Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, Russian Federation
Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, Russian Federation
UDK 629.1.07 (Параметры и характеристики транспортных средств)
The transmission of a car is considered as a diagnostic object in this article. Significant diagnostic signs for the designated purposes are indirect (acoustic, vibrational, thermal, etc.). From the practice of operation, it is known that the vibrations that occur during the operation of a technically serviceable node, transmission unit, differ from the vibrations that occur during the operation of a failed node, as well as from a node that is in a pre-failure state. It is obvious that as the resource is exhausted, the spectral composition of the vibrations transmitted by the transmission units to the external environment changes. Consequently, by changing the spectral composition of vibrations, we have the opportunity to track the change in the technical condition of the mechanical unit from its serviceable condition up to its failure (node failure). Hardware, this can be done using built-in vehicle design, or external, specially installed vibration sensors.
VIBRATION DIAGNOSTICS, MAINTENANCE, SPECTRAL CHARACTERISTICS OF VIBRATIONS, VIBRATION MEASURING COMPLEX, REPAIR
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Трансмиссия автотранспортных средств является важным элементом их конструкции, передающим крутящий момент от двигателя к движителю. Она должна надёжно обеспечиваться при всех эксплуатационных режимах. Причём не рекомендуется выводить их силовое нагружение за штатные пределы ввиду опасности чрезмерного возрастания скорости процессов изнашивания их деталей. Следовательно, в ходе функционирования преимущественные нагрузочные режимы, преимущественно, должны быть в пределах их номинальных пределов.
Согласно многочисленным исследованиям в области машиноведения, проведенным отечественными и зарубежными учёными, известно, что каждая разборка – сборка механического сопряжённого узла, впоследствии, отнимает до 20 % его ресурса [1]. Это обусловлено тем, что деталям требуется определенное время для новой приработки, а она сопровождается ускоренным износом сопрягающихся поверхностей. Это ведет к сокращению ресурса подвижного сопряженного соединения. Очевидным решением представляется определение технического состояния элемента конструкции транспортного средства без его разборки. На основании полученных диагностических данных принимать решение о дальнейших воздействиях на узел.
Возможно также отслеживание и диагностирование наступления отказа и осуществление прогнозирования вероятного момента отказа, характера отказа. [2-6] Поэтому появляется возможность своевременно принять необходимые технические меры по его предотвращению или минимизации его последствий. Таким образом на основе результатов вибродиагностики, проводимых в отношении агрегатов трансмиссии, реализуемой при помощи установленного на автомобиль контрольно – измерительного компьютерного комплекса, технологические воздействия на агрегат назначаются лишь в случае выявления высокой вероятности наступления отказа. Датчики устанавливаются на определенных контрольных точках [7-12]. Схема их расположения показана на рис.1.
|
а) |
|
б) |
|
в) |
|
г) |
|
г) |
|
д) |
|
з) |
|
е) |
|
ж) |
|
и) |
а - тип схемы: полноприводный, осевая формула: 12 –34, колесная формула: 4x4, управляемые колеса: 1,2; б - тип схемы: заднеприводный, осевая формула: 00 – 34, колесная формула: 4x2, управляемые колеса: 1,2; в - тип схемы: классический, осевая формула: 00-34, колесная формула: 4x2, управляемые колеса: 1,2; г - тип схемы: переднеприводный, осевая формула: 12 – 00, колесная формула: 4x2, управляемые колеса: 1,2; д - тип схемы: полноприводный, осевая формула: 12 – 34, колесная формула: 4x4, управляемые колеса: 1,2; е - тип схемы: классический, осевая формула: 00 – 34 – 56, колесная формула: 6x4, управляемые колеса: 1,2; ж - тип схемы: полноприводный, осевая формула: 12 – 34 – 56, колесная формула: 6x6, управляемые колеса: 1,2; з- тип схемы: полноприводный, осевая формула: 12 – 34 – 56, колесная формула: 6x6, управляемые колеса: 1,2; и - тип схемы: полноприводный, осевая формула: 12 – 34 – 56 – 78, колесная формула: 8x8, управляемые колеса: 1,2,3,4.
Рисунок 1 – Точки расположения датчиков на агрегатах
трансмиссии транспортных средств
Опираясь на полученные в ходе измерения данных, мы получаем возможность определить, какие именно виды операций по ремонту действительно необходимы в данный момент вне зависимости от того, настал ли срок очередного ТО или текущего ремонта. Предлагаемая система технического обслуживания и диагностики, (по фактическому состоянию), позволит рациональнее организовать производственный процесс на предприятиях автомобильного транспорта и сервиса, грамотнее эксплуатировать автотранспортную технику, кроме того продлить срок службы агрегатов силовой передачи и всего автомобиля в целом [13-18]. В статье так же предлагается схема точек установки вибродатчиков на агрегаты трансмиссии в зависимости от колёсной формулы транспортного средства. Вибрационная эмиссия в данных местах является наиболее значимой. Исходя из этого, данные точки следует признать наиболее информативными в плане диагностики. Сами мероприятия наиболее рационально проводить в ходе заездов по специальному тестовому участку со специально подготовленной опорной поверхностью. На исследуемые автомобили следует предварительно установить виброизмерительный комплекс, регистрирующий характеристики вибраций агрегатов трансмиссии и посредством встроенного специального программного обеспечения осуществлять их спектральный анализ, а так же их визуализацию на дисплее. По внешнему виду графиков огибающей спектра зарегистрированного вибрационного сигнала техник – диагност, обладающий должной квалификацией, осуществляет постановку текущего диагноза. На его основе принимается решение о дальнейшем направлении исследуемого транспортного средства на ТО трансмиссии или даже в ремонт. Это представляется возможным ввиду того, что вид и форма спектрограммы свидетельствует об отсутствии того или иного эксплуатационного дефекта, или его наличии и степени его развития. Также на основе вида и форм спектрограмм возможно с определённой степенью достоверности осуществить прогнозирование остаточного ресурса агрегатов трансмиссии испытуемых транспортных средств.
2 Материалы и методы
В описываемом в данной статье исследовании предлагается проводить диагностирование текущего технического состояния в ходе движения изучаемого транспортного средства по некому тестовому участку дороги, подготовленному специально для проведения подобных натурных замеров. Микропрофиль данного дорожного отрезка подобран и выполнен таким образом, чтобы в зависимости от изменения скоростного режима движения изменялись параметры вибросигнала, регистрируемого датчиками измерительного комплекса, специально предварительно установленного на испытуемый автомобиль [6]. Контрольные точки выбираются в местах наибольшей вибрационной активности, их число будет различаться в зависимости от схемы силовой передачи транспортных средств (рис. 1). Общая принципиальная схема комплекса представлена на (рис. 2). Внешний вид основных элементов контрольно – измерительного комплекса представлен на (рис. 3). Установка его на автомобиль, обеспечит реализацию вибродиагностики технического состояния агрегатов и узлов силовой передачи транспортных средств при тестовых заездах по специальному участку. Это позволит в рамках предрейсового или послерейсового экспресс – диагностирования выявить автомобили, агрегаты трансмиссии которых с высокой долей вероятности находятся в предотказном состоянии. Следовательно, применение данного комплекса, как элемента методики экспресс – диагностирования будет способствовать внедрение системы ремонта по их текущему техническому состоянию [4, 5].
Д. №2 |
Д. №3 |
Д. №4 |
|
Согласующее устройство и авто калибровка системы диагностики |
|
Блок кодировки и модуляции системы диагностики |
|
Опросчик блоков датчиков системы диагностики |
Универсальный декодер |
|
Накопитель баз данных |
|
Блок принятия решения |
|
Интерфейс вывода информации |
|
Блок исполнительных механизмов |
|
Блок обработки информации |
|
Система калибровки датчиков |
Д. №1 |
Д.1 – Д.4 – пьезоэлектрические датчики вибрации
Рисунок 2 – Общая схема контрольно – измерительный комплекса
и блок отображения информации
а) б) в)
а – анализатор сигналов со встроенным аналого-цифровым преобразователем; б – индуктивный датчик оборотов и датчики виброускорений; в – датчики виброускорений.
Рисунок 3 – Внешний вид основных элементов контрольно – измерительного комплекса
Методика проведения экспресс – диагностирования при заезде по тестовому дорожному участку следующая:
- На тестовый дорожный участок помещается изучаемое транспортное средство, параметры технического состояния которого заранее неизвестны;
- На исследуемый автомобиль, (его коробку передач или другие агрегаты трансмиссии) монтируются вибродатчики, подсоединенные к измерительному комплексу;
- Двигатель автомобиля запускается, и он приводится в движение;
- Производится нагружение агрегатов трансмиссии и других элементов и систем автомобиля от дороги в ходе осуществляемого заезда;
- При помощи установленного на автомобиль измерительного комплекса осуществляется измерение вибраций элементов трансмиссии, свойственных для движения по данному отрезку тестового участка;
- Изменение возмущающих воздействий от дороги производится посредством подбора скорости движения транспортного средства по отрезкам с различным микропрофилем;
- Проводится сохранение вибрационных характеристик, зарегистрированных при движении автомобиля по тесовому диагностическому участку;
- Сохраняются спектры вибросигнала на всех интересующих диапазонах. На их основе, проводится классификация исследуемых дефектов по вибрационным характеристикам, (определяются характерные частоты и амплитуды);
- Формируются исходные данные для последующей обработки их посредством нейросетевых алгоритмов;
- На вход нейронных сетей поступают спектры значений среднеквадратичных отклонений амплитуд зарегистрированного вибрационного сигнала. На выходе получают значение вероятностей наличия в изучаемых агрегатах трансмиссии исследуемого автомобиля различных дефектов и повреждений;
- Вычисляется погрешность оценки нейронной сетью наличия дефекта или повреждения;
- Делается вывод о текущем техническом состоянии агрегатов трансмиссии изучаемого транспортного средства и заключение о возможности его назначения на дальнейшее выполнение транспортной работы;
При реализации приведённой последовательности действий проводим отработку методики экспресс – вибродиагностики агрегатов трансмиссии (в частности, коробок передач).
В ходе проведения диагностических аппаратных измерений механические колебания проходят следующие преобразования: датчик вибраций воспринимает их и, в силу своей конструкции, преобразует механические колебания в электромагнитные, соответствующей силы и напряжения. Происходит формирование сигнала S(t). Сформированный сигнал затем проходит автоматическую калибровку, отсекаются комплексные составляющие, во избежание чрезмерной погрешности проводимых измерений. Затем, посредством программного обеспечения комплекса, осуществляется качественная оценка измеряемого параметра q(t) с его последующей амплитудной и частотной модуляцией в блоке модуляции. После этого формируется частотно модулированный сигнала u(t), который, впоследствии, суммируются. В результате этой операции в программнно – аппаратном комплексе получается обобщенный сигнал U(t). Сформированные суммарные сигналы коммутируются опросчиком. Данный сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь. В нём происходит временное разделение сигнала с последующей демодуляцией частоты несущего и поднесущего вибросигнала. В таком представлении он сигнал поступает для дальнейшей математико-логической обработки, в ходе которой вычисляются множество прямых и косвенных показателей. На дисплей компьютера выводится графики спектра огибающей вибрационного сигнала, соответствующего текущему техническому состоянию узлов трансмиссии испытуемого транспортного средства. В зависимости от его внешнего вида принимается решение о дальнейшей эксплуатации автотранспортной техники.
3 Результаты исследований
В качестве подтверждения данной концепции экспресс - диагностики были проведены экспериментальные ходовые исследования на тестовом участке в ходе которых проводились измерения уровня вибраций агрегатов трансмиссии транспортно – технологических машин «Ункор» и «Кержак» (рис. 4) производства ООО Завод транспортных машин» (г. Нижний Новгород) с различными значениями пробега. Использовался программно – аппаратный комплекс, блок – схема которого приведена на (рис. 2).
а) б)
а – ТТС 30071 «Кержак», б – ТТС 39101 «Ункор»
Рисунок 4 – Исследуемые транспортно – технологические средства
Зарегистрированные вибрационные сигналы были программно обработаны контрольно – измерительным комплексом. В результате получены графики зависимости огибающей спектра вибраций от частот (рис.5).
|
L 100
80
60
40
20
0 |
|
2000 4000 6000 8000 f |
|
L 100
80
60
40
20
0 |
|
2000 4000 6000 8000 f |
|
а) |
|
б) |
|
L
100
80
60
40
20
0 |
|
2000 4000 6000 8000 f |
|
L
100
80
60
40
20
0 |
|
2000 4000 6000 8000 f |
|
г) |
|
в) |
а - новое ТТС «Кержак», без эксплуатационного пробега; б - ТТС «Кержак» с пробегом 3000 км.; в - ТТС «Кержак» с пробегом 9000 км.; г – ТТС «Кержак» с пробегом 30000 км.
Рисунок 5 – Графики огибающих спектра вибраций, зарегистрированных на корпусах коробок передач исследуемого транспортного средства ТТС 30071 «Кержак»
4 Обсуждение и заключение
В результате сравнительного анализа графиков огибающих спектров, пример которых приведён на (рис. 5) был сделан вывод, что уровни вибраций, зарегистрированные в ходе измерений, проведённых в ходе заездов по тестовому дорожному участку, на всех полученных графиках спектров удовлетворяют требованиям нормативной документации. Это свидетельствует о малой вибронагруженности испытуемых коробок передач, вне зависимости от срока их службы. Эксплуатация транспортно – технологических машин «Кержак» и «Ункор» и их модификаций, на которые устанавливаются данные агрегаты трансмиссии свидетельствует о том, что они отличаются малой виброактивностью, общей надежности. На основе анализа результатов проведённых заездов можно сделать следующий вывод: методы неразрушающего контроля, к которым относятся и вибродиагностические, с приемлемой точностью отражающие текущее техническое состояние агрегатов трансмиссии. В качестве обобщённого вывода следует отметить адекватность предложенной концепции вибродиагностики агрегатов трансмиссии практике эксплуатации большинства типов транспортных средств.
Таким образом, можно сделать заключение о том, что вибродиагностика позволяет перейти от плановой системы технического обслуживания к техническому обслуживанию по текущему состоянию при которой технологическое вмешательство в агрегат производится при возникновении необходимости, а не по некому неотступно соблюдаемому плану [19-21].
1. Kuznetsov, E.S. Technical operation of cars: a textbook for universities / E.S. Kuznetsov, V.P. Voronov, A.P. Boldin [and others]. under general ed. E.S. Kuznetsova. - 3rd ed., revised. and additional - M: Transport, 1991. - 413 p.
2. Airapetov, E.L. Algorithms for vibroacoustic diagnostics of degradation processes in gear mechanisms / E.L. Airapetov, F.Ya. Balitsky, M.A. Ivanova and others // Materials of the 10th All-Union. acoustic conf. / IMASH AS USSR. - M., 1983. S. 34 - 37.
3. Airapetov, E.L. Vibration diagnostics of incipient defects in gear mechanisms / E.L. Airapetov, F.Ya. Balitsky, M.A. Ivanova and others // Abstracts. report 5th All-Union technical meeting diag. - Suzdal, 1982. - pp. 11-13.
4. Airapetov, E.L. Vibroacoustic diagnostics of chipping and jamming of gear wheels at an early stage / E.L. Airapetov, A.G. Sokolova, E.I. Khomyakov // Accuracy and reliability of mechan-ical systems. Stochastic localization of innateness / Rizhsk. state univ. - Riga, 1983. - P. 68 - 76.
5. Aleksandrov, A.A. Vibration and vibration diagnostics of ship electrical equipment / A.A. Alexandrov, A.V. Barkov, N.A. Barkova and others - L.: Shipbuilding, 1986. - 321 p.
6. Apasov, A. M. Devices for receiving acoustic emission signals / Factory laboratory. Diag-nostics of materials. 1998. - No. 10. - P. 35-38.
7. Asriyan, G. M. Possibilities for diagnosing vibration of complex dynamic systems / G. M. Asriyan // Oscillations of gear systems. - M.: Nauka, 1980. - P.70 - 74.
8. Bakursky, N.N. On the problems of non-destructive testing in the Saratov region / N.N. Bakursky / Control and diagnostics. 2000. - No. 6. - P. 10 - 12.
9. Balitsky, F. Ya. Vibroacoustic diagnostics of incipient defects / F. Ya. Balitsky, A.G. Sokolova, E.I. Khomyakov et al. - M.: Mashinostroenie, 1984. - 120 p.
10. Bambalas, P. On the issue of diagnosing bearings / P. Bambalas, K.M. Ragulskis, M. Rondomanskas // Physical methods for studying noise generation and acoustic diagnostics in me-chanical engineering: Proc. report acoustic family / Kuibyshev. Polytechnic int. - Kuibyshev, 1978. - P. 13-14.
11. Barkov, A.V. Diagnosis and prediction of the condition of rolling bearings using a vibra-tion signal / Shipbuilding. 1985. - No. 3. - pp. 21-23.
12. Barkova, N.A. Current state of vibroacoustic diagnostics of machines / N.A. Barkova. - St. Petersburg: SPbVMA Publishing House, 2002. - 260 p.
13. Vibrations in technology: reference book / V.S. Avduevsky, I.I. Artobolevsky [and oth-ers]; edited by M.D. Genkina. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - T5. - 496 p.
14. Vibrations in technology: reference book / V.S. Avduevsky, I.I. Artobolevsky [and oth-ers]; edited by K.V. Frolova. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - T6. - 456 p.
15. Vibrations in technology: reference book / V.S. Avduevsky, I.I. Artobolevsky [and oth-ers]; edited by F.M. Dimentberga, K.S. Kolesnikova. - M.: Mechanical Engineering, 1981. T3. - 544 p.
16. GOST 18322 - 78 System of technical maintenance and repair of equipment. Terms and Definitions. - M.: Standards Publishing House, 1991, 15 p.
17. Genkin, M.D. Vibroacoustic diagnostics of machines and mechanisms / M.D. Genkin, A.G. Sokolova. - M.: Mashinostroenie, 1987. - 228 p.
18. Sokolov, O.V. On the methodology for studying the operating modes of transmission gears and bearings under operating conditions / O.V. Sokolov, Yu.G. Stefanovich // Proceedings of NAMI. - 1972. - No. 8. - P.55-66.
19. Timoshenko, S.P. Fluctuations in engineering / S.P. Tymoshenko; lane from English - M.: Nauka, 1967. - 444 p.
20. Trukhanov, V.M. Transmissions of tracked and wheeled vehicles / V.M. Trukhanov, V.F. Zubkov et al. - M.: Mashinostroenie, 2001. - 736 p.
21. Turevsky, I.S. Maintenance and current repair of vehicles. Part 1: textbook. allowance /I.S. Turevsky. - M.: INFRA-M, 2005. - 432 p.
