CC BY
29
УДК 631.3:62
ВИБРАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РАБОТЕ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ ТРАКТОРОВ
А. В. Мачнев, доктор техн. наук, профессор; В. А. Мачнев, доктор техн. наук, профессор; В. А. Комаров*, доктор техн. наук, профессор; И. М. Зябиров, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. (8412) 62-85-17, e-mail: alexei_sura@mail.ru; *ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ им. Н. П. Огарева», Россия, т. (8342)-25-44-50, e-mail: komarov.v.a2010@mail.ru
Вибрационные методы диагностирования механизмов привлекают все большее внимание в связи с малой трудоемкостью диагностирования, возможностью установки вибрационного датчика в удобном для технологии диагностирования месте, возможностью использования встроенных датчиков. Важно, что вибрационные сигналы, идущие от коробки передач, позволяют использовать как амплитудные, так и фазовые параметры при определении технического состояния передач, что дает возможность их использования в автоматизированных диагностических и прогнозирующих системах.
Рассматриваются вопросы возникновения вибрационных сигналов под действием периодической возмущающей силы, а также условия повышения чувствительности вибрационного метода и снижения его погрешности с учетом резонансных режимов работы коробки передач как снижающие, так и повышающие величину диагностического сигнала.
Ключевые слова: сельскохозяйственная техника, техническое обслуживание, диагностирование, коробка передач, диагностический параметр.
В настоящее время большое внимание уделяется вибрационному методу диагностирования зубчатых передач [1-4], в связи с его высокими потенциальными возможностями, возможностью резкого снижения трудоемкости диагностирования и использования в автоматизированных системах. С помощью одного вибропреобразователя, используя различные приемы обработки сигнала по частоте и фазе, меняя место установки вибропреобразователя, можно получить информацию о техническом состоянии различных кинематических пар и механизмов.
Предпосылкой применения вибрационного метода служат ударные процессы, сопровождающие работу зубчатых передач, увеличение износа зубчатых колес вызывает увеличение энергии ударов и вибраций. Ошибки геометрии зубьев зубчатых колес, неправильный их монтаж, деформация зубьев под нагрузкой приводят к тому, что при равномерном вращении колеса шестерня вращается неравномерно [5, 6, 7]. По этой причине мгновенное передаточное отношение непостоянно и колеблется около своего среднего значения. У изношенных шестерен коробки передач (КП) передаточное отношение в начале зацепления пары зубьев и=1,15, в конце зацепления и=1,32, при расчетном значении и=1,22 [2, 5]. Это вызывает дополнительную динамическую нагрузку в зацеп-
лении и работу передачи с ударными вибрациями и шумом.
Динамическая нагрузка, вибрации и шум передачи являются единым физическим процессом, сопровождающим работу зубчатых передач, а вибрации пропорциональны динамической нагрузке, действующей в зацеплении [8-10]. К источникам вибраций следует отнести кинематические погрешности зубчатых колес, в первую очередь погрешность рабочего профиля, претерпевающую значительное увеличение в процессе эксплуатации КП тракторов, а также такие составляющие, как накопленная погрешность шага, радиальное биение зубчатого венца, колебание длины общей нормали и другие.
Геометрические отклонения влияют на динамическую нагрузку по-разному. Низкочастотные составляющие (радиальное биение, накопленная ошибка окружного шага, дисбаланс, неравномерность нагрузки и ряд других факторов) чаще всего на интенсивность вибраций оказывают слабое влияние [11, 12].
Ошибка основного шага вызывает удар на входе в зацепление. Сила удара зависит от скорости соударения зубчатых колес и определяется кинетической энергией, имеющейся у зубчатой передачи в момент соприкосновения пары зубьев. Удары зубьев можно представить в виде импульсных последовательностей. В этом случае дефор-
Нива Поволжья № 4 (33) 2014 91
мация деталей КП (валов, подшипников и корпуса) также будет импульсной [13, 14].
В КП тракторов применяются, как правило, зубчатые передачи с прямыми зубьями внешнего зацепления с коэффициентом перекрытия передачи менее двух. В процессе работы происходит чередование однопарного зацепления с двухпарными, вследствие чего периодически изменяется общая длина контактных линий и жесткость зацепления [2, 15, 16].
Нагрузка в зубчатых передачах тракторных КП в течение долей миллисекунды перераспределяется между парами зубьев, находящимися в зацеплении [9, 12], из-за чего появляется деформация, которая передается по всему корпусу под действием импульсных сил.
Существенное влияние на интенсивность вибраций оказывают эксплуатационные факторы: режимы работы КП, свойства смазочной жидкости, техническое состояние деталей не только КП, но и сопряженных с ней элементов (сцепления, заднего моста, карданного вала и т. д.) [5]. Однако заметного влияния на амплитуду ударных импульсов и оценку технического состояния сопрягаемых элементов они не оказывают.
В целом КП представляет колебательную систему из корпуса, элементов зубчатой передачи и подшипников. Колебания вокруг положения равновесия точки контакта пары зубьев, называемого полюсом, совершаются под действием следующих сил: восстанавливающей силы Р, силы сопротивления колебаниям Я и периодически возмущающей силы О изменяющейся в течение времени.
Восстанавливающая сила определяется по выражению
1
где ^ - восстанавливающая сила, Н; С -коэффициент жесткости зубчатого зацепления, Н/м; х - отклонение точки контакта от положения равновесия, м.
Сила сопротивления пропорциональна скорости [7]:
2
где ¡л - коэффициент пропорциональности между силой и скоростью, кг/с; скорость колебаний, м/с.
Возмущающая колебания сила может быть разложена в ряд Фурье [2], отдельные члены которого представляют собой гармоническую возмущающую силу:
; 3
вер г11>>^;
5
6
7
Отдельные члены ряда называются гармониками. Общее решение для каждого ряда Фурье в проекции на ось х будет иметь вид:
х = А0е~т + а) — О0е~1Н х
х$'ш(шьта7Г + Р + у)+А + р -а); 8
гд(р — А) Р^соб
у — агсХд
со
-Р
11
где п - коэффициент затухания; а, р - начальная фаза затухающих и вынужденных колебаний, рад.; Д - угол запаздывания вынужденных колебаний от возмущающей силы, рад.; £ - коэффициент динамичности; асоб - собственная частота колебаний, с-1; а- частота вынужденных колебаний, с-1.
Установлено, что в зубчатой передаче преобладают крутильные колебания [2, 3], поэтому будем рассматривать колебания как системы с одной степенью свободы.
Длительность взаимодействия деталей при ударе [15]
,
12
к - коэффициент, зависящий от формы соударяемых тел и их массы.
Расчетные и экспериментальные данные [8, 16] показывают, что длительность удара на входе, продолжительность переложения нагрузки при переходе от двух-парной работы к однопарной для КП тракторов при номинальной частоте вращения составляет порядок долей миллисекунды. Другие факторы, например дисбаланс, неравномерность крутящего момента и сопротивления и т. д. изменяются в течение гораздо большего времени - более 20 миллисекунд.
Будем считать импульсной силу, для
которой справедливо [1, 3]
^ ^ > п
2 т х с0 ~ Птах'
где г-длительность изменения силы (длительность удара), с; (}шах- максимальное значение силы, Н; Ь - характерный размер механизма, м; с0 - скорость распространения колебаний, м/с.
4
Для КП тракторов класса 1,4 кН имеем: L = 0,6 м, с0 5170 м/с, г= 0,1-0,5 с, тогда
1Д6 Qrnax > <?max ■
Следовательно, в прямозубой передаче практически мгновенное приложение и снятие нагрузки сразу по всей длине зубьев должно вызывать импульсные колебания корпуса, другие же факторы этому условно не удовлетворяют, но на интенсивность вибраций влияние будут оказывать.
Во многих исследованиях [1, 2, 7] показано, что коэффициент динамичности не является постоянной величиной для передачи с одними и теми же параметрами зацепления. Он зависит от ряда факторов, в первую очередь от частоты вращения и статической нагрузки, а также от износа механизма. При совпадении частоты собственных колебаний с вынужденными наблюдается резонанс, в силу чего амплитуда колебаний резко возрастает. Это следует учитывать, поскольку при диагностировании передачи в резонансном режиме будет очень высокой погрешность измерения диагностического параметра из-за того, что с износом происходит сдвиг резонанса в сторону меньших частот вращения [1, 3, 12].
Собственная частота колебаний зубча-
той передачи может определяться по выражениям [5, 6]
Усоб
^соб
2п '
(Особ= (2-е)+®2(е-1),
14
15
где со11 0У2- круговая частота собственных колебаний для ведущего и ведомого
колес, с"1; Е — коэффициент перекрытия передачи.
Собственная частота колебаний ведущего колеса
г _2,ТССа(Г (1 - 16
где т - модуль зубчатой передачи, мм; 2! -число зубьев колеса, шт.; с - коэффициент жесткости колеса, Н/м; у - удельный вес материала, кг/м3; Ь - ширина колеса, м; и - передаточное отношение зубчатой передачи.
Таким образом, получено уравнение движения точки контакта пары зубьев при воздействии на нее периодической возмущающей силы. Рассмотрена физическая картина формирования ударов в работающей передаче и передачи вибрационных сигналов по корпусу КП. Учет резонансных режимов позволяет снизить погрешность диагностирования КП.
Литература
1. Михлин, В. М. Управление надежностью сельскохозяйственной техники / В. М. Михлин. -М.: Колос, 1984. - 335с.
2. Мачнев, В. А. Вибрационное диагностирование и прогнозирование состояния механических передач тракторов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.03 / В. А. Мачнев. - М., 1997. - 41 с.
3. Артоболевский, И. И. Введение в акустическую динамику машин / И. И. Артоболевский, Ю. И. Бобровницкий, М. Д. Генкин. - М.: Наука, 1979. - 292 с.
4. Яхин, С. М. К расчету несущей способности вертикальных валов переменной жесткости / С. М. Яхин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2012. - № 3(25). - С. 96-100.
5. Мачнев, В. А. Вибрации в зубчатых колесах коробки передач / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. - 2008. - № 2. - С. 55-57.
6. Михлин, В. М. Система технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники по результатам диагностирования / В. М. Михлин. - М.: Информагротех, 1995. - 63 с.
7. РД 10.003-2009. Геометрические параметры и физико-механические свойства поверхностей, образованных при электроискровой обработке материалов в газовой среде / Ф. Х. Бу-румкулов, П. В. Сенин, А. В. Мартынов и др. - М.: ГОСНИТИ, 2009. - 56с.
8. Мачнев, В. А. Прогнозирование остаточного ресурса по результатам вибрационного диагностирования / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. - 2012. - № 1.- С. 83-87.
9. Мачнев, В. А. Обоснование параметров для оценки технического состояния подшипников качения / В. А. Мачнев, А. В. Мачнев, В. И. Шишкин // Техника в сельском хозяйстве. - 2004. -№ 3. - С. 33-35.
10. Комаров, В. А. Прогнозирование долговечности узлов ремонтно-технологического оборудования предприятий АПК / В. А. Комаров, А. В. Григорьев // Труды ГОСНИТИ. - 2012. - Т.110, № 1. - С. 48-49.
11. Мачнев, А. В. Кинематика семян при подпочвенно-разбросном посеве / А. В. Мачнев // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2010. - № 8. - С. 47-48.
12. Мачнев, В. А. Основные предпосылки вибрационного диагностирования / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. - 2007. - № 1. - С. 25-28.
13. Григорьев, А. В. Прогнозирование параметрической надежности узлов технологического оборудования по выходным параметрам точности / А. В. Григорьев, В. А. Комаров // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2013. - № 8. - С. 51-53.
14. Мачнев, В. А. Исследование работы подшипников качения трансмиссий тракторов / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. - 2008. - № 4. - С. 53-57.
Нива Поволжья № 4 (33) 2014 93
15. Мачнев, В. А. Обоснование технологической карты поиска неисправностей передач / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. - 2008. - № 3. - С. 63-66.
16. Мачнев, В. А. Колебания карданной передачи / В. А. Мачнев // Нива Поволжья. - 2009. -№ 4. - С. 79-81.
1ГОК 631.3:62
VIBRATION PROCESSES DURING THE WORK OF TRANSMISSIONS OF TRACTORS
A. V. Machnev, doctor of technical sciences, professor; V. A. Machnev, doctor of technical sciences, professor; V. A. KoMarov*, doctor of technical sciences, professor; I. M. Zyabirov, candidate of technical sciences, assistant professor
FSBEE HPT «Penza SAA», Russia, t. (8412) 62-85-17, e-mail: alexei_sura@mail. ru
* FSBEE HPT «Ogarev Mordovia State University», Russia, tel. (8342)-25-44-50, e-mail: komarov.v.a2010@mail.ru
Vibration methods of diagnosing mechanisms attract the increasing attention due to their small labor input of diagnosing, possibility of installation of the vibration sensor in a convenient place for technology of diagnosing and possibility to use built-in sensors. It is important that the vibration signals going from the transmission, make it possible to use both amplitude, and phase parameters when determining technical condition of transfers that enables to use them in the automated diagnostic and forecasting systems.
The article touches upon the problems of the emergence of vibration signals under the influence of the periodic revolting force, and also conditions of increasing sensitivity of a vibration method and decreasing its error taking into account resonant operating modes of a transmission both reducing, and raising the size of a diagnostic signal.
Key words: agricultural machinery, maintenance, diagnosing, transmission, diagnostic parameter.
References:
1. Mikhlin, V. M. Management of reliability of agricultural machinery / V. M. Mikhlin. - M.: Kolos, 1984. - 335 p.
2. Machnev, V. A. Vibration diagnosing and forecasting the condition of mechanical transfers of tractors: Abstract of the thesis of the Doctor of technical sciences: 05.20.03 / V. A. Machnev. - M., 1997. - 41 p.
3. Artobolevsky, I. I. Introduction to the acoustic dynamics of machines / I. I. Artobolevsky, Yu. I. Bobrovnitsky, M. D. Genkin. - M.: Nauka, 1979. - 292 p.
4. Yakhin, S. M. The calculation of the bearing ability of vertical shaft of variable rigidity / S. M. Yakhin // Vestnik of Kazan SAU. - 2012. - № 3(25). - P. 96-100.
5. Machnev, V. A. Vibrations in the gear wheels of transmission / V. A. Machnev// Niva Povolzhya.
- 2008. - № 2. - P. 55-57.
6. Mikhlin, V. M. System of maintenance and repair of agricultural machinery according to the results of diagnosing / V. M. Mikhlin. - M.: Informagrotech, 1995. - 63 p.
7. RD 10.003-2009. Geometrical parameters and physic-mechanical properties of the surfaces formed at electro-spark treatment of the materials in gas medium / F. H. Burumkulov, P. V. Senin, A. V. Martynov, et.al. - M.: GOSNITI, 2009. - 56 p.
8. Machnev, V. A. Forecasting of a residual resource by results of vibration diagnosing / V. A. Machnev // Niva Povolzhya. - 2012. - № 1. - P. 83-87.
9. Machnev, V. А. Substantiation of parameters for the assessment of bearings technical state / V. А. Machnev, А. V. Machnev, V. I. Shishkin. // Tekhnika v selskhom khozyaistve. - 2004. - № 3. P. 33-35.
10. Komarov, V. A. Forecasting of durability of knots of repair processing equipment of the agrarian and industrial complexes / V. A. Komarov, A. V. Grigoryev // materials of GOSNITI. - 2012. - Volume 110, № 1. - P. 48-49.
11. Machnev, А. V. Kinematics of seeds at subsurface broadcast sowing / А. V. Machnev // Vestnik of Saratov State Agrarian University in the name of N. I. Vavilov. - 2010. - № 8. - P. 47-48.
12. Machnev, V. А. The basic prerequisites of vibration diagnostics / V. А. Machnev // Niva Povolzhya. - 2007. - № 1. - P. 25-28.
13. Grigoryev, A. V. Forecasting parametrical reliability of knots of processing equipment according to the output accuracy parameters / A. V. Grigoryev, V. A. Komarov // Tractors I selskokhozyaistvennye mashiny. - 2013. - № 8. - P. 51-53.
14. Machnev, V. A. Examining the operation of rolling bearings of transmissions of tractors / V. A. Machnev // Niva Povolzhya. - 2008. - № 4. - P. 53-57.
15. Machnev, V. A. Substantiation of the flow chart of search of malfunctions of transfers / V. A. Machnev // Niva Povolzhya. - 2008. - № 3. - P. 63-66.
16. Machnev, V. A. Fluctuations of cardan transmission / VA. Machnev // Niva Povolzhya. - 2009.
- № 4. - P. 79-81.
