МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Бассім (Мохаммад Саід) Ахмад Тхафер

(Йорданія)

УДК 621.318

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ДАТЧИКИ СИСТЕМ
ДІАГНОСТИКИ ТРАНСМІСІЙ МАШИН

Спеціальність 05.09.01 – Електричні машини й апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені
Володимира Даля Міністерства освіти і науки
України, м.Луганськ.

Науковий керівник:

д.т.н., професор Яковенко Валерій Володимирович,

Східноукраїнський національний університет імені
Володимира Даля,

завідувач кафедри електротехніки.

Офіційні опоненти:

д.т.н., професор Лущик В’ячеслав Данилович,

Українська інженерно-педагогічна академія,

професор кафедри гірничої електромеханіки, м.Стаханов;

к.т.н., професор Есауленко Володимир Олександрович,

Донецький національний технічний університет,

пофесор кафедри електромеханіки і теоретичних основ електротехніки, м.Донецьк.

Провідна установа: Науково-дослідний,проектно-конструкторський і технологічний інститут важкого електромашинобудування Міністерства промислової політики України, м.Харків.

.

Захист відбудеться 31_____березня__________2005 р. о 14____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.02 при Донецькому національному технічному університеті за адресою: м. Донецьк, вул. Артема, 58, 8 навчальний корпус, ауд.704.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонНТУ за адресою:

м. Донецьк, вул. Артема, 58, ІІ навчальний корпус.

Автореферат розісланий ____лютого___________2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д11.052.02,

к.т.н., доцент ________А.М. Ларін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність задачі. Трансмісії є однією з основних частин машин різного призначення, від їхньої якості залежать їхні основні характеристики. До дійсного часу досягнуто певного прогресу у їхньому проектуванні і технології виготовлення і діагностики. Якщо в теорії діагностики механізмів досягнути певного прогресу, особливо в області обробки інформаційних сигналів і прийняття рішень про подальшу їхню експлуатацію, то в області теорії технічних засобів одержання інформаційних сигналів для діагностичних систем помітне відставання. Це відставання викликане, по-перше, складністю методів одержання первинних інформаційних сигналів, тому що вимагає для їхньої побудови залучення різноманітних фізичних явищ (акустичних, теплових, тензометричних, лазерних і т.п.), по-друге, необхідністю одержання таких властивостей цих засобів виміру, які б могли робити прямі, а не непрямі вимірювання й останнє, не менш важливим є вимога зручності монтажу первинних середовищ вимірювання систем діагностики в малих замкнутих об’ємах без руйнування конструкції механізмів. Одним з варіантів технічного рішення цієї проблеми є створення первинних вимірювальних перетворювачів з підвищеною інформативністю сигналів на базі електромагнітних датчиків швидкості обертання (ДШО).

Електромагнітні датчики, що на відміну від фотоелектричних, а також датчиків, заснованих на інших фізичних ефектах, мають такі привабливі особливості, як можливість експлуатації в умовах забрудненого й агресивного середовища, високу експлуатаційну й інформаційну надійність. Монтаж електромагнітних ДШО не вимагає значних конструктивних змін у контрольованому об'єкті, тому що основною частиною ДШО є сам обертовий вал, шестірня або зубчасте колесо, що виконують трансмісійні функції.

Унаслідок того, що в електромагнітну систему ДШО входять деталі контрольованого об'єкта (вали, шестірні, зубчасті колеса), що мають різноманітні конструктивні рішення і геометричні розміри, неможливо створити високоефективний універсальний ДШО для всіх існуючих об'єктів. Ефективність ДШО, що визначається його метрологічними й експлуатаційними характеристиками, буде тим вище, чим більше погодиться друга частина магнітної системи ДШО із параметрами обертових деталей. У цю другу частину магнітної системи, яка по суті і є ДШО, входить постійний магніт, магніточутливий елемент і деталі кріплення, що одночасно можуть служити магнітопроводом. Досягти узгодження можна за допомогою розробки загальних принципів побудови магнітних систем ДШО і створення їхніх математичних моделей, на основі яких можливе проведення оптимізації геометричних параметрів магнітних систем ДШО.

Актуальність дисертаційної роботи полягає в тому, що удосконалювання електромагнітних ДШО дозволяє створити діагностичні системи трансмісій з високою інформативною надійністю, які придатні в експлуатації у виробничих і польових умовах, що необхідно як у період дослідницьких іспитів машин, так і в період їхньої експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами:

Дисертаційна робота відповідає одному з основних напрямків наукових досліджень лабораторії технічної електродинаміки електротехнічного факультету Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Робота є частиною наукових досліджень, які відбувалися у 1998 –2002 р.

Мета і задачі дослідження. Метою дійсного дисертаційного дослідження є підвищення ефективності електромагнітних датчиків діагностики трансмісій машин на основі розробки методів їхнього розрахунку й оптимізації.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· на основі аналізу сучасних методів діагностики трансмісій машин показати шляхи їхнього удосконалювання шляхом використання нових магнітних перетворювачів підвищеної інформативності на базі ДШО;

· провести теоретичні й експериментальні дослідження електромагнітних систем датчиків, необхідні для розробки методики їхнього аналізу й оптимізації параметрів за критерієм максимальної інформативності;

· одержати спрощені залежності функції перетворення магнітних систем ДШО, що враховують параметри, які істотно впливають на утворення інформаційного сигналу, що дають можливість розробити інженерний розрахунок систем відбору інформації;

· експериментально підтвердити коректність теоретичних досліджень, визначити шляхи технічної реалізації систем діагностики ЗП підвищеної ефективності.

Об'єкт досліджень – Електромагнітні датчики систем діагностики машин.

Предмет дослідження – магнітне поле в електромагнітних системах датчиків.

Методи проведення досліджень включають:

· методи математичного моделювання магнітних полів у кусочно – неоднорідних магнітних середовищах, що використовувалися для одержання функції перетворення електромагнітних систем перетворювачів;

· методи обробки чисельних експериментів, що дозволили одержати спрощені залежності функцій перетворення вимірювальних перетворювачів необхідні для інженерних розрахунків;

· методи експериментальних досліджень на базі сучасної магнітометричної апаратури, що необхідні для підтвердження коректності результатів теоретичних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше встановлено, що магнітні вимірювальні перетворювачі на базі ДШО дозволяють одночасно з виміром кутової швидкості обертання ЗК вимірювати з більшою точністю кінематичну погрішність колісних пар, а також одержувати інформацію про цілісність зубів, биттях і вібрації ЗК, що в кінцевому рахунку підвищує інформаційні можливості систем діагностики ЗП.

2. Розроблено метод розрахунку магнітних полів у магнітних системах первинних вимірювальних перетворювачів, заснований на рішенні рівнянь Фредгольма I-го роду, що дозволяє визначити їх функції перетворення і зробити оптимізацію параметрів за критерієм мінімального об’єму постійних магнітів.

3. Запропоновано метод визначення цілісності зубів шестірні і наявність у них дефектів шляхом порівняння спектрів сигналів вимірювальних перетворювачів зі спектрами ідеальної шестірні, що дозволяє виділити дефекти в період їхнього розвитку.

4. Розроблено методику експериментального дослідження вузлів системи діагностики ЗК і гладких валів, що ґрунтується на магнітних первинних вимірювальних перетворювачах. Це дає можливість визначити коректність результатів теоретичних досліджень і одержати дані для технічної реалізації систем діагностики ЗП.

Практичне значення отриманих результатів. У дисертації розроблений макет системи для діагностування трансмісій великих транспортних машин, в основу роботи якого покладені нові математичні моделі і методи для визначення функції перетворення первинних вимірювальних перетворювачів, що дало можливість підвищити вірогідність діагностики. Отримані теоретичні результати можуть застосовуватися також при розробці систем діагностики трансмісій інших механізмів і машин.

Результати дисертаційних досліджень у виді програмного забезпечення для обробки інформаційних процесів і методів розрахунку магнітних вимірювальних перетворювачів використані в лабораторії "Технічна електродинаміка" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля для розробки систем діагностики перших українських трамваїв.

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати дисертації отримані здобувачем особисто. Автором поставлена задача наукових досліджень і сформульована задача розрахункових моделей полів, заснована на рішенні рівнянь Фредгольма I-го роду. Запропоновано методику чисельної реалізації математичної моделі. Проведені і проаналізовані чисельні експерименти, запропонований метод оптимізації магнітних систем електромагнітних датчиків. Розроблено методику експерименту і підібрана магнітометрична апаратура експериментальної установки.

Апробація роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнароднії науково – технічній конференції "Інформаційна техніка й електромеханіка на порозі XXI сторіччя" (ІТЕМ – 2001) м. Луганськ, 2001р.; на міжнародній науково – технічній конференції "Сучасні проблеми використання низькочастотних коливань у технологічних цілях" м. Луганськ; на міжнароднії науково – технічній конференції "Інформаційна техніка й електромеханіка" м. Луганськ, 2003 р.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в шести наукових працях, у тому числі 6 із них опубліковані у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку списку літератури з 89 найменувань. Повний зміст роботи викладений на 158 сторінках машинописного тексту, у тому числі 116 сторінок основного тексту, 8 сторінок літератури, 62 повних сторінок з малюнками і таблицями (72 рисунки і 21 таблиця).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтована актуальність теми дослідження, сформульовані об'єкт і предмет дослідження, мета і наукова задача дисертації, показані зв'язок роботи з науковими темами і програмами, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, визначений особистий внесок автора в друкованих працях зі співавторами, приведені дані про апробації, публікації і впровадження основних результатів роботи, її структура й обсяг.

У першому розділі приведений огляд літературних джерел по питанню діагностики механізмів машин, зокрема їхніх трансмісій. Розглянуто методи діагностики, засновані на різних фізичних принципах: акустичну, термічну і електромагнітну. Установлено, що електромагнітні системи діагностики механізмів і машин мають перевагу перед іншими видами в тому, що прямим шляхом виміряється швидкість обертання зубчастих передач і валів, коливання деталей, зсув у просторі. Електромагнітні датчики первинної інформації мають малі габарити, теплову і часову стабільність, легко контролюються у важкодоступних місцях механізмів. Найбільш перспективними електромагнітними датчиками є датчики, що мають магнітні системи у виді постійного магніту й індукційного вимірника магнітного поля, у якості якого використовується ферозонд. Електромагнітні датчики поділяються на два види: датчики з нерухомими і датчики з обертовими постійними магнітами.

Обговорено методи аналізу магнітних систем з постійними магнітами, що ґрунтуються на розрахунку магнітних полів у робочій області систем. Оскільки область розрахунку полів є відкритою, то перевага віддається методові інтегральних рівнянь. Оскільки матеріал трансмісій не насичений і його відносна магнітна проникність висока, можна вважати поверхню феромагнітних металів еквіпотенціальною, прийняти в якості основного метод граничних інтегральних рівнянь. Для застосовуваних у магнітних системах постійних магнітів вектор намагніченості по об’єму магнітів допускається вважати постійним і при розрахунку враховувати тільки поверхневу щільність магнітних зарядів. У розділі сформульовані вимоги до вихідних сигналів електромагнітних датчиків.

Другий розділ присвячений розробці математичних моделей полів у робочій області датчиків. При побудові математичних моделей приймаються наступні допущення:

· вектор намагніченості постійний в обсязі магнітів, що характерно для магнітів закритичної групи;

· магнітний матеріал зубчастих коліс не насичений, його проникність дорівнює нескінченності, а поверхня зубчастого колеса вважається еквіпотенціальною.

Як математичні моделі в робочій області магнітних систем датчиків розглядаються рівняння Фредгольма I – го і II – го роду для того, щоб зробити порівняльний аналіз їхньої ефективності, критерієм якої є машинний час розрахунку і точність обчислень.

Для лінійного ізотропного середовища інтегральне рівняння Фредгольма I – го роду має вигляд:

, (1)

де – потенціал простого шару магнітних зарядів;

– потенціал простого шару магнітних зарядів на поверхні магніту;

– поверхова щільність магнітних зарядів простого слою;

– крапка джерела і спостережень.

Оскільки рівняння (1) є сингулярним, при його чисельному рішенні застосовується метод модифікованих квадратур, суть якого зводиться до наступного. Поверхня зубчастого колеса і постійний магніт розбиваються на прямокутні елементарні площадки і передбачається, що на площадці .Тоді рівняння (1) перетворюється до системи лінійних рівнянь:

, , (2)

де – щільність простого шару магнітних зарядів на поверхні постійних магнітів; – точки спостереження і джерела.

,

– розміри елементарної прямокутної площадки.

Рівняння Фредгольма другого роду записується так:

, (3)

тут – нормальні складових векторів напруженості і намагніченості; – площа постійного магніту.

Поверхня зубчастого колеса і постійного магніту також розбивається на елементарні площадки з розмірами і рівняння (3) зводиться до системи лінійних рівнянь:

, (4)

Після розрахунку функції простого шару магнітних зарядів, індукція в точці спостереження визначається так:

,

Тут , – щільність поверхневих зарядів на поверхнях зубчастого колеса й постійних магнітів;

– вектори, проведені із точки джерела в точку спостереження;

– розмірність простору, у якому виробляється розрахунок.

Геометрична модель магнітної системи датчиків у площині на рис.1. Рівняння (2) і (4) вирішуються в циліндричній системі координат.

Рис. 1. Можливі положення ПМ і ФМЕ щодо поверхні ЗК

На підставі теореми про взаємність К.М. Поливанова, відповідно до якої магнітний потік у феромагнітному осерді дорівнює:

де – вектор напруженості магнітного поля, створюваної осердею перетворювача, на якому є котушка із числом витків W і струмом I;

– вектор намагніченості в обсязі постійного магніту й феромагнітного зубчастого колеса;

отримана формула для розрахунку величини напруженості магнітного поля в стрижневих осердях ферозонда за відомим значенням щільності магнітних зарядів на поверхнях постійних магнітів і зубчастого колеса.

(5)

де , – щільність зарядів на поверхні постійного магніту і зубчастого колеса;

, – вектори, що визначають у просторі положення позитивно і негативно заряджених площадок осердя ферозонда;

– вектор, що визначає точку джерела;

– напівдовжина осердя ферозонда.

Для розрахунку датчика з рухливими (обертовими) постійними магнітами пропонується геометрична модель, показана на рис. 2.

Рис. 2. Геометрична модель МС із рухливими ПМ (схема 1)

Напруженість магнітного поля в осердях ферозондів розраховується з використанням методу дзеркальних зображень по формулі:

, (6)

зірочкою позначені величини, що відносяться до дзеркальних зображень системи.

Запропоновано алгоритми розрахунку полів для розроблених математичних моделей, як для потокочуттевих датчиків, так і для індукційних.

У третьому розділі зроблений аналіз результатів чисельного експерименту й оптимізація параметрів магнітної системи. Розроблені математичні моделі магнітного поля дозволили виконати цикл чисельних експериментів для визначення загальних закономірностей впливу геометричних параметрів на функцію перетворення системи, під якою розуміється залежність напруженості магнітного поля в осердях ферозонда від взаємного розташування постійного магніту і зубів колеса на відстань половини ширини зуба. Аналіз закономірностей залежностей сигналів від параметрів магнітної системи дає можливість оцінити, які геометричні параметри істотно впливають на функцію перетворення магнітної системи, а які є другорядними. Чисельний експеримент також дозволив оцінити ефективність двох математичних моделей: однієї, заснованої на інтегральному рівнянні Фредгольма I – го роду, іншої – на основі рівняння Фредгольма II – го роду. Планування чисельного експерименту також дає можливість одержати спрощені залежності функції перетворення, на основі яких можна зробити оптимізацію параметрів магнітної системи і розробити методику інженерного розрахунку.

Функції перетворення магнітної системи залежать від 9 параметрів. Основними з них є:

– довжина осердя ферозонда;

– довжина і ширина активної площини постійного магніту;

– відстань між активними площинами постійного магніту;

– ширина зубчастого колеса;

– радіуси обводів виступів і западин;

– відстань від поверхні виступу зубчастого колеса до середини осердів ферозонда;

– відстань від поверхні виступу зубчастого колеса до найближчої площини постійного магніту (рис.3.):

. (7)

При розміщенні ферозондів симетрично щодо постійних магнітів можна вважати, що ; чисельні експерименти дозволили установити, що найбільший вплив на функцію перетворення роблять параметри . Залежності функції перетворення від параметрів для двох варіантів конструкції магнітної системи ПМ1 і ПМ2 (рис.1) показані на рис.3, 4,.5. (лінійні розміри приведені до модуля зубчастого колеса ). Більш слабка залежність спостерігається від параметрів . Тому при апроксимації функції перетворення магнітної системи доцільно функцію (7) представити в наступному виді:

Рис. 3. Залежність від повітряного зазору (ПМ1)

Рис. 4. Залежність від 2а (ПМ1) | Рис.5. Залежність для МС ПМ2

для варіанта ПМ1 ;

для варіанта ПМ2 ;

де – приведене значення функції перетворення;

, – коригувальні функції; – основна функція перетворення магнітної системи.

У результаті чисельних експериментів були отримані наступні спрощені залежності для варіанта ПМ1:

,

тут – функція перетворення при .

, ,

, – номінальні значення ;

, – інтервали варіювання .

;

де , ;

, – номінальні значення ;

, – інтервали варіювання .

Для варіанта ПМ2:

,

.

В усіх вищенаведених формулах для того, щоб перейти від приведеного значення до дійсного, необхідно помножити на величину .

Чисельні експерименти також дозволили визначити спрощені функції перетворення для магнітних систем датчиків з рухливими магнітами. Функція перетворення в цьому випадку залежить від відстані між поверхнею вала й активною площиною постійного магніту ; відстані між центром ферозонда і поверхнею вала ; довжини осердя ферозонда ; розмірів постійного магніту . Параметр вважався рівним .

У ході чисельних експериментів було визначено, що при розрахунку методом інтегральних рівнянь Фредгольма I – го роду, відхилення магнітного потенціалу на поверхні зубчастого колеса від постійного значення не перевищувало 10%. При збільшенні числа експериментальних площадок у 1,5 рази це відхилення зменшилося до 7%. При розрахунку магнітного поля методом рівнянь Фредгольма II – го роду, ці величини відповідно були рівні 12% і 8,5%, а час машинного розрахунку потроюється. Це вказує на те, що розглянуті магнітні системи доцільно розраховувати методом рівнянь Фредгольма
I – го роду.

Шляхом чисельних експериментів було встановлено, що знос зубів приводить до зміни функції , що не може бути виміряне датчиком, тому що величина зміни знаходиться нижче рівня погрішності. Шляхом моделювання було також установлене, що такий дефект зуба як його поломка й утворення тріщини приводить до зміни , що може бути зафіксовано магнітовимірювальною апаратурою.

Отримані спрощені залежності для функції перетворення в результаті чисельних експериментів дають можливим зробити оптимізацію параметрів магнітної системи. Критерієм оптимальності параметрів вважається мінімальний обсяг постійного магніту, при якому забезпечується необхідна величина напруженості магнітного поля в осердях ферозонда . Величина визначається чутливістю ферозонда і рівнем електромагнітних перешкод і практично вона дорівнює . У загальному виді критерій оптимальності для варіанта ПМ1 має вигляд:

,

для варіанта конструкції ПМ2:

Мінімізація функцій здійснювалася методом покоординатного спуска.

Зроблено розрахунок оптимальних параметрів деяких варіантів магнітних систем датчиків. Результат розрахунку зведений у таблицю.1.

Оптимальні параметри деяких магнітних систем Таблиця.1.

N | Варіанти МС | , А/м | , А/м

1 | ПМ1 | 1. 781 | 1. 865 | 2.13 | 0. 991 | 50 | 1.6105

2 | ПМ1 | 2. 156 | 2. 073 | 3. 834 | 0. 984 | 75 | 1.6105

3 | ПМ1 | 3. 738 | 3. 452 | 5. 082 | 0. 982 | 100 | 1.6105

4 | ПМ2 | 1. 565 | 1. 959 | 3. 784 | 0. 312 | 50 | 1.6105

5 | ПМ2 | 2. 488 | 2. 431 | 4. 252 | 0. 289 | 75 | 1.6105

6 | ПМ2 | 3. 249 | 3. 605 | 5. 184 | 0. 268 | 100 | 1.6105

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням магнітних систем і реалізації результатів роботи. Для проведення експериментів була розроблена експериментальна установка, що мала стенд, зі змонтованим на ньому електроприводом і зубчастим колесом. Електропривод складався з двигуна постійного струму з редуктором, що дозволяв змінити швидкість обертання від 0 до 300 об/хв, а також напрямок обертання. Біля поверхні зубчастого колеса знаходиться платформа, до якої кріпляться електромагнітні датчики. Відстань між платформою і поверхнею зубчастого колеса регулюється за допомогою гвинта. Магнітометричний канал датчика містить імпульсний генератор збудження, підсилювач, амплітудний детектор, підсилювач постійного струму і пристрій, що реєструє. Магнітометричний канал має негативний зворотний зв'язок, що забезпечував стабільність його параметрів і зменшував погрішність нелінійності. Попередньо ферозонди тарувалися в соленоїді, підключеному до регульованого джерела струму. У соленоїді створювалося однорідне магнітне поле, до якого поміщали ферозонд. Погрішність виміру напруженості магнітного поля оцінювалася величиною 3,1%. Експерименти полягали у визначенні від кута повороту зубчастого колеса, від величини повітряного зазору для варіантів конструкції магнітної системи ПМ1 і ПМ2; залежність від величини для варіанта ПМ1; залежність від величини для варіанта ПМ2; залежність від модуля зубчастого колеса при постійному значенні . Модуль зубчастого колеса має значення 2; 2,5; 3; 4, число зубів 60, 120.

Шляхом експериментальних досліджень установлено, що розбіжність даних, отриманих експериментальним шляхом, і результатів теоретичних розрахунків не перевищує 28%. Погрішність пояснюється неточністю визначення величини намагніченості постійних магнітів, що встановлюється з погрішністю 10-12%.

Схема обробки вихідних сигналів ферозонда при експериментах з рухливими магнітами не змінювалася. Змінам піддавалася тільки конструкція магнітної системи. Замість зубчастого колеса на валові діаметром 60 мм за допомогою обойми зміцнювалися постійні магніти. Маємо два види обойми, за допомогою яких реалізовувалися два види конструкцій магнітної системи ПМ1 і ПМ2. Експериментально визначалася залежність від параметрів . Параметр залишався незмінним для варіанта ПМ1. Експеримент показав, що у відношенні розрішаючої здатності варіанти побудови магнітної системи ПМ1 і ПМ2 рівнозначні. Порівняння експериментальних даних і даних , отриманих шляхом чисельних експериментів, дає підставу вважати, що погрішність формул для розрахунку не перевищує 21% для варіанта ПМ1 і 24% для варіанта ПМ2.

Експериментально була перевірена ефективність декількох варіантів магнітних систем, у яких були використані додаткові магнітопроводи з магнітомякого матеріалу. Було встановлено, що за рахунок додаткових магнітоприводів, погрішність інформаційного магнітного поля зростає на 50-70%, у залежності від конструкції додаткового магнітопровода, але відбувається збільшення габаритів датчиків приблизно в 2–2,4 рази. Тому, застосування додаткових магнитопроводів істотно не збільшує ефективність датчиків. Для визначення можливості використання розроблених датчиків для виміру зносу, поломки і дефектів шестірні використовувався спеціальний стенд, що містив шестірню і її привод. Шестірню у вузлі можна замінити на спеціально оброблену. Спеціальна обробка полягає в імітації зносу, поломки і викришування зубів. Шляхом зміни шестірні вироблялися експерименти для різних видів дефектів. Магнітовимірювальна апаратура була такою, як і у попередніх досвідах. Експериментально встановлено, що знос зубів фіксується датчиком, як зменшення амплітуди вихідного сигналу. Причому, у більшості випадків, сигнал від биття шестірні перевищує сигнал про знос зубів. Результати експериментальних досліджень задовільно збіглися з даними, отриманими теоретичним шляхом, відносна погрішність не перевищувала 15%.

У п'ятому розділі приведені методи формування сигналів у магнітних системах датчиків. Розроблені датчики призначені для виміру середньої, миттєвої швидкостей і прискорень обертання зубчастих коліс і гладких валів. У роботі визначені погрішності виміру перерахованих вище фізичних величин і параметри їхнього розподілу. Визначена також помилка квантування, що викликана істотно нелінійною операцією перетворення кута повороту за допомогою імпульсного перетворювача. Отримано математичні залежності, що можуть бути використані як для дослідження впливу рядів факторів на помилки відновлення безперервних значень кінематичної погрішності при використанні імпульсних перетворювачів кута повороту, так і визначення метрологічних характеристик існуючих методів і засобів контролю кінематичної погрішності. Знос активних поверхонь зубів під впливом сил тертя є головною причиною виходу з ладу трансмісій тягових приводів транспортних машин. Залежність зношування зубів від пробігу транспортної машини (бронетранспортер) показана на рис.6.

Знос зубів зручно оцінювати по частотному спектру електромагнітних датчиків. При зміні геометричних розмірів зуба його частотний спектр переміщений у більш високочастотну область. Зношування зубів викликає появу в спектрі неприпустимих частот.

Рис.6. Залежність зношування ЗП залежно від пробігу транспортної машини
(т – модуль зубів)

Тяжкі умови експлуатації трансмісій машин, що характерні для країн Близького Східу (перепади температури, запиленність середовища) приведуть до викрашування і поломки зубів.Основна причина таких руйнувань зв'язана з розвитком усталостних тріщин у зонах концентрації напруг від тривалих циклічних навантажень. Для визначення факту поломки зуба або визначення на ньому дефекту необхідно виконати операцію:

,

де – вихідний сигнал електромагнітного датчика;

– сигнал номінального зубчастого колеса;

– кут повороту.

Розраховано спектри вихідних сигналів номінальних зубчастих коліс і зубчастих коліс з різними дефектами.

Спектр інформаційного сигналу при дефекті зуба наведений на рис. 7.:

Рис. 7. Спектр інформаційного сигналу при дефекті зуба

Низькочастотна частина спектра має меншу амплітуду, ніж амплітуда основного спектра сигналу.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі систематизації й адаптування відомих теоретичних і прикладних результатів, а також проведення нових досліджень, вирішена актуальна задача створення системи діагностики зубцюватих пар на основі магнітних датчиків швидкості обертання ЗК. Система дозволяє робити повний аналіз технічного стану зубцюватих пар безпосередньо в період експлуатації машини, що підвищує вірогідність результатів діагностики і зменшує його час.

У роботі отримані наступні основні результати:

1. Визначено можливість одержувати інформацію про технічний стан трансмісій передачі машин за допомогою удосконалених магнітних датчиків, що дозволило створити діагностичну систему, здатну функціонувати в умовах експлуатації машин і перспективу широкого впровадження, що маємо.

2. Розроблено дві моделі магнітного статичного поля в робочій області магнітних систем датчиків швидкості обертання, що засновані на припущенні про сталість вектора намагніченості по об’єму постійного магніту і про нескінченно велику магнітну проникність магнітного матеріалу зубчастого колеса. Одна модель являє собою інтегральне рівняння Фредгольма 1-го роду, друга - інтегральне рівняння Фредгольма 2-го роду.

3. На основі теореми К.М. Поливанова про взаємність розроблений метод розрахунку напруженості магнітного поля в магніточуттевих елементах, розміщених у робочій області магнітних систем, що дозволяє розраховувати передатну функцію магнітної системи за результатами визначення щільності магнітних зарядів по поверхні зубчастого колеса.

4. Установлено, що чисельний розрахунок полів в магнітних системах датчиків раціональніше робити шляхом рішення рівнянь Фредгольма 1-го роду методом модифікованих квадратур.

5. Шляхом використання методу ортогонального композиційного планування другого порядку для двох факторів установлені спрощені залежності для функції передачі магнітних систем датчиків. Урахування впливу інших факторів здійснений за допомогою коригувальних функцій. Це дає можливість розробити інженерну методику розрахунку магнітної системи датчиків.

6. Зроблено оптимізацію параметрів магнітних систем датчиків швидкості обертання з рухливими постійними магнітами. Критерієм оптимальності є мінімальні геометричні розміри постійного магніту при забезпеченні мінімального значення напруженості інформаційного поля в сердечниках ферозонда.

7. Проведені експериментальні дослідження магнітних полів у робочих областях магнітних систем датчиків дозволили установити, що розбіжність результатів теоретичних розрахунків з даними, отриманими експериментальним шляхом, не перевищують 28%.

8. Розроблено датчики швидкості обертання з постійними магнітами й оптимальними параметрами магнітних систем. Технічні характеристики датчиків показують на їхні переваги перед існуючими датчиками, що полягають у підвищеній інформативності чутливості і малих габаритів.

9. Вирішено актуальна для машинознавства проблема: розроблені методи обробки сигналів, що надходять з магнітних датчиків швидкості обертання, що несуть інформацію про середню і миттєву швидкості обертання ЗК, про кінематичну погрішність, про цілісність зубів, про биття як зубчастих коліс, так і гладких валів.

Список опублікованих робіт з теми дисертації:

1. Жученко Н.О., Швець С.М., Басім Т. Визначення інформаційних параметрів магнітних полів розсіювання намагнічених ділянок феромагнітних матеріалів // Технічна електродинаміка. – №7. – 2002 – С. 111-114.

2. Тхафер Бассім, Краснобай В.В. Система діагностики зубчастих передач на основі магнітних давачів частоти обертання // Збірник наукових праць СНУ ім. В.Даля, частина 2. – 2002. – С. 114-115.

3. Калашникова О.М., Яковенко В.В., Тхафер Бассім. Математична модель магнітного поля для розрахунку металопошукача // Вісник СНУ ім. В.Даля. – №10 (32). – 2000.– С.151-153.

4. Шевченко О.І., Яковенко В.В., Тхафер Бассім. Дефектоскоп для контролю осей колісних пар рухливого складу/ / Вісник СНУ ім. В.Даля. – №1 (47). – 2002. – С. 25-27.

5. Тхафер Бассім, Жученко Н.О., Яковенко В.В. Вимірювальні перетворювачі підвищеної інформативності діагностики зубчастих передач // Вісник СНУ ім. В.Даля. – №11 (57). – 2002. – С.274-278.

6. Жученко Н.О., Черепахин Г.О., Тхафер Бассім. Розрахунок функції перетворення ферозонда другої гармоніки з урахуванням внутрішнього опору генератора збудження. Видавництво ХДНДІМ, Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія-2002). – 8-10 жовтня 2002 р. – том 1. – С.218-220.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:

[1] – запропонована математична модель поля індукованого ділянкою намагніченого феромагнітного матеріалу;

[2] – визначені вимоги до параметрів системи, дана структура системи;

[3] – розроблена математична модель намагнічених феромагнітних деталей;

[4] – визначені параметри смугового фільтра;

[5] – запропонований спрощений метод розрахунку магнітного поля датчиків, заснований на чисельному рішенні рівнянь Фредгольма;

[6] – розроблений спосіб оцінки впливу внутрішнього опору генератора збудження ферозонда.

АНОТАЦІЇ

Тхафер Бассім. Електромагнітні датчики систем діагностики трансмісій машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01. – ''Електричні машини й апарати'. – Донецький національний технічний університет. Донецьк. 2004.

Захищається дисертація, що містить результати теоретичних і експериментальних досліджень електромагнітних датчиків систем діагностики трансмісій машин. Датчики складаються з магнітної системи, що включає постійний магніт і два стрижневих магнітомодуляційних елементи. Теоретичні дослідження являють собою розрахунок полів в робочій зоні датчика методом рішень інтегральних рівнянь Фредгольма, чисельних експериментів, що дозволяють одержати спрощені залежності коефіцієнта перетворення магнітної системи і зробити її параметричну оптимізацію. Приводяться дані отримані експериментальним шляхом, що підтверджують коректність результатів теоретичних досліджень. Описано принципи формування сигналу електромагнітними датчиками в процесі діагностування трансмісій машин.

Ключові слова: датчик, магнітна система, зубчасте колесо, трансмісія, постійний магніт, феромодуляційний елемент, математична модель, чисельний експеримент, оптимізація параметрів, алгоритм, експеримент, діагностика.

Тхафер Бассим. Электромагнитные датчики систем диагностики трансмиссий машин. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01. – ''Электрические машины и аппараты''. – Донецкий национальный технический университет. Донецк. 2004.

Диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям электромагнитных датчиков систем диагностики трансмиссий машин, функциональным назначением которых является получение первичной информации о частоте и скорости вращения, ускорении, биениях и целостности зубчатых колес, шестерен и гладких валов. Датчики такого типа составляют 70-80% всех датчиков диагностики технических систем. Конструктивно предлагаемые датчики состоят из постоянного магнита и двух стержневых магниточувствительных ферромодуляционных элемента, размещенного у поверхности магнита двумя способами. Второй составной частью датчиков является или зубчатое колесо, или постоянные магниты, размещенные в обойме, охватывающей гладкий вал. Предлагаемый принцип построения электромагнитных датчиков обеспечивает их минимальные габариты и возможность монтирования в труднодоступных местах механизма без внесения изменений в его конструкцию. Теоретический анализ расчетных систем датчиков основывается на разработанных математических моделях, Представляющих собой интегральные уравнения Фредгольма первого и второго рода, для которых используется численный метод решения. Два вида интегральных уравнений использовались для расчета магнитного поля в рабочей области датчика для оценки их эффективности и выбора лучшего варианта. С этой же целью исследовались два варианта построения магнитной системы датчика. Для решения интегрального уравнения Фредгольма первого рода использовался метод модифицированных квадратур. Целью расчета являлась напряженность магнитного поля в стержнях магнитомодуляционного преобразователя. Для этой цели теорема о взаимности Поливанова К.М. преобразовалась так, чтобы входящая в нее напряженность поля катушки заменялась магнитным потенциалом. В результате была получена формула, позволяющая рассчитать функцию преобразования магнитной системы датчиков. Функция преобразования магнитной системы была получена также и для индукционного способа определения магнитного потока в сердечнике датчика.

Для определения функции преобразования магнитных систем датчиков со вращающимися магнитами использовался метод зеркальных изображений.

Проведенные численные эксперименты, в которых использовались разработанные новые и адаптированные известные математические модели, позволили определить общие закономерности влияния геометрических параметров на функцию преобразования магнитных систем датчиков. Установлено, что из девяти параметров наибольшее влияние на функцию преобразования оказывают три. Для этих трех параметров путем метода планирования эксперимента установлены упрощенные формулы, аппроксимирующие функции преобразования магнитных систем. Упрощенные математические выражения функции преобразования являются не только основой инженерных методик расчета, но и позволяют производить параметрическую оптимизацию магнитных систем электромагнитных датчиков. Критерием оптимальности параметров магнитной системы считается минимальный объем постоянных магнитов, при котором обеспечивается необходимая величина функции преобразования. Минимизация целевой функции осуществлялась методом покоординатного спуска.

Разработанная установка для проведения экспериментальных исследований состоит из привода зубчатых колес и валов, устройств крепления и перемещения датчиков и магнитометрического канала. Результаты эксперимента подтверждают корректность исходных теоретических посылок и показывают работоспособность разработанных датчиков в условиях функционирования системы диагностики трансмиссий машин.

Ключевые слова: датчик, магнитная система, зубчатое колесо, трансмиссия, постоянный магнит, ферромодуляционный элемент, математическая модель, численный эксперимент, оптимизация параметров, алгоритм, эксперимент, диагностика.

Thafer Bassim. Electromagnetic sensors in machine transmission diagnostic systems.

Thesis for application of the Candidate of Technical Sciences on the speciality 05.09.01 – electrical machines and apparatus. The Donetsk National Technical University. 2004.

Defended are a manuscript and six scientific works containing the results of theoretical and experimental researches of electromagnetic sensors in the systems of machine transmission diagnostic. The sensors consist of a magnetic system which is composed of a permanent magnet and two core magnetic modulation elements. The theoretical researches constitutes field calculation in the sensor’s working zone by means of solving Fredholm’s integral equation, whose numerical experiments make it possible to get simplified dependence of the conversion coefficient of the magnetic system and carry out its paramagnetic optimization. The experimental data confirming correctness of the results of the theoretical research are cited. The principles of signal conditioning of electromagnetic sensors in the process of diagnosing machine transmissions are described.

Keywords: a sensor, magnetic system, toothed wheel, transmission, permanent magnet, ferromodulation element, mathematical model, numerical experiment, parametric optimization, algorithm, experiment, diagnosis.