CC BY
58
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
ISSN 1994-0408
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 06. С. 10-21.
Б01: 10.7463/0615.0779329
Представлена в редакцию: 21.05.2015 Исправлена: 07.06.2015
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 621.3.082.74
К вопросу определения износа зубьев шестерни с помощью индукционного датчика
Атаманов В. Н.1, Кудрявцев Е. А.1' , каапа 1945@уаш1ехд!
1 2 Пронякин В. И. , Гуляев А. Н.
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2ОАО "ЭЛАРА", Чебоксары, Россия
Представлены результаты определения естественного износа зубьев шестерен из ферромагнитных сталей в процессе вращения. Экспериментально показана возможность использования для этого индукционных датчиков. Разработан оригинальный метод позиционирования заданной точки рабочего профиля зуба относительно формы электрического сигнала на выходе индукционного датчика. Метод строится на синхронной регистрации выходных сигналов индукционного и оптического датчиков. В качестве искомой точки выбрана точка пересечения делительной окружности шестерни с профилем зуба. Описан построенный на этой основе способ диагностики износа зубьев металлических шестерен. Представлены варианты разработанных специально для этого индукционных датчиков.
Ключевые слова: зубчатые передачи, редуктор, износ, индукционный датчик, фазохронометрический метод
Введение
В работе [1] изложены экспериментальные результаты по использованию стационарных индукционных датчиков пассивного типа для измерения износа ферромагнитных шестерен редукторов в процессе эксплуатации. Эти результаты получены экспериментально и пока не получили серьезного теоретического подтверждения, так как для этого необходимы достаточно сложные и объемные математические модели. Такие работы уже начаты, но требуют больших затрат средств и времени. Тем не менее, задача измерения износа зубьев шестерен в движении и возможность создания простых, надежных и недорогих мобильных систем диагностики, позволяющих регистрировать износ в процессе эксплуатации, актуальна в настоящее время. Отработка технических решений требует дополнительной проверки, что и было реализовано в результате выполненной работы. Целью работы было экспериментальное подтверждение возможности измерения износа зубьев шестерни с использованием пассивного индукционного датчика и диска позиционирования. Методика определения
износа была разработана на базе фазохронометрического подхода, разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана [2,3, 4,5,6,7,8,9, 10,11].
Экспериментальная установка и методика для реализации фазохронометрического подхода для измерения износа зуба зубчатого
колеса
Для реализации поставленной задачи была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки
Где:
1. станина; 2 - роликовые подшипники; 3- вал;
2. зубчатое колесо;
3. прижимное кольцо;
4. диск с радиальными пазами на глубину 20 мм, шириной 0,5 мм и с числом пазами, равным числу зубьев шестерни. Диск 6 прижимается кольцом 5 к торцу шестерни 4 по поверхности А. Предусмотрена возможность поворота диска 6 относительно шестерни 4 и установки паза в желаемом месте профиля зуба с последующей фиксацией.
5. платформа из немагнитного материала, на которой закрепляется датчик;
6. излучатель оптического датчика;
7. корпус оптического датчика;
8. фотоприемник оптического датчика, расположенный на одной оси с излучателем;
9. электромагнитный датчик индукционного типа;
10. муфта;
11. асинхронный электродвигатель мощностью 2,2 кВт, позволяющий осуществлять плавную регулировку скорости вращения зубчатого колеса.
В ходе эксперимента плоский металлический диск с 22 пазами устанавливался на торце шестерни (см. рис.1) таким образом, чтобы пазы можно было совмещать с любой точкой рабочей эвольвенты и жестко фиксировать в таком положении. На рисунке 2 представлен фрагмент установки (вид слева, нумерация элементов на рис. 1 и рис. 2 совпадает) диска 6, совмещенный с точками пересечения рабочей части эвольвенты зубьев 4 с делительной окружностью, обозначенной буквой й.
Рисунок 2 - Схема установки пазов диска по делительной окружности.
При выполнении эксперимента первичный сигнал на выходе индукционного датчика при вращении шестерни формировался синхронно с сигналом от пазов специального диска. Число пазов равно числу зубьев шестерни. Определение соответствия точки профиля (сигнал оптико-электронной системы) с сигналом индукционного датчика (рис. 2) осуществлялось по ниже изложенной методике.
Диск 6 с радиальными пазами поворачивался относительно шестерни 4 и устанавливался таким образом, чтобы паз совпадал с интересующей точкой профиля зуба. В частности, на рисунке 2 показана установка диска, при которой паз совпадает с точкой пересечения делительной окружности шестерни с профилем зуба.
При вращении шестерни одновременно регистрировались выходные сигналы индукционного и оптического датчиков. Так как оси этих датчиков совпадают, то момент появления сигнала на выходе оптического датчика соответствует определенной точке сигнала на выходе индукционного датчика. Так как положение диска относительно шестерни предварительно определено, а, следовательно, определены точки сигнала индукционного датчика, соответствующие точкам профиля зуба. Устанавливая пазы диска последовательно по характерным точкам профиля зуба, и одновременно синхронно регистрируя выходные сигналы индукционного и оптического датчиков, было определено соответствие точек выходного сигнала индукционного датчика характерным точкам рабочего профиля зуба. На рисунке 3 представлены осциллограммы выходного напряжения датчиков при установке паза диска в точках пересечения делительной окружности и профиля зуба.
Рисунок 3 - Осциллограммы выходного напряжения оптического (1) и индукционного (2) датчиков при установке прорези диска в точках пересечения делительной окружности и профиля зуба.
По результатам выше описанных экспериментов была осуществлена привязка сигнала индукционного датчика к профилю зуба. Её результаты приведены на рисунке 4.
Рисунок 4 - Результаты привязки осциллограммы выходного напряжения индукционного датчика к профилю зуба: а) осциллограмма выходного напряжения, б) профиль зуба шестерни
Характерные точки на рисунке 4 соответствуют следующим элементам: интервал осциллограммы между точками 1 и 3 - половина впадины между зубьями; интервал осциллограммы между точками 3 и 6 - ширина зуба по делительной окружности; интервал осциллограммы между точками 6 и 9 - ширина впадины между зубьями. Из полученных результатов следует, что для измерения износа эвольвентной поверхности зуба нужно при вращении шестерни измерять интервал времени между соответствующими точками осциллограммы. Для измерения выше обозначенных элементов был разработан специальный индукционный датчик с системой первичной обработкой информации, встроенной в корпус датчика.
Экспериментально установлены основные зависимости параметров сигнала от размеров и расположения магнита датчика относительно проходящего при вращении зуба,
количества витков катушки датчика, скорости вращения шестерни, величины зазора между торцом датчика и вершиной зуба. Разработана методика позиционирования датчика относительно зуба. Это позволило, в частности, решить задачу взаимного позиционирования относительно опорных точек 1 - 8 сигнала (см. рисунок 4а) и точек сигнала, соответствующих серединам впадин между точками, т. е. шагу зуба (точки 1 и 8 рис. 4б). Методика определения точек на сигнале датчика, соответствующих точкам поверхности зуба описана в [12]. Она, в частности, позволяет позиционировать датчик на любую точку эвольвенты, включая и точку профиля на делительной окружности, что в ряде случаев оказывается необходимым для настройки датчика.
По делительной окружности ширина зуба равна ширине впадины и, зная диаметр и модуль зубчатого колеса, по можно определить значение толщины зуба, по которому настраивается измерительная система при заданных величинах зазора и на фиксированной скорости вращения шестерни. Количество витков катушки w выбирается исходя из требуемой величины амплитуды измеряемого сигнала, габаритных размеров датчика и используемого диаметра медного провода. Величина зазора А между торцом датчика и вершиной зуба выставляется при наладке и остается неизменной в течение всего срока работы системы и выбирается в пределах от 2 до 5 мм. Скорость V, на которой осуществляется измерение, выбирается из условий эксплуатации редуктора. Например, для тягового редуктора состава пригородного электропоезда в качестве такой эталонной скорости может быть выбрана любая скорость в диапазоне от 30 до 60 км/час.
Сигналы индукционного датчика для нового (рис. 5 а) и изношенного (рис. 5б) зуба колеса с модулем т=10 отчетливо различаются. На основании этого для измерения толщины зуба разработан специальный блок и алгоритмы обработки, позволяющие определить износ в реальном масштабе времени. Исходным размером является размер новой шестерни, который рассчитывается по значениям модуля шестерни и диаметра делительной окружности. Параметры сигнала изменяются во времени пропорционально уменьшению толщины зуба. Оценка работоспособности датчика и измерительной системы была проведена при определении износа шестерни с модулем т=10 при скорости вращения 457 об/мин. Осциллографировались выходные напряжения датчика при вращении новой и изношенной шестерен. Результаты осциллографирования приведены на рисунке 5. Масштаб по времени 500 мкс/клетка, по напряжению 1 В/клетка. Из сравнения двух осциллограмм отчетливо видно различие интервалов времени соответствующих делительной окружности (нулевая линия на осциллограммах) при прохождении зубьев. На рис. 5а время прохождения зуба тг равно времени прохождения впадины т2 =1,75 мс. Это указывает на то, что ширина зуба и ширина впадины равны. На рис 5б пропорция изменилась: время прохождения зуба тг равно 1,6 мс, а время прохождения впадины т2 равно 1,9 мс, что указывает на износ зуба в процентном отношении около 15,8%, что близко к нормативному износу рабочей шестерни тягового редуктора электропоезда.
б
Рисунок 5 - Сравнительные осциллограммы выходного напряжения для новой - а
и изношенной шестерен - б.
а
Приборная реализация первичного преобразователя
Проведенные исследования позволили разработать методику точной настройки измерительной системы на делительную окружность шестерни и разработать для этого систему диагностики и измерения износа зубьев при вращении колеса. По результатам выполненной работы на ОАО "ЭЛАРА" г. Чебоксары была разработана конструкция и изготовлена опытная партия типовых индукционных датчиков, которые могут найти применение в машиностроении для использования в системах диагностики редукторов различных машин и механизмов. Датчики представлены на рис. 6 и в настоящее время проходят различные испытания.
Рисунок 6 - Типовые конструкции индукционных датчики для диагностических систем машиностроения
а) - сдвоенный; б) одинарный
Отдельно на рис. 7 представлен серийный индукционный датчик, спроектированный для установки на редукторах моторвагонов электропоездов ЭД4М производства ОАО "Демиховский машиностроительный завод". В настоящее время датчик проходит стендовые испытания на заводе в составе системы диагностики АПК-Р.
Рисунок 7 - Специализированный индукционный датчик для установки на тяговом редукторе вагонной тележки моторвагона электропоезда. 1- индукционный датчик; 2 - разъем подключения; 4 - латунный
корпус; 5 - встроенная схема включения датчика
Заключение
1. Выполнены работы и получены экспериментальные результаты по использованию стационарных индукционных датчиков пассивного типа для измерения износа ферромагнитных шестерен редукторов в процессе эксплуатации на базе фазохронометрического подхода, разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
2. Разработана методика определения точек на выходном сигнале индукционного датчика, соответствующие заданным профиля зуба и, в частности, точкам профиля по делительной окружности зуба зубчатого колеса.
3. Разработана методика измерения износа зуба зубчатого колеса по делительной окружности.
4. Разработана конструкция и изготовлена опытная партия типовых индукционных датчиков для использования в системах диагностики редукторов различных машин и механизмов при измерении износа зубчатой передач.
Работа поддержана в рамках НИР по выполнению проектной части государственного задания в сфере научной деятельности Задание №9.1265.2014/К и Задания №2014/104 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России.
Список литературы
1. Кудрявцев Е.А, Атаманов В.Н., Пронякин В.И., Гуляев А.Н. Измерительный контроль износа рабочих поверхностей зубчатых колес в процессе эксплуатации // Приборы. 2014. № 6. С. 52-55.
2. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Проблема точности при метрологическом обеспечении производства и эксплуатации машин и механизмов // Проблемы машиноведения: точность, трение и износ, надёжность, перспективные технологии: сб. ст. / под ред.
B.П. Булатова. СПб.: Наука, 2005. С. 7-24.
3. Пронякин В.И. Фазохронометрия в обеспечении информационно-метрологического сопровождения жизненного цикла машин и механизмов // Мир измерений. 2011. № 9.
C. 57-61.
4. Потапов К.Г. Фазохронометрический контроль износа рабочих профилей зубчатых колес редуктора в процессе его функционирования // Метрология. 2013. № 9. С. 27-35.
5. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Фазовый метод исследования циклических машин и механизмов на основе хронометрического подхода // Измерительная техника. 2001. № 9. С. 15-18.
6. Байков А.И., Киселёв М.И., Комшин А.С., Пронякин В.И., Руденко А.Л. Многофакторное информационно-метрологическое сопровождение эксплуатации гидроагрегатов на базе фазохронометрического метода // Гидротехническое строительство. 2015. № 2. С. 2-8.
7. Комшин А.С. Математическое моделирование измерительно-вычислительного контроля электромеханических параметров турбоагрегатов фазохронометрическим методом // Измерительная техника. 2013. № 8. С.12-15.
8. Пронякин В. И. Проблемы диагностики циклических машин и механизмов // Измерительная техника. 2008. № 10. С. 9-13.
9. Бережко И.А., Гостюхин О.С., Комшин А.С. Измерительные информационные фазохронометрические системы для диагностики в области электроэнергетики // Приборы. 2014. № 5. С. 13-17.
10. Пронякин В.И. Метрологическое обеспечение фазохронометрических систем (часть 1) // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 12. С. 259 -271. Б01: 10.7463/1212.0514343
11. Пронякин В.И. Метрологическое обеспечение фазохронометрических систем (часть 2) // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 1. С. 115 -121. Б01: 10.7463/0113.0514350
12. Атаманов В.Н., Кудрявцев Е.А. Потапов К.Г. Экспериментальная разработка метода регистрации положения зубчатого колеса // 11 -ая Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений»: матер. М.: Изд-во НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. С. 140 -146.
Science and Education of the Bauman MSTU, 2015, no. 06, pp. 10-21.
DOI: 10.7463/0615.0779329
Received: Revised:
21.05.2015 07.06.2015
Science^Education
of the Bauman MSTU
ISSN 1994-0408 <£> Bauman Moscow State Technical Unversity
On the Determination of the Gear Teeth Wear
Using an Inductive Sensor
1 1 * V.N. Atamanov , E.A. Kudrjavtsev ' ,
V.I. Pronyakin1, A.N. Guljaev2
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
2JSC ELARA, Cheboksary, Russia
Keywords: gear transmission, gear, wear, inductive sensor, phase-chronometric method
A problem to measure the teeth wear of rotating gear wheels and a possibility to create simple, reliable and inexpensive mobile systems of diagnostics allowing to record the wear in the course of use are presently relevant. The paper presents implemented technical solutions as a result of work. The aim of the work was to prove experimentally that it is possible to measure the teeth wear of a gear wheel using a passive inductive sensor and a positioning disk. The technique to determine the wear uses a phase-chronometric method developed at BMSTU.
To reach the objective, an experimental installation was designed and made. Works are performed, and experimental results of used stationary inductive sensors of passive type to measure the ferromagnetic gear wheels wear of reducers in use are received.
The technique for defining the points at the output signal of the inductive sensor, which correspond to the specified points of the tooth profile and, in particular, to the profile points on a pitch circle of the tooth of gear wheel has been developed. Experiments allowed us to define the main dependences of signal parameters on the sizes and arrangement of the sensor magnet with respect to the passing tooth in the course of rotation, as well as on the number of the sensor coil turns, speed of gear wheel rotation, and on the gap size between the end face of the sensor and the top of a tooth. The technique for positioning the sensor with respect to tooth has been developed. In particular, it allows us to position a sensor at any point of the involute, including also a point of the profile on a pitch circle. This is necessary to adjust the sensor. The conducted researches allowed us to develop a technique for exact measuring system adjustment to a hitch circle of the gear wheel and to develop for this purpose a system of diagnostics and measurement of teeth wear with the wheel being rotated. The results of work performed at the JSC ELARA in Cheboksary city allowed us to develop a design and make a pilot batch of standard inductive sensors, which can be used in mechanical engineering in systems of diagnostics of reducers in a diversity of machines and mechanisms.
References
1. Kudryavtsev E.A, Atamanov V.N., Pronyakin V. I., Gulyaev A.N. Measuring wear control of working surfaces of gears during operation. Pribory, 2014, no. 6, pp. 52-55. (in Russian).
2. Kiselev M.I., Pronyakin V.I. The problem of accuracy in metrological support of production and operation of machines and mechanisms. In: Bulatov V.P., ed. Problemy mashinovedeniya: tochnost', trenie i iznos, nadezhnost', perspektivnye tekhnologii: sb. st. [Problems of machines science: accuracy, friction and wear, reliability, advanced technology: collected articles]. St. Petersburg, Nauka Publ., 2005, pp. 7-24. (in Russian).
3. Pronyakin V.I. Phase-chronometry in providing of information and metrological support of life cycle of machines and mechanisms. Mir izmerenii, 2011, no. 9, pp. 57-61. (in Russian).
4. Potapov K.G. Phase-Chromatic Control of Wear of the Working Profiles of the Gear Wheels of a Reduction Gear in the Course of Operation. Metrologiya, 2013, no. 9, pp. 27-35. (English version of journal: Measurement Techniques, 2013, vol. 56, no. 9, pp. 1048-1053. DOI: 10.1007/s11018-013-0328-5
5. Kiselev M.I., Pronyakin V.I. A Phase Method of Investigating Cyclic Machines and Mechanisms Based on a Chronometric Approach. Izmeritel'naya tekhnika, 2001, no. 9, pp. 15-18. (English version of journal: Measurement Techniques, 2001, vol. 44, no. 9, pp. 898-902. DOI: 10.1023/A:1013247419491 ).
6. Baikov A.I., Kiselev M.I., Komshin A.S., Pronyakin V.I., Rudenko A.L. Multifactor information and metrological support of operation of hydraulic units on the basis of phase-chronometric method. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo, 2015, no. 2, pp. 2-8. (in Russian).
7. Komshin A.S. Mathematical modelling of measurement-computational monitoring of the electromechanical parameters of turbine units by a phase-chronometric method. Izmeritel'naya tekhnika, 2013, no. 8, pp.12-15. (English version of journal: Measurement Techniques, 2013, vol. 56, no. 8, pp. 850-855. DOI: 10.1007/s11018-013-0295-x ).
8. Pronyakin V.I. Problems in diagnosing cyclic machines and mechanisms. Izmeritel'naya tekhnika, 2008, no. 10, pp. 9-13. (English version of journal: Measurement Techniques, 2008, vol. 51, no. 10, pp. 1058-1064. DOI: 10.1007/s11018-009-9162-1 ).
9. Berezhko I.A., Gostyukhin O.S., Komshin A.S. Information measuring phase-chronometric systems for diagnostics in the field of power industry. Pribory, 2014, no. 5, pp. 13-17. (in Russian).
10. Pronyakin V.I. Metrological support of phase-chronometric systems (part 1). Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU,
2012, no. 12, pp. 259-271. DOI: 10.7463/1212.0514343 (in Russian).
11. Pronyakin V.I. Metrological support of phase-chronometric systems (part 2). Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU,
2013, no. 1, pp. 115-121. DOI: 10.7463/0113.0514350 (in Russian).
12. Atamanov V.N., Kudryavtsev E.A. Potapov K.G. Experimental development of method of registration of gear wheel position. 11-aya Vserossiiskaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya "Sostoyanie iproblemy izmerenii": mater. [Proc. of the 11th All-Russia scientific-technical conference "State and problems of measurement"]. Moscow, Publ. of Research Institute of Radio Electronics and Laser Technology of Bauman MSTU, 2013, pp. 140-146. (in Russian).
