Устройство контроля вибрации редуктора

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности может быть использована при определении уровней вибраций редуктора и его вращающихся элементов, а также при контроле технического состояния редуктора.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство, раскрытое в документе US 20140163904 А1 (NRG SYSTEMS INC), дата публикации 12.06.2014. Устройство является частью системы по сбору данных для обслуживания роторных машин по состоянию. Устройство носит название дополнительная система сбора данных. Устройство содержит один или множество выносных датчиков различного назначения, среди которых могут быть датчики вибрации и тахогенераторы, датчики объединены между собой блоком управления посредством шины данных, которая своими входами-выходами связана с датчиками и с блоком управления. Также блок управления содержит дополнительные входы-выходы для соединения с блоком радиомодуля, а также входы-выходы для подключения внешнего источника питания. Причем блок управления, блок радиомодуля находятся в едином корпусе дополнительной системы сбора данных (US 2014/0163904 A1, G01M 13/00, 12.06.2014). Данное устройство ведет измерение вибрации и других параметров, оказывающих влияние на техническое состояние объекта контроля, с последующей обработкой измеренных данных системой сбора данных, частью которой является устройство, с целью определения фактического технического состояния и остаточного ресурса объекта контроля. Устройство обладает следующими недостатками: устройство не является автономным от сторонних источников питания, другими словами  устройство невозможно использовать при отсутствии возможности подключения электропитания; устройство не обладает возможностью определения вибрации тех элементов объекта контроля, на которые невозможно установить датчики вибрации, такой возможностью обладает система сбора данных для обслуживания роторных машин по состоянию в целом, частью которой является устройство; устройство проводит измерения вибрационного сигнала объекта контроля с погрешностью, возникающей при креплении датчиков вибрации к объекту контроля, по причине того, что в устройстве не учтено воздействие диссипативных (рассеивающих) сил объекта контроля на исходящий от источника колебаний сигнал вибрации. Объект контроля не является идеально упругим, следовательно, в нем присутствуют диссипативные свойства, которые оказывают отрицательное влияние на информационную составляющую вибрационного сигнала. Также в представленном устройстве не принято мер по увеличению резонансной частоты датчика вибрации, что сокращает диапазон измерений частот вибрации объекта контроля.
Задача полезной модели заключается: в повышении автономности от электропитания, в расширении функциональных возможностей устройства за счет измерения уровней вибраций вращающихся элементов редуктора, которые возможно идентифицировать, зная общий уровень вибрации и частоты простейших гармонических колебаний, образующих общий уровень вибрации (применительно к редуктору - частоты вращения элементов подшипников, валов, шестерней, колес и т.д.), в повышении надежности, а также в повышении точности измерений уровней вибрации и частот простейших гармонических колебаний.
Технический результат достигается тем, что устройство контроля вибрации редуктора, содержащее блок управления, блок радиомодуля, при этом первый вход-выход блока управления соединен с входом-выходом блока радиомодуля, дополнительно содержит источник питания, по крайней мере один датчик вибрации и один тахогенератор, причем блок управления, блок радиомодуля и источник питания находятся в одном корпусе устройства контроля вибрации редуктора, датчик вибрации и тахогенератор являются выносными элементами устройства контроля вибрации редуктора, в качестве тахогенератора используется синхронный тахогенератор переменного тока, состоящий из ротора в виде постоянных магнитов, установленных на валу редуктора, и статора в виде катушки с обмотками, датчик вибрации закреплен на внутренней поверхности корпуса редуктора, при этом второй вход-выход блока управления соединен с входом-выходом источника питания, третий вход-выход блока управления соединен с входом-выходом датчика вибрации, а четвертый вход блока управления соединен с выходом тахогенератора.
Сущность предложенного технического решения поясняется блок-схемой (чертеж).
Устройство контроля вибрации редуктора содержит следующие основные функциональные элементы: блок управления 1, блок радиомодуля 2, источник питания 3, находящиеся в одном корпусе, а также датчики вибрации 4 и тахогенератор 5, являющиеся выносными элементами устройства, причем датчики вибрации 4 устанавливаются в корпусе редуктора, а тахогенератор 5 на одном из валов редуктора.
В качестве датчиков вибрации 4 применяются датчики с пьезоэлектрическими акселерометрами, которые необходимы для измерения блоком управления 1 значений вибрации по трем взаимно перпендикулярным осям. Данные акселерометры обладают высокой точностью измерений и предоставляют возможность проводить измерения в широком диапазоне частот, необходимом для диагностирования  зарождающихся дефектов во вращающихся элементах редуктора. Датчики вибрации 4 крепятся на внутреннюю поверхность корпуса редуктора при помощи болтовых соединений. Предусмотренная возможность крепления датчиков вибрации 4 на внутренней поверхности корпуса редуктора приводит к уменьшению влияния диссипативных сил, рассеивающих механическую энергию, идущую от источника колебаний и несущую в себе информацию о вибрационном сигнале источника колебаний, что повышает точность измерения исходного вибрационного сигнала. За счет крепления датчиков вибрации 4 к корпусу редуктора при помощи болтового соединения получается жесткое неразъемное соединение, которое обеспечивает увеличение резонансной частоты датчика, что в итоге также повышает достоверность измерений исходного вибрационного сигнала и расширяет диапазон измеряемых частот вибрации. Количество датчиков вибрации 4 зависит от модели редуктора, для которого устанавливается устройство контроля вибрации редуктора.
В качестве тахогенераторов 5 используются синхронные тахогенераторы переменного тока, состоящие из роторов в виде постоянных магнитов, установленных на валу редуктора, и статоров в виде катушек с обмотками. Тахогенераторы 5 необходимы для измерения блоком управления 1 значений электродвижущей силы, индуцируемой в катушке, которые в дальнейшем будут использованы программным обеспечением блока управления 1 для расчета частот вращения всех вращающихся элементов редуктора. При условии, что все геометрические параметры звеньев кинематических цепей редуктора известны, необходимо и достаточно наличие одного тахогенератора 5 для одной кинематической цепи редуктора. Постоянные магниты тахогенератора 5 крепятся на один из валов редуктора, а катушка крепится внутри корпуса редуктора на один из неподвижных элементов, таким образом, чтобы при вращении вала редуктора с установленными на нем постоянными магнитами в катушке индуцировалась электродвижущая сила, значение которой пропорционально частоте вращения вала.
Источник питания 3 представляет из себя литий-полимерный аккумулятор с возможностью питания от сети переменного тока через разъем, выведенный на корпус устройства контроля вибрации редуктора.
Блок управления 1, используемый в устройстве контроля вибрации редуктора, необходим для управления устройством, для приема и обработки данных, поступающих с датчиков вибрации 4 и тахогенераторов 5. Блок управления 1 представляет из себя системную плату с установленными процессором, модулями оперативной памяти, разъемами для карт памяти, с установленными картами памяти, необходимыми для работы программного обеспечения и хранения данных, интерфейсами для подключения посредством проводных соединений блока радиомодуля 2, источника питания 3, датчиков вибрации 4, тахогенераторов 5. В зависимости от количества датчиков вибрации 4 и тахогенераторов 5 блок управления 1 комплектуется необходимым количеством интерфейсов для их подключения.
Блок радиомодуля 2 предназначен для связи с удаленным компьютером оператора с использованием беспроводного протокола данных Wi-Fi. Данный блок 2 подключен к системной плате блока управления 1. Блок 2 имеет встроенную всенаправленную антенну Wi-Fi.
Также одним из элементов устройства контроля вибрации является специализированное программное обеспечение, основной функцией которого является создание отчетов о значениях частот вращения и амплитуд вибраций вращающихся элементов редуктора, а также создание отчетов о техническом состоянии редуктора и его элементов на основе сопоставлений и обработки значений вибраций редуктора, частот вращения валов редуктора.
Устройство контроля вибрации редуктора работает следующим образом.
Питаемый от источника питания 3 блок управления 1 подает сигнал и питание датчикам вибрации 4, за счет пьезоэлектрического эффекта которых блок управления 1 ведет измерения значений амплитуд вибраций. Параллельно с этим блок управления 1 начинает принимать электрический сигнал от тахогенераторов 5, которые за счет явления электромагнитной индукции при вращении валов редуктора являются источниками электрического тока, по значению электродвижущей силы которых блок управления 1 определяет частоты вращения валов, на которых установлены постоянные магниты тахогенератора 5.
После определения частот вращения валов редуктора, а также амплитуд вибраций блок управления 1 по заданным в программном обеспечении алгоритмам начинает процессы обработки и сопоставления данных. Далее блок управления 1 составляет отчеты, содержащие:
1) частоты вращения всех вращающихся элементов редуктора;
2) графики зависимостей амплитуд вибраций точек, в которых установлены беспроводные датчики вибрации, от времени;
3) построенные с помощью преобразования Фурье спектры этих зависимостей - зависимости амплитуд вибраций от частот колебаний, возбуждающих вибрацию;
4) амплитуды вибраций всех вращающихся элементов редуктора, полученные из спектра;
5) сведения о техническом состоянии редуктора.
В итоге блок управления 1 сохраняет полученные отчеты на картах памяти, а также отправляет отчеты при помощи блока радиомодуля 2 на удаленный компьютер оператора.
В результате такое устройство позволяет вести контроль уровней вибраций всех вращающихся элементов редуктора в процессе их работы, позволяет заранее идентифицировать зарождающиеся дефекты, предотвратить повреждения редуктора, предупредить внеплановые отказы, в том числе аварийные. Анализ вибрационных процессов позволяет определить фактическое техническое состояние редуктора и его элементов.
Устройство может быть использовано в системах сбора данных, контроля и диагностики технического состояния редукторов различных модификаций.