CC BY
16
УДК 629.114.2-235
А. Н. Максименко, канд. техн. наук, доц., Б. М. Моргалик,
А. М. Даньков, д-р техн. наук, доц., В. В. Кутузов
ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОЦЕНКИ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРАНСМИССИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
МАШИН
В работе рассмотрены принципы формирования контролируемого параметра объекта диагностирования на основе геометрических характеристик трансмиссионной цепи. Формализован общий подход количественной оценки диагностического параметра. Проведена оценка контролепригодности новых моделей мобильной техники с помощью разработанного программного продукта.
В настоящее время строительные и дорожные машины (СДМ), занятые и используемые в строительстве различных объектов, работают в условиях повышенного абразивного износа и динамических нагрузок. Эффективность применения данной техники определяется, в основном, ее работоспособностью в условиях эксплуатации.
Затраты, связанные с проведением технических обслуживаний и ремонтов за срок службы СДМ, превышают в 8.. .10 раз ее первоначальную стоимость. При этом более половины строительных и дорожных машин, используемых в производстве работ, с истекшим сроком службы. Кроме того, отказ техники, используемой при комплексной механизации строительных работ, влечет за собой потери времени и средств из-за полной остановки работ.
Снижение затрат на поддержание и восстановление работоспособности СДМ и вероятности их отказов в процессе эксплуатации возможно при условии достоверной и полной оценки их состояния и прогнозирования остаточного ресурса отдельных сборочных единиц, агрегатов, систем и машины в целом.
Одним из наиболее уязвимых узлов с точки зрения надежности и остаточного ресурса является трансмиссия и ее сборочные единицы в отдельности, работо-
способность которых определяется состоянием зубчатых зацеплений. Современные методы диагностики и контроля состояния зубчатых зацеплений с известной точностью позволяют отслеживать динамику изменения технических характеристик и параметров, характеризующих их работоспособность.
Одним из наиболее новых и современных методов диагностики является метод, запатентованный в Республике Беларусь. Сущность данного метода диагностирования зубчатых зацеплений заключается в анализе подсистемы «двигатель - трансмиссия» путем сравнения количества импульсов, генерируемых первичными преобразователями, установленными на входном и выходном звеньях кинематической цепи. Конструктивная реализация метода заключается в установке датчиков перемещения возле источника опорного и выходного сигналов с последующим снятием сигналов и обработкой разработанными алгоритмами в режиме тестового воздействия, при котором вначале обеспечивается выбор зазоров в одном направлении (разгон трансмиссии), а затем - в другом (торможение трансмиссии приводящим двигателем, когда силы инерции зубчатых колес будут превышать движущие силы).
Методика применения импульсного метода приведена в опубликованных работах [1, 2].
Важнейшими критериями применения всех методов диагностирования является информативность и точность оценки. В контексте упомянутых критериев основная техническая проблема предложенного метода диагностирования трансмиссионных зубчатых передач состоит в том, что точность или разрешающая способность данного метода зависит от конструктивных особенностей трансмиссии объекта диагностирования.
Разрешающая способность импульсного метода диагностирования определяется необходимостью проведения технического обслуживания и контроля состояния трансмиссионных зубчатых зацеплений при 25, 50, 75, и 100 % выработки ресурса. На первом этапе математическое выражение предложенной схемы измерения и оценки состояния трансмиссионных зубчатых передач будет выглядеть следующим образом:
п„
(^шах ' ип) / Zв
(1)
выходного зубчатого колеса; 2шах - число зубьев маховика или опорных сигналов за один его оборот; ип - передаточное число диагностируемой кинематической цепи; 2вых - число зубьев зубчатого колеса, возле которого установлен датчик в диагностируемой кинематической цепи трансмиссии (далее - выходное зубчатое колесо).
Следующим этапом является формирование выражения, которое переводит зазор, выраженный в линейных единицах длины дуги начальной (делительной - при отсутствии коррекции) окружности выходного зубчатого колеса в количество опорных импульсов, получаемых входным первичным преобразователем так называемого выражения дифференцированного зазора:
пп пшах * .]г
(2)
где пшах - количество опорных импульсов, соответствующих выходному импульсу
где ) - длина дуги делительной окружности выходного зубчатого колеса в линейных единицах.
Например, сомножитель _)п, определяемый в единицах длины дуги делительной окружности выходного звена по двухступенчатой схеме трансмиссии, определяется следующим образом (рис. 1).
Рис. 1. Схема отсчета боковых зазоров _)ь ) в механической коробке передач
Согласно схеме на рис. 1 в коробке передач имеются боковые зазоры ) - в зацеплении зубчатых колес с делительными радиусами г1 и г2, а также ) - в зацеплении зубчатых колес с делительными радиусами г3 и г4 (индексы в обозначениях боковых зазоров соответствуют зубчатым зацеплениям коробки передач).
Отсчет величин боковых зазоров осуществляется относительно выходного зубчатого колеса с делительным радиусом г4. Тогда величина ф2 в радианах бокового зазора ) на выходе определится из выражения
ф2 = )2 / г 4. (3)
Так как величина ф2 измеряется относительно выходного зубчатого колеса коробки, можно записать ф2 = ф2-4.
Величина ф1 в радианах зазора )1, приведенная к выходному валу (выходному зубчатому колесу) коробки передач, определяется из следующего выражения:
ф1-4 = (]1 / г2) ■ гз / г4. (4)
Величина суммарного углового зазора коробки передач относительно выходного зубчатого колеса определится как сумма предыдущих составляющих:
ф!_4 = ф1-4 + ф2-4 (5)
или
ф!-4 = (]2 / г 4) + (]1 / г2) ■ гз / г4 . (6)
Тогда величина суммарного зазора ф£.4, выраженная в единицах длины делительной дуги выходного зубчатого колеса с делительным радиусом г4, определится из выражения
_)£_4 = ф£_4 ■ г4 (7)
или
Ь-4 = [(]2 / г 4) + (]1 / г2) ■ гз / г4] г4. (8)
Требуемый уровень достоверности диагностирования достигается оптимальным подбором количества опорных импульсов за промежуток времени, в качест-
ве которого будет выступать промежуток времени одного импульса, генерируемого выходным зубчатым колесом. В общем виде подобное выражение может быть описано следующей функциональной зависимостью:
nn f ft jib Ajtb zmaх, z1n z2n ^, твыхХ (9)
где i - количество ступеней (сопряжений зубьев) в данной кинематической цепи; Ajn - суммарный износ зубьев зубчатых колес исследуемой ступени кинематической цепи; z1n - число зубьев шестерни исследуемой ступени кинематической цепи; z2n - число зубьев колеса исследуемой ступени кинематической цепи; u0 - передаточное число исследуемой кинематической цепи; твых -модуль зацепления выходного звена.
Следует учитывать, что при недостаточном количестве опорных сигналов, приходящихся на один выходной сигнал на определенной передаче, определяющей состав исследуемой кинематической цепи, первичный преобразователь может быть расположен не только возле выходного зубчатого колеса, но и в позициях, дающих максимальную информацию о состоянии зацеплений на данной передаче. Это изменяет передаточное число исследуемой кинематической цепи, что должно быть учтено в дальнейших расчетах, а также изменяет количество отдельных контролируемых узлов трансмиссии и структуру диагностирования объекта в целом.
С учетом предыдущих математических преобразований выражение отсчета дифференцированного зазора в импульсах Х маховика для ступени механической трансмиссии примет вид:
(jn+ Ajn)
X =___k=lZ2k , Zmax ' Un (10)
П ■ твых ^ых
где z1k - число зубьев шестерни k-й ступени исследуемой кинематической цепи; z2k - число зубьев колеса k-й ступе-
ни исследуемой кинематической цепи; швых - модуль выходного зубчатого колеса.
Величине X должно соответствовать количество опорных импульсов пп:
пп = пп) + ппД) ,
(11)
где пп) - количество опорных импульсов маховика, соответствующих номинальному зазору ) исследуемой зубчатой пары; ппд) - количество опорных импульсов маховика, соответствующих величине износа А)п зубчатого зацепления исследуемой зубчатой пары.
Тогда выражение отсчета дифференцированного зазора с учетом предыдущего выражения примет вид:
()п+ А,) И-1
пп) + ппА) =-------к±—к. 'ип . (12)
П. шв^к —ых
В случаях, когда составляющая ппд, отсутствует или объект исследования находится на начальной стадии эксплуатации, выражение принимает вид:
пп) = к=1—2к . —пах ип
(13)
—вых
При решении обратной задачи, заключающейся в подборе параметра диагностирования -шах при известных пп), -вых, )п, ип и швых, общее выражение для всей кинематической цепи передачи будет иметь вид:
= X
п
пА)
)М
Шв^1х —вых
■"шах ^—1 С
к=1
(14)
Пп + А1п )И ~^п
к=1 -2к
.и„
Таким образом, используя последнее выражение для определения дифференцированного зазора и варьируя критериями 1, А)п, швых, -п, можно реализовать определение числа зубьев (количества опорных импульсов) на входном первичном преобразователе.
Итоговый формализованный математический аппарат для решения прямой задачи определения количества опорных импульсов с учетом всех ступеней исследуемой кинематической цепи выглядит следующим образом:
:Х
к=1
X (пп)+ппА) ) к=1
(п+ А)п м-п^
п. ш в
(15)
Выражая полученные по последней формуле значения бокового зазора в линейных единицах через число импульсов маховика, для диагностируемого объекта можно определить степень влияния величины износа боковой поверхности зубьев зубчатых колес на величину выходного сигнала и оценить исследуемую кинематическую цепь с точки зрения контролепригодности, выработав рекомендации по позиционированию первичных преобразователей бортовой системы диагностирования.
Приведенный математический аппарат был использован для анализа контролепригодности на базовых машинах МТЗ 2522 и МТЗ 1221. Машина МТЗ 2522 обладает 24 передачами переднего хода и 12 передачами заднего хода без учета ходоуменьшителя. В соответствии с кинематической схемой трансмиссии объекта диагностирования наибольший интерес представляют передачи, обладающие минимальными и максимальными значениями передаточных чисел. Крайние значения трансмиссионных диапазонов лимитируют значения диагностического параметра, что является исходной информацией для выработки рекомендаций по подбору количества входных датчиков, числа зубьев выходного зубчатого колеса, с которого снимается низкочастотный сигнал, и позиционированию первичных преобразователей.
В соответствии с задачей исследования на языке высокого уровня разработан программный продукт Біа§поБІ у1.0, позволяющий по кинематическим характеристикам трансмиссионных агрегатов зафиксировать величину диагностического параметра с различной величиной бокового зазора, определяемой номинальным боковым зазором и износом профилей зубьев зубчатых пар. В основу математического аппарата, используемого в программном продукте, положен пересчет линейной величины бокового зазора в количество опорных импульсов на один выходной импульс.
Программный продукт Б1а§пов1 у1.0 позволяет провести расчет и подобрать оптимальное положение и количество первичных преобразователей исходя из кинематической схемы объекта диагностирования.
Внешний вид программного модуля определяется путем формирования списка опытов и исходных данных для проводимых расчетов.
Закладка «журнал проведенных экспериментов» предназначена для формирования списка опытов по каждой передаче объекта диагностирования (рис. 2).
Рис. 2. Журнал проведенных экспериментов
Журнал включает наименование исследуемой передачи трансмиссии, количество входных датчиков, количество выходных датчиков, число зубьев выходного зубчатого колеса, число зубьев маховика и количество импульсов маховика, приходящихся на весь суммарный зазор как результат проведенного расчета.
Функционал журнала проведенных экспериментов позволяет осуществить поиск, удаление результатов экспериментов, а также их перемещение по таблице сохраненных экспериментов.
Вторая закладка программного модуля, именуемая «подготовка данных для нового эксперимента» предна-
значена для формирования исходных па- расчет с измененными параметрами
раметров проводимого расчета и включа- кинематической цепи передачи. Сохра-
ет в себя задание и создание количества нение и удаление параметров кинема-
зубчатых ступеней в передаче, наимено- тической цепи передачи необходимо
вание передачи (рис. 3). Загрузка пара- при работе с базой данных, в которой
метров передачи из базы необходима в хранятся результаты всех проведенных
случае, если будет проведен повторный расчетов.
Файл Редактирование Эксперимент Помощь
ЖУРНАЛ ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПОДГОТОВКА ДАННЫХ ДЛЯ
Создать Загрчзить из базы Сохранить в Ш Удалить Воспроизвести схему Эксперимент
Ж* базу данных передачу \у\ передачи
Количество ступеней в передаче: Существующие передачи: Наименование передачи:
Р---------------------------3 | МТ3-1221 (4 передача прямой ход) [мтэ •1221 (4 передача прямой ход)
Ступень Количество зубьев шее Модуль шестер Количество зубьев кол Модуль колеса. Износ шестерни Износ колеса.
► 1 ш 4.5 51 4.5 0 0
2: 17 4.5 38 4.5 0 0
§ 20 4.5 34 4.5 0 0
4 21 4.5 42 4.5 0 0
5 12' е 41 Б 0 0
6 27 |б.5 54 16.5 0 0
Ступень Количество зубьев шестерни : М одул ьшест Количество зубьев колеса Модуль коле Износ шестерни Износ колеса.
► 7 21 6 72 6 0 0
Рис. 3. Подготовка данных для нового расчета
Визуализация исследуемой кинема- ским схемам базовых машин МТЗ 2522 и
тической цепи осуществляется с помощью МТЗ 1221 с номинальными параметрами
функции воспроизведения схемы переда- боковых зазоров приведены в табл. 1.
чи по заданным параметрам. Проведение Как видно из предварительных
расчетов реализуется после активации расчетов, соответствующее номиналь-
функции «эксперимент». При этом задает- ным величинам боковых зазоров объек-
ся имя данного расчета, количество вход- тов МТЗ 2522 и МТЗ 1221 количество
ных датчиков, число зубьев маховика, импульсов не превышает 7.
число зубьев и модуль выходного зубча- Величины равномерного износа
того колеса. После проведения расчета его боковой поверхности зубьев с интерва-
результаты принудительно сохраняются в лом в 5 % (0.. .100 %) ресурса в пере-
базе данных. Программный продукт Б1а§- счете на импульсы для МТЗ 1221 изме-
поб1 у1.0 прошел тестирование при иссле- няются в диапазоне от 1 до 480 для 16,
довании контролепригодности трансмис- 1, 12 и 5 передач. Графическое отобра-
сий объектов МТЗ 2522, МТЗ 1221. жение результатов эксперимента приве-
Результаты расчетов по кинематиче- дено на рис. 4.
Табл. 1. Расчеты по схеме МТЗ 2522 и МТЗ 1221 при номинальном зазоре
Передача МТЗ 2522 Количество импульсов маховика на зазор Передача МТЗ 1221 Количество импульсов маховика на зазор
1, передний ход 4 1, передний ход 1
6, передний ход 4 4, передний ход 1
7, передний ход 7 5, передний ход 1
12, передний ход 7 8, передний ход 1
13, передний ход 7 9, передний ход 1
18, передний ход 7 12, передний ход 1
1, задний ход 5 13, передний ход 1
6, задний ход 5 16, передний ход 1
7, задний ход 5 1, задний ход 1
12, задний ход 5 4, задний ход 1
- 5, задний ход 1
- 8, задний ход 1
Л)п --------------------►
Рис. 4. Результаты расчетов по базовой машине МТЗ 1221
Контролепригодность объектов, находящихся на стадии проектирования, может быть оценена по кинематическим параметрам трансмиссии. По результатам оценки формируются рекомендации выбора параметров математического аппарата, т. е. 2Шах, 2вых, Ш„, А^, 1, иш при соблЮдении условия наибольшей информативности метода. Следует отметить, что параметр 1 определяет структуру математического аппарата в целом и зависит от места позиционирования выходного первичного преобразователя.
По результатам проведенных расчетов можно отметить, что величина контролируемого параметра увеличивается с возрастанием процента износа бокового профиля зубчатой передачи. Таким образом, обладая исходной информацией по каждой передаче и сопоставив ее с полученной в ходе диагностирования, можно зафиксировать процентную величину износа и спрогнозировать остаточный ресурс объекта диагностирования по лимитирующему элементу трансмиссии.
Результаты проведенных расчетов показали работоспособность предложенной методики диагностирования по приведенным объектам. Разработанный программный продукт позволяет на стадии
проектирования базовой машины определить величины параметров диагностирования и места позиционирования выходных первичных преобразователей. Математический аппарат, использованный в программном продукте Бь а§поБ1 у1.0, универсален и может быть применен для решения обратной задачи получения параметров источников опорного и выходного сигналов при установленных параметрах контролепригодности зубчатых зацеплений кинематической цепи объекта диагностирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антипенко, Г. Л. Использование информационных технологий при диагностировании строительных машин / Г. Л. Антипенко, А. Н. Максименко, Б. М. Моргалик // Механизация строительства. - 2006. - № 2 - С. 6-9.
2. Выбор режимов тестового воздействия и прогнозирование работоспособности механических трансмиссий мобильных машин / А. Н. Максименко [и др.] // Механизация строительства. - 2006. - № 12 - С. 10-13.
3. Максименко, А. Н. Эксплуатация строительных и дорожных машин : учеб. пособие / А. Н. Максименко. - СПб. : БХВ-Петербург. - 2006. - 400 с.
Белорусско-Российский университет УКПП «ИВЦ Облсельхозпрода» Материал поступил 18.02.2008
A. N. Maksimenko, B. M. Morgalik,
A. M. Dankov, V.V. Kutuzov Formation of the diagnostic variables of the estimation of transmissions operability when design vehicles
In this article the principles of formation of test-unit controlled variable on the basis of geometrical performances transmission chain are considered. The common approach of a quantitative estimation of diagnostic parameter is formalized. The controllability estimation of new vehicles’ models by means of the developed software product has been conducted.
