Masurarea Vibropercutiilor In Angrenaje

Pentru studiul vibropercuțiilor la nivel de sursă sau efect direct, angrenajul de cercetat se plasează pe un stand cu caracteristici ridicate de silențiozitate, care permite analiza sistematică și unitară a erorilor cinematice și dinamice în condiții cvasistatice și dinamice de funcționare, conservându-se baza de măsurare.

Vibrațiile datorate unor defecte în angrenaje pot fi detectate, practic, pe orice direcție de măsurare (orizontală, verticală, sau axială).

Studiul experimental al vibropercuțiilor din angrenajele cilindrice se poate efectua pe standul prezentat în figura 4.1.

Fig.4.1. Stand experimental

Pe acest stand se pot testa angrenaje a căror distanță dintre axe este cuprinsă între 70mm și 135mm. Distanța dintre axe poate fi reglată, în limitele câmpului de toleranță, cu o precizie de 0,01mm, cu ajutorul șuruburilor micrometrice (4). (detaliul din figura 4.2.).

Fig.4.2.Șurub micrometric

Prin folosirea unor sănii mobile (3), este posibilă mărirea gamei de distanțe dintre axe peste cota de 135mm, până la 250 mm, prin deplasarea acestora pe ghidajul batiului. Montarea roților dințate pe săniile mobile s-a realizat printr-o cuplă cinematică C4 care permite, atât o deplasare axială, cât și o înclinare a axei roții dințate în plan vertical. Dispozitivul permite posibilitatea de a modifica jocul la fund dintre dinții aflați în angrenare, cât și o anumită abatere controlată de la paralelism în plan vertical a axelor roților dințate (fig.4.3.).

Fig.4.3.Cupla cinematică C4

Menținerea în contact a dinților roților dințate și implicit a distanței dorite dintre axe, se realizează printr-un arc de tracțiune (5), iar păstrarea unghiului de înclinare a axei se obține prin blocarea cuplei cinematice. Reglarea și controlul acestor mărimi se face cu ajutorul șuruburilor micrometrice (4), respectiv cu al comparatorului (9).

Testele se fac pentru o gamă de turație 0÷1500 rot/min. Motorul de antrenare este un motor de curent cotinuu (1), reglarea turației putându-se realiza prin intermediul unui variator de turații (2). Măsurarea turației se face utilizând un stroboscop cu două căi (6), cu ajutorul lămpii stroboscopice (7), fie cu un traductor inductiv (8).

Prin deplasarea celor două sănii mobile pe ghidaj, pinionul montat pe axul motor printr-un cuplaj elastic (care atenuează șocurile și vibrațiile mecanismului de antrenare), poate angrena, pe rând, cu fiecare dintre roțile dințate montate pe cele două sănii mobile sau simultan. Roțile dințate conduse pot avea același număr de dinți cu al pinionului, sau diferit realizându-se un raport de transmitere i12≠1.

Standul permite testarea în regim dinamic a unor roți dințate cu modificări de profil (de tip flancare de cap și de picior), cu abateri sistematice ale pasului de bază, sau cu anumite defecte impuse. (fig.4.4.)

a). dinți gripați b). dinți rupți

Fig.4.4.Roți cu defecte

Studiul influenței excentricității asupra vibrațiilor din angrenaj se realizează prin impunerea unor anumite valori ale excentricității cu ajutorul unei bucșe excentrice cu opt poziții distincte (fig.4.5.).

Fig.4.5.Bucșa excentrică

Standul permite testarea unei game largi de roți dințate cu defecte impuse precum și analiza unor soluții de atenuare a vibrațiilor.

Semnalul de vibrație conține multe informații referitoare la starea de funcționare a angrenajelor cu roți dințate.

4.2. Tehnici de măsurare

Analizând global sistemele de instrumente pentru măsurarea vibrațiilor, se observă că acestea pot fi grupate în trei clase mari :

Clasa 3: integrator de vibrații ce indică nivelul “bandă largă” al vibrației într-o singură bandă de frecvență. Metoda care utilizează aceste sisteme de instrumente pentru măsurarea vibrațiilor este larg răspândită deoarece, cele mai multe standarde, se referă la acest tip de vibrație (bandă largă). Este însă limitată deoarece nu permite efectuarea unei diagnoze a vibrațiilor (fig. 4.6.)

Fig.4.6. Nivelul vibrației

Clasa 2: folosește două nivele de instrumentație. În prima fază, aparatele din clasa 3 sunt folosite până când indică o depășire a nivelelor maxime standardizate, sau o modificare drastică a nivelelor anterior măsurate. În acest moment, intră în acțiune un analizor de vibrație cu care se analizează spectrul de vibrație măsurat. Acest spectru este comparat cu cel de referință, măsurat când mașina era în stare bună. Se observă însă că această procedură oferă numai două curbe, pe curba de evoluție, ceea ce este prea puțin pentru a putea realiza o predicție corectă și precisă.

Clasa 1: cuprinde aparatura pentru efectuarea unei analize complete de fiecare dată. Astfel, se pot obține toate informațiile despre starea mașinii, împreună cu cea mai precisă predicție. Această clasă include și sisteme fixe de urmărire continuă a nivelului de vibrație.

Toate aceste aparate sunt folosite la măsurarea periodică a nivelului de vibrație. Pe lângă acestea, mai există sisteme fixe de urmărire continuă a nivelului de vibrație. Aceste sisteme folosesc traductoare fixe montate pe utilaj,

monitoare de panou și de obicei, sunt controlate de un computer central, care realizează gestionarea datelor, diagnoza, predicția și alarmarea.

4.3. Sistemul de achiziție al datelor

O modalitate din ce în ce mai răspândită astăzi pentru măsurare, testare și control industrial, constă în utilizarea unui calculator personal cu extensii de magistrală corespunzătoare. Obținerea unor rezultate corecte cu ajutorul unui sistem de achiziție a datelor dotat cu calculator personal depinde de fiecare element al sistemului. Un astfel de sistem, prezentat în figura 4.7, este compus din: calculator personal, traductoare, circuite de condiționare a semnalelor, hardware de achiziție a datelor și software specializat.

Fig.4.7. Sistem de achiziție al datelor

Fig. 4.7. Traductoare de vibrații

În principiu, determinarea vibrațiilor presupune măsurarea unuia dintre cei trei parametri caracteristici: amplitudinea, viteza sau accelerația mișcării corpului care vibrează. Cunoscând unul dintre acești parametri se pot deduce ceilalți doi prin operații de derivare sau integrare. Deoarece din punct de vedere al procesării semnalului, integrarea este mai avantajoasă decât derivarea, în tehnică se preferă măsurarea accelerației. Un alt avantaj îl constituie faptul că traductoarele de accelerație sau accelerometrele nu necesită un sistem de referință.

4.3.1. Traductoare de vibrații

Una dintre cele mai răspândite soluții constructive pentru accelerometre, are la bază fenomenul piezoelectric, care constă în proprietatea unor cristale fără centru de simetrie de a genera sarcini electrice pe fețele acestora, când sunt supuse la solicitări de întindere sau compresiune. Cantitatea de sarcină electrică Q este proporțională cu mărimea forței F ce produce deformația.

În cadrul experimentărilor se folosesc traductoare piezoelectrice de compresie. Un astfel de traductor este arătat în figura 4.8.

Fig. 4.8. Traductor piezoelectric

Elementele active ale accelerometrului sunt cristale piezoelectrice. Acestea acționează ca niște arcuri ce fac legătura între baza accelerometrului și masele seismice, prin intermediul piesei centrale prismatice. Când accelerometrul vibrează, asupra fiecărui elemente piezoelectric acționează o forță egală cu produsul dintre accelerația masei seismice și masa ei. Masele seismice fiind constante, rezultă că sarcina electrică produsă este proporțională cu accelerația maselor seismice. Cum acestea au aceeași accelerație (amplitudine și fază) ca și baza accelerometrului, într-un domeniu foarte larg de frecvențe, semnalul de ieșire al accelerometrului este proporțional cu accelerația bazei și deci cu accelerația suprafeței pe care este montat accelerometrul.

Traductorul KD42 utilizat are o sensibilitate Bqa = 140 [pC/g] care exprimă legătura dintre accelerația măsurată și semnalul electric generat.

O altă caracteristică importantă a traductorului este răspunsul în amplitudine, prezentat în figura 4.9. Se observă că domeniul de linearitate este cuprins între 1Hz ÷ 10 kHz, interval în care trebuie să se găsească și frecvențele vibrațiilor mecanice măsurate.

Fig. 4.9.Diagrama reprezentând domeniul de liniaritate a

traductorului KD42, folosit pentru măsurarea accelerațiilor

Ultima realizare în domeniul accelerometrelor o constituie tipul DeltaTron., acestea având încorporate preamplificatoare ce elimină necesitatea folosirii unor amplificatoare de sarcină separate.

4.3.2. Condiționarea semnalului

Circuitele de măsurare pentru traductoarele piezoelectrice ridică o serie de probleme începând cu cablul de conectare, care introduce o rezistență de izolație și o capacitate parazită. Un alt factor perturbator este fenomenul triboelectric, prin care se produc sarcini electrice ca urmare a frecărilor dintre izolator și metal, din cauza îndoirilor, șocurilor și vibrațiilor. Filtrarea acestor zgomote printr-un amplificator de tensiune este o soluție rigidă, deoarece etalonarea schemei se face numai pentru un cablu dat, iar modificarea unor parametri externi pot introduce erori importante.

Eliminarea acestor neajunsuri se face cu ajutorul unor amplificatoare de sarcină, mai exact convertoare de sarcină-tensiune, cu schema prezentată în figura 4.10.

Fig. 4.10. Schemă amplificator de sarcină

Cele două amplificatoare operaționale au fost ecranate pentru a reduce nivelul tensiunilor perturbatoare. Tensiunea măsurată utilizând acest circuit va fi proporțională cu accelerația.

La realizarea practică a circuitului de condiționare a semnalului din figura 4.11, trebuie avut în vedere că acesta se comportă ca și un filtru de semnal. Componentele electronice trebuie alese în așa fel încât să nu se elimine frecvențele utile, în special cele joase, corespunzătoare modurilor proprii de vibrație ale structurii mecanice testate.

Fig. 4.11. Circuit de interfață al traductorului

Relația de legătură între accelerație și tensiunea măsurată la ieșirea din circuitul de condiționare se deduce pornind de la formula schemei scrisă în domeniul operațional

(4.1)

unde U(s) este tensiunea în domeniul operațional, U(t) tensiunea în domeniul de timp, iar L este operatorul de transformare Laplace. Trecând în domeniul frecvență se obține

(4.2)

formulă în care se impune ca: | j R1C | = R1C > 2,3, pentru a satisface condiția de liniaritate a răspunsului în amplitudine al amplificării. Rezultă în final:

(4.3)

Înlocuind valorile numerice în relația (4.3) se obține formula de legătură dintre amplitudinea tensiunii măsurate și amplitudinea accelerației care o determină a256U.

4.3.3. Placa de achiziție

Înregistrarea sau memorarea semnalelor continue, provenite de la traductoare, se poate realiza numai în mod discret, la anumiți pași de timp și într-un interval de observație stabilit. Valorile discrete obținute, aproximează semnalul continuu cu o acuratețe care se exprimă prin rata de eșantionare. Transformarea semnalului continuu într-o serie de valori discrete se realizează cu ajutorul unor circuite electronice specializate numite și plăci de achiziție, care sunt de fapt convertoare analog-digitale ce se interpun între traductor și calculator.

Sistemul de achiziție al datelor realizat, se bazează pe placa de achiziție PCI-1200, produsă de firma National Instruments.

Schema bloc de funcționare a acesteia este prezentată în figura 4.12.

Fig. 4.12. Schema plăcii de achiziție

Principalele caracteristici ale acestei plăci sunt: 8 canale analoge de intrare, 24 de canale de intrare digitale, convertire analog-digitală și digital-analogă cu o precizie de 12 biți, rata de eșantionare maximă 100 kS/s, domeniul semnalelor de intrare ±5 V. Precizia de digitizare a semnalelor exprimă legătura dintre valoarea numerică naturală înregistrată de sistem, și valoarea reală corespunzătoare semnalului analog. În cazul plăcii PCI-1200, precizia de aproximare este de 12 biți, ceea ce înseamnă că domeniul semnalelor -5V +5V este divizat în 212=4096 intervale cărora li se asociază o unitate digitală întreagă. Cu alte cuvinte, o unitate digitală înregistrată corespunde unei tensiuni de 10/4096=0,00241 [V].

Scopul măsurării accelerațiilor este acela de a compara semnalele achiziționate, în vederea stabilirii defectele roților dințate. Din această cauză nu este necesară etalonarea traductoarelor, fiind suficient să cunoaștem că semnalele achiziționate sunt dependente liniar de amplitudinea și frecvența vibrațiilor mecanice.

Programul pentru prelucrarea datelor și analiza vibrațiilor în domeniul frecvențial a fost elaborat în limbajul mediului MATLAB și este integrat în “Programul pentru analiza și monitorizarea vibrațiilor”. Schema logică a acestui program este prezentată în figura 4.13, în care s-au folosit notațiile:

– f1 reprezintă fișierul de date achiziționate pentru roata etalon;

– f2 reprezintă fișierul de date achiziționate la un anumit moment din timpul desfășurării procesului.

Calculul parametrilor energie, frecvență, permite stabilirea frecvențelor cu pondere hotărâtoare din timpul desfășurării procesului, fiind făcut prin transformarea Fourier rapidă (FFT).

Fig. 4.13. Schema logică

Graficele de variație în timp a intensității semnalelor, achiziționate de la traductoarele de accelerații, au forma prezentată în figura 4.14 respectiv în figura 4.15. Prin analiza amplitudinii și a frecvenței semnalului achiziționat la un anumit moment în timpul funcționării, și compararea acestuia cu un semnal generat la începutul procesului de roata etalon, se pot trage concluzii cu privire la starea acestora în momentul achiziționării semnalului. Astfel în figura 4.14. se arată semnalul achiziționat pentru roata etalon, iar în figura 4.15 semnalul achiziționat pentru o roată dințată cu un anumit grad de uzură.

Fig.4.14 Diagramele variației intensităților în cazul roții etalon

Fig.4.15. Diagramele variației intensităților semnalelor în cazul roții uzate