1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы

Рассматриваемые в данной статье диагностические мероприятия предполагают запись вибрационных сигналов агрегатов трансмиссии, элементы конструкции которых пребывают, в исправном техническом состоянии, а также дефектном и предотказном [9,10]. Объектом экспериментальных исследований выбирается транспортно-технологическое средство ТТС 33071 «Кержак», эксплуатирующееся в условиях бездорожья, его трансмиссия, и в частности, пятиступенчатая коробка передач, изготавливаемая на ОАО «Русские моторы» ОАО «Группа «ГАЗ». Для сопоставимости результатов численных и натурных испытаний, были выбраны одинаковые параметры нагружения.

Эксперименты проводились на моторном стенде с гидравлическим нагружающим устройством (рис. 1). Он даёт возможность создавать нагрузку на изучаемую коробку передач крутящим моментом посредством двигателя внутреннего сгорания и нагружающим моментом сопротивления, соответствующим возникающему при движении реального транспортного средства по дорогам. Преимуществом такого способа является то, что режимы нагружения наиболее близки к тем, которые возможно получить при пробеговых испытаниях. При этом помехи, неизбежно возникающие при движении транспортного средства по опорному основанию, в данном случае не будут влиять на регистрируемые вибрационные сигналы. Это позволит преодолеть такой характерный недостаток косвенных методов, к которым относится и вибродиагностический, как невысокая помехоустойчивость [12]. В ходе описываемых в статье испытаний также проводилась проверка адекватности разработанной в ходе исследования математической модели. Проверяемыми показателями являлись: частота и амплитуда вибраций, их форма и вид. Самым распространенным и, одновременно, простым из существующих способов проверки адекватности модели является способ на основе подачи известного входного воздействия и регистрации реакции отклика на выходе. По их параметрам судят о функциональных характеристиках системы [18,20]. Одним из наиболее эффективных способов является подача импульсного воздействия. Оно, как правило, возбуждает в механической колебательной системе сложные затухающие колебания в определенном диапазоне частот. Длительность подаваемого импульса и ширина его спектра, как правило, бывают взаимосвязаны. Для приемлемого по достоверности выявления технического состояния объекта требуется, чтобы ширина спектра возмущающего воздействия была не менее ширины спектра собственных колебаний системы, в пределах которой, как правило, находятся все существенные частоты. Учитывая характеристики измерительного комплекса предельная частота составляла fmax=10 кГц. При этом продолжительность единичной записи реализации составит 1 с. Обработка полученного первичного информационного сигнала осуществляем в соответствии со следующей методикой.

2 Материалы и методы

1. На моторный стенд монтируется коробка передач, параметры технического состояния элементов которой находятся в нормативных пределах.
2. На исследуемую коробку передач устанавливаются вибродатчики, подсоединяемые к измерительному комплексу, включающему в себя: внешний анализатор сигналов со встроенной платой аналого-цифрового преобразования, а затем - к ноутбуку, питаемому от сети 220 В.
3. Двигатель стенда запускается, в трансмиссию поступает возмущающее воздействие (крутящий момент).
4. Производится имитация нагружения от дороги при помощи гидродинамической муфты, (тормозящего устройства).
5. Посредством присоединенного к коробке передач измерительного комплекса осуществляется измерение вибрационных характеристик. Специальное программное обеспечение комплекса осуществляет необходимую обработку сигналов.
6. Изменение крутящего момента производится путем изменения оборотов коленчатого вала двигателя, т.е. подбором цикловой подачи топлива.
7. Изменением гидравлического сопротивления в тормозящем устройстве (повышение напора подаваемой в его полость жидкости) реализуют подбор нагружающего воздействия, имитирующего нагрузку от дороги. Затем повторяют действия п.5, согласно принятой программе испытаний.
8. Проводится сохранение вибрационных характеристик работы коробки передач с заведомо технически исправным состоянием в памяти ноутбука. Должны быть сохранены спектры вибросигнала на всех ступенях в диапазонах, эквивалентных штатным. Данные спектры можно принимать в качестве опорных.
9. Агрегат демонтируется со стенда. После этого на него устанавливается коробка передач, имеющая дефект, известный заранее, (повышенный износ зубьев, скол, дефекты подшипников и др.). В случае расширенных испытаний допускается монтаж коробок передач с комбинацией различных дефектов (например, излом сепаратора подшипника совместно со сколом зуба, повышенный износ зубьев совместно с износом беговых дорожек подшипника и т.п.).
10. Повторяются действия, приведенные в пунктах 3-7.
11. Проводится сохранение вибрационных характеристик работы коробки передач с заведомо технически неисправным состоянием в памяти ноутбука. Должны быть сохранены спектры вибросигнала на всех ступенях в диапазонах, эквивалентных штатным.с заранее известными неисправностями. На их базе, впоследствии, проводится классификация исследуемых дефектов по вибрационным характеристикам, (определяются характерные частоты и амплитуды).
12. Происходит формирование исходных данных для последующей обработки их посредством нейросетевых алгоритмов.
13. В дополнительном программном модуле измерительного комплекса, (в ноутбуке), формируется нейронная сеть для ускоренного распознавания образа спектра. На её вход подаются спектры значений среднеквадратичных отклонений амплитуд вибрсигнала. На выходе получают значение вероятностей присутствия в исследуемой коробке передач различных дефектов и повреждений.
14. Делается заключение о точности оценки нейронной сетью наличия дефекта или повреждения.
15. Устанавливается на моторный стенд коробка передач с неизвестным заранее техническим состоянием.
16. Выполняются мероприятия, приведенные в пунктах 2-7.
17. Выполняются мероприятия, приведенные в пунктах.13-14.
18. Осуществляется демонтаж со стенда исследуемой коробки передач с заранее неизвестным техническим состоянием. Проводится её разборка с обязательной метрологической проверкой и дефектовкой. В ходе этого дополнительно проверятся точность диагноза, даваемого нейронной сетью.
19. При проведении данного цикла действий проводим отработку методики вибродиагностики агрегатов трансмиссии (в частности, коробок передач).

3 Результаты исследований

Изучение изменения вида спектральных характеристик в зависимости от присутствия того или иного дефекта было реализовано на агрегатах, приведенных на рис. 2. На них изучался характер изменения графиков огибающей энергетического спектра амплитуд мощности вибраций при наличии эксплуатационных дефектов, а также дефектов, обусловленных погрешностями сборки, вероятными при их изготовлении или сборке в ходе ремонта. Наиболее характерным для данных испытаний был выбран следующий режим: обороты коленчатого вала двигателя поддерживались вблизи уровня n = 2500 мин^-1 . Это обусловлено тем, что крутящий момент двигателя ЗМЗ-406, входящего в состав моторного стенда при таких оборотах: Tв=180 Н·м, что является для него максимальным. Момент нагружающего сопротивления, создаваемым гидравлическим тормозом, THf=100 Н·м.

                          а)                                                б)                                                    в)

а - коробка передач с неизвестным техническим состоянием элементов; б - коробка передач, на которую устанавливались подшипники с различным техническим состоянием; в – подменная коробка передач, на которую при испытаниях устанавливались подшипники с различным техническим состоянием

Рисунок 2 – Исследуемые коробки передач

Предварительно делались фотографии каждой группы изношенных подшипников, что было установлено предварительно метрологическими средствами и методами. Определялся вид дефекта или повреждения и степень его развития. На рис. 3 и в табл. 1 приведены их внешний вид и основные технические данные, полученные при метрологической проверке. На рис. 3, в частности, представлены: задние подшипники промежуточного и вторичного вала исследуемой коробки передач. Согласно данным, приведенным в табл. 1, можно сделать вывод о том, что исследуемые подшипники находятся в удовлетворительном работоспособном состоянии, степень изнашивания их элементов не предельная. Следует заметить, что при описываемых испытаниях, техническое состояние зубчатых колес исследуемых коробок передач было нормативным. Это необходимо для исключения их влияния.

                         а)                                             б)                                                      в)

а - 10%; б - 20%; в - 30%.

Рисунок 3 – Подшипники В6-50907АКШ; В6-50706УШ1; В6-50307А1Е с величиной износа тел качения в сравнении с нормативной

Таблица 1 - Основные геометрические характеристики исследуемых подшипников

Подшипники коробки передач, приведённой на (рис. 2,б), установленные в опорах валов, были заменены образцами, показанными на (рис. 3). После чего была проведена окончательная сборка и произведён её монтаж на моторный стенд. Затем были проведены испытания согласно изложенной выше методике и обработка полученной диагностической информации. Её, как это было указано выше, можно признать универсальной, позволяющей с некоторыми корректировками выявлять широкий ряд дефектов и повреждений коробок передач. Ниже приведены примеры графиков среднеквадратичных значений амплитуд спектра мощности вибраций исследуемых коробок передач с имеющимися известными неисправностями подшипниковых узлов. Замеры осуществлялись на 3-й передаче, использование которой при движении транспортного средства наиболее частое. Для наглядности сравнения графики спектров мощности вибросигнала, полученные в ходе стендового эксперимента приведены в наложении на аналогичные графики, полученные расчётом, в ходе вычисления в среде MathLAB эквивалентной динамической модели, составленной посредством реализации уравнения аналитической механики.

Затем на стенде было исследовано влияние отклонений от соблюдения технологии сборки рассматриваемых коробок передач, как правило, имеющих место при неграмотном ремонте. Наиболее частыми из них являются: неверное центрирование вторичного вала, из-за перекоса внутренней обоймы подшипников относительно внешней вследствие ошибочного преднатяга. Это ведет к интенсификации их износа, вызванного чрезмерной нагрузкой на их контактирующие поверхности и, как следствие, снижению их механического ресурса.