ЦИФРОВОЙ РЕГИСТРАТОР НЕИСПРАВНОСТИ ТРАНСМИССИИ

Полезная модель относится к встроенным диагностирующим системам транспортных и технологических машин. Основная задача регистратора - бесконтактный контроль температуры элементов трансмиссии (подшипники, механические передачи, подвижные и шарнирные соединения, муфты, карданные шарниры и др.), направленный на выявление возможных неисправностей, вызванных механическим изнашиванием.
Известно устройство индикации неисправностей подшипника [Пат. РФ 2425264], выполненное таким образом, что при возникновении относительного движения между осью и кольцом подшипника устройство механическим способом информирует о возникновении неисправности. Недостатком данного технического решения является невозможность непрерывного контроля подшипника в процессе эксплуатации машины.
Известно устройство для контроля критической температуры подшипников [Пат. РФ № 117620]. В данном устройстве механический индикатор удерживается от возможного перемещения посредством противовеса за счет магнитного поля от постоянного магнита. При нагреве контролируемого подшипника и постоянного магнита выше точки Кюри механический индикатор под действием противовеса перемещается, чем сигнализирует о превышении температуры. Недостатком данного способа является его неприменимость для диагностики подшипниковых узлов с несколькими осями вращения, например - карданных шарниров. Силы инерции, возникающие при движении датчика, не позволят обеспечить однозначное срабатывание механического индикатора, действие которого основано на постоянном направлении вектора силы тяжести.
Известно устройство для контроля критической температуры нагрева подшипниковых узлов, содержащее датчик температуры в виде цилиндра с наружной резьбой, установленного в корпусе подшипникового узла, и блок отображения состояния температуры [Пат. РФ № 108610]. Датчик температуры выполнен из ферромагнитного сплава, вне корпуса подшипникового узла в зоне распространения магнитного потока датчика установлен регистратор изменения магнитного потока датчика температуры, соединенный с блоком отображения состояния температуры. Недостаток датчика - возможное влияние на величину магнитного потока находящихся поблизости ферромагнитных деталей, электрической проводки или электрических машин, что приведет к увеличению погрешности измерений.
Известно устройство для определения температуры нагрева подшипников в буксах железнодорожных вагонов, содержащее датчик температуры, выполненный в виде термоэлектрического преобразователя из полупроводниковой нанопроволоки, на подложке которого смонтирован индикатор, состоящий из трех светодиодов с различным пороговым напряжением срабатывания [Пат. РФ № 107748]. Недостатком данного решения является тот факт, что термоЭДС зависит не только от температуры нагрева, но и от температуры охлаждения - например температуры окружающего воздуха, неучтенного фактора, оказывающего влияние на точность результатов диагностирования.
Известен термоиндикатор [АС СССР № 100969], закрепляемый на механизме - объекте наблюдения, состоящий из биметаллической спирали с флажком. При увеличении температуры пластинка деформируется, а движение флажка сигнализирует о превышении допустимой температуры.
Недостатком этого термоиндикатора является необходимость непосредственного крепления термоиндикатора к объекту наблюдения.
Известен сигнализатор нагрева подшипникового узла [Пат. РФ № 8666], закрепленный на подшипниковом узле и состоящий из корпуса с подпружиненным стержнем, зафиксированным плавкой вставкой. При повышении температуры выше допустимой вставка расплавляется, и стержень выходит из корпуса, сигнализируя о неисправности подшипникового узла. Недостаток заключается в необходимости закрепления датчика на подшипниковом узле, а также контроль только единственно параметра - превышения допустимой температуры.
Известен термоиндикатор максимальной температуры [Пат. РФ № 96959], выполненный в виде болта с радиальными проточками, внутри которых находятся сплавы металлов с различной температурой плавления. Индикация максимальной температуры производится путем крепления термоиндикатора к объекту измерения и наблюдения за расплавлением металлических сплавов. Недостатками являются необходимости закрепления датчика на подшипниковом узле, контроль только единственно параметра - превышения допустимой температуры и невозможность дистанционного наблюдения.
Известен способ определения температуры, как показателя технического состояния подшипникового узла, на основе системы для считывания состояния компонента ходовой части транспортного средства [Пат. РФ № 2393441], которая включает в себя датчик, содержащий матрицу инфракрасных считывающих элементов направленных на зону элемента подшипниковых узлов. Недостатком данного способа является невозможность контроля скорости повышения температуры подшипникового узла.
Наиболее близким техническим решением предлагаемому устройству является регистратор неисправности элементов трансмиссии по патенту РФ 199665, включающий два фотоэлемента инфракрасного излучения с разной скоростью изменения сопротивления два резистора, включены в измерительный мост, последовательно с одним из фотоэлементов соединен ограничивающий резистор. Измерительная диагональ моста соединена с входом компаратора, выход которого соединен с управляющим электродом тиристора, в исполнительную цепь которого включен световой индикатор. Устройство позволяет фиксировать как факт достижения предельно допустимой температуры, так и увеличение скорости ее роста.
Недостаток изобретения заключается в необходимости использования сразу двух инфракрасных фотоэлементов и реализации устройства на принципах аналоговой электроники, что снижает его точность.
Новый технический результат заключается в повышении точности диагностирования неисправности элементов трансмиссии.
Технический результат достигается за счет того, что регистратор неисправности элементов трансмиссии включает фотоэлемент инфракрасного излучения, объектив, световой индикатор, причем фотоэлемент инфракрасного излучения соединен с аналогово-цифровым преобразователем, соединенным с контроллером, а контроллер соединен со световым индикатором, все детали соединены на печатной плате, закрепленной неподвижно в корпусе, в котором расположен объектив, направленный на контролируемый элемент трансмиссии, а цифровой регистратор расположен на борту транспортной или технологической машины для непрерывного контроля диагностируемого элемента трансмиссии.
Устройство устанавливается дистанционно относительно контролируемого объекта и использует инфракрасное излучение от тепловыделения контролируемого объекта для определения его технического состояния. Регистратор содержит объектив, направляющий инфракрасное излучение на фотоэлемент. Фотоэлемент подключен к аналого-цифровому преобразователю, преобразующему сопротивление фотоэлемента в цифровой сигнал, направляемый контроллеру, который управляет включением светодиода - индикатора. В контроллере записана программа, учитывающая текущее значение температуры, текущее значение скорости роста температуры, заданное значение предельно допустимой температуры и заданное значение предельно допустимой скорости роста температуры. Регистратор срабатывает при двух возможных условиях: повышение температуры выше предельно допустимой температуры, а также в случае увеличения скорости роста температуры выше допустимой.
Цифровой регистратор неисправности трансмиссии состоит из объектива 1, направленного на контролируемый объект 2. В пространстве изображений объектива 1 установлен инфракрасный фотоэлемент 3. Фотоэлемент 3 подключен к аналого-цифровому преобразователю 4, который подключен к контроллеру 5, в котором записана программа контроля температуры. К контроллеру 5 подключен световой индикатор 6. Все элементы регистратора объединены в электронную схему (фиг. 1) и подключены к источнику питания (не показан). Алгоритм работы программы, записанной в контроллере 5, изображен на фиг. 2. Все детали устройства установлены и закреплены любым доступным способом в корпусе (не показан), а соединения деталей выполнены в соответствии с приведенной электронной схемой (фиг. 1), например, методом печатного монтажа.
T
T
Цифровой регистратор неисправности трансмиссии работает следующим образом. Регистратор устанавливается бесконтактно относительно исследуемого объекта трансмиссии 2 так, чтобы объект был расположен в фокусе объектива 1, после чего производятся все необходимые электрические соединения, и регистратор подключается к источнику питания. Инфракрасное излучение от тепловыделяющего контролируемого объекта трансмиссии 2 через объектив 1 поступает на фотоэлемент инфракрасного излучения 3, изменяя его сопротивление. Аналого-цифровой преобразователь 4 формирует цифровой сигнал измеряемой температуры Θ контролируемого элемента трансмиссии 2, поступающий на вход контроллера 5. Контроллер 5 выполняет записанную в него программу и учитывает текущее значение температуры Θ, текущее значение скорости роста температуры V, заданное значение предельно допустимой температуры Θl и заданное значение предельно допустимой скорости роста температуры Vl, кроме этого, контроллер 5 измеряет прошедшее время τ, с интервалами 60 с. При интенсивном механическом изнашивании (неисправности) контролируемого объекта 2 он начинает выделять большее количество теплоты и нагревается. В случае если текущее значение температуры Θ превысит заданное значение предельно допустимой температуры Θl, либо текущее значение скорости роста температуры V превысит заданное значение скорости роста температуры Vl, контроллер 5 формирует управляющий сигнал, включающий световой индикатор 6.
Применение регистратора позволяет осуществить бесконтактный и непрерывный контроль температуры элементов механических трансмиссий как средство обеспечения мониторинга неисправностей.
Приложение
Достижение технического результата подтверждается данными экспериментальных исследований. На рисунке представлена лабораторная установка для тестирования цифрового регистратора неисправности трансмиссии (рисунок 1), выполненная автором.
Рисунок 1. Лабораторная установка для испытаний цифрового регистратора:
1 - промышленный фен; 2 - блок питания; 3 - цифровой термометр;
4 - датчик цифрового термометра; 5 - датчик цифрового регистратора;
6 - плата цифрового регистратора
На рисунке 2 показаны графики изменения температуры и ее скорости при установлении стационарной температуры.
Рисунок 2. Установление стационарной температуры
Анализ рисунка 2 показывает срабатывание регистратора при скорости изменения температуры свыше 5°С/мин и максимальное значение скорости - 6°С/мин. Срабатывание регистратора произошло в момент времени 0,7... 1,8 мин, что соответствовало изменению температуры от 23°C до 29°C. Затем значение температуры установилось на уровне 36°C, срабатываний регистратора не наблюдалось. Такой режим работы (быстрый нагрев и установившееся значение температуры) характерен для начала работы и установившегося режима работы узла трансмиссии.
На рисунке 3 показаны кривые температурного режима при квазистационарном росте температуры.
Рисунок 3. Квазистационарный рост температуры
Рисунок 3 показывает, что при квазистационарном росте температуры не происходит срабатывание регистратора, так как скорость не превышает допустимое значение 5°С/мин, однако на 11-ой минуте регистратор сработал из-за превышения допустимого значения температуры 55,5°C.
На рисунке 4 показаны результаты моделирования температурного скачка после установления стационарной температуры, который характеризует выход диагностируемого элемента в предельное состояние.
Рисунок 4. Температурный скачок после установления стационарной температуры
Анализ графиков на рисунке 4 показывает, что регистратор сработал при превышении скорости роста температуры дважды: в начале испытаний при установлении стационарной температуры на 1-ой минуте и во время температурного скачка на 7-ой минуте. Превышения допустимого значения температуры не зафиксировано.
Обобщение результатов лабораторных испытаний позволяет сделать вывод о работоспособности регистратора, доказанной срабатыванием в двух возможных случаях: при достижении предельных значений температуры и скорости ее роста. Кроме этого, зафиксировано срабатывание регистратора в начальный момент времени, при выходе диагностируемого узла на номинальный нагрузочный режим работы. Такое срабатывание можно отнести к ошибкам второго рода. Исключить эту ошибку и повысить точность диагностирования можно только программными методами, что возможно исключительно в случае использования цифрового регистратора.