CC BY
25
УДК 631.3-752.004
КОЛЕБАНИЯ КАРДАННОЙ ПЕРЕДАЧИ
В. А. Мачнев, доктор техн. наук, профессор ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8(412) 628-272
Статья посвящена рассмотрению появления вибрационных колебаний при работе карданного вала ведущего переднего моста трактора МТЗ-82. Предполагается, с одной стороны, снизить их амплитуду, что обеспечит повышение ресурса передачи, с другой -использовать их для целей диагностирования. Приведены резонансные зоны, где колебания значительно возрастают.
Ключевые слова: кардан, колебания, трансмиссия, резонанс, амплитуда, трактор.
В сельскохозяйственной технике широкое применение имеют карданные передачи. Карданная передача при своей работе возбуждает колебания, распространяемые через опоры по всему корпусу.
Характер колебаний зачастую оценивают по спектру выходного сигнала. Нами снимался спектр колебаний от карданной передачи трактора МТЗ-82. При исследовании использовался комплект виброизмерительной аппаратуры фирмы РРТ: виброметр типа 00042 с перестраиваемым фильтром типа 01025, датчик КБ-50, самописец уровня 02060. Частота вращения карданного вала определялась с помощью стробоскопа и составляла на 6-й передаче 600 мин-1, 7-й передаче - 727 мин- , 8-й -859 мин-1. Согласно проведенным ранее исследованиям для обеспечения наибольшей интенсивности ударных процессов частота вращения двигателя трактора была максимальной [1]. Нагрузка задавалась путём перекатывания трактора по беговым барабанам.
Спектр снимался в полосе 0...20000 Гц. Для примера рассмотрим спектр, снятый для 6-й передачи. Установлено, что большая часть его энергии сосредоточена в полосе до 2 кГц.
Основное соотношение при ударе можно представить в виде
АтУ = ЁМ , (1)
где т - масса вала, кг; V- скорость его центра тяжести, м/с; Р - значение ударной силы, Н; Аг - длительность действия силы, с.
Одной из важнейших характеристик, определяющих параметры ударного воздействия, служит длительность удара. Из классической теории удара следует, что удар начинается в момент соприкосновения тел или начала действия ударной силы. В данном случае за ударную силу следует принять силу, возникающую за счет смещения центра тяжести карданного вала по причине износа.
После начала действия ударной силы на опору ее величина изменяется по закону, который приближенно можно принять за параболический. Сила, достигнув своего максимального значения в направлении нормали, затем уменьшается. Когда ее величина будет равна нулю, деформация соприкасающихся деталей - опоры и вала равна нулю, то в этот момент действие удара заканчивается.
При взаимодействии опоры и карданного вала продолжительность действия
Нива Поволжья № 4 (13) ноябрь 2009 79
ударной силы равна половине периода вращения карданного вала. Следовательно, длительность удара равна этому же значению, поскольку сила за это время изменит свое значение от нуля до нуля, проходя через свое максимальное значение. Для определения периода следует найти значение частоты вращения вала, которая составляет
/ = — = 10 Гц, 60
(2)
где п = 600 - частота вращения карданного вала на 6-й передаче, мин-1.
Период колебания возмущающей силы будет равен
Т = — = 0,1 с.
/
(3)
Следовательно, длительность ударного воздействия при вращении карданного вала составляет
Т = Т = 0,05 с. 2
(4)
Для ударяющегося тела с такой массой, какую имеет карданный вал, это следует считать большой длительностью. К примеру, длительность соударения в зубчатой передаче составляет 0,01...0,035 мс, т. е. в 142...500 раз меньше.
Как отмечалось, частота вращения вала составляет 10 Гц, однако на этой частоте всплеска амплитуды не наблюдается. Это связано с тем, что на этой частоте длительность удара велика, за счёт чего значение ударной силы снижается. Кроме того, велико действие сил сопротивления.
Рассмотрим возмущающие силы в карданной передаче. В наибольшей степени проявляется возмущающая сила на частоте вращения вала, а также на частоте, кратной 4, возникающей за счет «перекатывания» по крестовине при наличии в ней зазора. В нашем случае крестовина имеет зазор, равный 0,53 мм.
Следовательно, основные частоты возмущающей силы будут равны 10 и 40 Гц. На частотах, кратных этим значениям, также наблюдаются зоны с резким увеличением амплитуды вибрационных сигналов
- 20, 38, 75, 220, 395, 1000, 1200 Гц. Так, на частоте 20 Гц она составляет 64 дБ; 38 Гц
- 73 дБ; 75 Гц - 77 дБ; 220 Гц - 101 дБ; 1200 Гц - 100 ДБ. Минимальные значения амплитуды имеются на частоте 26 Гц - 58 дБ; 49 Гц - 62 дБ; 350 Гц - 78 дБ; 410 Гц -78 дБ.
В спектре наблюдается некоторый сдвиг от теоретического значения. Он свя-
зан с влиянием свойств колебательной системы, в частности с коэффициентом затухания, влиянием резонансных зон.
Неискаженная передача вибрационных сигналов возможна в том случае, если длительность силового воздействия соизмерима с резонансной зоной вибрационного канала. В зоне резонансов наблюдается наиболее сильное искажение вибрационных сигналов. Резонансные зоны колебательной системы имеют высокую добротность, достигающую 100 единиц [2]. Ударные воздействия, как отмечалось, имеет большую длительность. По этой причине сигналы без искажений не проходят.
Сравнивая спектры для новой передачи и передачи, имеющей износ, можно заметить, что на частоте 220 Гц приращение амплитуды составляет более 2 дБ. Эту зону целесообразно использовать при диагностировании вибрационным способом. В других зонах звукового спектра следует ожидать уменьшение чувствительности вибрационного способа оценки состояния карданной передачи.
Исследования показали, что амплитуда сигналов, выделенных в звуковой части спектра от работающей карданной передачи, изменяется по плавной кривой в соответствии с изменениями интенсивности соударений элементов передачи при износе. Малому приращению наработки соответствует малое приращение структурных параметров, характеризующих техническое состояние передачи, и по этой причине наблюдается малое приращение амплитуды вибрационных сигналов.
Внезапный отказ, например, по причине разрушения одного из подшипников вызывает резкое изменение амплитуды сигналов в сторону увеличения, и он легко улавливается на слух. Однако такие отказы бывают чрезвычайно редко.
При эксплуатации при одной и той же наработке происходит значительное рассеивание значений амплитуды. На это влияет ряд факторов: точность изготовления деталей, погрешность монтажа, технология изготовления и восстановления деталей. Но наибольшее влияние оказывают условия, в которых происходит работа тракторов - запыленность воздуха, температура, нагрузка на ведущих колесах и др. Изменение сигналов с наработкой неплохо описывается степенной функцией. Показатель приработки этой функции, который определяется по группе передач, имеет ту особенность, что он изменяется от начала эксплуатации не в меньшую, а в большую сторону. С приработкой амплитуда сначала
80
Технические науки
уменьшается, а затем с дальнейшей эксплуатацией увеличивается в различной степени, зависящей от передачи и условий ее работы. При этом математическое ожидание такого случайного процесса от теоретической кривой на прогнозируемый период равняется нулю. Все это позволяет использовать амплитуду сигналов для прогнозирования ресурса карданной передачи.
При оценке состояния передачи по техническому критерию динамика вибрационных сигналов может иметь вид [3]:
А = п+ус • га,
где А - амплитуда сигналов при работе передачи, мВ; П - показатель приработки -значение амплитуды сигналов по окончании приработки, мВ; V,; - средняя скорость изменения амплитуды сигналов, определяемая по группе передач, мВ/ч; а - показатель степени, характеризующий характер изменения вибрационного параметра; t -наработка, мото-ч.
Характерной особенностью функции изменения вибрационного диагностического
параметра карданной передачи служит то, что она на начальном периоде эксплуатации имеет малый угол наклона, а при дальнейшей эксплуатации, примерно с половины ресурса, она имеет большую крутизну. Это и учитывает показатель степени а.
Подводя итог, можно отметить, что амплитуда вибрационных сигналов может использоваться как для оценки технического состояния, так и для прогнозирования состояния в зависимости от наработки.
Литература
1. Мачнев, В. А. Вибрации в зубчатых колесах коробки передач / В. А Мачнев // Нива Поволжья. - 2008. - № 2.
2. Мачнев, В. А. Исследования работы подшипников качения трансмиссий тракторов / В. А Мачнев // Нива Поволжья. - 2008. -№ 4.
3. Михлин, В. М. Управление надежностью сельскохозяйственной техники / В. М. Михлин. - М.: Колос, 1984.
Нива Поволжья № 4 (13) ноябрь 2009 81
