков. В соответствии с данным способом оценка степени износа зубчатого колеса производится по косвенным признакам без конкретизации точного места и степени износа. Кроме этого, операции данного способа не предусматривают возможности диагностики зубчатых колес редуктора в процессе его эксплуатации, требуют разборки механизма и, соответственно, увеличения временных затрат на диагностику.
Известен способ контроля степени износа зубчатых колес (патент РФ №2337340, МПК G01M 13/02, опубликованный 27.10.2008, Бюл. 30). Данный способ исследования степени износа зубчатых колес основан на измерении параметров акустических сигналов на корпусе вращающегося подшипника или поверхности одного из не вращающихся колец подшипника, который установлен на валу с диагностируемой шестерней. Определяют в заданной полосе частот от 30 кГц до 300 кГц значения выброса максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии, следующих последовательно за время не менее одного оборота колеса зубчатой передачи. На основании установленного интервала времени между выбросами максимальных неразрывных по времени сигналов акустической. эмиссии и времени длительности выброса максимальных сигналов акустической эмиссии рассчитывают, по приведенным в описании формулам, размер дефекта и его местоположение. О техническом состоянии зубчатой передачи судят путем сравнивания определенного диагностикой размера дефекта с допустимым размером дефекта, исходя из технических и эксплуатационных характеристик зубчатой передачи. Операции известного способа реализуется с помощью стандартного акустоэмиссионного прибора.
К недостаткам известного способа следует отнести тот факт, что для контроля степени износа зубчатого колеса необходимо присутствие. оператора при каждой операции контроля зубчатой передачи, что вносит субъективность оценки степени износа и уменьшает производительность способа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ бесконтактного определения технического состояния зубчатых колес (патент РФ №2602488, МПК G01M 13/02, опубликованный 20.11.2016, Бюл. 32) заключающийся в том, что на неподвижной части редуктора устанавливают бесконтактный (периферийный) датчик над траекторией движения вершин зубцов, на диске или вале зубчатого колеса устанавливают оборотную метку, а на неподвижной части корпуса бесконтактный (оборотный) датчик, взаимодействующий с оборотной меткой и позволяющий регистрировать период вращения зубчатого колеса. С помощью периферийного датчика излучают поток электромагнитного излучения и принимают часть отраженного потока электромагнитного излучения от поверхности зубцов контролируемой шестерни, выделяют информационные сигналы, измеряют амплитуду и длительность полученных информационных сигналов. Определяют отношения измеренных длительностей информационных сигналов к периоду вращения зубчатого колеса и получают их относительные временные оценки. Далее сравнивают найденные текущие значения амплитуд и относительные значения длительностей информационных сигналов с соответствующими опорными величинами, полученными в начале эксплуатации зубчатого колеса, и по результатам сравнения судят о степени износа зубчатого колеса.
Известный способ контроля осуществляется устройством для его реализации (патент РФ №2602488, опубликованный 20.11.2016, Бюл. 32), содержащим периферийный бесконтактный датчик, выполненный в виде круглого волновода, заполненного диэлектриком, генератор электрических колебаний СВЧ диапазона, циркулятор, амплитудный детектор, формирователь прямоугольных импульсов периферийного датчика, возбудитель оборотной метки, оборотный бесконтактный датчик, формирователь прямоугольных импульсов оборотного бесконтактного датчика, микроконтроллер, включающий в себя генератор тактовых импульсов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), счетчики тактовых импульсов, ячейки внутренней памяти.
Недостатком известного способа и устройства его реализующего является недостаточная точность определения технического состояния зубчатых колес, обусловленная ограниченным количеством измеряемых параметров.
В основу изобретения поставлена задача улучшения точности оценки технического состояния зубчатых колес посредством учета и анализа большего количества информационных параметров импульсов взаимодействия периферийного датчика с контролируемыми элементами зубчатого колеса.
Задача решается за счет того, что на неподвижной части корпуса редуктора устанавливают неподвижный бесконтактный оборотный датчик, на диске или вале зубчатого колеса устанавливают возбудитель оборотной метки, регистрируют электрические импульсы, полученные в результате взаимодействия возбудителя оборотной метки с оборотным датчиком, измеряют временные интервалы между оборотными импульсами, получают информацию о периоде вращения зубчатого колеса, на неподвижной части корпуса редуктора устанавливают неподвижный бесконтактный периферийный датчик, выполненный в виде волноводного датчика с диэлектрическим заполнением, возбуждают и формируют в волноводном датчике электромагнитный поток излучения, с длиной волны в несколько раз меньшей размеров контролируемого зубца затем сформированный поток излучения направляют перпендикулярно оси вращающегося зубчатого колеса на контролируемые зубцы, принимают отраженный от них поток излучения, выделяют информационные сигналы; измеряют амплитуду и длительность полученных информационных сигналов, определяют отношения измеренных длительностей информационных сигналов к периоду вращения зубчатого колеса и получают их относительные временные оценки, сравнивают найденные текущие значения амплитуд и относительные значения длительностей информационных сигналов с соответствующими опорными величинами, полученными в начале эксплуатации зубчатого колеса, согласно изобретению, измеряют длительность и крутизну переднего и заднего фронтов информационных сигналов, в тех местах их передних и задних фронтов, которые соответствуют наибольшему износу боковых поверхностей зубцов, определяют отношение измеренных длительностей переднего и заднего фронтов информационных сигналов к периоду вращения зубчатого колеса и получают относительные временные оценки, определяют отношение периода дискретизации текущего значения информационных сигналов к периоду вращения зубчатого колеса, сравнивают найденные текущие значения длительностей и крутизны переднего и заднего фронтов информационных сигналов с соответствующими опорными величинами, полученными в начале эксплуатации зубчатого колеса с учетом отношения периода дискретизации к периоду вращения зубчатого колеса, по результатам сравнения всех указанных величин с опорными судят о степени износа зубчатого колеса.
Задача решается так же за счет того, что в устройство, содержащее периферийный бесконтактный датчик в виде круглого волновода, заполненного диэлектриком, генератор электрических колебаний СВЧ диапазона, циркулятор, первое плечо циркулятора соединено с выходом генератора, второе плечо циркулятора соединено с круглым волноводом, амплитудный детектор выполнен на СВЧ диоде, вход детектора подключен к третьему плечу циркулятора, формирователь прямоугольных импульсов периферийного датчика, вход которого соединен с выходом детектора, возбудитель оборотной метки, оборотный бесконтактный датчик, формирователь прямоугольных импульсов оборотного бесконтактного датчика, микроконтроллер, включающий в себя генератор тактовых импульсов, АЦП, счетчик тактовых импульсов определения длительности информационных импульсов и счетчик тактовых импульсов определения периода вращения зубчатого колеса, ячейки внутренней памяти разбитые на три области памяти: первая область памяти предназначена для запоминания данных с АЦП, а вторая и третья области памяти предназначены для запоминания данных, соответственно, со счетчиков тактовых импульсов длительности и периода, вход микроконтроллера, соответствующий информационному входу АЦП, соединен с выходом амплитудного детектора, а вход микроконтроллера, соответствующий управляющему входу АЦП, соединен с выходом формирователя прямоугольных импульсов периферийного датчика, выход оборотного бесконтактного датчика соединен со входом формирователя прямоугольных импульсов оборотного датчика, входы микроконтроллера, соответствующие управляющим счетным входам счетчиков длительности и периода, соединены, соответственно, с выходами формирователей прямоугольных импульсов периферийного и оборотного датчиков, а тактовые входы счетчиков длительности и периода соединены с выходом генератора тактовых импульсов, дополнительно введены, второй формирователь прямоугольных импульсов периферийного датчика, (соответственно, формирователь прямоугольных импульсов периферийного датчика, взятый из прототипа, считается первым формирователем прямоугольных импульсов периферийного датчика), счетчик тактовых импульсов определения длительности переднего фронта информационных импульсов, счетчик тактовых импульсов определения длительности заднего фронта информационных импульсов, выделены четвертая и пятая области памяти, предназначенные, соответственно, для запоминания данных со счетчика тактовых импульсов определения длительности переднего фронта информационных импульсов и счетчика тактовых импульсов определения длительности заднего фронта информационных импульсов, выход детектора соединен со вторым формирователем прямоугольных импульсов. периферийного датчика, входы микроконтроллера, соответствующие управляющим счетным входам счетчика длительности переднего фронта информационных импульсов соединены с выходами первого и второго формирователей прямоугольных импульсов периферийного датчика, входы микроконтроллера, соответствующие управляющим счетным входам счетчика длительности заднего фронта информационных импульсов соединены с выходами первого и второго формирователей прямоугольных импульсов периферийного датчика, выход счетчика длительности переднего фронта информационных импульсов соединен с входными регистрами четвертой области памяти, выход счетчика длительности заднего фронта информационных импульсов соединен с входными регистрами пятой области памяти, выходные разряды пяти областей памяти объединены в выходную шину, являющуюся информационным цифровым выходом микроконтроллера, подключенным к соответствующему входу ПК, который является выходным блоком, отображения информации о степени износа зубчатого колеса в виде удобном для пользователя.
Увеличение точности нахождения параметров износа зубчатых колес для определения их технического состояния достигается посредством определения динамики изменения длительности переднего и заднего фронтов информационных импульсов и крутизны переднего и заднего фронтов информационных импульсов, полученных при взаимодействии каждого зубца шестерни с бесконтактным импульсным датчиком и изменением алгоритма обработки получаемой информации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие работу устройства.
Бесконтактное определение технического состояния зубчатых колес по предложенному способу осуществляется следующим образом.
г
Устанавливают на неподвижной части корпуса редуктора неподвижный бесконтактный оборотный датчик, на диске или вале зубчатого колеса устанавливают возбудитель, например штырь, регистрируют электрические импульсы, полученные в результате взаимодействия возбудителя оборотной метки с оборотным датчиком, измеряют временные интервалы между оборотными импульсами, получают информацию о периоде вращения зубчатого колеса. На неподвижной части корпуса редуктора устанавливают неподвижный бесконтактный периферийный датчик, выполненный в виде круглого волновода с диэлектрическим заполнением. Возбуждают и формируют с помощью генератора электрических колебаний СВЧ диапазона электромагнитный поток излучения с длиной волны в несколько раз (например, в 10 раз) меньшей размеров контролируемого зубца, известно, что поверхность обладает зеркальным отражением в случае, если длина волны падающего на нее излучения в восемь раз больше высоты микронеровностей, и отражает падающий на нее поток абсолютно диффузно в случае, если длина волны равна или меньше микронеровностей и их расположение хаотично (Данилин А.И. Бесконтактные измерения деформационных параметров лопаток в системах контроля и управления турбоагрегатами. Самара, Издательство Самарского научного центра РАН, 2008 с. 81), сформированный поток излучения с помощью циркулятора направляется в волноводный датчик, затем, с помощью волноводной системы датчика, сформированный поток излучения, направляют на контролируемые зубцы перпендикулярно оси вращения зубчатого колеса. Принимают с помощью этого же волноводного датчика часть отраженного от контролируемых зубцов электромагнитного потока и с помощью циркулятора направляют его на амплитудный детектор. С помощью амплитудного детектора выделяют информационный сигнал. Измеряют амплитуду и длительность полученных информационных сигналов. В точках огибающей информационных сигналов, соответствующих наибольшему износу боковой поверхности зубцов измеряют длительности переднего и заднего фронтов полученных информационных сигналов, определяют крутизну переднего и заднего фронтов полученных информационных сигналов, определяют отношения измеренных длительностей информационных сигналов, измеренных длительностей переднего и заднего фронтов информационных сигналов к периоду вращения зубчатого колеса и получают их относительные временные оценки. Определяют отношение периода дискретизации текущего значения информационных сигналов к периоду вращения зубчатого колеса. Сравнивают найденные текущие значения амплитуд, относительные значения длительностей информационных сигналов и относительные значения длительностей переднего и заднего фронтов информационных сигналов с соответствующими опорными (базовыми) величинами, полученными в начале эксплуатации зубчатого колеса. Сравнивают крутизну переднего и заднего фронтов информационных сигналов с соответствующими опорными величинами, полученными в начале эксплуатации колеса, с учетом отношения периода дискретизации к периоду вращения зубчатого колеса. По результатам сравнения всех параметров судят о степени износа зубчатого колеса.
max
max
Устройство для диагностики рабочего состояния зубчатого колеса (фиг. 1) содержит периферийный бесконтактный волноводный датчик 1, выполненный, например, на основе круглого волновода, заполненного диэлектриком. Циркулятор 2, (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М,: Высшая школа, 1970 с. 293), к первому плечу которого, подключен выход генератора 3 электрических колебаний СВЧ диапазона, выход волноводного датчика подключен ко второму плечу циркулятора, третье плечо циркулятора соединяется со входом амплитудного детектора 4, выход детектора подключен к первому формирователю 5 прямоугольных импульсов периферийного датчика, выполненного на основе компаратора, опорный уровень которого устанавливается, например, на уровне 0,1U (см. фиг. 2) и ко второму формирователю 6 прямоугольных импульсов периферийного датчика, выполненного на основе компаратора, опорный уровень которого устанавливается, например, на уровне 0,7U (см. фиг. 2), выход бесконтактного оборотного датчика 7 соединен со входом формирователя 8 прямоугольных импульсов оборотного датчика, микроконтроллер 9 с необходимыми функциональными периферийными устройствами (см. фиг. 1), а именно: АЦП 10, счетчик 11 определения длительности информационных импульсов, счетчик 12 определения длительности переднего фронта информационных импульсов, счетчик 13 определения длительности заднего фронта информационных импульсов и счетчик 14 определения периода вращения зубчатого колеса, генератор тактовых импульсов 15, ячейки внутренней памяти 16, разбитые на области 17, 18, 19, 20, 21. Первая область памяти 17 отводится для запоминания данных с АЦП 10, вторая область памяти 18 отводится для запоминания данных со счетчика 11, третья область памяти 19 отводится для запоминания данных со счетчика 12, четвертая область памяти 20 отводится для запоминания данных со счетчика 13, пятая область памяти 21 отводится для запоминания данных со счетчика 14. Вход микроконтроллера 9, соответствующий информационному входу АЦП 10, подключен к выходу амплитудного детектора 4, а вход микроконтроллера 9, соответствующий управляющему входу АЦП 10, соединен с выходом формирователя 5 прямоугольных импульсов периферийного датчика, выход оборотного бесконтактного датчика,7 соединен со входом формирователя 8 прямоугольных импульсов оборотного датчика, входы микроконтроллера 9, соответствующие управляющим счетным входам счетчиков 11 и 14, соединены соответственно с выходами формирователей 5 и 8 прямоугольных импульсов периферийного и оборотного датчиков, входы микроконтроллера 9, соответствующие управляющим счетным входам счетчика 12 соединены с выходами первого формирователя 5 и второго формирователя 6 прямоугольных импульсов периферийного датчика, входы микроконтроллера 9, соответствующие управляющим счетным входам счетчика 13 соединены с выходами первого формирователя 5 и второго формирователя 6 прямоугольных импульсов периферийного датчика, выход АЦП 10 соединен со входом области памяти 17, выход счетчика 11 соединен со входом области памяти 18, выход счетчика 12 соединен со входом области памяти 20, выход счетчика 13 соединен со входом области памяти 21, выход счетчика 14 соединен со входом области памяти 19, выходные разряды ячеек областей памяти 17, 18, 19, 20, 21 объединены в выходную шину, представляющую собой информационный цифровой выход микроконтроллера 9 (фиг. 1). ПК 22, соответствующий порт которого соединен с цифровым выходом микроконтроллера 9, является выходным блоком устройства, отображающим информацию о степени износа зубчатого колеса в виде удобном для пользователя.
Устройство, реализующее предлагаемый способ бесконтактного определения технического состояния зубчатых колес (см. фиг. 1), работает следующим образом.
В неподвижной части корпуса редуктора (в соответствии с обозначениями, приведенными на фиг. 1) устанавливают бесконтактный волноводный датчик 1, выполненный на основе круглого волновода, таким образом, чтобы направляемое им зондирующее излучение было перпендикулярно оси вращения зубчатого колеса и попадало на его зубцы. Для реализации способа используется волноводный датчик с диэлектрическим заполнением, так как из-за агрессивности рабочей среды (высокая температура, брызги масла, масляный нагар) применение оптических или вихретоковых датчиков затруднительно вследствие засорения оптически активного окна и неустойчивости обмоток вихретоковых датчиков к высоким температурам. Волноводный датчик с заполнением внутреннего пространства диэлектриком способен работать • при высоких температурах и, проведенные авторами эксперименты показали, что масляный туман не вносит искажений в измерения при использовании электромагнитных колебаний СВЧ диапазона. Электромагнитный поток СВЧ диапазона, сформированный с помощью генератора 3, через циркулятор 2 канализируется к волноводному датчику, с помощью которого направляется на контролируемый объект. Часть зондирующего потока излучения, отраженного от контролируемой поверхности зубчатого колеса, попадает на торец волноводного датчика 1 и с помощью циркулятора 2 направляется на амплитудный детектор 4, с помощью которого выделяется огибающая принятого СВЧ сигнала.
nop
вых
max
max
вых
вых
nop
вых
max
max
вых
вых
Далее, выделенная огибающая, - суть информационный сигнал, - поступает на входы первого формирователя 5 и второго формирователя 6 и одновременно поступает на вход микроконтроллера 9, соответствующий информационному входу АЦП 10. При превышении входным сигналом порогового уровня U (см. фиг. 2 u4), например равного 0,1U, при этом U определяется в начале эксплуатации путем усреднения максимальных амплитуд сигналов, получаемых от всех зубьев, на выходе первого формирователя 5 формируется высокий логический уровень (фиг. 2 u5), который поступает на вход микроконтроллера 9, соответствующего управляющему счетному входу счетчика 11 и на вход микроконтроллера 9 соответствующего управляющему входу А счетчика 12 и разрешает их запуск, после этого тактовые импульсы, поступающие от внутреннего генератора 15 тактовых импульсов микроконтроллера 9, по тактовым входам счетчиков 11 и 12 (фиг. 2 u15) начинают их инкрементацию (заполнение), высокий логический уровень формирователя 5 также поступает на управляющий вход микроконтроллера 9, соответствующего управляющему входу АЦП 10 и осуществляет его запуск. При превышении входным сигналом порогового уровня U (см. фиг. 2 u4), например 0,7U, при этом U определяется в начале эксплуатации путем усреднения максимальных амплитуд сигналов, получаемых от всех зубьев, на выходе второго формирователя 6 формируется высокий логический уровень (фиг. 2 u6), который поступает на вход микроконтроллера 9, соответствующего управляющему входу Б счетчика 12 и останавливает его, таким образом, получают информацию о текущей длительности переднего фронта информационного импульса, и по этой же команде значение переносят в область памяти 20. После установления на управляющем входе АЦП 10 высокого логического уровня, поступающего с выхода формирователя 5, запускается АЦП 10, значения, полученные с АЦП 10, поступают в предназначенную для этого область памяти 17 и таким образом фиксируют информацию о текущей амплитуде информационного сигнала. Низкий логический уровень, сформированный на выходе формирователя 6, действует на вход микроконтроллера 9, соответствующий управляющему входу Б счетчика 13, и производит его запуск, далее тактовые импульсы, поступающие от внутреннего генератора 15 микроконтроллера 9, по тактовому входу счетчика 13 (фиг. 2 u15) начинают его инкрементацию (заполнение). Низкий логический уровень, сформированный на выходе формирователя 5, действует на вход микроконтроллера 9, соответствующий управляющему счетному входу счетчика 11, и останавливает его, по этой же команде информация о текущей длительности импульса переносится в область памяти 18. Кроме этого сигнал с формирователя 5 поступает на вход микроконтроллера 9, соответствующий управляющему входу А счетчика 13 и останавливает его. Таким образом получают информацию о текущей длительности заднего фронта информационного импульса, -значение которой переносят в область памяти 21. В это же время значения амплитуд из области памяти 17, полученные с АЦП 10, информация о текущей длительности импульса из области памяти 18, информация о текущих длительностях переднего фронта из области памяти 20 и информация о текущих длительностях заднего фронта из области памяти 21 поступают на ПК 22 через цифровой выход микроконтроллера 9.
вых
вых
При взаимодействии установленного на диске зубчатого колеса возбудителя оборотной метки и, установленного на неподвижной части корпуса редуктора бесконтактного оборотного датчика 7, регистрируют -знакопеременные электрические импульсы (фиг. 2 и7), которые поступают на вход формирователя 8, представляющего собой разновидность аналогового компаратора, формирующего прямоугольные импульсы (фиг. 2 u8). Далее, сформированные таким образом прямоугольные импульсы, поступают на управляющий счетный вход счетчика 14 микроконтроллера 9 (фиг. 1). По переднему фронту пришедшего импульса запускается счетчик 14 тактовых импульсов, поступающих на тактовый вход от внутреннего генератора 15 микроконтроллера 9. Передний фронт следующего импульса останавливает счетчик 14 и на его выходе формируется цифровой код, соответствующий периоду вращения зубчатого колеса, который по этой же команде записывается в область памяти 19, после чего отправляются на ПК 22 через информационный цифровой выход микроконтроллера 9. В ПК 22 производится нормировка значений текущих длительностей информационных импульсов к текущему периоду вращения зубчатого колеса. Значения текущей амплитуды и текущих нормированных длительностей сравниваются с эталонными значениями, полученными в начале эксплуатации зубчатого колеса путем нахождения разности между ними. Результат сравнения в соответствии с установленным программным обеспечением, отображается на экране монитора или архивируется в базе данных.