Badanie profilu zestyku ślizgowego (pierścieni i komutatora) w stanie dynamicznym

Transkrypt

1 Bdnie profilu zestyku ślizgowego (pierścieni i komuttor) w stnie dynmicznym 1) Anliz ksztłtu profilu zestyku ślizgowego W wrunkch eksplotcyjnych do oceny stnu powierzchni roboczej zestyku ślizgowego przyjmuje się dw prmetry wyznczone n podstwie sttycznego pomiru profilu: - wielkość mksymlnego odksztłceni od idelnego ksztłtu cylindrycznego, i dodtkowo w przypdku komuttor: - wielkość względnego przesunięci sąsiednich wycinków (w wypdku komuttor) Prmetry te chrkteryzują stopień deformcji powierzchni zestyku ślizgowego służą do oceny dokłdności obróbki lub stopni zużyci, w wypdku komuttor tkże do oceny skuteczności stbilizcji jego powierzchni roboczej Podstwową formą odksztłceni powierzchni zestyku jest ekscentryczność (Rys1) i spłszczenie (Rys1b) związne z dokłdnością procesu technologicznego ) b) Rys1 ) Ekscentrycznie osdzony n wle zestyk slizgowy (e rmię mimośrodu) Mksymlne rdilne przemieszczeni szczotki wynoszą 2e b) Spłszczenie powierzchni zestyku ślizgowego Mksymlne rdilne przemieszczeni szczotki są równe różnicy pomierzy dużym R i młym R b promieniem elipsy Podczs wirowni ekscentrycznej i spłszczonej powierzchni zestyku ślizgowego szczotk wykonuje ruch w kierunku rdilnym z prędkością v r, którą możn opisć uproszczoną zleżnością: gdzie: v r e cos t e cos(2 t ), (1) ω prędkość kątow wirowni zestyku ślizgowego, e rmię mimośrodu, e s mplitud spłszczeni (R b R ) s s Zzwyczj powierzchni komuttor jest odksztłcon w sposób nieregulrny (Rys2) Rys2 Deformcj powierzchni komuttor silnik trkcyjnego Sygnł zrejestrowny dl dwóch obrotów włu Wyrźnie widoczn jest ekscentryczność i spłszczenie orz przypdkowe przemieszczeni względne wycinków komuttor

2 2) Pomir profilu powierzchni zestyku ślizgowego w stnie dynmicznym Do pomiru profilu komuttor w stnie sttycznym stosuje się trdycyjnie czujnik mechniczny lub przyrząd skłdjący się z czujnik przemieszczeń, w którym zmin położeni trzpieni pomirowego powoduje powstnie sygnłu różnicowego w cewkch głowicy pomirowej zsilnej npięciem przemiennym orz urządzeni pozwljącego n odczyt mierzonej wielkości Njwiększe komuttory mszyn trkcyjnych o średnicy około,05 m i liczbie wycinków przekrczjących 400 mogą wirowć z mksymlną prędkością 3000 obr/min Ozncz to, że mksymln częstotliwość zmin położeni punktów powierzchni komuttor względem sondy pomirowej wywołn przemieszczeniem pojedynczych wycinków przekrcz 20 khz Pomir młych przemieszczeń o tk dużej częstości zmin wymg zstosowni czujników bezstykowych, do których zliczmy: - czujniki optyczne wykorzystujące zjwisko interferencji odbitego świtł spójnego, - czujniki elektrosttyczne wykorzystujące zjwisko zminy, npięci n okłdkch kondenstor utworzonego przez, elektrodę pomirową i bdną powierzchnię, - czujniki pojemnościowe wykorzystujące zjwisko zminy pojemności kondenstor utworzonego przez elektrodę pomirową i bdną powierzchnię, - czujniki indukcyjne wykorzystujące zjwisko zminy indukcyjności wzbudnik generującego prądy wirowe w bdnym obiekcie W przypdku stosowni czujników elektrosttycznych, pojemnościowych i indukcyjnych powierzchni bdn powinn być wykonn z mteriłu przewodzącego Pondto sposób mocowni i liczb czujników pomirowych wpływ n zkres rejestrownych zjwisk dynmicznych W prktyce możliwe są do relizcji dw sposoby: - czujnik pomirowy mocowny do korpusu mszyny rejestruje drgni korpusu mszyny, drgni łożysk i trcz łożyskowych, drgni włu, ekscentryczność i owlność komuttor orz przesunięcie rdilne wycinków komuttor, - dw czujniki prcujące w ukłdzie różnicowym umieszczone nd komuttorem w płszczyźnie prostopdłej do osi włu, przesunięte o jeden wycinek komuttor względem siebie, rejestrują względne przesunięcie sąsiednich wycinków komuttor orz względne drgni czujników (czujnik różnicowy wymg niezwykle precyzyjnego ustwieni płszczyzny pomirowej względem osi obrotu komuttor) Do pomiru odksztłceni powierzchni komuttor w stnie dynmicznym wybrny zostł czujnik pojemnościowy W tym wypdku pomiru nleży dokonywć w stnie beznpięciowym Nleży się tez liczyć z utrudnionym dostępem do dignozownych węzłów mszyny elektrycznej orz z trudnością mocowni pomirowych czujników przemieszczeń Tor pomirowy skłdjący się z czujnik pomirowego (przetwornik przemieszczenie-pojemność współprcujący z przetwornikiem pojemność-częstotliwość), przetwornik częstotliwość-npięcie (demodultor), wzmcnicz i przetwornik nlogowo-cyfrowego (A/C) przedstwiony zostł n Rys3 Rys3 Tor pomirowy deformcji powierzchni komuttor s ξ (φ) kątowy rozkłd odległości punktów komuttor od czujnik, s f (t) sygnł częstotliwościowy, s d (t) sygnł po demodulcji, s p (t) sygnł pomirowy ciągły w czsie, {s p (n)} sygnł pomirowy dyskretny Rozkłd geometryczny położeni punktów powierzchni komuttor sprmetryzowny zmienną φ w wyniku obrotu komuttor względem nieruchomego czujnik pomirowego odwzorowny jest rozkłdem czsowym: s ( ) s ( t) (2)

3 Zmienną φ przy ustlonej prędkości obrotowej komuttor możn utożsmić ze zmienną czsową (φ = ωt) Sygnłem wyjściowym czujnik pomirowego (przetwornik przemieszczenie-częstotliwość) jest sygnł częstotliwościowy, przy czym zmin odległości pomiędzy czujnikiem pomirowym powierzchnią komuttor odzwierciedlon jest w zminie częstotliwości sygnłu Nstępnym elementem toru pomirowego jest demodultor (przetwornik częstotliwość-npięcie) Sygnłem wyjściowym demodultor jest sygnł npięciowy, którego mplitud jest mirą1częstotliwości sygnłu wejściowego tym smym odległości pomiędzy czujnikiem pomirowym powierzchnią komuttor Sygnł ten jest nstępnie wzmcniny w celu dopsowni do zkresu npięciowego przetwornik nlogowo-cyfrowego i poddwny dyskretyzcji mplitudy i czsu Algorytm pomiru Bdny komuttor i pierścień ślizgowy osdzony jest n wspólnym wle z uniwerslnym silnikiem komuttorowym W celu elimincji drgń silnik komuttorowy zsilny jest npięciem wyprostownym Regulcj prędkości obrotowej relizown jest poprzez zminę npięci zsiljącego (utotrnsformtor), do odczytu prędkości obrotowej służy obrotomierz elektroniczny sprzężony z włem silnik Czujnik pojemnościowy powinien zostć umieszczony w specjlnych uchwytch w odległości 1 mm od bdnej powierzchni ustlnej z pomocą przekłdki dystnsowej Czujnik pojemnościowy współprcuje z utonomicznym przyrządem (oscyloskopem cyfrowym) umożliwijącym dobrnie częstotliwości próbkowni sygnłu sondy pomirowej do prędkości obrotowej bdnych obiektów (pierścieni i komuttor), orz zpisnie cyfrowej informcji pomirowej do wymiennej pmięci USB w celu przeniesieni jej do komputer Czujnik pomirowy zinstlowny jest w obudowie wyposżonej w zestw zsilczy i niewykorzystywne w pomirze inne elementy systemu pomirowego Kolejność czynności przy uruchminiu stnowisk pomirowego: - W pierwszej kolejności nleży włączyć miernik prędkości obrotowej włu, n którym osdzony jest bdny komuttor/pierścień ślizgowy - Nstępnie nleży uruchomić npęd umieszczonych włu Npęd zrelizowny jest z pomocą silnik szeregowego prądu stłego nleży, więc szczególnie ostrożnie regulowć npięcie zsiljące (utotrnsformtor współprcujący z prostownikiem), by nie przekroczyć prędkości obrotowej ok 400 obrotów/min - Po złączeniu przyrządu z czujnikiem pomirowym i oscyloskopu nleży poczekć n pojwienie się n ekrnie oscyloskopu sygnłu reprezentującego odksztłcenie powierzchni (z uwgi n dużą pojemność kondenstor eliminującego skłdową stłą sygnłu) - Nstępnie nleży dobrć odpowiednią częstotliwość próbkowni (tożsmą z podstwą czsu przebiegu oscyloskopu) i wzmocnienie mplitudy (tk, by przebieg mksymlnie wypełnił ekrn oscyloskopu) i zrejestrowć i zpisć w pmięci oscyloskopu co njmniej 3 okresy sygnłu pomirowego (wywołując przebieg pojedynczy [SINGLE SEQ]) - Po dokonniu pomiru nleży przenieść dne pomirowe do pmięci USB korzystjąc z funkcji SAVE/RECALL (ction > sve wveform, sve to > file ) Plik z dnymi pomirowymi zpmiętywny jest w formcie CSV (plik zwier znki ASCII reprezentujące wektor czsu 1 kolumn i wektor mplitud 2 kolumn, przedzielone przecinkmi orz niestety ngłówek) i oznczony stndrdową nzwą TEKXXXXCSV (gdzie XXXX ozncz kolejny numer) 3) Anliz sygnłu pomirowego Czujnik pomirowy rejestruje odległość pomiędzy powierzchnią komuttor/pierścieni ślizgowego i okłdkmi kondenstor pomirowego Zmin odległości wywołn jest odksztłceniem powierzchni komuttor (ekscentryczność, spłszczeni, przemieszczeni wycinków komuttor) W wypdku pierścieni ślizgowego zsymulowne zostło przemieszczenie wycinków komuttor przy pomocy psków folii luminiowej nklejonej n powierzchnię pierścieni ślizgowego W rezultcie możemy przyjąć, że wycinki komuttor o różnej szerokości wysunęły się pond powierzchnię ekscentrycznego komuttor n tą smą wysokość Sygnł pomirowy uzyskny w wyniku eksperymentu będzie, ztem zwierł skłdową związną z odksztłceniem powierzchni komuttor Podstwowej nlizy sygnłu pomirowego możn dokonć z pomocą rkusz klkulcyjnego EXCEL W tym celu jednk nleży odpowiednio zmodyfikowć plik dnych TEKXXXXCSV Poniżej zostł przedstwiony przykłdowy plik z dnymi pomirowymi Pod kontrolą progrmu Microsoft Word nleży zgodnie z poniższym wzorem usunąć pogrubiony tekst ngłówk:

4 Record Length, e+03,, , , Smple Intervl, e-04,, , , Trigger Point, e+03,, , ,,,, , ,,,, , ,,,, , , Source,CH1,, , , Verticl Units,V,, , , Verticl Scle, e+00,, , , Verticl Offset, e+00,, , , Horizontl Units,s,, , , Horizontl Scle, e-01,, , , Pt Fmt,Y,, , , Yzero, e+00,, , , Probe Atten, e+01,, , , Model Number,TDS2014B,, , , Seril Number,C033131,, , , Firmwre Version,FV:v2201,, , ,,,, , ,,,, , ,,,, , , nstępnie korzystjąc z funkcji zstępowni usunąć przecinki, pozostwić pomiędzy kolumną czsu i kolumn dnych pomirowych pojedynczą spcję i n koniec zstąpić kropkę dziesiętną przecinkiem Po prwidłowej modyfikcji plik z dnymi pomirowymi powinien wyglądć nstępująco: -0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,20000 Tk zmodyfikowny plik z dnymi możn użyć w rkuszu klkulcyjnym EXCEL Nstępnie nleży przedstwić dne pomirowe w postci wykresu

5 31) Wyzncznie podstwowego okresu sygnłu pomirowego Podczs pomiru przemieszczeń powierzchni komuttor lub pierścieni ślizgowego rejestrujemy kilk lub kilknście pełnych obrotów Sygnł pomirowy jest, więc funkcj okresową Nleży zwrócić uwgę, by podczs trwni pomiru prędkość obrotow był stł Pomir nie jest synchronizowny z kątowym położeniem komuttor/pierścieni ślizgowego Tk, więc pierwszym krokiem nlizy powinno być wyznczenie ilości próbek przypdjących n jeden obrót Do tego celu wykorzystć możn funkcję korelcji wzjemnej zrejestrownego sygnłu pomirowego X: gdzie: N 1 n 0 * R X ( n) X ( n k) (3) xx k = 0 N-1 - opóźnienie sygnłu liczone w próbkch, N ilość próbek sygnłu pomirowego Dw kolejne mksim funkcji korelcji wzjemnej jednozncznie wyznczją okres T (mierzony w ilości próbek N s ) sygnłu pomirowego Jeżeli przyjmiemy, że kolumn dnych pomirowych jest kolumną B zwierjącą 2500 próbek odpowiednik wyrżeni (3) w Excel-u jest nstępujący: =SUMAILOCZYNÓW($B$1:$B$1250;B1:B1250) Pozycj dwóch kolejnych mksimów głdkiej funkcji korelcji zpisnej w kolumnie E: =MAX(E1:E725) =PODAJPOZYCJĘ(F1;E1:E1250;0)

6 orz =MAX(E726:E1250) =PODAJPOZYCJĘ(H1;E1:E1250;0) wyzncz okres podstwowy (wyrżony w ilości próbek) 32) Wyznczenie podstwowych mir sygnłu pomirowego Korzystjąc z sygnłu pomirowego reprezentującego jeden okres sygnłu pomirowego nleży wyznczyć podstwowe miry sygnłu (wykorzystując funkcje progrmu Excel): 1 wrtość międzyszczytową; 2 wrtość średnią; 3 wrtość skuteczną; 4 wrtość średnią z wrtości bezwzględnej; 5 współczynnik ksztłtu; 6 współczynnik szczytu 33) Anliz wpływu funkcji przyrządu n wynik pomiru W oprciu o wykres reprezentujący jeden okres symulownego profilu komuttor nleży zinterpretowć informcję o symulownych przesunięcich wycinków komuttor w oprciu o wpływ wymirów geometrycznych czujnik pomirowego n postć sygnłu pomirowego (splot funkcji przyrządu z sygnłem wejściowym) W tym celu nleży zrekonstruowć ksztłt ekscentrycznej i owlnej powierzchni komuttor bez uwzględnieni przemieszczeni wycinków komuttor (uzupełnijąc zgodnie z poniższym rysunkiem odcinkmi linii prostej ksztłt profilu tk, by uzyskć wynikowy ksztłt zbliżony do sinusoidy)

7 Nstępnie nlizując wykres profilu powierzchni komuttor nleży wyznczyć mplitudę 1, 2, przemieszczeń kolejnych wycinków komuttor Podczs interpretcji wpływ wymirów geometrycznych czujnik pomirowego n postć sygnłu nleży przyjąć, że szerokość kolejnych wycinków komuttor zmieni się do njszerszego (szerszego niż ktywn powierzchni czujnik pomirowego) do njwęższego (węższego niż ktywn powierzchni czujnik pomirowego) Szerokość środkowego wycink jest dokłdnie równ szerokości ktywnej powierzchni czujnik pomirowego Zdnie rozszerzone 34) Wyznczenie ekscentryczności i owlności komuttor orz profilu przemieszczeń wycinków Zdniem nlizy sygnłu pomirowego jest odnlezienie pierwotnego ksztłtu ekscentrycznego i spłszczonego komuttor orz bezwzględnego przemieszczeni wycinków komuttor Uzysknie pełnej informcji o jkości komuttor wymg wydzieleni z profilu powierzchni profilu ekscentryczności i flistości Oznczmy przez {s (n)} tki sygnł {s T (n)}, który zwier tylko skłdową wywołną ekscentrycznością i flistością komuttor orz geometrycznym przesunięciem jego wycinków wywołnym nprężenimi Ztem sygnł {s (n)} możemy przedstwić w postci sumy ciągów {s o (n)} i {s k (n)}, zwierjących odpowiednio informcję o flistości i ekscentryczności orz przesunięciu wycinków komuttor: { s ( n)} (4) o k N podstwie informcji priorycznych ciągu {s o (n)} poszukujemy w postci dyskretnego szeregu trygonometrycznego określonego n dyskretnym zbiorze punktów, zleżnego od prmetrów A =< o, i, b i >: k s ( j) ( cos( ij t) b sin( ij t)) o i i, (5) i 1 przy czym k=2, gdyż profil powierzchni komuttor zwsze chrkteryzuje się pewną ekscentrycznością i owlnością1(spłszczeniem) Wyzncznie ekscentryczności i flistości komuttor poleg n znlezieniu zbioru prmetrów optymlnych A * dl których ciąg {s λ *(n)} njlepiej proksymuje poszukiwny ciąg {s o (n)} Poszukiwny ciąg {s o (n)} nie jest znny, gdyż njczęściej pomir jest dokonywny po próbie ngrzewni i zwyżki obrotów, gdy njprwdopodobniej nstąpiło już losowe przemieszczenie wycinków komuttor Wżny jest, więc wybór kryterium proksymcji W metrologii wielkości geometrycznych (np w procesie wyznczeni profilu chropowtości powierzchni) njczęściej stosuje się kryterium njmniejszej sumy kwdrtów Jednkże w celu poprwnego wyznczeni przemieszczeni pojedynczych wycinków komuttor brdziej odpowiednim jest kryterium mksymlnej liczby elementów wspólnych z dokłdnością do pewnej wrtości ε Ozncz to, że poszukiwnym ciągiem {s o (n)} jest ciąg w njwiększym stopniu pokrywjący się z ciągiem {s (n)} Jest to równowżne przypisniu ekscentryczności i flistości komuttor tkiego ksztłtu, dl którego podczs eksplotcji silnik w wyniku wystąpieni nprężeń cieplnych i siły odśrodkowej przemieszczeniu uległ njmniejsz liczb wycinków Niech ciąg {s # (n)} skłd się z elementów ciągu {s (n)} spełnijących zleżność: { s # # * ( n)} { s( n)}: { s ( n)} { s ( n)} (6) Wprowdźmy sklrną funkcję kryterilną: U min { s # ( n)}, (7) n któr umożliwi ocenę stopni zgodności pomiędzy elementmi ciągów {s (n)} i {s λ *(n)} Uzysknie mksimum tk zdefiniownej zgodności ciągu {s (n)} z ciągiem {s λ *(n)} sprowdz się do minimlizcji funkcji kryterilnej U Poniewż U = U(A) poszukiwnie ekstremum może być dokonne metodą grdientową Ogólną postć procedury itercyjnej przedstwić możn zleżnością:

8 A A grdu ( A ( j 1) ( j) ( j j ) ), (8) gdzie: A (j) ciąg poszukiwnych prmetrów szeregu, trygonometrycznego wyznczony w j-tym kroku itercji, γ j sklr wyznczjący tempo poszukiwń minimum funkcji kryterilnej, j krok itercji Tk, więc ciąg {s λ * (n)} minimlizujący funkcję jkości U, którego elementy opisuje zleżność: k * * * * ( j) o ( i cos( ij t) bi sin( ij t)), (9) i 1 s możn utożsmić z poszukiwnym ciągiem {s o (n)}, ciąg: { s ( n)} k, (10) o z poszukiwnym przemieszczeniem wycinków komuttor Efektywność lgorytmu znjdowni minimum funkcji wielu zmiennych bez ogrniczeń zleży od wrtości początkowej współczynników funkcji proksymują1cej Początkowe wrtości współczynników funkcji proksymującej uzyskno poprzez wyznczenie współczynników dyskretnej trnsformty Fourier sygnłu {s (n)} W rzeczywistości sygnł {s T (n)}zwier tkże skłdową wywołną drgnimi synchronicznymi Jeżeli mplitud synchronicznych drgń jest dosttecznie mł: mx { s )} (11) ds( n gdzie: ε grniczn wielkość mplitudy drgń, możemy przyjąć, że: T (12) Do wyznczni podstwowego okresu sygnłu pomirowego i orz ekscentryczności i owlności komuttor służy specjlny progrm nrzędziowy (pkm, pkom) zrelizowny w środowisku MATLAB Instrukcję oprcowł Adm Biernt