P O LITEC H NI KA Ś L Ą S K A
ZESZYTY NAUKOWE Nr 927
TAD EU SZ ZAKRZEW SKI
IDENTYFIKACJA PARAMETRÓW
DYNAMICZNYCH UKŁADU NAPĘDOW EGO GŁOW IC KOM BAJNOW YCH W ASPEKCIE OCENY ICH TRW AŁOŚCI I NIEZAW ODNOŚCI
G L I W I C E 1 9 8 8
Prof. dr hab. inż. Je rz y Ranachow ski Prof. dr inż. W łodzimierz Siko ra
KO LEGIUM R ED A K C Y JN E REDA KTO R NACZELNY
REDAKTOR DZIAŁU SEK R ETA R Z R E D A K C JI CZŁONKOW IE KOLEGIUM
— Prof. dr hab. inż. Wiesław Gabzdyl
— Prof. dr hab. inż. M irosław Chudek
— Mgr Elżbieta Stinzing
— Prof. dr hab. inż. Adolf M aciej ny
—• Prof. dr inż. Stanisław Małżach Prof. dr hab. inż. Bronisław ero
OPRACOWANIE R ED A K C Y JN E Eugenia Mandrak
Wydano za zgodą Rektora Politechniki Śląskiej
PL ISSN 0372 -9 5 0 8
Dział Wydawnictw Politechniki Śląskiej ul. K u jaw sk a 3, 44-100 Gliwice
N a k ł . 170-)-85 A r k . w y d . 19 A r k . d r u k . 16,5 P a p i e r o f f s e t , k i. I I I .70x 100,70g O d d a n o d o d r u k u 6.10.87 P o d p i s d o d r u k u 21.12.87 D r u k u k o ń c z , w s t y c z n i u 1988
Z a m . 8531S7 L.-24 C e n a z ł 380.—
Skład, fotokopie, druk i oprawę
wykonano w Zakładzie Graficznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach
Str.
1. W S TĘP ... 13
2. C E L I ZAKRES P R ACY ... 17
3. Z AGA D N I E N I A W S P Ó Ł C Z E S N E J DIAGN O S T Y K I W I B R A C Y J N E J ... 20
4. O PI S T E C H N I C Z N Y O B I E K T U B A D A Ń ... 23
5. F I Z Y C Z N E P R Z Y C Z Y N Y D RGAŃ G E N E R O W A N Y C H W U K Ł A D A C H M E C H A N I C Z N Y C H .. 26
5.1. Dr g a n i a w y m u s z o n e w a ł ó w ... 26
5.2. F e n o m e n o l o g i c z n e u j e c i e p r z y c z y n d r g a ń ł o ż y s k t o c z n y c h .... 29
5.2.1. W p ł y w b ł ę d ó w k s z t a ł t u na p o z i o m d r ga ń ł o żysk tocz n y c h 29 5.2.2. W p ł y w l u z ó w ł o ż y s k o w y c h n a p o z i o m d r g a ń ł o ż y s k ... 32
5.3. D r g a n i a p r z e k ł a d n i z ę bat y ch ... 33
5.3.1. Dyn a m i k a stanu zaz ę b i e n i a na s z e r o k o ś c i koła... 34
5.3.2. Źródła w y m u s z e ń p r o c e s ó w d r g a j ą c y c h w p r z e k ł a d n i z ę batej ... 36
5.3.3. C z ę s t o t l i w o ś c i c h a r a k t e r y s t y c z n e d r g a ń p r z e k ł a d n i z ę b a t y c h ... i... 37
6. M O D E L O W E P R Z E D S T A W I E N I E U K Ł A D U N A P Ę D O W E G O G Ł O W I C Y K G S - 3 2 0 ... 42
6.1. M odel f i zyc zny n a p ę d u gł o w i c y ... 43
6.2. W y z n a c z e n i e p a r a m e t r ó w m o d e l u ... 44
6.2.1. M o m e n t y b e z w ł a d n o ś c i ... 44
6.2.2. W s p ó ł c z y n n i k i s z ty w no ś ci skrętnej ... 52
6.2.3. W s p ó ł c z y n n i k i tłu m i e n i a ... 55
6.3. M odel m a t e m a t y c z n y n a p ę d u g ł o w i c y ... 57
6.3.1. W ynik i o b l i c z e ń n u m e r y c z n y c h ... 58
6.3.2. W y z n a c z e n i e w z a j e m n y c h o d d z i a ł y w a ń w p a r a c h k i n e m a t yc znych ... 60
6.3.3. W y z n a c z e n i e r e akcj i łoży s k o wy c h w a ł ó w g ł ó w n y c h i p o ś re d n i c h ... 63
7. M O D E L G E N E R A C J I SY G N A Ł Ó W W I B R O A K U S T Y C Z N Y C H U K Ł A D U N A P Ę D O W E G O G Ł O W I C Y ... 66
7.1. M o d e l o w e u j ęci e p r z y c z y n d r g a ń p r z e k ł a d n i pla n e t a r n e j ... 66
7.2. M o d e l o w e p r z e d s t a w i e n i e z a zę b i e ń kół o b i e g o w y c h ... 70
7.3. W y z n a c z e n i e c z ę s t o t l i w o ś c i c h a r a k t e r y s t y c z n y c h u k ł a d u n a p ę d o w e g o gł o w i c y ... 73
8. AN A L I Z A DROGI PRZ E J Ś C I A S Y G N A ŁU W I B R A C Y J N E G O ... 77
8.1. Model u kł adu l i niow e go w i e l o w y j ś c i o w e g o ... 78
8.2. M i n i m a l i z a c j a w a r u n k ó w o k r e ś l a j ą c y c h n i e z m i e n n i c z o ś ć trans- m it a n c j i u kładu ... 82
9. STOSOW ANE E S TYMATY SYGN A ŁU W I B R A C Y J N E G O ... 85
9.1. E s t y m a t y liczbowe a m p l i t u d y p r o c e s ó w w i b r a c y j n y c h ... 86
9.2. G ę s t o ś ć w i d m o w a m o c y pr o c e s u ... 87
9.2.1. Podst a w o w e z a ł o ż e ni a m e t o d y szybkiej t r a n s f o r m a cj i Fou r i e r a ... 88
9.2.2. P asmowy w s p ó ł c z y n n i k gę s t o ś c i w i d m o w e j m o c y ... 90
9.3. M e t o d a ce p s t r u m ... 92
9.4. L iczb a p r z e j ś ć pr o c e s u w i b r a c y j n e g o p rzez zada n y p o z i o m w ar t o ś c i ... 95
10. S TOSOW ANY S Y STEM P O MIAR O WY ... 101
10.1. Opis fun kcj o n a l n y a n a l i z a t o r a B - K t y p u 2034 ... 104
11. B A D A N I A S T AN OWISKOWE G Ł O W I C R A M I E N I O W Y C H ... 105
12. WYNIKI B A DAŃ W I B R A C Y J N Y C H I ICH A N A L I Z A ... 109
12.1. W ar t o ś c i s kuteczne p a r a m e t r ó w drgań ... 110
12.1.1. W a g o w y w s p ó ł c z y n n i k k i e r u n ko w y p a r a m e t r ó w d r g a ń .. 115
12.1.2. L i c z b a pr z e j ś ć p r o c e s u w i b r a c y j n e g o p rzez p o z i o m zerowy ... 122
12.1.3. O b c i ą ż e n i o w y w s p ó ł c z y n n i k kier u n k o w y p a r a m e t r ó w drgań ... 125
12.2. Est y m a t y w i d m o w e p r o c e s ó w w i b ra c y j n y c h ... .„... 131
12.2.1. Fu n k c j e g ę st o śc i widm ow e j m o c y ... 131
12.3. P as mowe w s p ó ł c z y n n i k i gęstości widmo w e j m o c y ... 136
13. W Z G L Ę D N A K L A S Y F I K A C J A S T A NÓ W D Y N A MI C Z N Y C H N I E K T Ó R Y C H E L E M E N T Ó W K I N E M A T Y C Z N Y C H U K Ł A D U N A P Ę D O W E G O ... 144
14. K O R E L A C J A USZ K O D Z E Ń E K S P L O A T A C Y J N Y C H G Ł Ó W N Y C H E L E M E N T Ó W K I N E M A TYC Z N Y C H Z WA RTO Ś C I A M I N I E K T Ó R Y C H E S T Y M A T D R G A N I O W Y C H ... 150
15. PODS UM O W A N I E W Y N I K Ó W B A DA Ń M O D E L O W O - W I B R A C Y J N Y C H ... 157
16. E M I S J A A K U S T Y C Z N A W B A D A N I A C H D I A G N O S T Y C Z N Y C H M A S Z Y N ... 158
17. PARA M E T R Y EMISJI A K U S T Y C Z N E J ... 1-60 18. U W A R U N K O W A N I A C H A R A K T E R Y S T Y K A E O D ST ANU D Y N A M I C Z N E G O M A T E R I A Ł U 162 19. R ODZAJ E I M PULSÓW A E G E N E R O W A N Y C H W M ET A LA C H ... 165
20. TR A N S F O R M A C J A S Y G N A Ł Ó W A E W K A N A L E A K U S T Y C Z N O - E L E K T R O N O W Y M .... 167
21. S T OS OWAN A A P A R A T U R A P O M I A R O W A ... 169
S t r .
22. C EL I ZAKRES S T O S O W A N E J MET O D Y K I B ADAN M E T O D Ą A E ... 170
23. B A D A N I A S T A N O W I S K O W E G Ł O W I C R A M I E N I O W Y C H M E T O D Ą A E ... 170
23.1. O p i s s tan o w i s k a b a d a w c z e g o ... 170
23.2. W y n i k i p o m i a r ó w i ich a n a l i z a ... 173
23.2.1. Ro z k ł a d y tempa am p l i t u d w z a kr e si e n i s k i c h i w y s o k ic h n a p i ę ć p r o g o w y c h na b i eg u j a ł o w y m ... 173
23.2.2. Pr ze b i e g i cz a s o w e l iczby z l ic z eń A E ... 188
24. B A D A N I A L A B O R A T O R Y J N E P RÓBEK M A T E R I A Ł O W Y C H E L E M E N T Ó W O K Ł A D U N A PĘD O W E G O G Ł O W I C Y ... 192
24.1. O pi s m a t e r i a ł u ba d a n e g o ... 192
24.2. O pi s s t a now iska b a d a w c z e g o w m e t o d z i e AE ... 193
24.3. C h a r a k t e r y s t y k i a k t y w n o ś c i A E b a d a n y c h m a t e r i a ł ó w ... 196
25. B A D A N I A S T A N O W I S K O W E G Ł O W I C R A M I E N I O W Y C H M E T O D Ą A E POD O B C I Ą Ż E N I E M S T A T Y C Z N Y M ... 212
26. K O R E L A C J A P A R A M E T R Y C Z N A S Y G N A Ł Ó W AE W B A D A N I A C H S T A N O W I S K O W O - L A - BO R A T O R Y J N Y C H ... 218
27. M A K R O S K O P O W Y O P I S ZABU R Z E N I A S T RU K TU R Y M A T E R I A Ł O W E J C I A Ł S T A Ł Y C H 225 27.1. D y s l o k a c j e k r a w ę d z i o w e i śrub ow e ... 226
27.2. En e r g i a d y s l o k a c j i ... 227
28. U W I E L O K R O T N I E N I E DYSL O K A C J I I ICH R U C H L I W O Ś Ć ... 229
29. W P Ł Y W ZMIAN M I KRO - I M A K R O S T R U K T U R Y C I A Ł S T A Ł Y C H N A P A R A M E T R Y A E 230 30. W N I O S K I I U WA GI K O Ń C O W E Z B A D A N M E T O D Ą A E ... 233
31. T E R M O W I Z Y J N A M E T O D A O K R E Ś L E N I A P R O C E S Ó W C I E P L N Y C H G Ł O W I C R A M I E N I O W Y C H ... 236
32. ZASADA D Z I A Ł A N I A SY S T E M U T E R M O W I Z Y J N E G O ... 237
32.1. O d w z o r o w a n i e o b r a z ó w t e rm o wi z y j n y c h ... 238
32.2. Zal e ż n o ś ć s ygnału w y j ś c i o w e g o d e t e k t o r a od w a r u n k ó w p r a c y 241 33. S T O S O W A N Y S Y S T E M T E R M O W I Z Y J N Y A G A - 7 5 0 ... 243
34. W YNI KI P O M I A R U R O Z K Ł A D U T E M P E R A T U R KO R P U S U G Ł O W I C K W B - 3 R D U . 244 35. WN I O S K I I UWAGI KO L C O W E Z B A DA N T E R M I C Z N Y C H ... 254
36. P O D S U M O W A N I E CA Ł O Ś C I P RACY ... 255
1. BCTynjrsHHE ... 13
2. UEJIb K T E M A P A E O T H ... 17
3. BOirPCCM C 0 3 P E M E H H 0 K BHBPAIÍHOHHOÜ Ä H A T H O C T H K H ... 20
4. T E X H H H E C K O E OffliCAHHE O E bEKTA H C C J I E Â O B A H H Ë ... 23
5. SHSBHECKHE n P H H IÜ IM KOHEEAHHÍÍ rEHEPKPOBAHHHE B MEXAHHHECKHX C H C - TEM AX ... 36
5.1. BuHyscAeHHHe KOJieöaHHH b h j i k o b ... 26
5.2. SeHOMeHOJiorHqecKoe yica3aHne i i p h w h h K0Jie6aHH8 m a p H K O B u x noA- m a n H H K O B ... 29
5 . 2 . 1 , B JIH H H H 6 ohih6ok $ o p M H H a y p o B e H B K O J ie Ö a H H ä m a p H K O B u x n O A M Ü H H K O B ... 29
5.2.2. BjiHHHHe noÄnHnniiKOBbix sa3op o B Ha y p o B e H B K o x e Öa B H Ä m a p H K O B U X nOAUHIlHHKOB ... 32
5.3. KojieÖaHHH a y S n a T u x p e^yKTopoB ... 33
5.3.1. .HHHaMHKa c o c t o h h h h s y Ö H a i o r o 3 a H e n x e H H H Ha seHne k o- ... 33
5.3.2. Hc t o h h h k h KOJieöaiejibHbix npoaeocos b 3 y 6 H a T o B nepe^a- qe ... 36
6 . MGÄEJIbHOE IIPEÄCTABJIEHBE HPKBOflHOa CHCTEMM rOJIOBKH KOMEAilHA K r C- 320 ... 42
6.1. $H 3H H e c K a n MOÄeJib npHBOfla i-o x o b k h ... 43
6.2. OnpeA exeHHe napa we i p o B M O A e x n ... 44
6.2.1. tfHepuHOHHbie m owe h t u ... 44
6.2.2. KosiJxjHitHeHTH y n p y r o c T H Ha KpyneHHe ... 52
6.2.3. K03i$ij)HHneHTH Ä e M n $ H p o B a H H H ... 55
6.3. M a T B M a T H H e C K a K M O A e x b n p H B opa f o j i o b k h ... 57
6.3.1. Pe3yjibiaTH M am u H H o r o p a c në T a ... 58
6.3.2. OnpeAejieHHe B 3 a m i H H x B03AeftcTBHä b K H H e M a i K H e c K H X n apax ... 60
6.3.3. OnpeAeJieHüe peaKipiä b noAnranHHKax r x a B H H x h npöMeacy- TOHHhlX BajXKOB ... 63
CTp.
7 . M O Ä EJIb PEHEPH PO BA H H H JH E P O A K K Y C T H H E C K H X C U rH A JIO B nPH BQ ftH O iî C H C -
TEMH rO JIO B K K ... - 6 6
7 . 1 . M o fle jib H o e o n n c a H H e npHHHH K O Jie ó a H H ü A H ju fe p e H U H a n b H o H n e p e x a -
<w ... 6 6 7 . 2 . M o.ne.EbH o e n p e f lC T a B E e H H e 3 a n e n jie H H H K O Jië c f lH $ $ e p e H n H a x b H O »
n e p e j a i x ... 7 0
7 . 3 . O n p e ,ą e ji e H n e x a p a K i e p H C T H K l a o i o i n p H B o ^ H o ft C H C T e iiti r o x o B K H . 7 3
8 . AHAJIHS H /T H n P O X O M B H BPA IÇ lO H H C rO C H P H A JI A ... 7 7
8 . 1 . M o f l e x b jiH H e flK o ft U H o r o B x o x H o t t o a c i e M H ... 7 8 8 . 2 . M H H H M H sazsia y c Jio B H Ö o n p e A e x a i o q H x H e a s M e s a e u o c T b n e p e fla T O H H o ö
iy H X Q I H C H C T e U U ... 8 2
9 . nPHMEHHEMiffi OUEHKH BH B P A LflO H H O rO C H r H A J I A ... 8 5
9 . 1 . K o X H H e c T B e H H H e on eH K H a M n x H T y ^ a B H C p an H O H H tct n p o a e c c o B . . . 8 6 9 . 2 . I lJio iH O C T b c n e K T p a x b H o f l m o h h o c t h n p o n e c c a ... 8 7
9 . 2 . 1 . OcH OBHhie n p H H u jin u M e iO A a O u o T p o r o n p e o 6 p a 3 OBaHHX 3 > y -
p b e ... 8 9
9 . 2 . 2 . n o X O C H H a K03<JXj>HIIHeHT nXO TH O CTH C n e K T p a X b H O » MOĘHOOTH. 9 0
9 . 3 . M e l o # u e n c T p y M ... 9 2 9 . 4 . Hh c j i o n e p e x o f l O B B H Ö p a iiH O H H o ro n p o n e c c a n e p e 3 3 a ,n a H H n 8 y p o -
B e H b ... 9 5
1 0 . UPHULEHHEMAH. H 3M EPH TE JIbH AH C H C T E M A ... 1 0 1
1 0 . 1 . $ y H K U H O H a n b H o e o n n c a H H e a H a x H s a i o p a 3 - K T a n a 2 0 3 4 ... 1 0 4
1 1 . C .T E H £ 0 3 H E HGIHTAHH H IlJIEHEBhOC T C U I0 3 0 K ... 1 0 5
1 2 . P E 3 y jI b T A T H B H E P A I5 Î 0 HHHX H C G JIE flO B A H ltí 'A HX AHAJIH3 ... 1 0 9
1 2 . 1 . Ä e S c i B y i o u H e b s x h h h h u n a p a i t e T p o B K O JieÖ aH H ö ... 1 1 0
1 2 . 1 . 1 . B e c o B o i ł K 0 3 $ $ K ig i e H T H a n p a B x e H H H n a p a u e i p o B K o x e S a H H t t 1 1 5 1 2 . 1 . 2 . K o J i H H e c i B o n e p e x o j ; o B B H Ö p a u H O H H o ro n p o n e c c a n e p e 3
H y x e B o ü y p o a e H b ... 1 2 2 1 2 . 1 . 3 . H a r p y 3 O H H u ft K o aip jiH n H e H T H a n p a s jie H H H n a p a x e i p o B K o x e -
C a H H ñ ... 1 2 5
1 2 . 2 . C n e K T p a x b H h ie on eH K H B H fip a n a o H H b ix n p o n e c c o B ... 1 3 1
1 2 . 2 . 1 . S yH K itH H n jio T H O c T H c n e K i p a j i b H o f t u o h jh o c t h ... 1 3 1
1 2 . 3 . I I o jio c o B b i e K 0 3 $ (JiH in ie H T H n jio T H O c T H c n e K i p a ji b H o f t KOĄHOOTH . . . 1 3 6
1 3 . O TÜ O C H TEJIbH A B iO A C C H íH K A B H H ÄKHAMHMEOKHX CO C TC H H H ë H EXO TO PÜ X K H -
H E M A ÏH 'iE C K IIX 3JIE IÎE H T OB C H C T E M H ... 1 4 4
1 4 . KOPPEJIHUJCÍ BKCIUiyATAUHOHHHX 0TK A 30B TJIABHMX KHHEMATH'iECKHX 3 JIE -
IiîEHTOB C ÆJIHMHHAllH HEKOTOPiiX BJffiPAIÍHOHHÜX O IÍSH O K... 15 0
1 5 . nO Ä B EÄ EH H E H T O rO B P E 3 y jI b T A T 0 B MOÜÆ JIbHO-BMBPAUHOHKHX H C C JIE Â C B A H H iî. 1 5 7 CTp.
1 6 . À K K yC ÏÎIH EG K A H 3IAHC0H.;i J ¿M A T H O C TH H EC ItilX ¿íCC JISH O BA H H nX MAïMH . . . . 1 5 8
1 7 . IUPAÎŒ ÏPÜ AKKyOTHHECiiOii 3MKCCHII ... 16 0 1 8 . SABH CH M O CTb X A P A K T B P K C T H E A S C l' H H HAM KHECKCrC COCTCHHHH îd A T B -
PHAJIA ... 1 6 2
1 9 . B l f e á la in y jI b C O B AE I - E H S P H P y B t a B M E T A JU IA X ... 1 6 5
2 0 . Í I P E 0 E P A 3 03A H H E C IiriIA JlO B AE 3 A KKyCTH H ECKO -BJIEfCTPO H H CM KAHÀJÏE . 1 6 7
2 1 . ÎIR H EH H BM A H H 3U E P H T SJIbH A tf A n n A P A T y P A ... 1 6 9
2 2 . A n P 2 £ 3 J l H nPK M BH BH H S METO.THKH H C C JIEflO BA H ító ¡1 0 M ETOffir AE . . 1 7 0
2 3 . C T 2 H U 0 6 H E HCC JISU C BAHHH IU IEH E3U X rO JIO B O K HO M E T O Jiy A E ... 1 7 0
2 3 . 1 . O n n c a H H e . H C c j i e a o B a i e x L C K o r o o T e H . u a ... 1 7 0 2 3 . 2 , P e s y x b T a T u H 3M ep eH H il h h x a n a x H 3 ... X 7 3
2 3 . 2 . 1 . P a c n p e n e x e r o i e y p o s H H a M n jiH T y n b A a a n a s o n e h h b k h x h b u c g k h x n o p o r o B Û x H a n p n x e H H ü h jl b x c x o c t o t o x o .u a . . 1 7 3 2 3 . 2 . 2 . B p e M e H H u è rpat& H KH n n c n a n o n c n ë T o B AE ... 1 8 8
¿ 4 . JIA B O P A T C P H uE H CCJIEH O BAHHÍI O IliiT H iiX 0 B P A 3 U 0 3 3JIE M E H T 0B IlPHBO,BKOii
C H O ISI,13 rO JIO BKH ... 1 9 2
2 4 . 1 . O n n c a H H e H c c j i e ^ y e u o r o M a i e p a a n a ... 1 9 2 2 4 . 2 . O n n c a H H e n c c x e x o 3 a ? e x b C K o r o c T e H .u a a j i h u e T o n a A S ... 1 9 3 2 4 . 3 . X a p a K T e p n c T H K H a K T H B H o cT H A E H c c jie n y e M b ix « a T e p a a n o B . . . . 1 9 6
2 5 . OTEHÄOBJE HCCJIEHOBAHHil IM3HEBÜX TCJIOBok n o MSTCfly AE Ü B i CTA- THHECÁOií HAFPySKE ...' . . . . 2 1 2 2 6 . nA PA IiETPH H EC K A H K O P P SJIH IÿiH CH rH A JIA A E ¡IPH C T E H 1 .0 3 0 - JIA E C P A T 0 P -
H 3 X H C C .ÍE Á O B A H H H X ... 2 1 8
2 7 . JIAKPCCKO rW H BO KO E 01IHCAHHE P A C O T PC /ÍG T B A M A TEPH AJIbH O ü C Ï P m ’y P a
1 B 2 P H H X T E JI ... 2 2 5
2 7 . 1 . B e p e r o B H e h b h h t o b hie H H C Jio K an n H ... 2 2 6 2 7 . 2 . S H e p rH H H H C xoK au H H ... 2 2 7
2 8 . yBEJIH H EH H E £H C JIO ¡{A H H ,í H HX n C i£B H 3H C C T b ... 2 2 9
2 9 . B J1HHKHE H3MEHEHHIÍ M H K P O - H M A K P C C T B P y T y P Ii TBi.P.O H X T E JI HA I1APAÎ.1E - T P L i ... 2 3 0 3 0 . 3 B B 0 J U I H 3AMEHAHHH 110 HCCJIEÄ03AHHHM M E T 0 £ 0 t.i A E ... 2 3 3
3 1 . T EP M 03H 3H O H H B ií M ETOÄ O HPEJÍEJIEHHH T E IB IC B liX IIPO U EC C O B IUIEHE31JX T O - JIO BO K ... 2 3 6
3 2 . n P H H im n JiE iiC T B H H T E F M 0B H 3H 0H H 0ÍÍ C H C T E M H ... 2 3 7 3 2 . 1 . O T o Ö p a x e H n e TepM OBHBHOHHhix K a p T H H ... 2 3 8 3 2 . 2 . 3 aBH CH M 0 C T b BbDCOHHoro c u r n a x a n e T e K T o p a o r b c ji o b h H p a C o i N . 2 4 1
3 3 . IIPIEiEH H tM A H TB PM 06H 3H 0H H Á H OHCÏEM A A r A - 7 5 0 ... 2 4 3 3 4 . P E S y jlb T A T li H 3U EPE H K I1 P A C nP E flE JIE H H H T E M IIE P A T y p K O P n y C A r C JIC 3 0 K
K 3 B - 3 P J ¡ y ... 2 4 4
3 5 . BHBOÄH H 3AMEHAHHH TO T E P S iH E C itH M HCCJIEÄC3AHHÜM ... 2 5 4 3 6 . nO JIB EÄ EIIH E H T O rO B P A E O T U ... ... 2 5 5 CTp.
1. I N TR ODUCTION ... ....y'.. 15
2. A I M A N D R ANGE OF S TUDY ...'. . ... 17
3. PR O B L E M S OF C O N T E M P O R A R Y V I B R A T I O N D I A G N O S I S ... 20
4. T E C H N I C A L D ESCR I P T I O N OF T HE O B J E C T OF STUDY ... 23
5. P HY S I C A L C A U S E S OF T HE V I B R A T I O N S G E N E R A T E D IN M E C H A N I C A L SYST E M S 26 5.1. F o r c e d v i b r a t i o n s of shafts ... 26
5.2. P h e n o m e n o l o g i c a l a p p r o a c h to the ca uses of r o l ling bear i n g v i b r a t i o n s ... .'. 29
5.2.1. E f f e c t of shape e rr o rs on the v i b r a t i o n level of r o l ling be a r i n g s ... 29
5.2.2. E f f e c t of be a r i n g s l a ck n es s on the v i b r a t i o n s level of b e a r i n g s ... 32
5.3. V i b r a t i o n s of g ear tr a n s m i s s i o n s ... 33
5.3.1. D yna mics of the state of m e s h i n g o v e r the w h e e l w i d t h 33 5.3.2. S our ces of input fu n c t i o n s of the v i b r a t i n g p r o c e s s e s in g e a r t r a n s m i s s i o n s ... 36
5.3.3. C h a r a c t e r i s t i c fre q u e n c i e s of tlie vi b r a t i n g p r o c e s s e s ge ar t r a n s m i s s i o n s ... 36
6. M O D E L P R E S E N T A T I O N OF P O W E R T R A N S M I S S I O N S Y S T E M OF K G S - 3 2 0 H E A D . 42 6.1. P hy s i c a l m o d e l of the h e a d d r iv e ... 43
6.2. D e s i g n a t i o n of m o d e l p a r a m e t e r s ... 44
6.2.1. M o m e n t s of i nertia ... 44
6.2.2. C o e f f i c i e n t s of t or s i o n a l r i g id i t y ... 52
6.2.3. C o e f f i c i e n t s of d a m p i n g ... 55
6.3. M a t h e m a t i c a l m o d e l of the h e a d d r i v e ... 57
6.3.1. R esults of n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n s ... 58
6.3.2. D e s i g n a t i o n of .i n t e r a c t i o n in k i n e m a t i c c o u p l e s ... 60
6.3.3. D e s i g n a t i o n of the b e a r i n g r ea c t i o n s of m a i n a n d c o u n ters h a f t s 63
7. M O D E L OF V I B R O A C O U S T I C S IGNAL G E N E R A T I O N OF T H E H E A D P O W E R T R A N S M I S S I O N S Y S T E M ... 66
7.1. M odel e x p r e s s i o n of the c a u s es of p l a n e t a r y g e a r v i b r a t i o n s 66 7.2. M odel p r e s e n t a t i o n of p l a n e t w h e e l m e s h i n g ... 70
7.3. D e s i g n a t i o n of the c h a r a c t e r i s t i c f r e q ue n ci e s of the head p o w e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m ... 73
Page
8. A N A L Y S I S OF THE P ATH OF T H E V I B R A T I O N SIGNAL P A S S A G E U S ... 77
8.1. M odel of m u l t i o u t p u t linear system ... 78
8.2. M i n i m i z a t i o n of the c o n di t io n s d e t e r m i n i n g t r a n s m i t t a n c e inva riance of the sy stem ... 82
9. A P P L I E D E S TI MATES OF THE VI B R A T I O N SIGNAL ... 85.
. 9.1. Nume r i c a l estimate s of the a m p li t u d e s of the v i b r a t i o n p r o cesses ... 86
9.2. Spectral c o ncentra t io n of the proce s s p o w e r ... 87
9.2.1. F unda m e n t a l p r i n c i p l e s of the m e t h o d of q u i c k F o u rier's tra n s f o r m a t i o n ... 88
9.2.2. B and c o e f f i c i e n t of p o w e r spectral c o n c e n t r a t i o n ... 90
9.3. C e p s t r u m m e t h o d ... 92
9.4. N u m b e r of p a ssing of the v i b r a t i o n p r o c e s s t h r o u g h the a s signed level of v a l u e ... 95
10. M E A S U R I N G S Y STEM U S E D ... 101
10.1. F u n ctional d e s c r i p t i o n of B - K analyzer, type 2034 ... 104
11. STAND T E S T I N G OF R OCKER H E A DS ... 105
12. R E SU LTS OF VI B R A T I O N T E S T S A N D T H E I R A N A L Y S I S ... 109
12.1. RMS v a l u e s of v i b r a t i o n p a r a m e t e r s ... 110
12.1.1. W e i g h t d i r e c t i v i t y i^idex of the v i b r a t i o n p a r a m e ters ... ; ... 115
12.1.2. N u m b e r of p a s s i n g of the v i b r a t i o n p r o c e s s through zero level ... 122
12.1.3. L o a d d i r e c t i v i t y i ndex of the v i b r a t i o n p a rameters 125 12.2. Spec tral e s timate s of the v i b r a t i o n p r o c e s s e s ... 131
12.2.1. F u n c t i o n s of spectral co n c e n t r a t i o n of p o wer ... 131
12.3. B an d coeffi c i e n t s of spec t r a l c o n c e n t r a t i o n of p o wer ... 136
13. R E LAT IVE C L A S S I F I C A T I O N OF THE D Y N A M I C S TATES OF SOME KINEMATIC E L E M E N T S OF THE S Y S T E M ... 144
14. C O R R E L A T I O N OF T HE OPER A T I N G D A M A G E S OF T H E M A I N KINE M A T I C E L E M E N T S W I TH THE V A L U E S OF SOME V I B R A T I O N E S T I M A T E S ... 150
15. SUMMARY OF THE M O D E L - V I B R A T I O N T E S T R E S UL T S ... 157
16. AC O U S T I C E M ISSION IN DI A G N O S T I C S T UD I E S OF M A C H I N E S ... 158
17. A C O U S T I C EMISSION PARA M E T E R S ... 160
18. DEPE N D E N C E OF AE C H A R A C T E R I S T I C S ON THE D Y N AMIC S TATE OF THE M A T E R I A L ... 162
19. K INDS OF A E P ULSES G E N E R A T E D IN M E T A L S ... 165
20. T R A N S F O R M A T I O N OF A E SIGNALS IN SOUN D -E L E C T R O N C H A N N E L ... 165 Page
21. M E A S U R I N G A P P A R A T U S U S E D ... 169
22. A I M A N D R AN GE OF THE TE S T I N G M E T H O D I C S B Y M E AN S OF A E M E T H O D . . . . 170
23. SAND T E S T I N G OF R O C K E R H EADS B Y A E M E T H O D ... 170
23.1. D e s c r i p t i o n of the t est in g s t and ... 170
23.2. M e a s u r e m e n t results and the\ir a n al y si s... ... 173
23.2.1. D i s t r i b u t i o n of the a m p l i tù d e rate over the range of lo w and high tr e s h o l d v o l t a g e s in idle run .... 173
23.2.2. Time of the n u m b e r of A E t o tting ... 188
24. L A BO RAT ORY T E S T I N G OF M A T E R I A L S A M P L E à OF THE H E A D D RIVE ELEMENTS OF THE S Y S T E M ... 192
24.1. D e s c r i p t i o n of the ma t e r i a l teste d ... 192
24.2. D e s c r i p t i o n of the test i ng stand in A E m e t h o d ... 193
24.3. AE a c t i v i t y c h a r a c t e r i s t i c s of the m a t e r i a l s t e s t e d ... 196
25. S TAND T E S T I N G OF R O C K E R H E A D S B Y A E M E T H O D U N D E R STATIC L O A D ... 212
26. P A R AMETRIC C O R R E L A T I O N OF AE SI G NALS IN S T A N D- L AB O R A T O R Y T E S T S . 218 27. M A C ROS COPIC D E S C R I P T I O N OF THE D IS T U R B A N C E OF THE M A T E R I A L S T R U C TURE OF S OLID B O D I E S ... 225
27.1. Edge a nd s cr ew d i s l o c a t i o n s ... / 226
27.2. E n ergy of d i s l o c a t i o n ... 227
28. M U L T I P L I C A T I O N OF D I S L O C A T I O N S A N D T H E IR M O B I L I T Y ... 229
29.' E F F E C T OF M I C R O - A N D M A C R O S T R U C T U R E C H A N G E S OF S OLID B O D I E S ON AE P A R A M E T E R S ... 230
30. C O N C L U S I O N S A N D F I N A L RE M A R K S F R O M T H E ST U DIES B Y A E M E T H O D __ 233 31. T H E R M O V I S I O N M E T H O D OF DETER M I N I N G THE T H E R MA L P R O C E S S E S OF R O C K E R H E A D S ... 236
32. P RIN C I P L E OF T H E R M O V I S I O N S Y S T E M O P E R A T I O N ... 237
33. T H E R M O V I S I O N S Y S T E M A G A - 7 5 0 U SE D ... 243
34. M E A S U R E M E N T R E SULTS O F T E M P E R A T U R E D I S T R I B U T I O N OF K W B - 3 R D U HEAD F RAM E ... 244
35. C O N C L U S I O N S A N D F I N A L R EMARKS F R O M TH E T H E R M AL T E S T S . . ;.. 254
36. S U MMARY OF T HE E N T I R E INVESTI G A T I O N ... 255 Page
t
Bardzo istotnym zagadnieniem występującym w procesie produkcji szczenią odpowiedzialnych maszyn górniczych, takich jak np. głowice ramie
niowe kombajnów ścianowych, jest ocena kompleksowa ich poprawnego funkcjo nowania, a w szczególności wykrywania, lokalizowania oraz klasyfikowania powstałych niesprawności, jak również optymalizacja konstrukcji badanych układów mechanicznych. Z tego względu szczególną wagę w procesie kontroli jakości maszyn nabierają obecnie metody zmierzające do określenia stanu technicznego maszyny bez jej demontażu, jak również ciągła ich modyfika
cja prowadząca do poprawy ich efektywności i skuteczności.
W ogólnym senaie sam proces diagnostyczny sprowadza się do trzech pod
stawowych czynności, a mianowicie:
a) pomiarów wartości określonych parametrów diagnostycznych i ich porówna nia z ustalonymi uprzednio wartościami granicznymi;
b) analizy przyczyn i charakteru powstałych odchyleń od wartości granicz
nych;
c) wyznaczania prawdopodobnej miary sprawności technicznej maszyny.
iftównież bardzo istotnym elementem w procesie kontroli stanu dynamicz
nego maszyny jest zbieranie, analizowanie i statystyczne opracowanie in
formacji o charakterystycznych ni es pr aw no śc ia ch, na podstawie których moż na sformułować zalecenia do poprawy skuteczności stosowanej metody. Jak również określić kierunki modernizacji i doskonalenia wyrobu finalnego.
Istotne znaczenie ma także sam proces określenia przyszłych stanów obie k
tu, które wystąpią w chwilach późniejszych, na podstawie których może być przewidywany resurs poprawnej pracy.
W procesie kontroli stanu bardzo ważnym zagadnieniem Jest -ównież ana
liza dynamiczna układu napędowego maszyny, zmierzająca do jego identyfi
kacji, a uwzględniająca następujące zjawiska fizyczne:
- względny ruch elementów, - wzajemna wymiana energii,
- pokonywanie dysypacyJnych i technologicznych oporów ruchu.
Wymienionym zjawiskom towarzyszą wzajemne mechaniczne oddziaływania elementów par kinematycznych, które powodują ciągłą zmianę cech geome
trycznych węzłów wskutek oddziaływań sprężystych oraz luzów powstałych w wyniku nieprawidłowego montażu i uszkodzeń losowych powierzchni styku.
Określenie wielkości i rodzaju tych oddziaływań ma szczególne znaczenie, bowiem pojawienie się nadmiernych luzów wprowadza do układu dodatkową
liczbę stopni swobody, a tym samym zmianę podstawowych parametrów dyna
micznych układu napędowego. Siły wzajemnego oddziaływania w parach kine
matycznych łańcucha kinematycznego można podzielić na:
- siły oddziaływania o wolnozmleniajęcych się przebiegach czasowych, - siły tarcia,
- siły oddziaływania o charakterze Impulsowym.
Siły oddziaływania o wolnozmleniajęcych się przebiegach czasowych,jak również siły tarcia występujące w parach kinematycznych w czasie ruchu ustalonego, nie mają decydującego wpływu na niezawodność układu napędowe
go. Istotne znaczenie mają natomiast siły spowodowane skokową zmianą opo
rów technologicznych oraz aiły uderzenia w węzłach łańcucha w przypadku występowania nadmiernych luzów lub uszkodzeń mechanicznych. Siły te od
grywają decydującą rolę w procesie generowania drgań, przenoszonych na
stępnie przez ruchome elementy łańcucha napędu na korpus głowicy kombajnu ścianowego. Wartość impulsu sił uderzenia Jest przede wszystkim zależna od sił warunkujących względne przemieszczenie elementów par kinematycz
nych w czasie ruchu nieustalonego oraz wielkości luzów w węzłach. Z tego względu szczególnego znaczenia nabiera oszacowanie wartości sił w parach kinematycznych, które występują w czasie ruchu nieustalonego, uwarunkowa
nego głównie:
- rozruchem układu,
- ekokową zmianą technologicznych sił oporu.
Całościowe więc rozwiązanie zagadnienia identyfikacji dynamicznej po- szczsgólnych elementów kinematycznych układu wymaga zastosowania specjal
nych metod teoretycznej analizy, obejmujących:
- modelowanie łańcucha kinematycznego układu napędowego głowicy kombajnu ścianowego,
- analizę amplitudowo-częstotllwośclowę, - modelowanie wymuszeń drgań,
- całkowanie dynamicznych równań ruchu,
- określenie sił wzajemnego oddziaływania w parach kinematycznych, - opracowanie algorytmów analizy numerycznej rejestrowanych sygnałów
diagnostycznych.
W procesie realizacji zadań diagnostyki wykorzystywane są dwie charak
terystyczne cechy urządzeń technicznych, a mianowicie:
1 ) struktura urządzenia, wyznaczająca jego właściwości użytkowe, 2 ) procesy wy jś c l o w e , -realizowane podczas funkcjonowania urządzenia, które obejmują ezereg zjawisk fizycznych i chemicznych.
Struktura urządzania wyznacza całokształt jego właściwości techniczno^
użytkowych założonych podczas konstruowania, określa zatem stopień przy
datności do Wypełnienia założonych zadań. Może być one opisana zbiorem mierzalnych wielkości, takich jak) wymiary i odległości części, kątowe
•lary wzajemnego ich położenia, luzy między współpracującymi elementami, apręZyatość elementów itp., które tworzę zbiór parametrów struktury.
Z uwagi Jednak na przypadkowa rozrzuty między różnymi elementami wchodzą
cymi w ekład tego samego wyrobu, jak również zróżnicowanie ich własności aakro- i mikrostr uk tu ra ln ych, rozkład ich własności geometryczno-mecha- nlcznych będzie zróżnicowany już w fazie wytwarzania. Wynika stęd, że procesy dynamiczne zachodzęce podczas ruchu tych maszyn, nawet na biegu luzem będę różne, natomlaet stopień ich wzajemnego zróżnicowania będzie zależny od wielkości przypadkowości na etapie wytwarzania. Różnice we własnościach geometryczno-mechanlcznych i wynikajęcy stęd rozrzut w cha
rakterze procesów dynamicznych poszczególnych egzemplarzy, spowoduję ostatecznie zmianę wartości parametrów struktury, których Intensywność zmian zależy głównie od doskonałości konstrukcji łańcucha kinematycznego, jakości wykonania, stosowanych materiałów itp. w praktyce Jednak, na ogół nie można wykorzystać parametrów struktury do bezpośredniej oceny stanu technicznego, gdyż nie ma możliwości zmierzenia ich wartości bez demontażu obiektu.
Podczas pracy, urzędzenia realizuję różne procesy wyjściowe, które możne podzielić n a :
- robocze, zwięzane bezpośrednio z własnościami użytkowymi funkcji celu danego urzędzenia (przemiany energetyczne, wymiana ciepła, tarcie przy współpracy elementów mechanizmów),
- towarzyszęce (szumy, drgania, obciężenia dynamiczne występujęce w ło
żyskach, zazębieniach itp.).
Procesy towarzyszęce sę dobrym nośnikiem informacji i mogę być opisane wielkościami stanowlęcymi tzw. pbrametry wyjściowe.
Ze względu na to, że stan techniczny urzędzenia mechanicznego zależy od wartości parametrów struktury, a z kolei ich zmiany powoduję zmiany wartości parametrów wyjściowych, zatem parametry wyjściowe odzwierciedla- ję charakter współpracy elementów danego urzędzenia, tzn. jego stan tech
niczny. Wzajemny zwięzek parametrów strukrury i wyjściowych pozwala trak
tować, przy zachowaniu odpowiednich warunków, również parametry wyjścio
we, Jako parametry stanu dynamicznego urzędzenia.
Wśród zjawisk to wa rz ys zę cy ch, istotne miejsce zajmuję procesy wibra
cyjne, termiczne oraz zjawisko emisji akustycznej. Wybór procesów wibr a
cyjnych, Jako źródło informacji o stanie technicznym maszyny, wynika głównie z następujęcych faktów:
«
- drgania stanowię najistotniejsze odzwierciedlenie procesów fizycznych zachodzęcych w maszynie, natomiast parametry drgań charakreryzuję za
równo ogólne właściwości maszyny. Jak również poszczególnych jej ele- msntówi
- drgania będęce nośnikiem informacji wyróżnlaję się dużę pojemnościę in fo rm ac yj nę, maję szerokie widmo, a ich parametry tworzę wektor w wielowymiarowej przestrzeni s y g n a ł ó w t
- sposób rejestracji drgań umożliwia wykonanie szybkich pomiarów i tch analizę 3kutkowo-przyczynową,
Do zasadniczych problemów diagnostyki wibracyjnej nalaży zaliczyć znalezienie sposobu rozdzielenia sygnału użytecznego oraz tworzenie ta
kiej jego miary, która by w sposób najpełniejszy odzwierciedlała stan dy
namiczny okraślonej pary kinematycznej badanego układu.
Również istotnym parametrem w procesie kontroli stanu jest temperatura obiektów technicznych i ich elementów, świadczęca o prawidłowości tetn- nicznej konstrukcji obiektu, jego wykonania i pracy, ici luj m ó w i ę c , istotne znaczenie ma nie temperatura, lecz różnica temperatur między ie»- peraturę, jakę powinien mieć obiekt lub jego element, a temperaturę jakę aktualnie ma w danej chwili, ./ięcej informacji zawiera rozkład temps^atur obiektu, a jeszcze więcej obraz cieplny obiektu, zwany termogramem.
Zagadnieniem zobrazowania stanu cieplnego ciał zajmuje się gałęź nauki i techniki, zwsna t o m o g r a f i ę , i jaj najnowsza odmiana zobrazowana w cza
sie rzeczywistym - termowizja. Termowizory mogę być wykorzystywane we wszystkich dziedzinach nauki i techniki, w których występuje przocływ ciepła. Umozliwiaję obserwacjo przebiegów termostatycznych i termokine- tycznych, prowadzenio wielu nieniszczęcych badaó diagnostycznych i eks
ploatacyjnych, ułatwiajęcych sprawdzenie pod względem cieplnym nowych konstrukcji, ich ocenę i optymalizację, wykrywanie błędów i nieprawidło
wości, ocenę stopnia zużycia, wykrywanie mostów cieplnych, czy uszkodzeń.
Obszar zjawisk wibroakustycznych możliwy do obserwacji sięga zasadniczo od dziesiętych części Hz do częstotliwości rzędu MHz, natomiast w trady- cyjnej diagnostyce drganiowej wykorzystuje się zasadniczo pasmo aku
styczne, pozostały zakres częstotliwości, szczególnie zakres 80 kHz - 0,5 MHz zwięzany Jest ze zjawiskiem emisji akustycznej, którego wy korzy
stanie w technice stwarza olbrzymie możliwości w dziedzinie kontroli b e z
pieczeństwa, jakości i niezawodności działania maszyn i urzędzeń.
Emisję akustycznę definiuje się Jako zanikajęcę falę 3prężystę, pow- stałę w wyniku gwałtownego wyzwolenia energii sprężystej nagromadzonej w materiale. Przy czym pod pojęciem materiału należy rozumieć zarówno m a teriały w postaci gruntu, betonu, ceramiki, czy taż same metale lub też kompozycje wykonane z różnych metali. Każdy z materiałów tak rozumianych ma pierwotny lub też nabyty w trakcia obróbki czy eksploatacji, ni ejedno
rodny rozkład wewnętrznej energii sprężystej. Oeśli w pewnej chwili po ja
wi się zewnętrzna przyczyna zmieniajęca rozkład energii wewnętrznej, to wówczas w pewnych obszarach materiału następ! wyzwolenie porcji energii sprężystej, a zatem emisja zanikajęcej fali sprężystej. Przyczyny powodu- Jęce wyzwolenie energii można scharakteryzować zarówno z punktu widzenia makroskopowego. Jak również mikroskopowego zmian w materiale. Z punktu widzenia makroskopowego będę to przyczyny natury mechanicznej, zmiana n a prężenia, termicznej - zmiana temperatury, chemicznej - korozja. Z kolai
akustycznę należy zaliczyć:
- ruch wakansów i dyslokacji, poślizgi na granicach ziarn, występujące głównie w mikroobszarach o dużych naprężeniach w pobliżu granicy pla styczności materiału;
- łączenie się dyslokacji, powstawanie szczelin i ich rozwój;
- przemiany fazowe w strukturze krystalicznej materiału.
Wynika stąd, Ze emisja akustyczna noże być dobrym narzędziem uzupeł
niającym inna metody w badaniach diagnostycznych maszyn.
Podstawowym problemem jaki należy tu r. wiązać., to opracowanie met o d y obróbki sygnału emisji akustycznej, umożllwiajęcej wyselakcjowanie takiujs miary, która byłaoy proporcjonalna do intensywności występującego uszko
dzenia.
Wyodrębnione, trzy dziedziny diagnozowania technicznego maszyn górni
czych, wykorzystujących.
1° procesy wibracyjne w paśmie częstotliwości akustycznych, 2° zjawisko emisji akustycznej,
3° procesy termiczne odzwierciedlające intensywność przemian cieplnych w układzie napędowym głowicy,
będą przedmiotem systemowych badań dcświadczalno-analitycznych, prowadzą
cych do ustalenia stopnia ich przydatności w procesie kontroli stanu ja
kości głowic ramieniowych.
2 . CEL I ZAKREii PRACY
Podstawowym celem pracy jest opracowanie optymalnych metod kontroli stanu dynamicznego złożonych układów mechanicznych na podstawie obserwa
cji i rejestracji sygnałów diagnostycznych obejmujących trzy dziedziny reprezentowane przez procesy wibracyjne, zjawisko emisji akustycznej oraz procesy termiczna. Badaniami objęto głównie głowice kombajnów ścianowych.
Jako podstawowych organów urabiających o złożonej strukturze konstrukcyj
nej.
Drgania generowane podczas pracy maszyn przez różne jej elementy kine
matyczne, są następnie przenoszone na korpus maszyny i tworzą zbiór syg
nałów wibracyjnych. .V oparciu o analizę rejestrowanych sygnałów wi bracyj
nych, utworzono szereg nowych estymat wymiarowych i bezwymiarowych, przed
stawiając dynamikę ich zmian w różnych punktach korpusu w zależności od obciążenia oraz kierunku obrotu układu. Wskazano na złożoność procesu diagnozowania wibracyjnego w odniesieniu do maszyn o złożonej strukturze
kinematycznej, jak również na istotną rolę zniekształceń i zakłóceń, za
leżnych od miejsca odbioru drgań na korpusie.
Opierając się na przyjętym przez Autora modelu fizycznym przeanalizowa
no teoretycznie wpływ transmitancji układu na Jednoznaczność informacji zawartych w rejestrowanych sygnałach wibracyjnych. Utworzone estymaty umożliwiły przeprowadzenie względnej klasyfikacji globalnych stanów dyna
micznych badanych głowic, Jak również niektórych jej elementów kinema
tycznych układu napędowego. Przyjęty model fizyczny łańcucha kinematycz
nego napędu głowicy umożliwił identyfikację drgań o częstotliwościach zdeterminowanych, odpowiadających określonym węzłom kinematycznym.
Oruge dziedzina badań dotyczyła wykorzystania zjawiska emisji akustycz
nej (EA) w procesie kontrolnego diagnozowania, zarówno całego obiektu, Jak również niektórych jego elementów, odpowiednio uformowanych i defor- macyjnie symulowanych podczas jednoosiowego naprężenia ściskającego. Za
projektowana w tym celu aparatura pomiarowa umożliwiała pomiar 1 reje
strację graficzną określonych estymat, odzwierciedlających głównie te ce
chy sygnałów (EA), które są odpowiedzialne za odkształcenia naprężeniowo- postaciowe, związane ze stanem dynamicznym zazębienia niektórych kół zę
batych badanego układu. Wprowadzone przez autora estymaty rejestrowanych sygnałów (EA) stanowią oryginalne uzupełnienie stosowanych dotychczas zdeterminowanych miar opisujących własności generowanych faL (EA). Wyko
rzystując wprowadzone estymaty, uzyskano istotną korelację między sygna
łami (EA) generowanymi w procesie obciążenia Jednoosiowego próbek elemen
tów kół zębatych i wału wyjściowego a sygnałami obciążonymi transmltancją w procesie pełnego obciążenia statycznego niektórych kół zębatych łańcu
cha kinematycznego głowicy. Fakt ten stanowi istotną informację, ważną z punktu widzenia metcdy projektowania układów diagnostycznych przeznaczo
nych głównie, do rozpoznawania klas zdatności stanów maszyny, obejmują
cych ultradźwiękowy przedział częstotliwości 1 stanowi nowość w świato
wych badaniach dynamicznych złożonych układów mechanicznych.
Trzecia dziadzina badań obejmowała wyznaczenie cieplnego obrazu obiek
tu w czasie rzeczywistym za pomocą aparatury termowizyjnej. Otrzymane termogramy umożliwiły przeprowadzenie oceny przebiegów termostatycznych i termokinetycznych określonych węzłów układu kinematycznego badanych gło
wic. Pozwoliło to na przeprowadzenie dokładnej analizy termicznej, umożli
wiającej rejestrację mlsjsc przegrzania, a pośrednio również ocenę inten
sywności tarcia określonych węzłów napędowych głowicy.
Głównym celem przedstawionej pracy jest określenie zmiany stanu dyna
micznego spowodowanej błędami wykonawczymi, zróżnicowaniem struktury w e wnętrznej (niejednorodność materiałowa elementów), czy też błędami monta
żowymi elementów kinematycznych, przekraczającymi dopuszczalne poziomy tolerancji wykonawczo-montażowej. Przedstawione metody kompleksowego dia
gnozowania mogą być zastosowane zasadniczo do dowolnego układu dynamicz
nego, w którym występują koła zębate, wały oraz łożyska.
Wstępna faza badań dotyczyła modelowego przedstawienia układu napędo
wego głowicy KGS-320, w oparciu o który wyznaczono wzajemne oddziaływa
nia siłowe i reakcje w parach kinematycznych oraz obliczono częstotliwo
ści rezonansowe określonych elementów układu. Zamiarem autora było zwró
cenie szczególnej uwagi na ujawnienie związku przyczynowego pomiędzy wielkościę oddziaływań dynamicznych w poszczególnych parach kinematycz
nych a intensywnością generowanych sygnałów zarówno wibracyjnych, jak również w paśmie częstotliwości ultradźwiękowych.
W pierwszej części pracy, poświęconej zagadnieniom diagnostyki wibro- akustycznej, wskazano na złożoność procesu identyfikacji dynamicznej, w y kazując jednocześnie. Ze realizacja proóesu diagnostycznego winna być prowadzona przy uwzględnieniu całej złożoności procesów stochastycznych, generowanych przez maszynę. Pokazano następnie szereg nowych modyfikacji wykorzystania dla celów diagnostycznych ogólnie znanych estymat, takich Jak: funkcja gęstości widmowej mocy, funkcje cepstrum i innych. Utworzone na ich podstawie miary, zarówno wymiarowe jak i bezwymiarowe w postaci' współczynników pasmowych gęstości i widmowej mocy, czy współczynników Rice'a, stanowiły oryginalny wkład Autora w dziedzinę diagnozowania zło
żonych układów mechanicznych. Nowo wprowadzone estymaty umożliwiają poda
nie kryteriów klasyfikacyjnych, zarówno w odniesieniu do globalnego stanu dynamicznego. Jak również umożliwiają identyfikacje stanu niektórych ele
mentów kinematycznych głowic, których częstotliwości charakterystyczne zostały ujawniona w widmach rejestrowanych sygnałów.
W części drugiej przedstawiono wyniki badań zastosowanej po raz pier
wszy przez Autora metody (EA), służącej głównie do oceny stanu zmian kon
centracji naprężeń w elementach głowicy w procesie badań stanowiskowo-la- boratoryjnych. Otrzymane wyniki badań metodą (EA) stanowią ważne uzupełr nlenle stosowanych metod diagnostycznych, opisując głównie zmiany struktu
ralne niektórych elementów, zarówno w skali mikro-, jak również makrosko
powej .
w trzeciej części, uzupełniającej niejako. Autor wskazał na istotną rolę zjawisk cieplnych często niedocenianych w procesie diagnozowania obiektów mechanicznych. Temperatura Jako parametr fizyczny, a w szczegól
ności Jej zmiany w czasie, wyznaczone np. przez rozkłady temperaturowe na powierzchni korpusu w określonych punktach węzłowych, stanowią również źródło istotnych informacji o przebiegu procesów cieplnych zachodzących w maszynach. Przeprowadzone badania stanowiskowe potwierdziły przydatność pomiaru promieniowania podczerwonego do określenia rozkładów termicznych badanych głowic ramieniowych.
3. ZAGADNIENIA WSPÓŁCZESNEJ DIAGNOSTYKI WIBRACYJNEJ
Podczas pracy maszyn, zachodząca w nich procesy robocze wzbudzają drga
nia, które następnie przenoszone są przez elementy samej maszyny i otacza
jące ją środowisko. Każdemu z tych procesów w dowolnej chwili czasu odpo
wiada pewien stan urządzenia, czyli ogół cech wewnętrznych obiektywnie charakteryzujących dane urządzenie. Dokładne rozpoznanie stanów, odpowia
dających generowanym procesom, jakie urządzenie może przyjmować w różnych warunkach pracy, stanowi przedmiot badań diagnostycznych [7, 19] omawia
nych w niniejszej publikacji.
Badania diagnostyczne mogą być prowadzone w sposób teoretyczny lub do
świadczalny. w przypadku badań teoretycznych "buduje się" model fizyczny urządzenia, uwzględniając badany proces a następnie opisuje się go za po
mocą równań matematycznych [44] , których rozwiązania pozwalają wyciągnąć szereg istotnych wniosków, przydatnych następnie w badaniach doświadczal
nych ¡8] .
Duże i skomplikowane urządzenia mechaniczne, które coraz częściej s t o
sowane są w górnictwie, modeluje się nie jako jeden system, lecz jako zbiór mniejszych systemów (posystemów), reprezentujących Jego podzespoły lub niektóre nawet elementy. Podział taki jest uwarunkowany z jednej st ro
ny konstrukcją rozpatrywanego urządzenia, zaś z drugiej strony celem i sposobem prowadzenia badań. W takim zbiorze poszczególne systemy mogą po
przez swoje wyjścia oddziaływać na inne podsystemy, natomiast poprzez wejścia podlegać mogą oddziaływaniu innych systemów. Mogę tu wystąpić od
działywania Jednostronne, obustronne, czyli ze sprzężeniem zwrotnym lub też może się zdarzyć, że określone systemy nie oddziaływają na siebie, co oznacza, że są one od siebie niezależne. Przyjmując np., że urządzenie dało się podzielić na szereg podsystemów P1 ,Pg,•••,P^» które następnie udało się dokładnie przebadać, znajdując dla każdego z nich transformację stanów i wykres kinematyczny, a ponadto zostały dodatkowo rozpoznane i przebadane sprzężenia, jakie występują w tym zbiorze, to taki zbiór bę
dzie wówczas znany. Oznacza to, że na podstawie znajomości stanów podsy
stemów, jak również sposobów sprzęgania, można przewidzieć stany przyszło
ściowe całego urządzenia.
W analogiczny sposób jak podsystemy modelu, w urządzeniach rzeczywi
stych sprzężone są procesy wyjściowe, zachodzące w badanym urządzeniu.
Ma to istotne znaczenie dla samych badań diagnostycznych ze względu na fakt, że stany, które zaistniały przy znanych wartościach parametrów w e j ścia, zawierają w sobie wiele istotnych informacji dotyczących badanego urządzenia, wynika stąd np. to, że stany procesu ruchu drgającego głowic kombajnowych występujące przy różnych warunkach pracy, odzwierciedlają m.in własności dynamiczne układu napędowego, jak równi6ż obciążenia s t o chastyczne, występujące na zębach organu urabiającego w warunkach eksploa
tacji. Z kolei obciążenia dynamiczne na zębach przekładni zębatej zawie
raj? również m.in. informacje o sztywnościach zazębienia [27] . Informacje te nie s? jednak podawane bezpośrednio, lecz występuję one w postaci za
kodowanej. Podstawowym celem identyfikacji dynamicznej maszyny jest roz
szyfrowanie takiej zakodowanej w sygnale informacji, co stanowi zagadnie
nie równie trudne, co ważne. Podstawowe własności obiektu badań uwidocz
niaj? się podczas jego funkcjonowania, w określonych ściśle ustalonych warunkach laboratoryjnych. Z tego względu istotnym zagadnieniem jest po
danie takiego sposobu postępowania diagnostycznego, aby było ono możliwie najefektywniejsze, zarówno w sensie pr akseologicznym, jak i ekonomicznym.
Ogólny schemat powstawania diagnostycznego sygnału wibroakustycznego w o- biekcle mechanicznym przedstawiono na ry?. 3.1 [ló] . Podstawowymi źródła
mi generacji sygnału s? pary kinematyczne układu dynamicznego 3, które
Obiekt Urcądiente diagnostyczne
Rys. 3.1. Schemat powstawania sygnału wibroakustycznego
1 - ci?g Impulsów uderzeniowych, 2 - sygnał odniesienia, 3 - źródło syg
nału (elementu maszyny), 4 - kodowanie sygnału, 5 - kadłub maszyny, 6 - zakłócenia, 7 - czujnik drgań, 8 - mikrofon, 9 - układ rozdzielenia syg
nału, 10 - układ pomiaru parametrów sygnału, x 1 ,x2 ,...,xn - rzeczywiste wartości parametrów struktury par kinematycznych, s 1 ,s2 ,...,sn - sygnały par kinematycznych, s (t ) - diagnostyczny sygnał drganiowy, s(t)- diagno
styczny sygnał h a ł a s o w y , 8 '^,s2 , nego, x 1 <x^,
,,8 ^ - składowa sygnału wibroakustycz- , ,xn - zmierzone wartości parametrów struktury Fig. 3.1. Diagram of formation of vibro-acoustic signal
1 - Impact pulse train, 2 - reference signal, 3 - signal source (of m a chine element), 4 - signal coding, 5 - machine frame, 6 - interferences, 7 - vibration gauge, 8 - microphone, 9 - signal separation system, 10 - signal parameters measuring system, x1 ,x2 ,...,xn - real values of kinema
tic couples structure parameters, s 1(s2 ,...,sn - kinematic couples signals, s(t)- diagnostic noise signal, s^,s2 ... s ^- vibro-acoustic signal compo
nents, x^.Xg,....x^ - measured values of structur parameters
w wyniku zderzeń części wytwarzają ciąg periodycznych impulsów uderzenio
wych 1. Wszystkie elementy obiektu pracują w określonej kolejności, gene
rując zdarzenia w parach kinematycznych. Rozpatrując zatem położenie im
pulsu uderzeniowego względem sygnału odniesienia 2 , można określić parę kinematyczną, która go wytworzyła, W wyniku zderzenia określonych elemen
tów kinematycznych powstają drgania, w których eą zakodowane informacje o stanie określonej pary kinematycznej. Informacje te są określone przez czasowe położenie impulsu tQ , długość Jego trwania tz , amplirudę A oraz Jego kształt. Generowane drgania rozprzestrzeniają się w ośrodku 5, sta
nowiącym zabudowany układ dynamiczny maszyny i docierają do przetworników energii 7, 8 , przekazując informacje o charakterze wzajemnego oddziaływa
nia części, a tym samym o ich stanie technicznym. Przetwornik 7 słuZy do percepcji drgań i jest z reguły czujnikiem piezoelektrycznym. W zewnę
trznym obwodzie czujnika można wykonywać kolejne całkowania i uzyskać w ten sposób sygnał proporcjonalny do prędkości lub przemieszczenia drgań.
Równolegle można również stosować przetwornik 8 , będący mikrofonem kon
densatorowym, który przetwarza zmiany ciśnienia akustycznego na sygnał elektryczny. Wynika stąd. Ze istnieje możliwość oceny stanu par kinema
tycznych maszyny poprzez pomiar odpowiednich parametrów drgań lub hałasu.
Oednak należy tu zwrócić uwagę na fakt, ża drgania rejestrowane są z re
guły na korpusie maszyny i z tego względu należy uwzględnić wpływ trans- mitancji sygnałów na efektywność diagnostyczną jednoznaczności niektó
rych estyaat, odzwierciedlających stan dynamiczny określonych węzłów kine
matycznych. Zagadnienie to będzie przedmiotem szczegółowej analizy teore
tycznej. Z przetworników 7, 8 sygnał elektryczny Jest podawany do urzą
dzeń 9 1 10 rozdzielania, przetwarzania i pomiaru określonych parametrów.
Wyjściowy sygnał wibroakustyczny e(t) stanowi sumaryczny zbiór oddziały
wania wszystkich elementów kinematycznych. Z zagadnieniem tym wiążą się dwa podstawowe problemy, których rozwiązanie etanowi przedmiot badań w i e lu prac z tej dziedziny. Pierwszy problem jest związany ze znalezieniem skutecznych sposobów rozdzielenia sygnału wyjściowego s(t) na składowe s 1 ,s2 ,...,sn . z których każda winna odzwierciedlać stan dynamiczny okre
ślonej pary kinematycznej. Natomiast drugi problem dotyczy zagadnienia pomiarów wartości określonych parametrów oraz przeprowadzenia na ich pod
stawie oceny wartości parametrów struktury. Zagadnienia te będą przedmio
tem szczegółowej analizy w odniesieniu do głowic kombajnowych w przedło
żonej rozprawia.
4. OPIS TECHNICZNY OBIEKTU BADAŃ
Przedmiotem badań i szczegółowej analizy diagnostycznej były głowice ramieniowe kombajnów ścianowych KGS-320, które prowadzono na specjalnym stanowisku pomiarowym w ramach odbioru technicznego nowych wyrobów. Kom
bajn węglowy KGS-320 z bezclęgnowym systemem posuwu POLTRAK II jest płytkozabiorczym dwuramieniowym kombajnem średniej mocy. Przeznaczony jest do dwukierunkowego mechanicznego urabiania i ładowania węgla w ścia
nowym systemie eksploatacji bezwnękowej na przenośniku zgrzebłowym RYBNIK 73 w pokładach grubych o wysokości do 3,4 m.
Kombajny węglowe, Jako główne urządzenia urabiające, produkowana są w kilku odmianach, które wynikają z zakresu wysokości urabiania, zainsta
lowanej mocy, siły pociągowej oraz prędkości posuwu, które decydują o w y dajności kombajnu. Kombajny typu KWB mają napędowe silniki elektryczne w korpusie maszyny, przy czym Jeden z silników napędza organ urabiający oraz mechanizm posuwu, a drugi tylko organ urabiający. Taki układ obcią
żania silników stwarza niekorzystny podział mocy między organ urabiający a mechanizm posuwu, co w konsekwencji odbija się niekorzystnie na prędko
ści posuwu, a więc wydajności kombajnu [43] . Dla uniknięcia tych niedo
godności skonstruowano w CMG-KOMAG kombajn typu KGS-320, w którym silniki napędzające bębny urabiające zlokalizowano w ramionach, a silnik napędza
jący mechanizm posuwu o mocy 60 kw znajduje się w korpusie. W skład kom
bajnu wchodzą dwie głowice. Jedna zamontowana na zabiór prawy, druga na zabiór lewy. Do napędu głowicy zastosowano silnik elektryczny typu SKKB 315-4, o mocy 132 kw. Głowica kombajnowa stanowi ruchome ramię, spełnia
jące rolę przekładni przenoszącej napęd z silnika elektrycznego, zainsta
lowanego bezpośrednio w ramieniu, na wał główny kombajnu z osadzonym na nim organem urabiającym. Schemat kinematyczny głowicy kombajnu KGS-320 wraz z wyszczególnieniem wałów (I I-VII), kół zębatych oraz łoZysk tocznych (1-15) przedstawiono na rys. 4.1. Ramię stanowi jednolitą komorę, w której smarowanie kół zębatych i łoZysk jest zanurzeniowo-rozbryzgowe.
Schśmat złożeniowy układu napędowego głowicy ramieniowej KGS-320 podano na rys. 4.2.
*132(kW]
Rys. 4.1. Schemat kinematyczny układu napędowego głowicy KGS-320 Fig. 4.1. Kinematic diagram of the power transmission system of the head
KGS-320
rig. 4.2. Assembly diagram of rocker transmission gear of the combine KGS-320
5. FIZYCZNE PRZYCZYNY DRGAŃ GENEROWANYCH W UKŁADACH MECHANICZNYCH
Podstawowymi elementami każdego urządzenia mechanicznego aą wały, ło
żyska i koła zębate, które odpowiednio ze sobą połączone tworzą złożone konstrukcje, cechujące się praktycznie nieograniczoną liczbą stopni swo
body. Do zasadniczych mechanicznych przyczyn drgań należy zaliczyć wystę
powanie sił bezwzładności podczas ruchu elementów ze zmiennymi przyspie
szeniami, sił tarcia oraz eił impulsowych, spowodowanych zderzeniami współpracujących części na skutek istnienia luzów. Istnienie luzów w pa
rach kinematycznych maszyny stanowi główną przyczynę występowania zderzeń, w wyniku których powstają siły impulsowe o znacznej intensywności i krót
kim czasie trwania. Z uwagi na występujące sprzężenia zwrotne w elemen
tach dynamicznych układu napędowego. Jak również częstotliwości charakte
rystyczne, odzwierciedlające pasma wzmożonej emisji drgań tych elementów główne przyczyny drgań podstawowych elementów kinematycznych układu napę
dowego głowicy przeanalizowane zostaną niżsj.
5.1. Drgania wymuszone wałów
Pomimo Ze wały w swej konstrukcji stanowią bardzo proste elementy ma
szyn, spełniają jednak dość liczne 1 ważne zadania dynamiczne. Wały, łą
cząc z reguły między sobą magazyny energii kinetycznej, wprowadzają rów
nież do układów magazyn energii potencjalnej wynikającej ze sprężystości samego wału. Układy zawierające te dwa rodzaje magazynów energii charak
teryzują się możliwościami występowania zjawisk rezonansowych, wynikają
cych ze sposobu przepływu energii, których amplitudy drgań mogą osiągać znaczne wartości ze względu na małe rozproszenie energii, Jakie ma miej
sce w elementach dysypacyjnych. Ze względu na znaczną moc przenoszoną przez wały, znajomość właściwości dynamicznych wału i mas wirujących o d grywa decydującą rolę przy prawidłowym konetrułowaniu i eksploatacji każ
dego urządzenia mechanicznego. Przenoszenie momentów zginających 1 sk rę ca
jących przez wał w określonych zmiennych warunkach obciążeń może powodo
wać drgania wymuszone giętne i skrętne. Ponadto, równoczesne współistnie
nie magazynów energii kinetycznej i potencjalnej w układach mechanicznych umożliwia występowanie samowzbudnych drgań giętnych i skrętnych. Znane są z praktyki przypadki, że wały wirujące niektórych urządzeń mogą, przy pewnych częstotliwościach obrotów, przechodzić w stan dynamicznie niesta
bilny i wykonywać drgania o dużych amplitudach [2l] . Zjawisko to jest wyjątkowo niebezpieczne, prowadzi ono bowiem do szybkiego pogorszenia stanu technicznego całego urządzenia, a w konsekwencji do jego awarii.
Do podstawowych przyczyn drgań wałów należy zaliczyć niewyważenle, nleosiowość oraz zgięcie wału. Zarówno czas wyważenia, jak również Jego
