автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Диагностика технического состояния прямозубых зубчатых передач с использованием современных средств кинематического контроля

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ НАДЕЖНОСТИ МАШИН

УДК 621.833 РГВ ОД

3 0

ДРАГАН Александр Вячеславович

ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ПРЯМОЗУБЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ КИНЕМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

05.02.02. — Машиноведение и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 2000

Работа выполнена в ИНДМАШ HAH Беларуси.

Научный руководитель:

Доктор технических наук, старший научный сотрудник Жук И.В.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, старший научный сотрудник Старжинский В.Е.

Кандидат технических наук, доцент Симонян JI.M.

Оппонирующая организация:

ПО Минский тракторный завод

Защита состоится « 22 » двМ2000г. в часов

на заседании совета по защите диссертаций Д 01.15.01 в Институте надежности машин Национальной академии наук Беларуси по адресу:

220072, г.Минск, ул.Академическая 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института надежности машин HAH Беларуси.

Автореферат разослан «// ■»¿/ОЯЗрЯ 2000г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, ____

кандидат технических наук, доцент -—В.Л.

© Институт надежности машин Национальной академии наук Беларуси, 2000

K41Z. 555.01,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Зубчатые передачи, представляющие до сих пор основу большинства зубчатых приводов, являются элементами современных машин, которые определяют их эксплуатационные качества, являются основными источниками повышенных вибраций и шума и лимитируют в большинстве случаев их надежность.

Быстрая и достоверная оценка качества изготовления зубчатых колес, диагностика их погрешностей и дефектов не только в ходе изготовления, но и в составе машины в процессе эксплуатации без проведения ее разборки является одним из необходимых условий обеспечения заданной надежности и эксплуатационных характеристик как зубчатых передач, так и машины в целом в процессе всего срока ее эксплуатации.

Наряду со снижением ряда эксплуатационных показателей, ухудшение качества зубчатых колес, заключающееся в наличии у них погрешностей изготовления и монтажа, а также возникающих в процессе работы дефектов приводит к отклонению от теоретического закона преобразования вращательного движения ведущего звена во вращательное движение ведомого, т.е. находит свое отражение в кинематической погрешности передачи.

Как правило, при исследованиях кинематической погрешности она рассматривается лишь как характеристика точности передачи вращения с ведущего звена на ведомое. Но это далеко не исчерпывающая информация, которая может быть получена при кинематическом контроле. При соответствующей обработке сигнала кинематической погрешности в ходе исследований зубчатых передач, он может быть рассмотрен как комплексный источник ценной диагностической информации.

Резкий скачок в развитии информационных технологий позволяет усовершенствовать методы получения и обработки сигнала кинематической погрешности для увеличения его информативности, что подразумевает возможность дальнейшего повышения эффективности и достоверности диагностики зубчатых передач по данному параметру.

Таким образом, исследование кинематической погрептости, использование ее при разработке методов и средств диагностики зубчатых передач, расширение круга решаемых задач с помощью получаемой из нее информации представляет собой как научный, так и значительный практический интерес.

Связь работы с крупными программами и темами

Работа выполнялась в соответствии с заданиями Государственной научно-технической программы «Белавтотракторостроение» (1997-1998гг.).

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка методов и средств выявления дефектов зубчатых колес, а также критериев, определяющих плавность работы передачи на основе информации о ее кинематической погрешности.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- На основе имеющихся представлений и математических моделей сформировать диагностические признаки основных дефектов и погрешностей зубчатых колес и передач в сигнале кинематической погрешности.

- Сформировать на основе теоретических исследований функциональные характеристики кинематической погрешности для оценки плавности работы зубчатой передачи.

- Разработать общие принципы функционирования, а также алгоритмы основных функций получения и обработки информации о кинематической погрешности механизмов на основе зубчатых передач, необходимые для создания современного контрольно-диагностического комплекса, отвечающего основным требованиям, предъявляемым в настоящее время к приборам кинематического контроля.

- Провести с помощью созданного контрольно-диагностического комплекса экспериментальные исследования по выявлению погрешностей зубчатых колес по кинематическим параметрам передачи, а также с целью оценки влияния на кинематическую погрешность нагрузочных и скоростных режимов.

- Провести экспериментальную проверку разработанных критериев плавности работы зубчатых передач по параметру кинематической погрешности путем оценки их влияния на виброактивность.

Объект и предмет исследования

В работе рассматривается кинематическая погрешность цилиндрических эвольвентных прямозубых зубчатых передач, на основе которой сформированы критерии выявления дефектов зубчатых колес и оценки плавности работы передачи.

Методология н методы проведенного исследования

В ходе проведения теоретических исследований использованы элементы теории эвольвентных зубчатых передач, кинематометрии, а также теории удара. Экспериментальные исследования заключались в непосредственном получении и обработке информации о кинематической погрешности и вибрации с помощью созданного в процессе выполнения работы контрольно-диагностического комплекса.

Научная новизна и значимость полученных результатов

Разработаны и научно обоснованы оригинальные алгоритмы ряда функций по обработке сигнала кинематической погрешности передачи, позволяющие извлекать из него необходимую информацию о состоянии зубчатых колес и характере протекания зацепления;

Получены теоретические зависимости, характеризующие как качественно, так и количественно кинематическую погрешность на участках эвольвентного и кромочного контакта;

Разработан критерий оценки плавности работы зубчатой передачи на основе данных кинематического контроля, характеризующий ударное взаимодействие профилей при пересопряжении зубьев;

Разработана методика экспериментального определения скорости удара, которая является одним из основных факторов, определяющих вибрационную активность передачи, на основе данных о кинематической погрешности передачи.

Проведены экспериментальные исследования кинематической погрешности зубчатых передач на рабочих режимах. Получены результаты, характеризующие влияние на кинематическую погрешность динамических явлений, возникающих при рабочих скоростях и нагрузках.

Практическая значимость полученных результатов

Полученные в результате выполнения диссертационной работы результаты использованы при создании контрольно-диагностического комплекса на основе микропроцессорного измерительного блока и ПЭВМ, отвечающего всем требованиям, предъявляемым к современным приборам кинематического контроля. Комплекс внедрен на ПО «Минский тракторный завод» и используется для проведения работ по оценке качества изготовления выявлению источников повышенной виброактивности, отработке конструкторско-технологических усовершенствований как отдельных зубчатых передач, так и узлов трансмиссий тракторов МТЗ;

Созданный комплекс и его программная система могут использоваться в качестве коммерческого продукта;

Получены результаты, позволяющие диагностировать ряд технологических и эксплуатационных дефектов цилиндрических зубчатых колес по параметрам кинематической погрешности;

- Получены экспериментальные данные, позволяющие сформулировать на основе данных кинематического контроля требования к уровню качества зубчатых колес, составляющих передачи с пониженной виброактивностыо;

На основе анализа полученных экспериментальных данных разработана методика определения резонанасных частот крутильных колебаний по данным кинематического контроля.

Основные положения, выносимые на защиту

Результаты теоретических и экспериментальных исследований кинематической погрешности зубчатых передач, устанавливающие качественную и количественную взаимосвязь основных элементарных погрешностей зубчатых колес и характеристик кинематической погрешности;

Методика расчета кинематической погрешности при погрешности шага зацепления на участках эвольвентного и кромочного контакта;

Критерий оценки плавности работы зубчатой передачи, получаемый по данным кинематического контроля и характеризующий ударное взаимодействие зубьев при их пересопряжении;

Основные принципы и алгоритмы получения и обработки сигнала кинематической погрешности зубчатых передач и механизмов на их основе, реализованные в контрольно-диагностическом комплексе;

Методика экспериментального определения скорости удара на основе данных о кинематической погрешности передачи;

- Результаты экспериментальных исследований кинематической погрешности зубчатых передач при рабочих режимах и разработанная на их основе методика определения резонансных частот крутильных колебаний механизма.

Личный вклад соискателя

Автором работы изучены и подробно проанализированы основные элементарные погрешности зубчатых колес, исследовано их проявление в сигнале кинематической погрешности, разработана методика расчета параметров кинематической погрешности при эвольвентном и кромочном контакте зубьев при наличии погрешности шага зацепления, разработаны методики оценки ударного взаимодействия зубьев при входе в зацепление и определения резонансных частот крутильных колебаний по данным кинематического контроля, разработан ряд алгоритмов обработки сигнала кинематической погрешности, реализованных в программной системе контрольно-диагностического комплекса.

Выбор направлений исследований, постановка цели и задач осуществлялись совместно с научным руководителем д.т.н., с.н.с. Жуком И.В.

Разработка и создание контрольно-диагностического комплекса, его основных операций и функций, отладка и апробация проводились совместно с научным руководителем д.т.н., с.н.с. Жуком И.В., к.т.н., н.с. Скорохо-довым A.C., специалистами БГУ к.т.н., доцентом Чудовским В.А., с.н.с. Стецко Й.П., инженером Зеленко Е.В.

Проведение экспериментальных исследований кинематической погрешности зубчатых передач, анализ полученных данных осуществлялось совместно с научным руководителем д.т.н. Жуком И.В. и к.т.н. Скороходовым A.C.

Апробация результатов диссертации

Отдельные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Зубчатые передачи-98» (Санкт-Петербург, 1998 г.), международной научно - технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (Севастополь, 1998г.), 20-м международном симпозиуме молодых ученых (Зелена Гура, Польша, 1998г.), X юбилейной научно-технической конференции «Новые технологии в машиностроении и вычислительной технике» (Брест, 1998г.), международной научной конференции «Теория и практика зубчатых пере-дач-98» (Ижевск, 1998г.), X Всемирном конгрессе по теории машин и механизмов (Оулу, Финляндия, 1999г.).

Опубликованность результатов диссертации

Результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных работах в международных и республиканских изданиях. Из них 3 статьи, 6 публикаций в сборниках трудов и тезисов научных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит 146 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 8 таблиц. Она состоит из общей характеристики работы, основной части, состоящей из четырех глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 103 наименования и приложений на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ - ВАЖНЕЙШИЙ

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

Дефекты зубчатых колес, в том числе технологические, наряду с особенностями процессов пересопряжения зубьев, переменной жесткостью зубьев по длине зацепления являются одними из определяющих факторов, приводящих к снижению надежности, долговечности, повышению виброактивности передачи, а также к отклонению от теоретического закона преобразования вращательного движения ведущего звена во вращательное движение ведомого. Последнее находит свое отражение в кинематической погрешности А(р((рх), которая, в соответствии с ГОСТ 1643, представляет собой разность между действительным и номинальным углами поворота ведомого зубчатого колеса передачи и выражается соотношением:

А<р(<р1) = <рг(<р1)-<р11 (1)

где ф! - угол поворота «едущего колеса;

92(91) ~ угол поворота ведомого колеса передачи как функция угла поворота ведущего колеса;

г - передаточное отношение передачи, принимается постоянным.

Оценка качества зубчатых передач, основанная на оценке кинематической погрешности, находит в последние годы у ведущих производителей машиностроительной продукции все большее значение как максимально отвечающая запросам практики. Как показал анализ литературы по данной тематике, кинематическая погрешность имеет высокую чувствительность к малейшим изменениям состояния зубчатой передачи. Это придает ей повышенную ценность при решении ряда важнейших задач в области повышения эксплуатационных характеристик передач: обеспечение требуемых надежности и ресурса, контроль и диагностика дефектов, улучшение плавности работы передачи и снижение тем самым вибрации и шума.

Неоспоримым достоинством сигнала кинематической погрешности является также возможность получения информации о характере зацепления на всех участках фазы зацепления, а не в отдельных ее точках. Как показала практика, подобные сведения незаменимы для проведения возможной корректировки профиля, например, посредством профильной модификации.

Проведенные исследования показывают, что не только нормируемая стандартами величина циклической составляющей кинематической погрешности /'110г, но и характер, а также длительность ее изменения характеризуют плавность работы, существенно влияют на динамические нагрузки и виброакустические характеристики передач. Практикуемые в настоящее время функциональные показатели характеризуют плавность работы передачи не в полной мере. В тоже время кинематическая погрешность несет в себе необходимую информацию для формирования новых, более совер-

шенных критериев оценки плавности работы передани, что стало одним из направлений проводимых с настоящей работе исследований.

Существенную практическую важность имеет не только качественное получение сигнала кинематической погрешности, но и возможность выделять из общей информации в зависимости от решаемых задач наиболее важные и информативные компоненты путем применения новых алгоритмов обработки получаемого сигнала. Использование современных аппаратных и программных средств, соответствующих достигнутому к настоящему периоду уровню в области информационных технологий, для создания приборов кинематического контроля окрывает широкие возможности для реализации всех перечисленных принципов измерения и обработки информации о кинематической погрешности зубчатых передач. Из этого вытекает необходимость создания современного комплексного прибора кинематического контроля, обладающего новыми функциональными возможностями, что является одной из задач настоящей работы.

Отмеченные выше факты, полученные на основе анализа литературы, позволили сформулировать цель и задачи проводимых исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПРЯМОЗУБЫХ ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

Механизм возникновения кинематической погрешности в зубчатом зацеплении может быть исследован на основе выявления влияния той или иной погрешности на параметры профиля. У эвольвептных зубчатых передач таковыми являются радиус эволюты - основной окружности г о - и угол разворота эвольвенты, который для зубчатого колеса является углом его поворота <р.

У точного эвольвентного профиля нормаль в каждой его точке представляет собой касательную к теоретической основной окружности с радиусом г„. При наличии у зубчатого колеса той или иной погрешности, как правило, происходит изменение теоретического радиуса основной окружности. В таком случае профильная нормаль в каждой точке рабочего участка зуба является касательной к основной окружности, которая имеет радиус гоШ отличный от номинального г0] на некоторую обусловленную погрешностями в зацеплении величину ЛгВ1. При зацеплении с точным колесом с радиусом основной окружности ги2 в зацеплении возникнет кинематическая погрешность, которая в общем случае может быть определена в каждой точке следующей зависимостью:

и

г

02

■ • ' Одним из направлений создания зубчатых колес с улучшенной динамикой <! является обеспечение более плавного зацепления. Если ранее в производстве тяжелонагруженных зубчаых приводов главное внимание уделялось повышению несущей способности, в последнее время усилия исследователей концентрируется на улучшении параметров плавности. В наибольшей степени плавность работы определяют погрешности шага зацепления и профиля

зубьев, которые проявляются в кинематической погрешности передачи в виде циклических составляющих зубцовой частоты.

Погрешность шага зацепления /ры, как известно, возникает в случае, когда радиус основной окружности гв отличен от теоретического и неизменен в каждой точке рабочего профиля. Проявление погрешности шага зацепления связано с наличием по фазе зацепления участков эвольвентного и кромочного взаимодействия профилей. Если первый из них характеризуется в сигнале кинематической погрешности наклонной прямой в соответствии с (2), то второй, как свидетельствуют экспериментальные данные, описывается кривой, которая достаточно достоверно аппроксимируется квадратиче-ской зависимостью. Однако, следует отметить, имеется очень мало сведений, позволяющих аналитически выразить закон изменения кинематической погрешности на участке кромочного контакта. Имеющиеся зависимости справедливы для зацепления зубчатого колеса и рейки и их применение в случае зубчатой пары приводит к значительным погрешностям.

Рассмотрим, например, кромочное взаимодействие зубьев на выходе из зацепления, что иллюстрирует рис.1. Как следует из него, поворот ведомого колеса çi при повороте шестерни на tpi может быть найден по расстоянию между профилями зубьев ВК по нормали как:

вк

<Р2=--(3)

Г02

Расстояние между профилями ВК, характеризующее положения ведомого зуба, равно разности перемещения проекции контактной точки на линию зацепления BN и величины NK, которая обусловлена кривизной профиля:

В К - BN - NK (4)

Величина BN может быть легко найдена как

Pu

BN= \г«1 cos( ae+<p,)d<p, (5)

0

где у ai - окружность вершин шестерни; ae- угол давления у кромки зуба; <?1к~ угол кромочного контакта.

Величина NK выражалась через геометрические параметры шестерни и колеса и угол ç>; и приводилась к несложной трансцендентной функции. В результате подстановки BN и NK в (4), а затем (4) в (3) получена трансцендентная функция угла поворота ведомого звена ç2 от ç>7, что позволило перейти к зависимости для определения кинематической погрешности передачи на участке кромочного контакта:

(6)

го2 2Г02 Г0}Г Го2

где dç/çi*)- кинематическая погрешность при кромочном контакте; у - угловой шаг.

Величина угла кромочного контакта <р1к может быть найдена по известным /рЬг и законам изменения кинематической погрешности при кромочном и эвольвентном контакте А(рэ, зубьев из следующего условия:

Го2

Предлагаемые методики для расчета Лф(><?]), а также угла кромочного ^контакта позволяют воспроизвести кинематическую погрешность на величине углового шага. В качестве примера на рисунке 2 представлен результат расчета кинематической погрешности зубчатой передачи ъ\=Ъ1\ 2.2=11", т=2мм на величине углового шага при различных величинах «положительной» погрешности шага зацепления на шестерне (/р4Г=10, 20, 30, 40 мкм). Полученные результаты позволии решить обратную, более важную для практических целей задачу - наряду с качественным выявлением погрешности шага в зацеплении количествен-зубьев на выходе из зацепления ное определение ее величины.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Угол поворота шестерни, угл.мин.

Рис.2. Кинематическая погрешность передачи при «положительной» погрешности шага зацепления на шестерне (г1=37; 2.2=12', т=2мм) 1 - Гры=Ю мкм; 2 - Гры=20 мкм; 3 - ГрЬг-30 мкм; 4 - fpы■=40 мкм

Погрешности профиля, возникающие, когда г„ не равен теоретическому значению и изменяется по фазе зацепления, также приводят к нарушению плавности работы передачи. Например, погрешность профиля в виде отличной от теоретической кривизны в кажой точке профиля зубьев, как представлено на рис. За, проявится, в соответствии с (2), в сигнале кинематической погрешности передачи возмущениями на величине углового шага (Рис.36). Приведенная погрешность не приводит к кромочному контакту

профилей, однако, вход очередной пары зубьев, как и при погрешности шага зацепления, сопровождается ударом.

Рис.3. Вариант погрешности профиля зуба (а) и вид возникающей при этом кинематической погрешности (б) - -----теоретический профиль,--действительный профиль

Погрешности зубчатых колес с периодом, равным обороту вала, вызывающие возникновение низкочастотных оборотных составляющих кинематической погрешности (монтажные и технологические радиальные биения, накопленная погрешность окружного шага), могут быть приведены к суммарному эксцентриситету е путем их квадратичного сложения. При таком подходе механизм возникновения A<p(<¡),) также может быть рассмотрен с точки зрения изменения г0 (2). Кинематическая погрешность передачи за полный оборот представляет собой синусоиду, а величина приведенного эксцентриситета е определяет величину размаха оборотной составляющей кинематической погрешности:

esiiwp,

А<Р(Р,) =-— (8)

Г„2

Рассмотренные выше погрешности охватывают основные погрешности, контролируемые у прямозубых зубчатых колес. Принятые для нормирования и контроля качества погрешности других элементов зубчатых передач (непараллельность осей, колебание длины общей нормали, неравномерность окружного шага, погрешность направления зубьев и др.) в значительной степени определяются рассмотренными параметрами, к которым они могут быть приведены.

Пересопряжение зубьев при ряде погрешностей, а также при деформациях зубьев сопровождается возникновением разности скоростей входящих в зацепление зубьев по линии зацепления vyó, что приводит к неплавному ударному входу зубьев в зацепление и, наряду с внешними динамическими возбуждениями, является основной причиной нежелательных повышенных шумов и вибраций зубчатых передач:

¡u a i л и d(A>c') d(Ах")

= А "ví =+ ¿v'-v„-¿v = " d{ . (9)

где Ал/, у/ - избыточное перемещение и фактическая скорость контактной точки профиля ведущего зуба в момент пересопряжения впереди и сзади идущих пар;

Ах/1, у/' - избыточное перемещение и фактическая скорость контактной точки профиля ведомого зуба в момент пересопряжения впереди и сзади идущих пар.

Учитывая геометрические свойства эвольвенты, приращение радиуса кривизны профиля или фактическая величина перемещения точки контакта Ах за угол д>1 определяются из следующего соотношения:

(?г го1 + Ах = (<р2 +А<р) го2,

откуда Ах = А <р г02 (10)

Тогда подставив (10) в (9) и учитывая, что Л = (¡(р1/о}!, имеем:

'(1(А<р') /1(А<р" )л

\

йср.

й(р1

(11)

где <о1 - угловая скорость ведущего колеса.

Данная зависимость показывает, что скорость удара при пересопряжении зубьев может быть определена как разность производных от А<р(ф]) в точке разрыва, соответствующей моменту пересопряжения профилей, при приближении к ней слева и справа, умноженная на известные значения ш; и го2. Таким образом, закон изменения кинематической погрешности при изменении угла поворота зуба от 0 до у несет в себе информацию о величине скорости соударения зубьев при входе их в зацепление.

На рис.4 в качестве примера представлен результат расчета скорости удара зубьев по предлагаемой методике при шаге зацепления на шестерне большем, чем на колесе и угловой скорости ведущего звена С0]=1 рад/с.

Реальные зубчатые передачи имеют, как правило, не один вид погрешности, а целый их набор. Поэтому у них закон изменения кинематической погрешности определяется не отдельными элементарными погрешностями и их величинами, а результатом их взаимодействия между собой. Установле-

0.0025 -

го 0,0015

10 15 20 25

Погрешность шага зацепления, мкм

Рис.4. Скорость удара зубьев при "положительной" погрешности шага зацепления (ры-рь2>0) и «1=1 рад/с. --Ъ\=2\ш, г2=43; т=4,5мм;---г]=37; г2=72; т=2мм.

пие закона кинематической погрешности передачи по нескольким известным величинам элементарных погрешностей представляет собой в ряде случаев чрезвычайно сложную, а иногда и вовсе нерешаемую задачу. Поэтому оценка плавности входа зубьев в зацепление путем расчетного определения реальной величины скорости удара существенно затрудняется. Решение данной задачи возможно посредством проведения кинематического контроля, результат которого автоматически учитывает взаимосвязь всех имеющихся у взаимодействующих зубчатых колес элементарных погрешностей и позволяет оценить путем необходимых преобразований сигнала кинематической погрешности скорость удара зубьев.

3. СОЗДАНИЕ КОНТРОЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ПО ПАРАМЕТРАМ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ И ВИБРАЦИИ

Основные принципы построения контрольно-диагностического комплекса (КДК), предназначенного для решения широкого круга задач по оценке качества изготовления, сборки и технического состояния состояния цилиндрических эвольвентных зубчатых передач и механизмов на их основе по параметрам кинематической погрешности и вибрации, разработаны на основе результатов анализа современных методов и средств кинематического контроля, а также актуальности стоящих в исследуемой области научных и практических задач. Расширение круга рассматриваемых параметров вибрацией связано с предположением наличия взаимосвязи между кинематическими характеристиками и динамическими явлениями, одними из основных проявлений которых являются вибрации.

Созданный контрольно-диагностический комплекс (Рис.5) представляет собой единое и неделимое целое выполненных на современной элементной базе аппаратных средств и мощной персональной вычислительной машины, объединенных программной системой, работающей в среде Windows 9х. Ни одна из его составных частей не предназначена для самостоятельного решения каких-либо задач. Учитывая технический уровень развития современных ПЭВМ, основной упор при создании КДК сделан на то, чтобы наиболее важные и ответственные операции при диагностике объекта были переданы ПЭВМ, которая составляет ядро КДК. Основу аппаратных средств составляет микропроцессорный модуль, который полностью управляется от ПЭВМ. Он выполняет лишь непосредственное снятие измерительной информации с датчиков и ее предварительную обработку в такой вид, в котором она может быть передана в ПЭВМ для соответствующей обработки программными средствами.

Передача ряда функций комплекса ПЭВМ обеспечивает быстрое получение больших объемов информации, ее обработку, хранение и представление в удобном для пользователя виде при существенной экономии времени, а также предусматривает возможность автоматизации основных операций, что значительно упрощает работу с КДК. Полученная и обработанная

информация хранится в виде файлов в памяти ПЭВМ либо на любом другом магнитном носителе.

Результаты измерений могут экспортироваться в числовом виде в другие программы среды Windows (например, Microsoft Excel) для дополнительной обработки, не предусмотренной программными средствами: Рис-5- Контрольно-диагностический комплекс

Перечень функциональных возможностей КДК определялся предполагаемыми способами решения поставленных задач настоящего исследования и теоретическими аспектами проблемы. Таким образом, на основе исходной информации, сформированной аппаратными средствами КДК, и задаваемых необходимых сведений об исследуемом объекте, программные средства позволяют проводить:

- исследование кинематической погрешности передачи, включающее просмотр исходного сигнала; выделение из него составляющих, создаваемых отдельными валами; дифференцирование сигнала кинематической погрешности; построение узкополосных спектров с отметкой зубцовых и кратных ей частот зубчатых колес рассматриваемого вала; частотный синтез процесса с использованием любых необходимых, по мнению исследователя, комбинаций частот; расчет общего уровня; сравнение получаемых данных с «эталонными»;

- Исследование вибрационной нагруженности объекта, включающее просмотр узкополосных, третьоктавных и октавных спектров сигнала; просмотр АЧХ в логарифмическом масштабе и выбор опорных значений вибросигнала по ГОСТ, ISO или другим стандартам; перерасчет одного параметра вибрации в другой (виброускорения в виброскорость или виброперемещение); расчет общего уровня параметра; выделение из общего вибросигнала составляющих, характеризующих работу отдельных элементов объекта; построение узкополосных спектров с отметкой зубцовых и кратных ей частот; проведение синтеза сигнала из любых частотных составляющих по усмотрению пользователя.

Программные средства реализуют также и ряд вспомогательных функций, не связанных прямым образом с обработкой измеряемых параметров, но позволяющих, что немаловажно, значительно повысить удобство работы с комплексом и, тем самым, эффективность проводимых исследований.

Контрольно-диагностический комплекс был положен в основу диагностического комплекса контроля трансмиссий тракторов по кинематиче-ким и вибрационным параметрам и внедрен на ПО «Минский тракторный завод» для проведения исследовательских работ.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПРЯМОЗУБЫХ ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

Для проведения эксперментальных исследований кинематической погрешности зубчатых передач использовался стенд с разомкнутым силовым контуром, обеспечивающий задание частоты вращения ведомого вала в диапазоне 0...3000 мин-1 и тормозного момента на выходном валу посредством порошкового тормоза ПТ-250М1 до 2500 Нм.

В качестве объектов исследований использовались специальные образцы зубчатых колес с модулем т=2 мм, шириной зубчатого венца Ь=20мм, НЯС=50.. .54. У каждого из них (за исключением двух, принимаемых в качестве парных эталонных) моделировалась та или иная погрешность изготовления или монтажа («положительная» и «отрицательная» погрешность шага зацепления, погрешности профиля, радиальное биение зубчатого венца, местные эксплуатационные дефекты зубьев и др.). По всем контролируемым параметрам (за исключением моделируемой погрешности) экспериментальные колеса соответствовали степени точности 6В. Моделируемые погрешности соответствовали степеням точности 8 и ниже. Исследование той или иной погрешности производилось при установке в паре дефектного и эталонного колес.

Замеры проводились при помощи созданного контрольно-диагностического комплекса. Для формирования сигнала кинематической погрешности использовались фотоэлектрические преобразователи угловых перемещений ВЕ-178А, устанавливаемые на входном и выходном валах передачи. При замерах вибрации в качестве датчика использовался трехком-понентный пьезоэлектрический акселерометр «Вгие1&Кагг» модели 4321.

Экспериментальные исследования кинематической погрешности при отклонении шага зацепления показали, что данный вид дефекта наиболее четко проявляется в сигнале кинематической погрешности в виде целого ряда диагностических признаков. Изменения, затрагивающие кинематическую погрешность, проявляются как в спектах в виде роста составляющих на зубцовой /г и кратных ей частотах (Рис.ба), так и в исходном сигнале в виде двух четко обозначенных зон - кромочного (кривая) и эвольвентного контакта (наклонная прямая) (Рис.66), что не вызывало значительных сложностей и подтвердило ряд уже имеющихся экспериментальных сведений. Знак погрешности определяет наклон зубцов на графике кинематической погрешности. Помимо качественного проявления данной погрешности, в ходе исследований получены результаты, позволяющие с приемлемой точностью определить величину и знак погрешности шага зацепления (таблица).

Величины погрешности шага зацепления экспериемнтальных зубчатых колес по данным кинематического контроля

/рь„ определенная прямыми измерениями, мкм /рЬг по данным кинематического контроля, мкм Относительное отклонение, %

+31 +28 9,7

-13 -11 15,4

+45 +44 2,2

50 1к к \ Амплитудно-частотная характеристика Вал 3-[71 : -1

а).

$0_1к_к | Моделирование кинематической погрешности Вал 3 - [72 :•] | Ног = б2,2" I Зубцоаая составляющая (72)

б).

Рис.6. Спектр (а) и общий вид кинематической погрешности (б) при наличии погрешности шага зацепления

При наличии у зубчатых колес погрешности профиля зубьев в сигнале кинематической погрешности при значительном росте зубцовых и кратных ей составляющих нет ярко выраженных зон кромочного и эвольвентного контакта. Вид кинематической погрешности на участке зацепления определяется характером отклонения профиля от эвольвенты. Так, например, вид кинематической погрешности, представленный на рис.7, позволяет диагностировать наличие у экспериментального зубчатого колеса погрешности профиля в виде огранки зуба. У другой зубчатой передачи кинематическая погрешность напоминает утоньшенную снизу синусоиду (Рис.8), в соответствии с чем профиль зуба экспериментального колеса имеет вид, представленный на рис.3, при этом нижние точки соответствуют удару при пересопряжении зубьев. Полученные экспериментальные данные подтверждают теоретические результаты, а также предполагают эффективное использование кинематического контроля для отработки оптимального профиля зубьев с точки зрения плавности пересопряжения зубьев.

Как и предполагалось, в ходе экспериментов установлено, что радиальное биение зубчатого венца приводит к увеличению оборотных составляющих кинематической погрешности и не влияет на высокочастотные составляющие. Результаты исследований позволяют рассчитать величину радиального биения по данным кинематического контроля с ошибкой менее 15%.

Местные дефекты зубьев эксплуатационного характера также могут быть успешно обнаружены в ходе кинематического контроля. Их проявление в сигнале кинематической погрешности заключается в возникновении резких всплесков характеристики, проявляющихся за оборот колеса. Микродефекты зубьев приводят к незначительным по длительности и величине

Рис.7. Погрешность профиля в виде огранки зубьев и ее проявление в кинематической погрешности передачи

5 | Кинематическая по г ре ш пост ь вала

Вал 3 - ¡72 ;■] | Р/ог ■ 551.4'

О 20 ЛО 60 20 100 120 НО 160 1 60 ¿00 220 240 260 230 '500

Номер отсчета

Рис.8. Кинематическая погрешность при погрешности профиля зубьев.

изменениям сигнала, поэтому их обнаружение в ходе анализа кинемати-граммы не всегда возможно и носит субъективный характер. Для их диагностики предлагается использовать графики избыточных угловых скоростей и ускорений, получаемые путем соответствующей математической обработки исходного сигнала кинематической погрешности. Как видно из рис.9, констатировать дефект зуба, оперируя лишь графиком кинематической погрешности проблематично, в то время как он однозначно отражается на графике ускорений в виде скачка характеристики.

В условиях высоких нагрузок и скоростей вращения результат измерения кинематической погрешности определяется уже не только геометрическими параметрами зубчатых колес, но и динамическими явлениями, происходящими как в зубчатых колесах передачи, так и на валах, соединениях и т.п. элементах, располагающихся на участке кинематической цепи между входным и выходным датчиками угловых перемещений. В связи с этим проведена серия экспериментов с целью оценить влияние на кинематическую погрешность скоростей и нагрузок, определить ее связь с динамическими явлениями, вибрационной активностью, и другими эксплуатационными характеристиками передачи. В результате проведенных экспериментов можно сделать установлено, что:

- с увеличением нагрузок возникают параметрические составляющие погрешностей зубьев колес, которые могут, как увеличивать геометрические составляющие погрешностей, так и компенсировать их, приводя к соответствующему изменению зубцовых составляющих кинематической погрешности, а также скорости соударения зубьев при их пересопряжении;

200_к \ Кинематическая погрешность вала В ал 2 ■ [42 :■} | Рюг = 249,6"

а).

200_к | Кинематическая поарешнасть вала (2 производнзк) Вал 1 -{•:47]\Р1ог* 1,9'

б).

Рис.9. Проявление местного дефекта зуба на графиках кинематической погрешности (а) и угловых ускорений (б).

- увеличение частоты вращения вызывает увеличение скоростей ударов зубьев, приводя к возрастанию динамических нагрузок. Характер кинематической погрешности с ростом скорости вращения определяется все больше динамическими являениями, чем геометрическим параметрами зубьев;

- кинематическая погрешность отражает в себе информацию о резонансных явлениях, возникающих в системе при совпадении частоты пересопряжения зубьев и собственных частот крутильных колебаний. На основе полученных результатов разработана методика выявления частот крутильных колебаний на основе данных о кинематической погрешности, а также угловых скоростях и ускорениях.

В ходе экспериментов установлено, что удары зубьев при входе в зацепление, четко проявляются в сигнале кинематической погрешности в виде разрывов функции. При этом их количественная характеристика — скорость удара, которая в соответствии с положениями теории удара, является одним из важнейших параметров, определяющих силу удара, а значит и динамические нагрузки в зацеплении, может быть определена по данным кинематического контроля. В результате предложен критерий оценки плавности работы передачи - относительная скорость удара, основанный на определении величины, пропорциональной разности скоростей входящих в зацепление зубьев в направлении линии зацепления. Алгоритм получения критерия реализован в КДК. На основе полученных результатов разработана методика, которая позволяет также вычислить фактическую скорость соударения зубьев на основе экспериментальных данных о кинематической погрешности путем ее соответствующей обработки.

Р1сследовапа взаимосвязь предлагаемого критерия оценки плавности работы и вибрационных характеристик передачи. Представленный на рис.10 график устанавливают взаимосвязь между величиной относительной скорости удара и уровнями виброускорений, возникающих при работе передачи, содержащей экспериментальное колесо при п=50 мин"1 Т=120 Нм. Учитывая, влияние нагрузки на величину скорости удара, критерий плавности определялся при п=50 мин1 и Т=120 Нм. Полученные на графиках точки аппроксимируются линейной зависимостью, обеспечивая величину коэффициента корреляции более 0,9. Наличие тесной связи между данными параметрами позволяет предположить, что уровни виброускорений для данной передачи в точке измерения могут быть спрогнозированы с точностью 2-3 дБ по данным кинематического контроля. Сходные результаты получены и при рассмотрении уровней виброскорости. Аналогичный анализ, проводимый для каждого конкретного механизма, к которому предъявляются определенные требования по вибрации, может служить основой для выработки требований к уровню качества зубчатых колес по предлагаемому параметру, что позволит обеспечить уровни виброускорений и виброскорости ниже допускаемых величин.

Рис.10. Зависимость общих уровней виброускорений на подшипниковой опоре испытательной коробки от скорости удара зубьев

ЗАКЛЮЧЕПИЕ

1. Кинематическая погрешность зубчатой передачи представляет собой не только характеристику точности передачи вращения с одного вала па другой, но и параметр, отражающий в себе погрешности зубчатых колес. В ходе теоретических и экспериментальных исследований обеспечено дальнейшее развитие методов выявления погрешностей шага зацепления, профиля, радиального биения, а также эксплуатационных дефектов прямозубых эвольвентных зубчатых колес на основе данных, получаемых в ходе кинематического контроля /1, 4, 8/.

2. Закон изменения кинематической погрешности позволяет наиболее полно раскрыть механизм возникновения удара при пересопряжении зубьев и содержит в себе всю необходимую информацию для определения его скорости. В результате теоретических исследований характеристик взаимного движения взаимодействующих зубчатых колес разработана методика расчета скорости удара при наличии в зацеплении погрешности шага зацепления зубьев 19/.

3. Для оценки плавности работы зубчатой передачи по данным кинематического контроля предлагается использовать амплитуды зубцовых составляющих не только кинематической погрешности, но и избыточных угловых скоростей. Их величины позволяют количественно оценить ударное взаимодействие при пересопряжении зубьев и приняты за основу критерия оценки плавности работы передачи. Полученные в ходе экспериментальных исследований результаты свидетельствуют, что скорость удара является одним из основных факторов, определяющих вибрационную активность передачи, а предлагаемый критерий может быть положен в основу требований к уровню качества зубчатых колес, составляющих передачи с пониженной виброактивностью ¡91.

4. Разработаны оригинальные алгоритмы ряда функций по обработке сигнала кинематической погрешности, позволяющие извлекать из него необходимую информацию о состоянии зубчатых колес и характере протекания зацепления. С использованием полученных результатов создан высокопроизводительный контрольно-диагностический комплекс на основе микропроцессорного измерительного блока и ПЭВМ, отвечающий всем требованиям, предъявляемым к современным приборам кинематического контроля /2, 3, 5, 6,7/.

5. Угловые скорости и ускорения, которые могут быть получены по данным кинематического контроля, имеют более высокую чувствительность к динамическим явлениям, происходящим в исследуемом механизме при рабочих нагрузках и частотах вращения, чем кинематическая погрешность. В ходе проведенных экспериментальных исследований разработана методика, позволяющая определять резонанасные частоты крутильных колебаний на рабочих режимах по параметрам избыточных угловых скоростей и ускорений /1, 6, 8/. .

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жук И.В., Драган A.B., Скороходов A.C., Мирошниченко И.А. Использование современных аппаратных и программных средств в исследованиях вибрации и кинематики зубчатых передач. // Зубчатые передачи - 98: Тез. Докл. междунар. науч.- техн. конф. по пробл. обеспеч. надежности и качества зубчатых передач. / БГТУ,- СПб., 1998.- с. 30-31.

2. Жук И.В., Драган A.B., Скороходов A.C., Александрова B.C. Компьютерная диагностика зубчатых механизмов по параметрам вибрации и кинематической погрешности // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: Материалы V междунар. науч.-техн. конф., Севастополь 8-11 сент. 1998г. в 3 т./ ДонГТУ.- Донецк, вып.б,- 1998. - Т.1 - с. 275-277.

3. Andrei Shurin, Alexander Dragan, Oksana Martinovskaja. Automatization of diagnosnics of a technical condition of gear transmissions// 20. Miedzynarodowe sympozjum naukowe studentów i mlodych pracowników nauki./ Politechnika Zielonogórska.- Zielona Góra, 1998. - P. 239-240.

4. Жук И.В., Монтик C.B., Шурин А.Б., Мирошниченко И.А, Драган A.B. Диагностика зубчатых механических приводов с использованием совре-

менных аппаратных средств // Новые технологии в машиностроении и вычислительной технике: Труды X юбил. науч.-техн. конф. в 2 ч. / БПИ,-Брест, 1998. Ч. 1 -с.27-31.

5. Жук И.В., Драган A.B., Скороходов A.C., Стецко И.П. Комплекс для диагностики зубчатых приводов // Наука-производству.-1999.-№6.-с.35-38.

6. Жук И.В., Скороходов A.C., Драган A.B., Мирошниченко И.А. И.П.Стецко, Е.В. Зеленко. Контрольно-диагностический комплекс для оценки технического состояния зубчатых передач II Теория и практика зубчатых передач:Трудымежд. конф./ ИжГТУ-Ижевск, 1998.-С.481-486.

7. Драган A.B. Контрольно-диагностический комплекс для диагностики технического состояния трансмиссий транспортных средств // Вести Национальной Академии наук. Сер. физ.-техн. наук. -1999. - №4. - С.30-33.

8. Ivan V. Jock, Alexander V. Dragan, Andrew S. Scorohodov, Valeiy A.Chudovski. Technological defects of cylindrical gear wheels and their diagnostics on a parameter of kinematic error // Tenth World Congress on the Theory of Machine and Mechanisms. / Oulu University. - Oulu, Finnland, 1999. -Vol.6.-P.2435-2439.

9. Драган A.B. Оценка плавности работы прямозубой зубчатой передачи по данным кинематического контроля // Вестник Брест, гос. техн. ун-та. -2000,- №4. - С. 2-6.

РЕЗЮМЕ

Драган Александр Вячеславович ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПРЯМОЗУБЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ КИНЕМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ Ключевые слова: зубчатая передача, кинематическая погрешность, диагностика, контрольно-диагностический комплекс, погрешности зубчатых колес, плавность работы, удар зубьев, вибрация.

В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, целью которых является разработка методик и средств выявления дефектов зубчатых колес, а также критериев, определяющих плавность работы зубчатых передач на основе информации о кинематической погрешности.

Исследованы механизмы возникновения кинематической погрешности передачи при наличии у зубчатых колес различных погрешностей. По-лученны результаты, которые могут быть эффективно использованы при диагностике дефектов зубчатых передач. Предложен критерий оценки плавности работы передачи, получаемый путем обработки по оригинальным алгоритмам сигнала кинематической погрешности. Экспериментально доказано, что данный критерий является одним из основных факторов, определяющих вибрационную активность передачи.

С помощью созданного в процессе работы современного контрольно-диагностического комплекса проведены экспериментальные исследования, в результате которых подтверждены теоретические положения, а также разработана методика определения скорости удара при пересопряжении зубьев. Исследовано влияние на кинематическую погрешность нагрузочных режимов, предложена методика определения резонансных частот крутильных колебаний по данным кинематического контроля.

РЭЗЮМЭ

Драган Аляксандр Вячаславав1ч ДЫЯГНОСТЫКА ТЭХНГЧНАГА СТАНУ ПРАМАЗУБЫХ ЗУБЧАСТЫХ КОЛАУ 3 ВЫКАРЫСТАННЕМ СУЧАСНЫХ СРОДКАУ К1НЕМАТЫЧНАГА КАНТРОЛЮ Ключавыя словы: зубчастая перадача, кшематычная х1бнасць, дыягно-стыка, кшггрольна-дыягнастычны комплекс, xionacub зубчастых колау, плаунасць работы, удар зуб'яу, в1брацыя.

У рабоце прыведзены вынш тэарэтычных i эксперьшентальных даследван-няу, мэтай ягах з'яуляецца распрадоука методьпс i сродкау выяулення дэфектау зубчастых колау, а таксама крытэрыяу, вызыачаючых плаунасць работы зубчастых перадач на выснове шфармацьи аб кшематычнай х1бнасщ.

Даследваны мехашзмы узнкнення кшематычнай xiGnaciib перадачы пры на-яунасщ у зубчастых колах розных элементарных х1бнасцяу. Атрыманы вынш, ягая могуць бьщь эфектыуна вьпсарыстаны пры дыягностыцы дыфектау зубчастых перадач. Прапанован крьпэрый ацэша плаунасщ работы перадачы, яю ха-рактэрызуе Удар зуб'яу i атрьшшваецца пры апрацоуцы ыгнала кшематычнай xi6ifacni. Эксперьшентальна даказана, нгто вел1чыня дадзенага крытэрыя з'яуляецца адным з асноуных фактарау, вызначшочых хибрацыйную актыунасць перадачы.

3 дапамогай створанага у ходзе выканання работы кахпрольна-дыягнастъгч-нага комплекса праведзены эксперьментальныя даследванш, у вынку яюх пац-верджаны тэарэтычныя погляды, а таксама распрацавана методыка вызначэння хуткасщ удара пры пераспалучэнш зуб'яу. Даследваны уплыу на юнематычную xioiiacub нагрузачных рэжымау i прапанавана методыка вызначэння рэзанансных частот круцшьных вагання^ па дадзеных кшематычнага катролю.

THE SUMMARY

Dragan Alexander Vjacheslavovich DIAGNOSTICS OF TECHNICAL CONDITION OF SPUR GEARING WITH EMPLOYMENT OF MODERN MEANS OF KINEMATICS CONTROL

Key words: gearing, kinematics error, diagnostics, checking-diagnostic complex, errors of gear wheels, smoothness of work, impact of teeth, vibration.

The results of theoretical and experimental researches are given in the work, which purpose is the development of techniques and means of revealing of defects of gear wheels, and also criteria determining smoothness of work of gearing on the basis of the information about kinematics error.

The mechanisms of an kinematics error occurrence in gear transfers at the presence at gear wheels of various elementary errors are investigated. The received results can be effectively used at diagnostics of gear transfers defects. The criterion of an estimation of smoothness of work of transfer characterising a speed of teeth impact and receiving by processing a signal of a kinematics error is offered. It is experimentally proved, that the size of the given criterion is one of major factors determining vibrating activity of gear transfer.

With the help of the modern checking-diagnostic complex, created during work, the experimental researches are carried out. At result, the theoretical rules are confirmed, and also the method of definition of speed of impact at gear teeth input in meshing is developed. The influence on kinematics error of load values is investigated. The technique of definition of resonant frequencies of-torque7 fluctuations on the data of the kinematics control is offered. /^j.i^^ml.

ДРАГ АН Александр Вячеславович

ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ПРЯМОЗУБЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ КИНЕМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

05.02.02. - Машиноведение и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 30.10.2000г. Формат 90x60 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.п.л.1,4. Уч.изд.л.1,5. Тираж 120 экз. Заказ №765.

Отпечатано на ризографе Брестского государственного технического университета

224017, г. Брест, ул. Московская, 267.