Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и постановка задачи 10
1.1. Характеристики поверхностей трения механических систем 10
1.2. Обзор работ, посвященных методам контроля технологических погрешностей элементов трения
1.3. Обзор работ по средствам контроля характеристик поверхностей трения 38
Выводы 44
Постановка задачи
2. Теоретическое обоснование алгоритмов контроля характеристик поверхностей трения по вибрационным характеристикам
2.1. Статистическая модель характеристик поверхностей трения и метод их контроля
2.2. Теоретическое обоснование адаптивного метода диагностики
2.3. Выбор информационных частот для диагностики характеристик поверхностей трения 74
2.4. Алгоритм диагностики характеристик поверхностей трения по вибрационным характеристикам
2.5. Контроль и нормирование характеристик поверхностей трения как этап технологического процесса
Выводы
3. Экспериментальные диагностические исследования . ... 112.
3.1. Исследование характеристик поверхностей трения и диагностических параметров
3.2. Статистический анализ характеристик поверхностей трения и диагностических параметров І39
3.3. Исследование регрессионных характеристик статистической модели
Выводы 155
4. Технические методы и средства контроля 156
4.1. Имитационные испытания сборочных единиц 156
4.2. Технические средства для диагностики характеристик поверхностей трения механических систем 165
4.3. Апробация алгоритмов диагностики характеристик поверхностей трения механических систем 177
Выводы 197
Заключение 198
Литература 200
Приложение I. Идентификаторы программ ДИТА, АДАПТ 217
Приложение 2. Программы ДИТА, АДАПТ 219
- Характеристики поверхностей трения механических систем
- Статистическая модель характеристик поверхностей трения и метод их контроля
- Исследование характеристик поверхностей трения и диагностических параметров
- Имитационные испытания сборочных единиц
Введение к работе
Исторические решения ХХУ и ХХУІ съездов КПСС наметили всестороннее расширение и углубление научно-технического прогресса во всех областях народного хозяйства. В связи с этим предусмотрено развитие приборостроения и точного машиностроения на основе совершенствования технологических процессов с целью повышения надежности, точности и долговечности механизмов, приборов и машин.
Надежность и долговечность механических систем (МС) исполнительных устройств зависят от работоспособности наиболее ответственных узлов, к которым относятся узлы с элементаьш трения такие как подшипники, валы по опорным частям, зубчатые передачи, коллекторы, зубчатые муфты и другие. Техническое состояние сборочных единиц зависит от геометрических аномалий контактирующих элементов, неточностей монтажа, сборки и, кроме того, процесса износа. В наибольшей степени на качество узлов трения влияют дефекты трущихся поверхностей. В связи с этим в процессе эксплуатации МС возникает необходимость контроля характеристик поверхностей трения (ПТ). Известные в настоящее время методы и средства контроля позволяют оценить последние путем разборки и непосредственным измерением контактирующих элементов. При этом существующие методы измерения параметров поверхностей имеют существенные погрешности и позволяют оценить профиль трущихся элементов весьма приближенно.
Применяемые известные вибрационные методы контроля основаны на решении следующих задач: определение соответствия виброакустических характеристик установленным стандартным нормам; определение вибрации МС по заданным технологическим погрешностям (ТШ; - качественная оценка ТП на основе анализа их связи с виброакустическими характеристиками.
Б настоящее время отсутствуют методы неразрушающего контроля характеристик отклонения формы, волнистости, шероховатости трущихся элементов МС по вибрационным характеристикам. В то же время в работах /22,^^^89 / показано, что волнистость и шероховатость являются основными технологическими факторами, влияющими на важнейшие свойства изделий точного машиностроения - износоустойчивость, энергетические потери, коррозионная устойчивость и другие (рис. 1).
Нарушение нормального функционирования механических систем с узлами трения не сразу приводит к катастрофическому отказу, но изменяет режимы работы изделия. В связи с этим оценка технического состояния МС должна включать контроль характеристик ПТ на этапах сборки, испытаний, эксплуатации, когда они еще не превзошли критических значений ('рис. 2,3,4) . В наибольшей степени это относитея к изделиям, содержащим подшипниковые опоры, так как последние являются наименее надежными узлами в исполнительных устройствах автоматических систем.
На основании проведенных разработок установлена необходимость проведения контроля характеристик ПТ по косвенным параметрам. Среди методов неразрушающего контроля наиболее перспективными являются вибрационные методы, так как вибрация обладает широким спектром, содержит наибольшую информацию об изменении свойств трущихся элементов, а измерение вибрации производится в условиях функционирования изделий.
Такой контроль использует методы вибродиагностики, которые в настоящее время не позволяют учитывать ненаблюдаемые внутренние возмущения и флуктуации параметров вследствие погрешностей изготовления, сборки, процессов износа.
Характеристики ПТ механических систем
Шерохо5отость
Волнистость
Отклонение орормы
Усталостная прочность е
Иьносоустойиидость
Коррозионная устойчивость
Эрозионное/ устойчивость
Знерг-етические потери
Рис. 1. Влияние хороктеристик ПТ но сЗойстда МС исполнительных устройстд г,мкм
ЮО 150 200 250 300 350
Т*/0"
Рис. 2 Характеристики /IT шарикоподшипника 6 процессе эксплуатации: /-отклонение тормь/; 2- болиистость; 3 -шерохоботость т±о
50 100 150 200 250 300 350 Ч
Рис.3. Характеристики'ЛJ'кожкторо электродЬиготелр 6 процессе эксплуотоции: 1- шерохоШост; 2-Ьолнистость
Г,мкм - і fT — ИМ'
50 WO 150 200 250 300 350 и Puc/f. Отклонение формы коллектора 5 процессе эксплуатации
В связи с этим для повышения достоверности контроля актуальной является разработка адаптивного алгоритма диагностики, основанного на положениях теории адаптивных систем управления с эталонной моделью / 49, ІО& /. При этом в качестве последней рассмотрена контролируемая механическая система, а в качестве объекта управления - адаптивный алгоритм контроля на основе динамической модели с варьируемыми параметрами. Разработка новых методов контроля характеристик поверхностей трения наиболее ответственных сборочных единиц обусловлена высокими требованиями к качеству функционирования изделий точного машиностроения и приборостроения.
Внедрение методов контроля параметров поверхностей трения по вибрационным характеристикам в технологическом процессе производства, и при эксплуатации МС позволяет не только повысить точность контроля, выявить дефектные изделия до начала их функционирования, но также в процессе эксплуатации предупреждать нарушение ;:. нормального функционирования и отказы.
Характеристики поверхностей трения механических систем
Современные механические системы (Ш) исполнительных устройств имеют сборочные единицы, содержащие элементы трения. К ним относятся зубчатые передачи, подшипниковые и щеточно-коллекторные узлы, трущиеся элементы манипуляторов и другие. В результате технологических погрешностей (ТП) изготовления и сборки трущиеся поверхности элементов трения характеризуются отклонением формы, волнистостью и шероховатостью. Последние появляются также в процессе работы изделий вследствии износа контактирующих тел. Допуски формы деталей машин установлены ГОСТ 24643-81 и ГОСТ 24642-81. Количественно отклонение формы оценивается наибольшим расстоянием от точек реального профиля до прилегающего профиля по нормали к прилегающему профилю. Волнистость включается в отклонение формы. Шероховатость не включается в отклонение формы, но в обоснованных случаях допускается нормировать отклонение формы, включая шероховатость поверхности.
Как показано в работе /-&?/, под волнистостью поверхности понимают повторяющиеся на рассматриваемой поверхности неровности с шагами, меньшими чем шаги повторяющихся отклонений формы, но с большими, чем шаги шероховатости. От волнистости шероховатость отличается значением базовой длины 6 , которая выбирается из эксплуатационных соображений. К шероховатости относится совокупность неровностей с шагами, удовлетворяющих условию Si с где Si - шаг неровности поверхности (ГОСТ 278У-73, ГОСТ 2.309-73). Неровности волнистости и отклонения формы удовлетворяют условию.
Рисунок 1-5 иллюстрирует образование характеристик поверхностей трения (ПТ) редуктора, к важнейшим из которых относятся характеристики зубьев.
В работах 129,43 / установлено, что рабочие поверхности зубьев тем лучше сопротивляются усталостному разрушению, чем меньше их неровности, причем с уменьшением неровностей уменьшается величина и продолжительность приработочного износа. Кроме того показано, что погрешности профиля зубчатых колес влияют на плавность работы зубчатой передачи, кинематическую точность характеризует отклонение угла поворота ведомого колеса от угла поворота ведущего.
Из работы /43/ известна зависимость, устанавливающая связь между допуском на кинематическую погрешность fc- и допуском fp , ограничивающим разность наибольшего и наименьшего значений накопленной погрешности шага,
Статистическая модель характеристик поверхностей трения и метод их контроля
Материалы настоящего параграфа посвящены исследованию связи между составляющими отклонения формы, волнистости, шероховатости, а также их связи с вибрационными характеристиками (ВХ) на всем частотном диапазоне. Такой подход позволяет учитывать случайный характер высоких гармоник при контроле ПТ. В процессе функционирования изделий контактирование: элементов происходит в локальной зоне, которая определяется макро- и микрогеометрией трущихся поверхностей, последняя характеризует эквивалентный профиль в виде разложения НУ I - среднее значение дефекта; S - номер гармоники; /J - амплитуда S -ой гармоники поверхности контакта;Д -углы, определяющие положение трущейся поверхности; % - фаза S -ой гармоники.
На рис. 2. і в качестве примера приведена схема измерения характеристик ПТ по методу "естественных вибраторов", где I -вибропреобразователь с контактным элементов (КЭ), 2 - виброизмеритель, 3 - регистрирующее устройство. Результаты измерения амплитуд микрогеометрии зависят от пространственных координат (/?,,С) и определяют случайный процесс, характеризующий поверхность трения. Реальная контролируемая поверхность описывается эквивалентной поверхностью, которая характеризует эквивалентный профиль в виде разложения (2.1) .
Таким образом, измерение профиля контактирующих поверхностей является сложным процессом, погрешности которого необходимо учитывать для наилучшего приближения эквивалентной поверхности к реальной.
class3 Экспериментальные диагностические исследования class3 .
Исследование характеристик поверхностей трения и диагностических параметров
Целью проводимых исследований является:
- определение особенностей спектра собственной вибрации механических систем (МС) как диагностического параметра характеристик поверхностей трения (ПТ);
- определение спектра характеристик поверхностей трения контактирующих элементов МС;
- сравнение составляющих спектра характеристик ПТ с результатами разложения профилограмм в ряд Фурье, получение сравнительных характеристик и расчет относительных погрешностей.
Для изучения особенностей спектра собственной вибрации исследуемых МС проведен анализ соотношений между источниками вибрации по методике, приведенной в работе //57. С этой целью измерялись амплитудно-частотные спектры вибрации МС в рабочем состоянии в радиальном и осевом направлениях. Установлены информационные точки на корпусе изделия. В качестве примера на рис. 3.1 представлено распределение общего уровня вибрации по корпусу механической системы (щс.іб) с шарикоподшипниковыми узлами. Вибрацию рассматриваемого объекта обуславливают возбуждающие силы механического, магнитного и аэродинамического происхождения. В результате исследований по разделению источников вибрации установлено, что магнитная составляющая вибрации составляет 10% от общего уровня, аэродинамическая составляющая 5%, механическая составляющая 85%. Таким образом, основным источником вибрации МС с шарикоподшипниковыми узлами является вибрация механического происхождения.
Измерения составляющих собственной вибрации МС проводились по структурной схеме, приведенной на рис. 3.2. , где I - механическая система; 2 - вибропреобразователь типа КД-ЗІ фирмы РРГ; 3 - виброизмеритель типа SM-2II; 4 - фильтр третьоктавный типа 0І0І5; 5 - регистрирующее устройство.
Вибропреобразователь типа КД-ЗІ крепится к корпусу МС в информационной точке. Измерения проводились в третьонтавных частотных полосах с помощью фильтра типа 01015, а уровень вибрации фиксировался по стрелочному прибору регистрирующего устройства. Составляющие вибрации Xjn измерялись для партии изделий объемом /77 = 50 на частотах от 0 до 12,5 кГц в третьоктавных диапазонах частот, установленных ГОСТ 12379-75 и ГОСТ 17168-71.
Имитационные испытания сборочных единиц
Данный параграф посвящен описанию технических средств, которьв используются для имитационных испытаний элементов трения механических систем (МС). Использование имитационных устройств позволяет испытывать сборочные единицы в рабочих условиях с целью получения полного спектра характеристик поверхностей трения ПТ и их вибрационных характеристик.
Схема устройства /131/ для имитационных испытаний коллектора электрических машин приведена на рис. 4.1 , где I - приводное устройство; 2 - соединительная муфта; 3 - синхронизатор; 4 - устройство для подъема щеток; 5 - вибропреобразователь с контактньм элементом; б - виброизмеритель; 7 - фильтр третьоктавный; 8 -регистрирующее устройство; 9 - исследуемый объект.
Схема установки для исследования мелкомодульных зубчатых колес /70/ приведена на рис. 4.2., где I - приводной электродвигатель; 2 - гибкий привод; 3 - стабилизатор оборотов; 4, 5 - шарикоподшипниковые опоры; б - тормозное устройство; 7 - вибропреобразователь; 8 - виброизмеритель; 9 - анализатор спектра; 10 - выпрямитель; II - самописец; 12, ІЗ - исследуемые зубчатые колеса; 14 - направляющие; 15 - основание.
В качестве вибропреобразователя использовался вибропреобразователь индуктивного типа КД-22, обладающий высокой чувствительностью и работающий в диапазоне частот от 10 Гц до 15 кГц. Приводной электродвигатель I и опоры 4, 5 устанавливаются на разных основаниях с целью разделения вибрации электродвигателя и вибрации зубчатых колес. Вращение исследуемой зубчатой передачи осуществляется через гибкий привод 2. Для устранения влияния неравномерности вращения электродвигателя на работу зубчатой передачи на вал шарикоподшипниковой опоры 4 шестерни 7 установлен стабилизатор оборотов 3. Опора 4 жестко закреплена на основании 9 и представляет собой два прецизионных шарикоподшипника, установленных в общем корпусе, закрытом крышками. Опора 5 .: колеса 8 аналогичной конструкции установлена на направляющих 10, что позволяет перемещать ее с целью использования установки для исследования зубчатых передач с разным межосевым расстоянием. В качестве нагружающего устройства 6 использовался электромагнитный тормоз с установленной на нем откалиброванной шкалой, позволяющей устанавливать заданную величину тормозного момента. Измерение вибрации вращающихся зубчатых колес производилось на корпусах соответствующих опор 4, 5. Для выделения вибрации только зубчатых колес измерялась отдельно вибрация опор и полученный спектр сравнивался с первым спектром для определения составляющих вибрации, вызванных макро- и микрогеометрией рабочих поверхностей трения зубчатых колес.
