Zastosowanie wyspecjalizowanych systemów analizy wibracji podczas badań wytrzymałościowych skrzyń biegów

Transkrypt

1 ŁYCZKO Roman 1 TRYBUS Grzegorz 2 Zastosowanie wyspecjalizowanych systemów analizy wibracji podczas badań wytrzymałościowych skrzyń biegów WSTĘP W Instytucie Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL w Bielsku-Białej wśród wielu badań, które wykonywane są przez Pracownię Badań Mechanicznych dla naszych klientów, przeprowadzane są stanowiskowe badania manualnych i automatycznych skrzyń biegów. W ostatnich latach większość tego typu programów testowych opierała się na testach wytrzymałości i zużycia elementów skrzyń biegów (kół zębatych, łożysk, wałków). Program badań często opiera się na statycznej pracy skrzyni biegów na poszczególnych biegach na przemian z maksymalną mocą i maksymalnym momentem. Badane w instytucie przekładnie to w dużej mierze prototypy, będące podczas fazy badań i rozwoju, wymagające dopracowania zanim zostaną skierowane do produkcji. Poddawane są one testom zakładającym pracę w najcięższych warunkach, dlatego nieraz zdarza się, iż przekładnia taka ulega uszkodzeniu w trakcie badań. Nasi klienci mają dwa pytania: 1) Czy skrzynia biegów ukończy bez zastrzeżeń zaprojektowany dla niej test? 2) Jeżeli testu nie ukończy, co było główną przyczyną awarii? Odpowiedź na drugie pytanie jest często trudna, gdyż uszkodzone elementy będące pierwotną przyczyną niepowodzenia testu powodują błyskawiczne uszkodzenia kolejnych elementów. Fot.1. System analizy drgań zainstalowany na stanowisku do badań skrzyń biegów 1 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o.; Bielsko-Biała; ul. Sarni Stok 93; roman.lyczko@bosmal.com.pl 2 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o.; Bielsko-Biała; ul. Sarni Stok 93; grzegorz.trybus@bosmal.com.pl 4592

2 Podczas oględzin wnętrza takiej przekładni trudno odróżnić pierwotnie i wtórnie uszkodzenia elementów, gdyż zakres uszkodzeń wyklucza poprawną analizę.[1] Przed badaczami stoi, więc bardzo istotne zagadnienie - życzeniem klienta jest jak najdłuższe prowadzenie testu, ale jednocześnie natychmiastowe zatrzymanie badanego obiektu po wystąpieniu defektu. Rodzi to kolejne pytanie jak wykryć defekty niezatrzymujące pracę skrzyni biegów, jak monitorować stan jej zużycia oraz jak prognozować zbliżające się defekty, niszczące inne elementy wewnątrz przekładni. Jest kilka tradycyjnych metod monitorowania pracy skrzyni biegów podczas testu. Możemy np.: monitorować temperaturę oleju, jej szybki wzrost świadczy często o uszkodzeniu jednego z łożysk przekładni. Monitorujemy też prędkości i momenty obrotowe na wałku sprzęgłowym i półosiach, nagły spadek sprawności przekładni również świadczy o jej uszkodzeniu. W/w momenty i prędkości naniesione na wykresy pozwalają na analizę stabilności pracy przekładni - duże wahania momentów świadczą o mocno zużytym mechanizmie przekładni. Za pomocą stetoskopu lub podobnego urządzenia można posłuchać hałasu generowanego przez skrzynię. Można również na obudowie przekładni zamontować czujniki drgań, które po przekroczeniu zadanego poziomu powodują zatrzymanie stanowiska do badań skrzyń biegów. Metod jest wiele, ale wszystkie już wymienione pozwalają na wykrycie stosunkowo dużych uszkodzeń, nie pozwalają na dokładne monitorowanie pracy skrzyni biegów i wykrycie momentu pierwszych widocznych efektów zużycia mechanizmów. Dlatego do monitorowania pracy przekładni zaczęto w instytucie stosować bardziej wyrafinowaną i wyspecjalizowaną metodę - analizę wibroakustyczną połączoną z detekcją stanów pracy skrzyni biegów. Niniejszy artykuł przedstawia najważniejsze szczegóły i wnioski ze zastosowania metody tej w praktyce przy wykorzystaniu wyspecjalizowanego systemu do analizy drgań skrzyni biegów, który został przedstawiony na fotografii KRZYWA WANNOWA Przekładnia poddawana próbie pracuje zgodnie z typowym trendem cyklu zużycia, który możemy przedstawić, jako tzw. krzywą wannową. Początkowo podczas docierania wibracje skrzyni biegów maleją stabilizując się na stałym, nieznacznie, ale zauważalnie niższym poziomie niż początkowo. Następuje długi okres bieżącej eksploatacji podczas, której wibracje pozostają na stałym poziomie. W trzeciej części wykresu wibracje ulegają na początku łagodnemu wzrostowi, by coraz szybciej zwiększać swój poziom aż do wystąpienia awarii. Zostało to przedstawione na rysunku 1. Rys.1. Krzywa wannowa - przebieg krzywej zużycia [2]. 4593

3 Za pomocą metod wibrodiagnostycznych możemy wykryć uszkodzenie przed jego pojawieniem się na powierzchni materiał lub już po powstaniu, gdy dochodzi do łączenia mikropęknięć [2]. Rys.2. Końcowa faza krzywej wannowej, możliwości identyfikacji [2] 2. METODY ANALIZ Użytkowany przez nas system opiera się na wielu metodach detekcji uszkodzeń, w niniejszym artykule skupiono się na tych najczęściej stosowanych do badania skrzyń biegów. Najprościej ujmując system porównuje obraz drgań w zadanym stanie pracy skrzyni biegów do wcześniej zarejestrowanego (wyuczonego) obrazu drgań w podobnym stanie pracy i oblicza różnicę pomiędzy tymi obrazami. Zawiera też dodatkowe narzędzia pozwalające na analizę tego obrazu odchyłek. Analiza ta pozwala nie tylko na stwierdzenie pogorszenia, jakości pracy przekładni, ale także na dokładne wytypowanie elementu lub elementów będących źródłem problemów. Umożliwia to zatrzymanie badania tuż przed fazą mocno destrukcyjnych uszkodzeń elementów, a jeżeli sztuka ta się nie uda, zawsze pozostaje postprocesing i analiza drgań tuż przed uszkodzeniem obiektu badanego. Dzięki temu można ustalić, co spowodowało awarię oraz jak przebiegał proces propagacji uszkodzeń. Nie wchodząc jeszcze w szczegóły samych analiz wibroakustycznych określmy podłączone do systemu sygnały, które muszą być dostarczone do poprawnego funkcjonowania. Pierwszym sygnałem jest analogowy sygnał z czujnika drgań zamontowanego na obudowie skrzyni biegów. Generowany sygnał elektryczny jest nieprzetworzonym sygnałem analogowym o paśmie sięgającym kilkunastu khz. Wymagane jest również dostarczenie grupy sygnałów określającej stan pracy przekładni, gdyż konieczne jest porównywanie widma drgań do widm w zbliżonych warunkach pracy. Sygnałami tymi są: prędkość i moment obrotowy wałka sprzęgłowego, wybrany bieg oraz temperatura oleju w skrzyni biegów. Sygnał prędkości obrotowej wałka sprzęgłowego pełni podwójną funkcję - pozwala także na synchronizację pracy przekładni z analizą drań, przez co w wyniku przekształceń matematycznych następuje zmiana widma częstotliwości sygnału drań wyskalowanego w Hertzach na widmo rzędów, gdzie jedynka na osi odciętych odpowiada pierwszej harmonicznej częstotliwości obrotów wałka sprzęgłowego. Zostało to przedstawione schematycznie na rysunku

4 Rys.3. Schemat tworzenia widma rzędów Wykres rzędów jest niezwykle istotny dla monitorowania stanu skrzyni biegów, ale sam w sobie przy próbach sięgających 1000h, gdzie najbardziej istotne zmiany jej stanu odbywają się w końcowym okresie badania jest niewystarczający, wymagający od badacza nieustannej analizy wyników analizy rzędów. Dlatego system analizy drgań posiada możliwość generowania linii trendu, który można nazwać wykresem proporcjonalnym do zużycia skrzyni biegów. System posiada możliwość generowania kilku rodzajów tego typu wykresów, dla potrzeb artykułu skupiono się jedynie na klasycznym, jako najbardziej istotnym. Wykres ten powstaje poprzez porównywanie wyników analizy rzędów z referencyjnym zakresem wartości. W początkowej fazie po uruchomieniu systemu analizy drgań następuje okres nauki. Powstaje wykres typowych maksimów i minimów między, którymi znajdują się wartości typowe dla badanej skrzyni biegów, dla danego poziomu jej obciążenia. Następnie w wyniku przetworzeń, aktualnych wyników analizy rzędów i wartości referencyjnych otrzymuje się wykres różnicowy widmo odchyleń - są to prążki o wartościach maksymalnych większych niż maksymalne wartości referencyjne i minimalnych mniejszych od minimalnych wartości referencyjnych. Tak otrzymany wykres jest przetwarzany na linię trendu, która jest bardzo pomocna przy bieżącym monitorowaniu zużycia badanej przekładni. Zwiększający się poziom linii trendu może świadczyć o zwiększonym zużyciu obiektu, można powiedzieć, iż jest warunkiem koniecznym, ale niewystarczającym. Rosnący poziom linii trendu związany jest ze zwiększaniem się poziomów na wykresie odchyłek, każdym zwiększaniem się poziomów, również niezwiązanym z konstrukcją skrzyni biegów. Dlatego linia trendu może zwiększać swój poziom mimo, iż zwiększające się drgania nie są powiązane z konstrukcją skrzyni biegów, a np.: z częstotliwością rezonansu stanowiska do badań skrzyń biegów. Linia trendu jest bardzo dobrym narzędziem szybkiego oszacowania, na którym odcinku krzywej zużycia znajduje się badany obiekt, gdzie nawet niewykwalifikowany pracownik, jest w stanie zauważyć, iż poziom na wykresie zaczął się zwiększać i może zaalarmować o potrzebie dokładniejszej analizy drgań w celu określenia źródła o zwiększonej energii. Cały proces został przedstawiony na rysunku OBLICZANIE NUMERÓW RZĘDÓW Zakładając, iż na wykresie pojawił się prążek o dużej energii, który należy powiązać z jakimś fizycznym elementem skrzyni biegów. Konieczne jest policzenie rzędów, dla każdego przełożenia, ich harmoniczne, efekty intermodulacji itp. W tym celu można posłużyć się jednym z dodatkowych narzędzi systemu, jakim jest kalkulator numerów rzędów, który oblicza je na podstawie narysowanego schematu funkcjonalnego skrzyni biegów ułatwiając analizę wykresów wyskalowanych w rzędach. Okno główne zostało przedstawione na rysunku

5 Rys.4. Schemat obliczania linii trendu Rys. 5. Order Calculator - schemat przykładowej skrzyni biegów [3] 4596

6 Jeżeli obrotami, do których synchronizuje się wszystkie wykresy są obroty wałka sprzęgłowego to obliczenie rzędów dla poszczególnych przełożeń jest proste, tzn., jeżeli obroty wałka sprzęgłowego mają 1 rząd to ilość rzędów dla poszczególnych biegów - odpowiada ilości zębów poszczególnych kół zębatych znajdujących się na tym wałku. Problem obliczeniowy zaczyna się dla kolejnych stopni przekładni zębatych, ich wałki nie mają już rzędu 1, w dodatku rząd tych wałków jest inny dla każdego przełożenia. Określenie podstawowych rzędów połączeń zębatych wymaga obliczeń dla całej ścieżki przeniesienia momentu dla każdego z przełożeń z osobna. Narzędzie ROC robi to automatycznie. Generuje również listę możliwych rzędów podstawowych, harmonicznych oraz będących wynikiem modulacji. Lista taka bardzo ułatwia znalezienie fizycznego źródła hałasu, gdy wyznaczymy wartość rządu drgań o zbyt dużej amplitudzie. 4. ANALIZA RZĘDÓW Analiza rzędów jest to technika diagnostyki maszyn rotacyjnych. Metoda ta jest stosowana przy badaniu maszyn, których prędkość obrotowa jest zmienna w czasie. Analiza rzędów pozwana przejść z dziedziny czasu na dziedzinę prędkości obrotowej. Skalowanie osi odciętych w rzędach pozwala na uniezależnienie się od zmian prędkości obrotowej. W analizie sygnałów drgań maszyn rotacyjnych składowe częstotliwościowe są powiązane funkcyjnie nie z czasem, lecz z prędkością obrotową. [4] 5. WYKRESY WODOSPADOWE Wykres rzędów jest bardzo dobrym narzędziem do dokładnej analizy stanu badanej przekładni w konkretnym punkcie czasu, gdy widzimy podejrzany fragment spektrum, lecz nie nadaje się do uzyskania obrazu postępującej degeneracji przekładni. Jeżeli badana przekładnia jest już dość mocno zużyta to na wykresie odchyłek pojawia się wiele prążków. Załóżmy, iż na wykresie linii trendu widzimy szybki wzrost poziomu. Analiza w celu ustalenia źródła zwiększonej energii drgań metodą punkt po punkcie byłaby żmudna i czasochłonna. W tym celu możemy zastosować wykres wodospadowy, na którym od razu można zauważyć zanikanie lub pojawianie się nowych prążków. Przykład takiego wykresu został przedstawiony na rysunku 6. Można zauważyć pojawienie się drgań w okolicy rzędu 19, co na przykładowym wykresie odpowiada uszkodzeniu bieżni łożyska. Uszkodzenie zębów, co jest widoczne, jako przesunięcie energii drgań od zazębienia do intermodulacji w zakresie rzędu. Rys. 6. Przykładowy wykres wodospadowy [3] 4597

7 WNIOSKI Zastosowanie systemów analizy wibracji pozwala na ciągły i bezinwazyjny monitoring stanu skrzyni biegów. Pozwala na wykrycie pierwszych symptomów uszkodzeń i zatrzymanie badania przed nastąpieniem uszkodzeń niszczących. Badania z użyciem analizy wibrodiagnostycznej pozwalają na określenie, który element przekładni uległ uszkodzeniu przed jej demontażem. Diagnostyka przekładni wymaga zarówno wiedzy z zakresu wibrodiagnostyki jak i dokładnej budowy skrzyń biegów, dlatego w naszym zakładzie diagnostyką zajmują się specjaliści z Pracowni Badań Mechnicznych, dla których wibrodiagnostyka jest bardzo ważnym, ale nie jedynym narzędziem. Streszczenie Artykuł przybliża ideę oraz przedstawia działanie specjalistycznego analizatora do badań wibrodiagnostycznych możliwego do zastosowania na stanowiskach badawczych do badań skrzyń biegów, a także przedstawia wyspecjalizowany system monitorujący. Przedstawione zostały najczęściej stosowane metody analiz, kwestie obliczenia numerów rzędów potrzebne do powiązania wibracji z ich fizycznym źródłem w skrzyni biegów. Opisano wymagane informacje i sygnały przesyłane między stanowiskiem, a systemem analizy wibrodiagnostycznej. Opisano w jaki sposób wykorzystać wykresy wodospadowe w celu analizy zużywania się skrzyni biegów. Słowa kluczowe: wibrodiagnostyka, skrzynia biegów, badania skrzyń biegów, krzywa wannowa, analiza rzędów, rzędy kół zębatych The use of specialized vibration analysis systems during transmissions durability testing Abstract Article introduces the concept and illustrates the operation of the specialized vibro-diagnostics analyzer possible to apply in transmission testing stands and presents specialized monitoring system. Most commonly used methods of analysis, issues concerning the calculation of rows of numbers needed to relate to their physical vibration source in the gearbox we presented. Described the required information and signals transmitted between the testbed and vibro-diagnostic analysis system. Described how to use graphs to analyze the waterfalls in the gearbox wear. Keywords: vibro-diagnostics, transmission, gearbox, gearbox testing, order analisys, tooth mesh noise BIBLIOGRAFIA 1. Ahmaida, Anwar, Zhen, Dong, Gu, Fengshou and Ball, Andrew, Fatigue Prediction of a Gear Transmission System based on Vibro-Acoustic Measurements, Proceedings of Computing and Engineering Annual Researchers' Conference 2013 : CEARC'13, University of Huddersfield, Huddersfield, pp ISBN Jan Blata, Janusz Juraszek, Metody diagnostyki technicznej teoria i praktyka, Ostrava Reilhofer KG, Instrukcja obsługi systemu, Tomasz Korbiel, Analiza rzędów w diagnostyce niestacjonarnych procesów wibroakustycznych, Diagnostyka 2007, Nr