СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR CONTACT-FREE DETERMINATION OF TECHNICAL STATE OF GEAR WHEELS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ бесконтактного определения технического состояния зубчатых колес и устройство для его реализации
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 №2257560, 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 было 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 №2337340 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 за время не менее одного оборота. 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 уменьшает его производительность.
i
si
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля деформационного состояния лопаток турбин (Данилин А.И. Диагностика и контроль рабочего состояния лопаток паровых турбин [Текст] / А.И. Данилин, С.И. Адамов, А.Ж. Чернявский, // Электрические станции. - 2007. -№7. с. 19-25.) заключающийся в том, что в корпусе турбоагрегата устанавливают неподвижный бесконтактный (периферийный) датчик над траекторией движения торцов лопаток, позволяющий регистрировать окружный шаг лопаток, на роторе турбоагрегата устанавливают оборотную метку, а на неподвижной части корпуса бесконтактный (оборотный) датчик, взаимодействующий с оборотной меткой и позволяющий регистрировать период вращения ротора турбомашины. С помощью периферийного датчика регистрируют электрические импульсы, соответствующие его взаимодействию с торцами лопаток. Определяют временные интервалы между импульсами τ, соответствующие окружному шагу между торцами лопаток. За N оборотов ротора определяют максимальные и минимальные значения указанных интервалов. Из полученных значений определяют усредненные временные интервалы τ.
s
s
si
s
Определяют средний период вращения ротора T за N оборотов, затем путем деления среднего периода вращения ротора на количество лопаток К в колесе получают средний окружный шаг лопаток τ по колесу за N оборотов ротора. Далее, определенные таким образом интервалы τ и τ, сравнивают между собой. По степени различия этих величин судят о наличии или отсутствии дефекта в одной или нескольких лопатках.
Известный способ осуществляется устройством на основе сигнализатора предаварийных деформаций лопаток (СПДЛ) (патент №2177145 опубликованный 20.12.2001 Бюл. 35), содержащий периферийный бесконтактный датчик, формирователь прямоугольных импульсов периферийного датчика, генератор тактовых импульсов, схему сравнения, блок управления, сумматор цифровых кодов, делитель суммарного кода на фиксированное число, блок вычисления разности, формирователь предаварийного кода.
Недостатком известного способа и устройства его реализующего являются узкие функциональные возможности, ограниченные контролем деформационного состояния лопаток турбин и не позволяющие контролировать рабочие параметры зубчатых колес редукторных систем.
В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей способа и устройства для его реализации посредством оценки изменения параметров информационных импульсов взаимодействия периферийного датчика с рабочими элементами контролируемого зубчатого колеса.
Способ бесконтактного определения технического состояния зубчатых колес, заключающийся в том, что на неподвижной части корпуса редуктора устанавливают неподвижный бесконтактный оборотный датчик, на диске или вале зубчатого колеса устанавливают возбудитель, 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 согласно изобретению периферийный датчик выполняют 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 и по результатам сравнения судят о степени износа зубчатого колеса.
Бесконтактное определение технического состояния зубчатых колес по предложенному способу осуществляется следующим образом.
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 ЭМ 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 направляют сформированный поток излучения 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, 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 (базовыми) величинами, полученными в начале эксплуатации зубчатого колеса и по результатам сравнения судят о степени износа зубчатого колеса.
Для реализации способа бесконтактного определения технического состояния зубчатых колес в известное устройство, содержащее периферийный бесконтактный датчик, генератор тактовых импульсов, дополнительно введены круглый волновод, заполненный диэлектриком, генератор электрических колебаний СВЧ диапазона, циркулятор, первое плечо циркулятора соединено с выходом генератора, второе плечо циркулятора соединено с круглым волноводом, амплитудный детектор, выполненный на СВЧ диоде, вход детектора подключен к третьему плечу циркулятора, формирователь прямоугольных импульсов периферийного датчика, выход детектора соединен с формирователем 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), 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, выход АЦП подключен к входным разрядам первой области памяти, выходы счетчиков тактовых импульсов определения длительности и периода подключены, соответственно, к входным разрядам второй и третьей областей памяти, выходные разряды трех областей памяти объединены в выходную шину, являющуюся информационным цифровым выходом микроконтроллера, который подключается к соответствующему входу персонального компьютера (ПК).
Предлагаемое техническое решение обладает новизной, т.к. авторам не известны признаки, фигурирующие в предлагаемом изобретении в качестве отличительных.
Расширение функциональных возможностей способа и устройства его реализующего достигается посредством определения динамики изменения амплитуды и длительности 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.
max
Устройство для диагностики рабочего состояния зубчатого колеса (фиг. 1) содержит периферийный бесконтактный датчик 1, выполненный например, на основе круглого волновода - волноводный датчик, 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 электромагнитных колебаний СВЧ диапазона, выход волноводного датчика подключен ко второму плечу циркулятора, третье плечо циркулятора соединяется со входом амплитудного детектора 4, выход детектора подключен к формирователю 5 прямоугольных импульсов периферийного датчика, выполненному на компараторе, опорный уровень которого устанавливается, например, на уровне 0,7U (см. фиг. 2), выход бесконтактного оборотного датчика 6 соединен со входом формирователя 7 прямоугольных импульсов оборотного датчика, микроконтроллер 8, с необходимыми функциональными периферийными устройствами (см. фиг. 1), а именно: АЦП 9, счетчик 10 определения длительности информационных импульсов и счетчик 11 определения периода вращения зубчатого колеса, генератор тактовых импульсов 12, ячейки внутренней памяти 13, разбитые на области 14, 15, 16, вход микроконтроллера 8, соответствующий информационному входу АЦП 9, подключен к выходу амплитудного детектора 4, а вход микроконтроллера 8, соответствующий управляющему входу АЦП 9, соединен с выходом формирователя 5 прямоугольных импульсов периферийного датчика, выход оборотного бесконтактного датчика 6 соединен со входом формирователя 7 прямоугольных импульсов оборотного датчика, входы микроконтроллера 8, соответствующие управляющим счетным входам счетчиков 10 и 11, соединены соответственно с выходами формирователей 5 и 7 прямоугольных импульсов периферийного и оборотного датчиков, выход АЦП 9 соединен со входом области памяти 14, выход счетчика 10 соединен со входом области памяти 15, выход счетчика 11 соединен со входом области памяти 16, выходные разряды ячеек областей памяти 14, 15, 16 объединены в выходную шину, представляющую собой информационный цифровой выход микроконтроллера 8 (фиг. 1), ПК 17, соответствующий порт которого соединен с цифровым выходом микроконтроллера 8, ПК 17 является блоком, 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 вращающегося 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 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 плечи 1-2 циркулятора 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 через его 2-3 плечи направляется на амплитудный детектор 4, с помощью которого выделяют огибающую принятого СВЧ сигнала.
nop
вых
max
вых
вых
Далее, выделенная огибающая - суть информационный сигнал, поступает на вход формирователя 5 прямоугольных импульсов периферийного датчика, представляющего собой компаратор, и одновременно поступает на вход микроконтроллера 8, соответствующего информационному входу АЦП 9. При превышении входным сигналом порогового уровня U (см. фиг. 2 u4), например 0,7U, который определяется в начале эксплуатации путем усреднения максимальных амплитуд от всех зубьев, на выходе формирователя 5 прямоугольных импульсов периферийного датчика формируется высокий логический уровень (фиг. 2 u5), который поступает на вход микроконтроллера 8, соответствующего управляющему счетному входу счетчика 10 и разрешает его запуск, после этого тактовые импульсы, поступающие от внутреннего генератора 12 микроконтроллера 8, по тактовому входу счетчика 10 (фиг. 2 u12) начинают его инкрементацию (заполнение), высокий логический уровень формирователя 5 также поступает на управляющий вход микроконтроллера 8, соответствующего управляющему входу АЦП 9 и осуществляет его запуск. Часть пространства внутренней памяти 13 микроконтроллера 8 разбивается на области 14, 15, 16 памяти. Первая область памяти 14 отводится для запоминания данных с АЦП 9, вторая область памяти 15 отводится для запоминания данных со счетчика 10, третья область памяти 16 отводится для запоминания данных со счетчика 11. Во время, когда сформированный высокий логический уровень с формирователя 5 прямоугольных импульсов периферийного датчика устанавливается на управляющем входе АЦП 9, запускается АЦП 9, значения, полученные с АЦП 9, поступают в предназначенную для этого область памяти 14. Таким образом, получают информацию о текущей амплитуде информационного сигнала. В момент времени, когда величина информационного сигнала опустится ниже заданного порога (фиг. 2 u4вых), выход формирователя прямоугольных импульсов 5 (фиг. 1) перейдет в низкое состояние (фиг .2 u5вых), счетчик тактовых импульсов 10 заканчивает инкрементацию и на его выходе формируется цифровой код соответствующий количеству пришедших тактовых импульсов (фиг. 2 u10вых~N). Таким образом, получают информацию о текущей длительности импульса. После того, как на управляющем счетном входе счетчика тактовых импульсов 10 будет сформирован низкий логический уровень, информация о текущей длительности импульса так же переносится в область памяти 15. В это же время значения амплитуд из области памяти 15, полученные с АЦП 9, и информация о текущей длительности импульса из области памяти 15 поступают на ПК 17 через цифровой выход микроконтроллера 8.
вых
вых
При взаимодействии установленного на диске зубчатого колеса возбудителя оборотной метки и, установленного на неподвижной части корпуса редуктора бесконтактного оборотного датчика 6, регистрируют знакопеременные электрические импульсы (фиг. 2 u6). Знакопеременные электрические импульсы поступают на вход формирователя 7 прямоугольных импульсов оборотного датчика, представляющего собой разновидность аналогового компаратора, который формирует прямоугольные импульсы (фиг. 2 u7). Далее, сформированные таким образом прямоугольные импульсы, поступают на управляющий счетный вход счетчика 11 микроконтроллера 8 (фиг.1 ). По переднему фронту пришедшего импульса запускается счетчик 11 тактовых импульсов, приходящих на тактовый вход от внутреннего генератора микроконтроллера 12. По приходу переднего фронта следующего импульса счетчик 11 останавливается и на его выходе формируется цифровой код соответствующий периоду вращения зубчатого колеса, который записывается в область памяти 16, после чего отправляются на ПК 17 через информационный цифровой выход микроконтроллера 8. В ПК 17 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.