Лаб. работа №4. Акустическая диагностика передачи на лабораторном стенде УЛС-7

Цель работы: приобретение практических навыков акустической диагностики различных дефектов зубчатой передачи.

Продолжительность работы — 2часа.

Необходимое оборудования (инструменты, материалы):

1. Лабораторная установка в конфигурации с прямозубой передачи с набором дефектных деталей;
2. Электронный штангенциркуль;
3. Индикатор часового типа со штативом (ГОСТ 577-68), цена деления 0,01 мм;
4. Щупы (ГОСТ 882-75) L=100mm, набор №2;
5. Шумомер с функцией анализатора спектра звука (типа шумомеров ОКТАВА 101А, АССИСТЕНТ);
6. Стетоскоп.

1.4.1. Теоретические основы акустической диагностики.

Акустический шум и колебания механизмов давно используются для оценки технического состояния. В механических устройствах в качестве степени повреждений выступает зазор между деталями. Наличие зазора вызывает соударение деталей во время работы. Физическое проявление этого процесса реализуется в виде распространения упругих волн акустического диапазона, возникновения вибрации и ударных импульсов. Несмотря на единую физическую природу, каждое из этих проявлений имеет свои особенности и по-разному отображает происходящие процессы. Поэтому целесообразно контролировать совокупность этих параметров. Упругие волны, порождающие акустические колебания, имеют частотный диапазон 20…16000 Гц и легко распространяются по корпусным де талям механизма. Вследствие этого прослушивание акустических шумов, возникающих при работе механизма, наиболее распространенный метод определения состояния работающего оборудования. Для этого используется технический стетоскоп, состоящий из металлической трубки и наушника. Один конец инструмента прижимается к корпусу подшипника, а наушник — к уху. Этот метод настолько доказал свою надежность, что требования по прослушиванию шумов механизмов включены во все правила технического обслуживания и инструкции по эксплуатации оборудования. Наиболее эффективным является сочетание полученной качественной картины технического состояния с количественной оценкой параметров вибрации. Это позволяет соединить субъективное мнение с объективной информацией, что обеспечивает достаточную точность при постановке диагноза. Сейчас при прослушивании шумов используют электронные стетоскопы (рис. 14а). Щуп прибора устанавливается на корпусе механизма. Электрический сигнал, снимаемый с пьезоэлектрического датчика, подаётся на усилитель звуковой частоты, а затем в наушники. По частоте и силе звука судят о наличии повреждений в контролируемом механизме и об их характере. В любом случае, наиболее сложной задачей является процесс распознавания шумов и определения видов дефектов. Этот процесс трудно формализовать. Многое за висит от квалификации и опыта человека, использующего этот метод. Основные достоинства метода: получение качественной информации о техническом состоянии механизма. Сигналы, возбуждаемые колебаниями работающих механизмов, носят импульсный характер. Увеличение зазора между сопрягаемыми деталями приводит к перераспределению энергии по частотным диапазонам, повышению уровня сигнала на более высоких частотах. Амплитуда колебаний характеризует динамику работы кинематической пары, а также размер дефекта, частота — источник колебаний. Решение задачи распознавания шумов и видов повреждений основывается на знании характерных шумов элементов механизма. Граф причинно-следственных связей шумов и повреждений механизма приведен на рис. 15. Виды повреждений приведены в нижней части графа, выше указаны характерные шумы, определяющие данный диагностический признак.

Рисунок 14 – Приборы для измерения и анализа шумов: а) электронный стетоскоп; б) шумомер-анализатор АССИСТЕНТ

Рисунок 15 – Граф причинно-следственных связей шумов и повреждений механизма

Шумы зубчатых передач:

1. Ровный жужжащий шум низкого тона характерен для нормальной работы зубчатой передачи. Косозубая передача в этом случае имеет ровный воющий шум низкого тона.
2. Шум высокого тона, переходящий с увеличением частоты вращения в свист и вой, и непрерывный стук в зацеплении происходят при искажении формы работающих поверхностей зубьев или при наличии на них местных дефектов.
3. Дребезжащий металлический шум, сопровождающийся вибрацией корпуса, возможен вследствие малого бокового зазора или несоосности колёс, при износе посадочных мест редуктора.
4. Циклический (периодический) шум, появляющийся с каждым оборотом колеса, то ослабевающий, то усиливающийся, указывает на эксцентричное расположение зубьев относительно оси вращения. Устранить такой шум в редукторе практически невозможно.
5. Циклические удары, грохот, глухой стук — излом зуба.

Объективные методы оценки технического состояния зубчатой передачи базируются на приборных методах измерения и анализа уровня звука, излучаемого машиной.  Наиболее простым и доступным является метод оценки общего уровня звука работающей машины, измеренного с помощью шумомера. В таблице 5 приводятся примерная оценка зубчатого зацепления по уровню звука (dB), излучаемой механизмом во время работы.

Более точную оценку технического состояния механизма дает метод спектрального анализа акустического сигнала, измеренного с помощью измерительного микрофона на расстоянии 1 метр от работающего агрегата. Измерение акустического сигнала и его спектральный анализ проводится с помощью электронных приборов – шумомеров-анализаторов. Амплитудно-частотный состав звуковых колебаний детерминирован с техническим состоянием передачи. При этом частота колебаний определяется видом дефекта, а амплитуда – степенью его развития дефекта. Сравнительный анализ спектров акустических сигналов исправного механизма с дефектным позволяет определить вид дефекта и степень его развития. Более подробная информация по методам и средствам акустического диагностирования приводится с специализированной литературе.

Таблица 5. Примерная характеристика нормы шумности зубчатых передач

Технические состояния прямозубой зубчатой передачи, которые могут быть смоделированы в процессе выполнения экспериментальных исследований, представлены в табл. 6.  При этом частота вращения ведущего вала может меняться в диапазоне от 100 до 1000 об/мин, крутящий момент на выходном валу от 0 до 6 Н∙м.

На рис. 16 представлены схемы установки зубчатых колес (1, 2) с использованием цилиндрических (3) и конических закрепительных втулок (4). Величину эксцентриситета δ₀,  δ₁,  δ₂ зубчатых колес при использовании конических и цилиндрических втулок №0, №1, №2, входящих в набор, необходимо проконтролировать с помощью индикатора часового типа (рис. 5).  Величину уменьшения толщины зуба дефектной шестерни по делительной окружности измерить с помощью электронного штангенциркуля.

Рисунок 16 – Установка зубчатых колес на лабораторном стенде с использованием конических закрепительных втулок и цилиндрических втулок

На рис. 17 показаны схемы установки грузов для моделирования дисбаланса шестерни (а), зубчатого колеса (б), одновременно шестерни и колеса (в). Дисбаланс создается с помощью шайб и винтов (входят в состав стенда). Примерная масса шайбы – 2 гр , винта М6х16 – 5,5 гр,  винта М6х10 – 4,3 гр. Более точные данные можно получить путем взвешивания деталей на ювелирных весах.

Величина дисбаланса рассчитывается по формуле:

D=m_г∙R,

где m_г – масса грузов, гр; R – радиус установки грузов, см.

Рисунок 17 – Схемы моделирования дисбаланса зубчатых колес: а) дисбаланс шестерни; б) дисбаланс колеса; в) дисбаланс шестерни и колеса

Для моделирования локального дефекта зуба необходимо использовать шестерню с дефектным (входит в состав стенда). При этом предварительно необходимо определить измерением величину уменьшение толщины зуба по делительной окружности – μ (см. рис. 18). В процессе работы передачи зубья шестерни (1) и колеса (2) должны сопрягаться со стороны локального дефекта (3). Если направление вращение противоположное, то необходимо изменить направление вращения вала электродвигателя с помощью соответствующей функции частотного преобразователя (см. инструкцию к частотному преобразователю).

Рисунок 18 – Схема зубчатого зацепления при наличии локального дефекта шестерни

Таблица 6 — Описание моделируемых состояний прямозубой передачи

1.4.2. Порядок выполнения работы

1. Собрать лабораторную установку в конфигурации №1 «Прямозубая передача». Зубчатые колеса закрепить на валах с помощью конических закрепительных втулок KLLC015 (рис. 4) и / или втулки №0 из набора.
2. Проверить правильность сборки путем ручного прокручивания ведущего вала на 2 оборота. Валы должны свободно вращаться, без заедания.
3. В присутствии преподавателя или мастера, при опущенной защитной крышке, включить установку постепенно повышая частоту вращения электродвигателя с помощью частотного преобразователя (изменяя частоту питающего тока от 0 до 50 Гц). Визуально оценить правильность работы передачи, оценить уровень шума и вибрации.
4. Нагрузить передачу путем включения электромагнитного тормоза. Плавно изменить нагрузку от 0 до 0,6А. При этом не допускать полной остановки вращения вала электродвигателя.
5. Выставить с помощью частотного преобразователя частоту вращения электродвигателя в диапазоне от 100 до 1500 об/мин, согласно индивидуальному заданию.
6. Нагрузить передачу путем включения электромагнитного тормоза. Плавно увеличивать нагрузку от 0 А до значения, согласно индивидуальному заданию (не более 0,6А). При этом не допускать полной блокировки вала электродвигателя.
7. Шумомером-анализатором измерить общий уровень звука (dB A) с помощью измерительного микрофона, установленного на расстоянии один метр от источника звука. Результаты измерений занести в протокол.
8. Шумомером-анализатором измерить акустический сигнал и построить спектр уровня звука в частотном диапазоне от 10 Гц до 20 000 Гц. Спектр звукового сигнала распечатать, приложить к протоколу.
9. Отключить установку от сети переменного тока, смоделировать различные дефекты передачи согласно табл. 6. Повторить пункты 1-8 для каждого моделируемого технического состояния, согласно табл. 6.
10. Оформить отчет, проанализировать полученные результаты, сделать выводы.