PRÓBA OPRACOWANIA PROCEDURY OCENY UZĘBIEŃ KÓŁ ZĘBATYCH Z WYKORZYSTANIEM METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU

Podobne dokumenty
Zastosowanie Metody Magnetycznej Pamięci Metalu do badań uzębień kół zębatych

OBLICZANIE KÓŁK ZĘBATYCH

Nowy kierunek w diagnostyce technicznej metoda Magnetycznej Pamięci Metalu

Pasywne metody magnetyczne wstęp do badań kryminalistycznych

Koła stożkowe o zębach skośnych i krzywoliniowych oraz odpowiadające im zastępcze koła walcowe wytrzymałościowo równoważne

ANALIZA WYKRYWALNOŚCI WAD POŁĄCZEŃ SPAWANYCH METODAMI ULTRADŹWIĘKOWĄ I MPM

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Spis treści. Przedmowa 11

POMIAR KÓŁ ZĘBATYCH WALCOWYCH cz. 1.

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

Spis treści Przedmowa

Podstawy Konstrukcji Maszyn

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA KONSTRUKCJI I EKSPLOATACJI MASZYN

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

DIAGNOSTYKA WIRNIKÓW Z WYKORZYSTANIEM METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU

Integralność konstrukcji

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Modelowanie niezawodności prostych struktur sprzętowych

ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY

PARAMETRY, WŁAŚCIWOŚCI I FUNKCJE NIEZAWODNOŚCIOWE NAPOWIETRZNYCH LINII DYSTRYBUCYJNYCH 110 KV

Spis treści. Przedmowa 11

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Przekładnie ślimakowe / Henryk Grzegorz Sabiniak. Warszawa, cop Spis treści

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

ĆWICZENIE NR.6. Temat : Wyznaczanie drgań mechanicznych przekładni zębatych podczas badań odbiorczych

BADANIE OBSZARU KONCENTRACJI NAPRĘśEŃ W DRUTACH ORTODONTYCZNYCH ZA POMOCĄ METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU. Kurowska Anna

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU TECHNICZNEGO PRZEWODÓW STALOWYCH WYSOKICH KOMINÓW ŻELBETOWYCH

2. OGÓLNE PODSTAWY FIZYCZNE, PARAMETRY MAGNETYCZNE I SPRZĘT POMIAROWY WYKORZYSTYWANE PODCZAS BADAŃ METODĄ MMM.

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

ANALIZA NAPRĘŻEŃ W KOŁACH ZĘBATYCH WYZNACZONYCH METODĄ ELEMENTÓW BRZEGOWYCH

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

Wprowadzenie do Techniki. Materiały pomocnicze do projektowania z przedmiotu: Ćwiczenie nr 2 Przykład obliczenia

Obciążenia, warunki środowiskowe. Modele, pomiary. Tomasz Marcinkowski

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Metodyka budowy modeli numerycznych kół pojazdów wolnobieżnych wykorzystywanych do analiz zmęczeniowych. Piotr Tarasiuk

Badania eksperymentalne wpływu geometrii na sygnał diagnostyczny w metodzie magnetycznej pamięci metalu

WPŁYW ZAKŁÓCEŃ PROCESU WZBOGACANIA WĘGLA W OSADZARCE NA ZMIANY GĘSTOŚCI ROZDZIAŁU BADANIA LABORATORYJNE

Metoda określania pozycji wodnicy statków na podstawie pomiarów odległości statku od głowic laserowych

Podstawy Konstrukcji Maszyn. Wykład nr. 13 Przekładnie zębate

DYNAMIKA ŁUKU ZWARCIOWEGO PRZEMIESZCZAJĄCEGO SIĘ WZDŁUŻ SZYN ROZDZIELNIC WYSOKIEGO NAPIĘCIA

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2014 Seria: TRANSPORT z. 82 Nr kol. 1903

Zachowania odbiorców. Grupa taryfowa G

BADANIA URZĄDZEŃ TECHNICZNYCH ELEMENTEM SYSTEMU BIEŻĄCEJ OCENY ICH STANU TECHNICZNEGO I PROGNOZOWANIA TRWAŁOŚCI

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

WPŁYW WIELKOŚCI WYDZIELEŃ GRAFITU NA WYTRZYMAŁOŚĆ ŻELIWA SFEROIDALNEGO NA ROZCIĄGANIE

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2015/2016

3. Wstępny dobór parametrów przekładni stałej

Projekt wału pośredniego reduktora

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Podstawy konstrukcji maszyn Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

Odporność na zmęczenie

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

Wyboczenie ściskanego pręta

Oszacowanie niezawodności elektronicznych układów bezpieczeństwa funkcjonalnego

Fizyczne właściwości materiałów rolniczych

WYZNACZANIE ZA POMOCĄ MEB WPŁYWU PĘKNIĘCIA U PODSTAWY ZĘBA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

Przekładnie zębate : zasady działania : obliczenia geometryczne i wytrzymałościowe / Antoni Skoć, Eugeniusz Świtoński. Warszawa, 2017.

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Ćwiczenie nr 31: Modelowanie pola elektrycznego

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

DEGRADACJA MATERIAŁÓW

ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY

WYZNACZANIE NAPRĘŻEŃ W PODSTAWACH ZĘBÓW KÓŁ NAPĘDÓW ZĘBATYCH

KATEDRA TECHNOLOGII MASZYN I AUTOMATYZACJI PRODUKCJI

Integralność konstrukcji

CHARAKTERYSTYKA MECHANIZMÓW NISZCZĄCYCH POWIERZCHNIĘ WYROBÓW (ŚCIERANIE, KOROZJA, ZMĘCZENIE).

Analiza porównawcza dwóch metod wyznaczania wskaźnika wytrzymałości na przebicie kulką dla dzianin

F = e(v B) (2) F = evb (3)

AutoCAD Mechanical - Konstruowanie przekładni zębatych i pasowych. Radosław JABŁOŃSKI Wydział Mechaniczny Technologiczny Politechnika Śląska, Gliwice

Modele materiałów

EKSPLOATACJA SYSTEMÓW TECHNICZNYCH

α k = σ max /σ nom (1)

Identyfikacja obszarów koncentracji naprężenia w elementach ferromagnetycznych za pomocą metody magnetycznej pamięci

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

Metoda cyfrowej korelacji obrazu w badaniach geosyntetyków i innych materiałów drogowych

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

Wewnętrzny stan bryły

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

4. ZNACZENIE ROZKŁADU WYKŁADNICZEGO

2.3. Praca samotna. Rys Uproszczony schemat zastępczy turbogeneratora

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Anna Szabłowska. Łódź, r

Wytrzymałość Materiałów

KATEDRA TECHNOLOGII MASZYN I AUTOMATYZACJI PRODUKCJI

Ćwiczenie 2 WSPÓŁPRACA JEDNAKOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH W RÓŻNYCH KONFIGURACJACH POŁĄCZEŃ. Opis stanowiska pomiarowego. Przebieg ćwiczenia

Integralność konstrukcji w eksploatacji

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechanika i Budowa Maszyn Studia pierwszego stopnia. Podstawy konstrukcji maszyn I

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 7

Dobór sprzęgieł hydrokinetycznych 179 Bibliografia 183

ELEMENTÓW PODANYCH W PN-EN i PN-EN

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

Rok akademicki: 2015/2016 Kod: MIM IS-n Punkty ECTS: 5. Kierunek: Inżynieria Materiałowa Specjalność: Inżynieria spajania

Transkrypt:

PRÓBA OPRACOWANIA PROCEDURY OCENY UZĘBIEŃ KÓŁ ZĘBATYCH Z WYKORZYSTANIEM METODY MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU Maciej ROSKOSZ Politechnika Śląska, maciej.roskosz@polsl.pl 1. WSTĘP Przekładnie zębate powszechnie stosowane w różnego rodzaju maszynach muszą spełniać wysokie wymagania odnośnie ich niezawodności oraz trwałości. Awaria przekładni, nawet gdy nie spowoduje znacznych uszkodzeń w maszynie, wyłącza ją z eksploatacji. Zęby jako elementy uzębienia projektowane są w tzw. zakresie nieograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej. A jednak dochodzi do ich wyłamania. Pomijając ewidentne przypadki błędów konstrukcji i wykonania należy się zastanowić, szczególnie w przypadku maszyn o krótkim czasie eksploatacji, czy uzębienie lub poszczególne zęby wyczerpały już swoją trwałość, a jeżeli tak to, dlaczego? Zdaniem autora problem tkwi w innym od zakładanego stanie obciążenia uzębienia, a szczególnie w rozkładzie obciążenia na szerokości wieńca koła. W trakcie remontów eksploatowanych maszyn prowadzone są różne badania diagnostyczne uzębienia. Badania te ukierunkowane są na znajdowanie już rozwiniętych uszkodzeń, co jest niewystarczające do zapewnienia niezawodności i wykluczenia możliwości wystąpienia awarii w trakcie dalszej eksploatacji. Okresy międzyremontowe eksploatowanych maszyn z przekładniami zębatymi są na tyle długie, że wady o rozmiarach poniżej progu czułości tradycyjnych metod defektoskopowych, rozwijają się i mogą doprowadzić do uszkodzenia przekładni. Problemem podstawowym w tym przypadku, jest uzupełnienie spektrum badań diagnostycznych o metodę, umożliwiającą znajdowanie wad we wczesnym stadium ich rozwoju. Prowadzone badania na obiektach przemysłowych pozwalają stwierdzić, iż metodą taką jest metoda magnetycznej pamięci metalu. Przeprowadzono szereg badań na obiektach przemysłowych, których wyniki potwierdzone zostały późniejszymi awariami wskazanych elementów uzębienia. Dla pełnej optymalizacji przyjętych procedur badawczych, konieczne jest przeprowadzenie badań laboratoryjnych. Celem podjętych badań jest opracowanie procedury zastosowania metody magnetycznej pamięci metalu do badań uzębień kół zębatych, a w szczególności kryteriów oceny ich stanu. Podjęcie tego tematu wynika z potrzeby opracowania narzędzia diagnostycznego do określania stanu uzębień kół zębatych pracujących w starzejących się maszynach. Eksploatatorzy zainteresowani są ich dalszą bezawaryjną eksploatacją, a okazuje się, że jednym z bardziej awaryjnych podzespołów tych maszyn są właśnie przekładnie. Dla 1

przykładu, pracujące w dużej liczbie, w wielu gałęziach krajowego przemysłu 3, 4-ro stopniowe sprężarki promieniowe (firm Atlas Copco, Centac, IngersollRand) charakteryzują się tym, że poszczególne ich stopnie są zębnikami współpracującymi z jednym kołem centralnym. Stąd podstawowym podzespołem tych maszyn są przekładnie zębate. Występowały już awarie w postaci zmęczeniowego wyłamania się jednego zęba na jednym z zębników (stopni) sprężarki, pociągające za sobą uszkodzenie uzębienia koła centralnego, a w konsekwencji uzębień pozostałych stopni. Konsekwencją takich awarii jest konieczność bardzo kosztownego, niejednokrotnie z ekonomicznego punktu widzenia nieopłacalnego remontu, lub wymiany maszyny na nową. Dokładna diagnostyka polegająca na wykryciu zęba, który w najbliższym okresie eksploatacji może ulec wyłamaniu pozwoli na uniknięcie przedstawionej powyżej awarii. W prezentowanym artykule przedstawione zostaną wyniki badań uzębień prowadzone na obiektach przemysłowych. Przedstawiono również program badań laboratoryjnych zmierzających do opracowania procedury oceny uzębień kół zębatych. 2. METODA MAGNETYCZNEJ PAMIĘCI METALU Metoda magnetycznej pamięci metalu jest to pasywna metoda kontroli nieniszczącej oparta na rejestracji własnego magnetycznego pola rozproszenia elementu. Pole to powstaje w obszarach pasm poślizgu dyslokacji. Nie wgłębiając się w fizyczne podstawy metody magnetycznej pamięci metalu, które przedstawiono w [2 8, 1, 16], można wnioskować, że u podstaw tej metody leżą: efekt magnetosprężysty, efekt rozproszenia zewnętrznych pól magnetycznych spowodowanym nieciągłością lub strukturalnymi niejednorodnościami materiału oraz procesy wzajemnego oddziaływania pól magnetycznych z dyslokacjami i ich kumulacją. W metodzie magnetycznej pamięci rejestruje się rozkłady składowych pola magnetycznego H przy powierzchni badanych elementów. Rozkłady te są pewnym odzwierciedleniem rozkładu odkształcenia (naprężenia) badanego elementu [4]. Podstawowymi parametrami diagnostycznymi stosowanymi w procedurach diagnostycznych metody magnetycznej pamięci metalu są linia zmiany znaku składowej dh normalnej pola magnetycznego H n linia H n = oraz jej gradient (intensywność zmiany) n dx. Coraz częściej wykorzystuje się również wartości składowej stycznej pola magnetycznego H s. W procesie wytwarzania, podczas stygnięcia metalu poniżej temperatury punktu Curie, jednocześnie z krystalizacją w magnetycznym polu Ziemi, formuje się jego tekstura magnetyczna. Niejednorodność struktury krystalicznej materiałów powoduje, iż w miejscach największej koncentracji defektów siatki krystalicznej (na przykład, skupiska dyslokacji) i niejednorodności struktury tworzą się węzły zamocowania ścianek domen. Na powierzchni elementu obszary te widoczne są w postaci linii zmiany znaku składowej normalnej jego własnego pola magnetycznego. W wyniku badań laboratoryjnych i przemysłowych ustalono, że linia ta określa obszar maksymalnej niejednorodności struktury metalu, koncentracji defektów i odpowiednio, obszar maksymalnej koncentracji naprężeń wewnętrznych [4, 5, 7]. Mechanizm powstawania linii zmiany znaku podczas eksploatacji elementów maszyn nie został jeszcze w pełni wyjaśniony. W tym przypadku można jedynie mówić o hipotezach. 2

Obciążenie działające na element podczas eksploatacji wywołuje w nim pewien określony rozkład naprężeń. Wpływ naprężenia na własności magnetyczne opisuje efekt magnetosprężysty. W ferromagnetyku znajdującym się w polu magnetycznym pod wpływem naprężeń zmienia się stopień namagnesowania. Zmiana namagnesowania ma składową odwracalną, zanikającą po odciążeniu oraz składową stałą. Zależność między naprężeniem i stopniem namagnesowania jest złożona. Stopień namagnesowania zależny jest od rodzaju materiału, natężenia pola magnetycznego, historii magnesowania, odkształcenia i temperatury. Jeżeli w ferromagnetyku wystąpią lokalne zmiany obciążenia to będą miały miejsce odpowiednie lokalne zmiany stopnia namagnesowania [2 7]. W obszarach stałych pasm i płaszczyzn poślizgu w naturalny sposób z powodu pokrywania się płaszczyzn magnetycznych i płaszczyzn poślizgu dyslokacji tworzą się granice domen i własne pole magnetyczne. Położenie granic domen na płaszczyznach poślizgu dyslokacji, sformowane w warunkach dynamicznych pod obciążeniem, utrzymuje się również po zdjęciu obciążenia [2 7]. Jeżeli linia zmiany znaku składowej normalnej H n = przebiega przez obszar o dużej wartości gradientu zmian pola magnetycznego mówimy o miejscu koncentracji naprężeń, w którym wady i procesy utraty trwałości rozwijają się najszybciej [2, 3]. W celu ilościowej oceny poziomu koncentracji naprężeń określa się gradient K in (intensywność zmiany) składowej normalnej pola magnetycznego H n przy przejściu przez linię zmiany znaku (linię H n =) linię koncentracji naprężeń H n Kin = (1) 2λk gdzie: H n - moduł różnicy pola H n między dwoma punktami kontroli, położonymi w równej odległości λ k po obu stronach linii H n =. Odcinki λ k muszą być prostopadłe do linii H n =. Na wartości bezwzględne K in,max, odpowiadające granicznemu stanowi metalu przed początkiem rozwoju uszkodzenia, w warunkach przemysłowych mają wpływ rozmiary i postać badanego elementu, korozja, pełzanie, szczątkowe naprężenia spawalnicze, głębokość, na jakiej znajduje się uszkodzenie i inne przyczyny. Znaczy to, że przy opracowywaniu wyników badań, gdy korzysta się z granicznej wartości wskaźnika K in,max należy uwzględniać możliwe przyczyny uszkodzenia. Dlatego najcenniejszą częścią procedury badawczej jest posiadanie banku danych tych wskaźników. Szersze rozważania na temat parametrów diagnostycznych metody magnetycznej pamięci metalu oraz możliwości ich wykorzystania można znaleźć w [2 8, 1, 16]. 3. METODOLOGIA BADAŃ KÓŁ ZĘBATYCH [11] W kole zębatym każde wejście zęba w przypór powoduje w nim cykliczną zmianę naprężeń. Każdy cykl zmiany naprężeń w elemencie ferromagnetycznym powoduje wzrost pozostałości magnetycznej, czyli zmianę własnego pola magnetycznego elementu na skutek działania efektu magnetosprężystego. Dodatkowo, przenoszące obciążenie powierzchnie zęba 3

ulegają podczas eksploatacji zgniotowi, czyli występują na nich lokalne strefy odkształceń plastycznych. Założono, że własne pole magnetyczne zęba jest wypadkową działania wymienionych powyżej, związanych ze sobą czynników. Przyjęcie takiego założenia pozwala na postawienie tezy, że analiza rozkładu własnego pola magnetycznego zęba oraz gradientu tego pola pozwoli na: Określenie miejsc koncentracji naprężeń w zębach, a co za tym idzie, zębów i obszarów koła zębatego o największym prawdopodobieństwie wystąpienia uszkodzeń, Wyznaczenie rozkładu przenoszonego przez ząb obciążenia na jego szerokości. Badanymi obiektami były eksploatowane zębniki różnych maszyn z uzębieniem o zębach skośnych. Badania polegały na skanowaniu pola magnetycznego na wierzchołkach wszystkich zębów zębnika. Dla każdego zęba otrzymuje się rozkład pola magnetycznego na jego szerokości. Wybór wierzchołków zębów podyktowany był możliwością dostępu, ze względu na rozmiary zębów i przyrządów pomiarowych. 4. ANALIZA ZMIAN WŁASNEGO POLA MAGNETYCZNEGO UZĘBIEŃ KÓŁ ZĘBATYCH W TRAKCIE EKSPLOATACJI [13] 4.1. Cel i zakres badań Celem badań było określenie i jakościowa analiza zmian własnego pola magnetycznego kół zębatych na skutek obciążeń roboczych w trakcie eksploatacji. Przebadano kilkanaście eksploatowanych kół zębatych. Przeprowadzono rozłożone w czasie dwie serie pomiarów. Seria pierwsza miała na celu określenie stanu początkowego, przy czym ten stan początkowy dotyczy kół już wcześniej eksploatowanych. Seria druga to pomiary po rocznej eksploatacji. W celu określenia tendencji zmian wyniki pomiarów poszczególnych zębów uśredniono dla całego koła. Analizie poddano zmiany pomierzonych wartości składowych pola magnetycznego: składowej normalnej H n, składowej stycznej H s oraz gradientów ich zmian wzdłuż szerokości zęba. Przykładowe wyniki badań pokazano na rysunkach 1 i 2 (linia 1 stan początkowy, linia 2 stan końcowy). Na rysunkach 1a i 2a wprowadzono dodatkowo oznaczenia A - wartości początkowej i B - wartości końcowej składowej normalnej. 4.2. Analiza otrzymanych wyników 1. We wszystkich badanych uzębieniach stwierdzono wzrost wartości składowej normalnej pola magnetycznego, przy czym charakter rozkładu nie uległ zmianie. 2. Składowa styczna pola magnetycznego nie ma jednolitego trendu. Stwierdzono zarówno wzrost wartości, jej spadek oraz brak zmian. Jednakże we wszystkich przypadkach zaobserwowano wzrost jej wartości maksymalnej. 3. Zmiany wartości składowych pola magnetycznego są nierównomierne na szerokości wieńca koła zębatego. 4. Gradienty składowych normalnej i stycznej mają trend wzrostowy, rosną zarówno wartości maksymalne jak i wartość średnia. 4

4 6 H [A/m] H [A/m] 2 4 Hs 2 Hs Hn -2 Hn -2-4 szerokość zęba 6-4 szerokość zęba 6 a) wartości średnie składowych pola magnetycznego a) wartości średnie składowych pola magnetycznego 16 8 H [A/m] H [A/m] 12 6 8 4 4 2-4 szerokość zęba 6 szerokość zęba 6 b) wartości średnie zmian składowych pola magnetycznego b) wartości średnie zmian składowych pola magnetycznego 3 dh s /dx [A/m/mm] 2.5 2 4 dh s /dx [A/m/mm] 3.5 3 2.5 1.5 2 1.5 1.5 1.5 szerokość zęba 6 szerokość zęba 6 c) wartości średnie gradientów składowej stycznej pola magnetycznego 5 dh n /dx [A/m/mm] 4 c) wartości średnie gradientów składowej stycznej pola magnetycznego 4 dh n /dx [A/m/mm] 3.5 3 3 2.5 2 2 1.5 1 1.5 szerokość zęba 6 szerokość zęba 6 d) wartości średnie gradientów składowej normalnej pola magnetycznego d) wartości średnie gradientów składowej normalnej pola magnetycznego Rys. 1. Koło zębate nr 1 Rys. 2. Koło zębate nr 2 5

Powyższe stwierdzenia pozwalają na sformułowanie tezy, że istnieje związek pomiędzy ilością cykli zmian obciążenia, jego wartością i rozkładem na szerokości zęba a wartościami składowych pola magnetycznego. Konieczne są jednak dalsze badania laboratoryjne mające na celu sformułowanie odpowiednich zależności. 5. PRZEWIDYWANIE USZKODZEŃ ZMĘCZENIOWYCH UZĘBIENIA [12] 5.1. Przykład 1. Zębnik, w którym w czasie remontu maszyny stwierdzono wyłamanie fragmentu zęba rys. 3. Na rys. 4 pokazano zmierzony na głowie uszkodzonego zęba rozkład składowych stycznej i normalnej pola magnetycznego na jego szerokości. Rys. 3. Zębnik z wyłamanym fragmentem zęba Rys. 4. Rozkład składowej stycznej (linia czarna), normalnej (linia czerwona) i ich gradientów Rozkład przedstawiony na rys. 4 charakteryzuje się skokową zmianą wartości składowej stycznej i występującym w tym miejscu ekstremum (maksimum) składowej normalnej. 5.2. Przykład 2 Badane uzębienie pokazano na rys. 5. Badania prowadzono w trakcie remontu maszyny. Wybrane wyniki badań własnego pola magnetycznego zębów zamieszczono w tablicy 1, gdzie linie czarna - składowa styczna pola magnetycznego H s i jej gradient dh s /dx, linia czerwona - składowa normalna pola magnetycznego H n i jej gradient dh n /dx. Analizując otrzymane wyniki stwierdzono występowanie w około 3 % zębów rozkładów składowych pola magnetycznego zbliżonych do rozkładu pokazanego na rys.4, pokazującego stan po wyłomie zęba. Przeprowadzone badania penetracyjne oraz ultradźwiękowe nie wykazały wskazań świadczących o możliwości występowania pęknięć. Pomimo sugestii autora referatu o dużym prawdopodobieństwie uszkodzenia zmęczeniowego uzębienia, zębnik eksploatowano dalej. Po kilkunastu miesiącach eksploatacji nastąpiła znaczna awaria maszyny wskutek wyłamania się kilkunastu zębów rys. 6. 6

Tablica 1. Przykładowe rozkłady składowej stycznej (linia czarna), normalnej (linia czerwona) i ich gradientów Nr zęba Wykres Nr zęba Wykres 3 6 13u 15u 16u 35u Rys. 5. Badane uzębienie Rys. 6. Uzębienie po awarii 5.3. Sformułowanie kryterium diagnostycznego Przedstawiono dwa wyniki badań uzębień kół zębatych, w których stwierdzono podobne rozkłady składowych stycznej i normalnej własnego pola magnetycznego zębów. 7

Charakteryzowały się one lokalnym skokiem wartości składowej stycznej (związanym niekiedy ze zmianą jej znaku) i występującym w tym miejscu lokalnym ekstremum składowej normalnej pola magnetycznego. W przykładzie 1 wskazanie takie stwierdzono po zaistnieniu awarii, natomiast w przykładzie 2 przed awarią. Poza prezentowanymi przypadkami przebadano znaczną ilość eksploatowanych kół zębatych [9, 11], w których nie stwierdzono owych charakterystycznych rozkładów. Eksploatowane one są w dalszym ciągu bezawaryjnie. Powyższe pozwala sformułować jakościowe kryterium diagnostyczne pozwalające określić występowanie znacznego prawdopodobieństwa uszkodzenia zmęczeniowego uzębienia. Kryterium to dotyczy badań pola magnetycznego prowadzonych na głowie zęba. Jeżeli w uzębieniu występuje rozkład własnego pola magnetycznego charakteryzujący się lokalnym skokiem wartości składowej stycznej (najczęściej związany ze zmianą jej znaku, czyli wystąpieniem wartości H s = ) i występującym w tym miejscu lokalnym ekstremum składowej normalnej to prawdopodobieństwo awarii tego uzębienia jest znaczne. 6. ANALIZA NIERÓWNOMIERNOŚCI ROZKŁADU OBCIĄŻENIA NA SZEROKOŚCI KOŁA ZĘBATEGO Jeżeli posługując się podanym wyżej kryterium stwierdzono znaczne prawdopodobieństwo awarii to pozostaje do odpowiedzi pytanie: czy i jak długo można dane uzębienie jeszcze eksploatować? Odpowiedzią na nie może być analiza stanu obciążenia uzębienia. Jedną z danych do tej analizy mógłby być rzeczywisty współczynnik nierównomierności rozkładu obciążenia. Współczynnik nierównomierności rozkładu obciążenia zdefiniowany jest jako stosunek maksymalnego lokalnego obciążenia zęba p max przypadającego na jednostkę długości do wartości średniej p m wyliczonej przy założeniu równomiernego rozkładu [7]. pmax K = (2) p Opierając się na przedstawionych w punkcie 4 wynikach badań oraz na fizycznych podstawach magnetycznej pamięci metalu można postawić tezę, iż istnieje związek pomiędzy rozkładem własnego pola magnetycznego zęba a rozkładem obciążenia. Założono, że obciążenie średnie p m wynikające z przenoszonego momentu jest jednakowe w każdym zębie koła oraz, że istnieje zależność pomiędzy stosunkiem lokalnego obciążenia p do obciążenia średniego p m w danym zębie koła a stosunkiem lokalnej wartości wektora namagnesowania H r i do jego wartości średniej H r i, m postaci p p m m r H ~ r H i i,m (3) 8

Opracowano kilka algorytmów wiążących rozkład obciążenia na szerokości wieńca koła zębatego z parametrami własnego pola magnetycznego. Przykładowe wyniki obliczeń rozkładu obciążenia z wykorzystaniem tych algorytmów pokazano na rys. 7. Numery linii na rysunkach oznaczają kolejne opracowywane algorytmy. Otrzymane rozkłady obciążenia na szerokości wieńca koła zębatego, choć różnią się od siebie, zbliżone są do przedstawionych w [9]. Odpowiedź na to, który odpowiada rzeczywistości mogą dać jedynie dalsze badania. 2.4 p/p m 2.2 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2. Szerokość wieńca Rys. 7. Średnie rozkład obciążenia p/p m wyznaczone wg opracowanych algorytmów 7. PROGRAM BADAŃ LABORATORYJNYCH Zdaniem autora, przedstawione wyniki badań przemysłowych są bardzo interesujące. Wskazują na znaczny potencjał tkwiący w metodzie magnetycznej pamięci metalu. Konieczne są jednak badania laboratoryjne, gdzie możliwa jest pełna kontrola stanu wyjściowego badanych elementów, kontrola i regulacja obciążenia oraz jego rozkładu na szerokości zębów. Opracowano program takich badań, którego główne punkty przedstawiono poniżej. Wykonanie dokumentacji konstrukcyjnej stanowiska do badań uzębień kół zębatych Wykonanie stanowiska do badań uzębień kół zębatych Badanie i analiza stanu magnetyzmu własnego w nowych kołach próbkach Badania i analiza zmian magnetyzmu własnego w kołach próbkach obciążonych równomiernie na całej szerokości uzębienia, przy różnych wartościach i różnej liczbie cykli zmian obciążenia Badania i analiza zmian magnetyzmu własnego w kołach próbkach obciążonych nierównomiernie na szerokości uzębienia, przy różnych wartościach i różnej liczbie cykli zmian obciążenia Analiza uzyskanych wyników badań pod kątem poszukiwania kryteriów oceny stanu uzębienia 9

8. PODSUMOWANIE W referacie przedstawiono wyniki badań uzębień kół zębatych z wykorzystaniem metody magnetycznej pamięci metalu. Sformułowano tezę, że istnieje związek pomiędzy ilością cykli zmian obciążenia, jego wartością i rozkładem na szerokości zęba a wartościami własnego pola magnetycznego. Podano kryterium diagnostyczne pozwalające określić występowanie znacznego prawdopodobieństwa uszkodzenia zmęczeniowego uzębienia. Umożliwia ono, wraz z zastosowaniem metody pamięci magnetycznej, pełniejszą diagnostykę remontową uzębień. Zaproponowano hipotezę o korelacji parametrów własnego pola magnetycznego zębów z rozkładem obciążenia na ich szerokości. Przedstawiono wyniki kilku opracowanych algorytmów. W celu potwierdzenia, lub obalenia, zaproponowanych hipotez konieczne są badania laboratoryjne, gdzie możliwa jest pełna kontrola stanu wyjściowego badanych elementów, kontrola i regulacja obciążenia oraz jego rozkładu na szerokości zębów. Zakładając słuszność postawionych hipotez, badania magnetyzmu własnego zębów dają jakościowy i ilościowy obraz rozkładu obciążenia w poszczególnych zębach, a przez to są podstawą do nowego spojrzenia na określanie trwałości resztkowej uzębienia. LITERATURA 1. ASHBY M. F., JONES D. R. H.: Materiały inżynierskie, tom 1, WNT Warszawa 1997 2. DEPUTAT J.: Podstawy metody magnetycznej pamięci metalu. Dozór Techniczny 5/22 s. 97-15. 3. DUBOW A.A.: Diagnostyka wytrzymałości oprzyrządowania i konstrukcji z wykorzystaniem magnetycznej pamięci metalu Dozór Techniczny 1/22 s. 14-18, 2/22 s. 37-4 4. DUBOW A.A.: Zapytania o fizyczne podstawy metody magnetycznej pamięci metalu. Materiały z II międzynarodowej konferencji Diagnostyka oprzyrządowania i konstrukcji z wykorzystaniem Magnetycznej Pamięci Metalu Moskwa 21r. 5. DUBOW A.A.: Principial features of metal magnetic memory method and inspection tools as compared to known magnetic NDT methods. WCNDT 24, Montreal Canada, http://www.ndt.net/article/wcndt24/papers/359.ntm 6. DUBOW A.A.: Physical base of the method of metal magnetic memory. Proc. of Workshop on Nondestructive Testing of Materials and Structures, NTM 2 Warsaw 22, Wyd. IPPT PAN, str. 1-9. 7. DUBOW A. A., RYŻKOW F. E. CZECZKO I. I.: Koncepcja zapewnienia niezawodności oprzyrządowania energetycznego po przepracowaniu nominalnego resursu. Materiały z II międzynarodowej konferencji Diagnostyka oprzyrządowania i konstrukcji z wykorzystaniem Magnetycznej Pamięci Metalu Moskwa 21r. Tłumaczenie udostępnione przez firmę Resurs Warszawa. 8. GORICKIJ W. M., GORICKIJ O. W. DUBOW A. A., DEMIN E. A.: Czynniki strukturalne występowania efektu pamięci magnetycznej w materiałach konstrukcyjnych. 1

Materiały III konferencji Diagnostyka urządzeń i konstrukcji z wykorzystaniem magnetycznej pamięci metalu. Moskwa 23 (po rosyjsku) 9. JAŚKIEWICZ Z., WĄSIEWSKI A.: Przekładnie walcowe tom I. WKŁ Warszawa 1992 1. REN JILING, SONG KAI, WU GUANHUA, LIN JUNMING: Mechanism study of metal magnetic memory testing. 1th Asia-Pacific Conference on Non-Destructive Testing 17-21 September 21 Brisbane, Australia, www.ndt.net/article/apcndt1/papers/1194/1194.html 11. ROSKOSZ M.: Zastosowanie Metody Magnetycznej Pamięci Metalu do badań uzębień kół zębatych. Dozór techniczny 1/26 12. ROSKOSZ M.: Możliwości przewidywania uszkodzeń zmęczeniowych uzębień kół zębatych z wykorzystaniem metody magnetycznej pamięci metalu. X Międzynarodowe Forum Energetyków. GRE 26, Bielsko-Biała 13. ROSKOSZ M.: Analiza zmian własnego pola magnetycznego uzębień kół zębatych w trakcie eksploatacji. X Międzynarodowe Forum Energetyków. GRE 26, Bielsko-Biała 14. ROSKOSZ M: Wybrane wyniki badań diagnostycznych z wykorzystaniem metody magnetycznej pamięci metalu. IX Międzynarodowe Forum Energetyków. GRE 24. Zeszyty Naukowe. Politechnika Opolska nr 295 Elektryka z. 53 T. 2. Opole 24, s. 495-51 15. ROSKOSZ M: Badania diagnostyczne kół zębatych z wykorzystaniem metody magnetycznej pamięci metalu. Materiały konferencji PIRE 24. 16. WEI-CHANG ZHONG: Magnetization of ferromagnetic materials in geomagnetic field by mechanical strain - Prinicple of metal magnetic memory testing and diagnostic technique. 1th Asia-Pacific Conference on Non-Destructive Testing 17-21 September 21 Brisbane, Australia, www.ndt.net/article/apcndt1/papers/1194/4443.html 11