CC BY
145
4. Проников А.С. Параметрическая надежность машин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 560 с.
E.V.Larkin
AN INTELLIGENT DRIVE STATES IDENTIFICATION
An approach to identifying of a drives state is worked out. It is shown that the identification can be made by comparing the current state of the real and virtual drives. Dependences of the failures identification are obtained.
Key words: controlled drive, intellectual function, identification offailures, the state
space.
Получено 18.10.11
УДК 621.7:589
В.Е. Старжинский, д-р техн. наук, доц., (375) 232-77-48-46,
star mpri@mail.ru (Беларусь, Гомель, Институт механики
металополимерных систем НАН Беларуси),
Е.В. Шалобаев, канд. техн. наук, доц., проф. (921) 988-00-86,
Д.Г. Суриков, преподаватель, (911) 794-08-36, shalobaev47@mail.ru
(Россия, Санкт-Петербург, Академия методов и техники управления
СПбНИУ ИТМО),
Р.-Т.А.Толочка, д-р техн. наук, проф., (911) 794-08-36, shalobaev47@mail.ru (Литва, Каунас, КТУ)
ОБЗОР ВОЗМОЖНЫХ ОТКАЗОВ РЕДУКТОРОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Проведен подробный анализ возможных причин нарушения работоспособности электроприводов. Для этого привод рассмотрен как сложная техническая система, состоящая из определенных подсистем (элементов). Определены наиболее распространенные причины с тем, чтобы заранее предусмотреть их устранение.
Ключевые слова: отказы, повреждения, дефекты, работоспособность, привод, редуктор, зубчатые колеса, подшипники.
Интеллектуальный электропривод представляет собой сложную техническую систему (в том числе и мехатронную систему), которая состоит из подсистемы электронного управления и электротехнической подсистемы (аналоги - механизмы электрические исполнительные однообо-ротные для АЭС - разные типы МЭО, ЭПМ) и подсистемы сенсоров [1].
Электротехническая подсистема состоит из редуктора и электродвигателя. Работоспособность электродвигателя рассматривается отдельно.
Рассмотрим работоспособность редуктора, которая определяется
отказами механических элементов - зубчатых передач, подшипниковых узлов, деталей, соединяющих редуктор с двигателем (в случае использования мотор-редуктора отсутствуют).
Различают пять основных видов технического состояния объектов.
Исправное состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации.
Неисправное состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации.
Работоспособное состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации.
Неработоспособное состояние объекта, при котором значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации.
Предельное состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.
Переход объекта (системы, изделия) из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее, обычно, происходит вследствие событий: повреждений или отказов.
Совокупность фактических состояний объекта, в данном случае электропривода, и возникающих событий, способствующих переходу в новое состояние, охватывает так называемый жизненный цикл объекта, который протекает во времени и имеет определенные закономерности, изучаемые в теории надежности.
Согласно ГОСТ 27.002-89 отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.
В ГОСТ 15467-79 введено еще одно понятие, отражающее состояние объекта - дефект.
Дефектом называется каждое отдельное несоответствие объекта установленным нормам или требованиям. Дефект отражает состояние отличное от отказа.
В соответствии с определением отказа, как события, заключающегося в нарушении работоспособности, предполагается, что до появления отказа объект был работоспособен.
Отказ может быть следствием развития неустраненных повреждений или наличия дефектов: царапин, трещин, небольших деформаций (как
пластических, так и упругих).
Дефекты могут быть скрытыми, определяемыми используемым материалом, технологией изготовления и сборки элементов редуктора, эксплуатационными условиями (износ (в частности «холодная сварка», развитие микротрещин в макротрещины), несоответствие реальных условий эксплуатации запроектированным) и т.п.
Например, при сборке редуктора используется такой технологический прием, как создание напряженно-деформированного состояния зацепления, чтобы после приработки получить безлюфтовое зацепление. Тот же прием используется при монтаже подшипников. Иначе говоря, деформации могут создавать и преднамеренно.
Одним из прогрессивных технологических приемов, применяемых для повышения качества зубчатых колес, является применение регулируемого микрорельефа (РМР), суть которого заключается в пластическом деформировании поверхностного слоя рабочих поверхностей зубьев при помощи вибронакатывания. Ограничением для применения данного приема является модуль зубчатого колеса должен быть не меньше 0,8 мм.
Обычные редукторы, соединенные с унифицированными электродвигателями, являются обычными сложными техническими системами, которые являются ремонтопригодными.
При использовании мотор-редукторов, имеющих общий вал, такая конструкция уже считается неремонтопригодной.
Мехатронный модуль движения [2], имеющий интеллектуальное управление, разрабатывается под определенный функционал и не является по своей сути ремонтопригодным, а рассчитан на определенный ресурс работы.
Отсюда и разный подход к проектированию. При неремонтнопри-годных системах требуется особый подход, который должен учесть всевозможные варианты развития событий (определенных условий эксплуатации).
При проектировании обычных редукторов необходимо учитывать, что они создаются на нагрузки, лежащие в шести интервалах 25... 100, 90...300, 270.1000, 900.2500, 2250.10000 Нм (рабочий момент на выходном валу), с частотой вращения выходного вала 30, 25.50, 20.40, 10 об/мин.
В теории надежности, как правило, предполагается внезапный отказ, который характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта.
На практике приходится анализировать и другие отказы, к примеру, ресурсный отказ, в результате которого объект приобретает предельное состояние, или эксплуатационный отказ, возникающий по причине, связанной с нарушением установленных правил или условий эксплуатации.
При расчетах и анализе надежности широко используются термины
«элемент» и «система».
Под элементом понимается часть сложного объекта, которая имеет самостоятельную характеристику надежности, используемую при расчетах и выполняющую определенную частную функцию в интересах сложного объекта, который по отношению к элементу представляет собой систему.
Например, подшипник выполняет роль элемента в редукторе, а по отношению к телам качения (роликам) подшипник - это система.
Из приведенного примера видно, что в зависимости от уровня решаемой задачи и степени объединения анализируемых устройств определенный объект может в одном случае быть системой, а в другом - элементом.
Так при анализе подшипника его можно «разложить» на множество элементов: кольца (наружное и внутреннее), сепаратор, тела качения (ролики, шарики).
С другой стороны, для редуктора подшипник удобнее представить как элемент, у которого есть свои характеристики надежности, нормативно-техническая документация, требования к эксплуатации.
Рассмотрим определенные дефекты, как зубчатых передач, так и подшипниковых узлов - все эти элементы определяют работоспособность редуктора.
Широкое применение зубчатых передач в машинах и механизмах различных областей техники, включая высокоскоростные и тяже-лонагруженные передачи, работающие в условиях низких и высоких температур, воздействия агрессивных сред и радиации, неизбежно связано с развитием повреждений их зубьев, обусловленных передаваемой нагрузкой, скоростью вращения, термообработкой, условиями производства и эксплуатации, что в итоге приводит к отказам редукторной техники.
Для предотвращения возможных повреждений зубчатых колес необходимо проведение квалифицированного анализа характера повреждений и причин их возникновения. Стандартизация описания видов повреждений зубчатых колес будет способствовать лучшему взаимопониманию конструкторов, технологов и эксплуатационников современных машин и совместной выработке наиболее эффективных мер предотвращения повреждений (фактически отказов).
В международных стандартах ISO [3], национальных стандартах США [4], ФРГ [5] и ряда других промышленно развитых стран содержится описание более 50 видов повреждений зубчатых колес, которые сопровождаются фотографиями, микрофотографиями и схемами, поясняющими развитие повреждений.
Общим недостатком указанных стандартов является описание только внешнего проявления различных видов повреждений зубьев и степени их развития с единственной целью их классификации. Решение проблем
предотвращения развития того или иного вида повреждений, что, по мнению авторов отчета, должно являться основной задачей их анализа, как правило, выходит за рамки упомянутых стандартов.
Действующие стандарты ГОСТ 27674 [6] и ГОСТ 30638 [7], являющиеся межгосударственными стандартами (стандартами стран СНГ), содержат 10.12 терминов, которые могут быть применены к анализу повреждений зубчатых колес. При этом ГОСТ 30638 вводит новое понятие трибофатика -наука об износоусталостных повреждениях и разрушении систем.
Фотографии-эталоны характерных видов повреждений и описания их проявлений отсутствуют. Тоже можно сказать по поводу других аналогичных нормалей и стандартов.
С 1 января 2010 года вступил в действие ГОСТ 31381 [8]. В отличие от ранее принятых стандартов ГОСТ 5272, ГОСТ 23207, ГОСТ 27674, ГОСТ 30638, стандарт содержит более подробное описание характерных видов повреждений зубчатых колес.
В последующих статьях данных приложений используются как материалы указанного стандарта, проиллюстрированное фотографиями и микрофотографиями, разработанного на основе материалов и при участии ряда авторов данной публикации, не только описывает характер повреждений, но и указывает наиболее вероятные причины их возникновения, а также наиболее эффективные методы их предотвращения.
Из различных видов выхода из строя зубчатых передач поломки или разрушения зубьев являются старейшими и основными.
Поломка зуба по причине перегрузок статического характера известна с XVIII века [9]. На сталеплавильных заводах и железных дорогах происходили крупные аварии, причиной которых были именно поломки (разрушения) зубьев. В середине XIX века поломка была описана как проходящая скачкообразно от поверхности к сердцевине. Во второй половине XIX века в сопротивлении материала было введены два коэффициента, характеризующих абсолютную поломку и для изгибных циклических напряжений, из-за которых и происходит указанная поломка.
Позднее было введено понятие - усталостная прочность. На пороге XX века наблюдалась усталостная поломка зуба.
С появлением генераторов и паровых турбин в середине XIX века повысились требования к износостойкости зубьев.
В конце XIX века появился первый иллюстрированный альбом, содержащий примеры отказов зубчатых передач.
Заедание зубчатых передач стало известно с применением зубчатых передач в авиамоторах в начале XX века и особенно в случаях шлифованных зубчатых колес.
Широкое использование шлифования в производстве зубчатых колес обратило внимание производственников к проблеме шлифовочных трещин.
В связи с заеданием стали изучать температуру в зацеплении, которая в среднем составляет 250...450 °С, а в некоторых случаях достигает 1200 °С.
С появлением легированных сталей обратили внимание на напряжения, образующиеся в «выкружках» зубчатых колес. Неплавные переходы (концентраторы напряжения) и дефекты материала становились причиной 50 %-ного выхода из строя зубчатых колес редукторов.
В 1940-е годы была разработана технологическая последовательность обработки зубчатых колес, которая давала наилучшие результаты с точки зрения их выносливости (науглероживание-шлифование-закаливание).
С целью упрочнения галтели зуба и предотвращения образования концентраторов напряжений с середины 1940-х гг. стали применять фрезы с протуберанцем, позволяющие формировать плавные линии от рабочих поверхностей к переходным кривым впадины зубьев.
Усталостное выкрашивание известно с конца XIX века, когда впервые было обнаружено на дорожках качения шарикоподшипников.
В качестве защиты от выкрашивания было предложены меры:
- защита передач от перегрузок (предохранительные муфты);
- использование синтетических масел;
- перешлифовка колес для повышения нагрузочной способности.
В 1920-е годы была открыта коррозия, возникающая под действием смазки, а затем и существование коррозионной усталости материала в присутствии смазки. В XXI веке появились первые данные о биокоррозии, которая развивается при использовании масел (в большей степени минеральных, трансмиссионных, в меньшей степени в синтетических) и снижает срок их использования.
В связи с активным использованием термообработки при изготовлении зубчатых колес, прошлось обратить серьезное внимание на закалочные трещины.
В настоящее время появились мехатронные системы, которые предъявляют к зубчатым передачам особые требования, например, в части геометрии, например ассиметричных зубьев [10, 11].
Применение новых технологий изготовления колес, например, клеевых технологий [11], вызывает изменение конструкций.
Около 16 % всех преждевременных отказов подшипников связаны с неправильным монтажом, вызванным, обычно, чрезмерными усилиями и являются следствием отсутствия надлежащих инструментов. Для эффек-
тивного монтажа и демонтажа подшипников требуются механические, гидравлические или термические методы.
Несмотря на то, что применение так называемой ресурсной смазки подшипников предполагает избавление от этих проблем, около 36 % преждевременных отказов подшипников связаны именно с неправильным выбором смазочного материала.
В реальности любой подшипник, при каких-либо отклонениях свойств смазочного материала от требуемых параметров, выйдет из строя задолго до достижения его нормального срока службы.
Указанное положение иллюстрирует следующий пример. На ЗАО «Норский керамический завод» испытания проводились в круглосуточном режиме без остановок и выходных дней.
Для чистоты эксперимента два подшипника были смазаны смазкой Мо1уко1е ББ-180 и еще два подшипника со стандартной смазкой АЗМОЛ-Транссол 200.
При вскрытии подшипников наблюдалась следующая картина: стандартная смазка практически вся высохла и превратилась в смолистое отложение (рис. 1), смазка же Мо1уко1е ББ-180 практически не испарилась и по внешнему виду не отличается от новой смазки (рис. 2).
Вследствие высыхания смазки происходит выход подшипника из строя - отказ подшипника приводит к отказу редуктора, а, следовательно, и привода в целом.
Рис. 1. Стандартная смазка после длительной эксплуатации практически высохла и отслаивается
Рис. 2. Смазка после длительной эксплуатации практически не отличается от исходного состояния
Так как подшипники являются важными деталями машин, неправильное смазывание часто приводит к существенным проблемам. В тех случаях, где невозможно осуществлять смазывание вручную, можно предложить оптимальную автоматическую смазочную систему. Внедрение автоматизированного смазывания позволяет уменьшить количество отказов подшипников на более чем 50 % по сравнению с ручным смазыванием.
Подшипники - прецизионные изделия, которые не могут надежно функционировать в условиях загрязнения полости подшипника и смазочного материала инородными частицами. Так как уплотненные и смазанные на весь срок службы подшипники составляют относительно небольшую долю от установленных в машинах подшипников, по меньшей мере, 14 % их преждевременных отказов связаны с проблемами загрязнений.
Когда машины перегружены или неправильно обслуживаются, подшипники выходят из строя преждевременно по причине усталости, что является причиной примерно 34 % от всех их преждевременных отказов. Такие отказы можно предупредить, так как поврежденные и перегруженные подшипники подают «сигналы тревоги», которые можно выявить с помощью приборов для мониторинга состояния машин [12]. В ассортимент таких приборов входят портативные приборы, стационарные системы и программное обеспечение для периодического или постоянного мониторинга ключевых параметров работы промышленного оборудования [13,
14].
В современных работах, посвященных проектированию как приводов в целом, так и их элементов, обязательно затрагиваются вопросы прогнозирования и обеспечения качества зубчатых передач [14, 15].
В настоящее время идет работа по стандартизации разнообразных видов дефектов, по исследованию возможности предотвращения тех или иных дефектов, которые могут приводить к поломкам зубчатых колес, что соответствует отказу всего редуктора и привода в целом.
Список литературы
1. Шалобаев Е.В. Теоретические и практические вопросы развития мехатроники // Современные технологии / под ред. С. А. Козлова. СПб.: ГИ ИТМО, 2001. С. 46-67.
2. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей. М.: ИЦ МГТУ Станкин, 2004. 360 с.
3. ИСО 10825:1995 (IS0 10825:1995) Зубчатые передачи. Износ и повреждение зубьев. Терминология.
4. АНСИ/АГМА 1010:E95 (ANSI/AGMA 1010:E95) Внешний вид зубьев зубчатых колес. Терминология износа и отказа.
5. ДИН 3979:1979 (DIN 3979:1979) Повреждения зубьев зубчатых передач. Термины, характеристики, причины.
6. ГОСТ 27674-88. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения.
7. ГОСТ 30638-99. Трибофатика. Термины и определения.
8. ГОСТ 31381-2009. Колеса зубчатые. Виды повреждений. Классификация и описание.
9. Зеер-Тоос Г.Ц. История отказов зубчатых передач // Передачи и трансмиссии. 1996. №1. С. 29-32.
10. Олексюк В. Роль зубчатых передач в мехатронных устройствах // Передачи и трансмиссии. 2001. №1. С. 44-57.
11. Шалобаев Е.В. Модернизированные редукторы отечественного производства // Фундаментальные и прикладные вопросы техники и технологий. 2010. №6. С. 46-58.
12. Буденков Г.А., Недзвецкая О.В. Использование методов акустической эмиссии для диагностики зубчатых передач // Передачи и трансмиссии. 1997. №1. С. 40-52.
13. Метод комплексного исследования и диагностики узлов трения в приборах / Е.В. Шалобаев [и др.] // Труды Международного симпозиума «Гидродинамическая теория смазки»: в 2 т. Т. 2. М.: Машиностроение-1, 2006. С. 343-353.
14. Подмастерьев К.В. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения. М.: Машиностроение, 2001. 376 с.
15. Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач / В.Е. Антонюк [и др.]. СПб.: Профессия, 2007. 830 с.
16. Медунецкий В.М., Шалобаев Е.В. Зубчатые колеса в исполнительных механизмах машиностроения и приборостроения: монография /
под ред. Е.В. Шалобаева. СПб.: Изд-во СПбГУ ИТМО, 2010. 178 с.
E.V. Shalobaev, V.E. Starzhinskij, D.G. Surikov, R.-T.F. Tolocka OVERVIEW OF POSSIBLE GEAR FAILURE OF ELECTRIC DRIVES Currently the problem is to create reliable smart drives. It is therefore necessary to undertake a detailed analysis of the possible causes of the violation of efficiency, which can have a variety of reasons. To do this, you must consider the drive as a complex technical system consisting of certain subsystems (elements). Identify the most common causes, identify their causes, to provide for their removal, or other means.
Key words: failures, injuries, defects, test drive, reducer, gear wheels, bearings, mehatronics module, mechatronics system.
Получено 18.10.11
УДК 620.179.112
А.Л. Жарин, д-р техн. наук, проф., (+37529) 504-39-73, anato1y.zharin@gmai1.com,
О.К. Гусев, д-р техн. наук, проф., проректор, (+37517) 292-32-53, gusev@bntu.by,
А.И. Свистун, канд. техн. наук, доц., зам. декана, (+37529) 666-52-45, aisvistun@bntu.by,
А.К. Тявловский, канд. техн. наук, доц., (+37529) 569-86-03, andrey psf@tut.by (Беларусь, Минск, БНТУ)
КОНТРОЛЬ ТРУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДАМИ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ
Рассмотрено использование работы выхода электрона для характеризации поверхностей трения. Показана возможность применения зонда Кельвина и его модификаций для непрерывного мониторинга работы выхода электрона трущейся поверхности. Приведены примеры результатов характеризации поверхностей трения с использованием разработанных методов.
Ключевые слова: трение, работа выхода электрона, зонд Кельвина, контактная разность потенциалов.
Современные методы исследования в области трибологии имеют одну общую тенденцию - обеспечение возможности прямого изучения явлений на фрикционном контакте, т.е. тенденцию оснащения машины трения (или реального узла трения) каким-либо физическим измерительным прибором, обеспечивающим непрерывный мониторинг изменений регистрируемого параметра в процессе трения. К сожалению, круг физических
