ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΒΛΑΒΩΝ ΓΡΑΝΑΖΙΩΝ

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ & ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ & ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΒΛΑΒΩΝ ΓΡΑΝΑΖΙΩΝ έκδοση GRD-2015b

2 Copyright Ε.Μ.Π Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Εργαστήριο Δυναμικής και Κατασκευών κτ. Μ αιθ. Μ002 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Απαγορεύεται η χρήση, αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας παρουσίασης, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για πάσης φύσεως εμπορικό ή επαγγελματικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσεως, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Πληροφορίες Δρ. Ι. Αντωνιάδης, Καθηγητής, antogian@central.ntua.gr, Δρ. Χ. Γιακόπουλος, ΕΔΙΠ, chryiako@central.ntua.gr,

3 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή 2. Σπασμένος οδόντα γραναζιού (broken, cracked or chipped gear teeth) 3. Ακατάλληλος τζόγος & ταλαντούμενα γρανάζια (backlash problems and oscillating gears) 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια (misaligned gears) 5. Περιφερειακές ανομοιομορφίες γραναζιών (gears with high places) 6. Χαραρότητα γραναζιών (gear looseness) 7. Φθαρμένα γρανάζια (worn gears)

4 1. Εισαγωγή

5 1. Εισαγωγή: Βασικές έννοιες Gear terminology Mechanical 3rd Sem GTU Gear thread

6 1. Εισαγωγή: Βασικές έννοιες Ο τζόγος είναι απαραίτητος για να καλυφθούν κατασκευαστικές αποκλίσεις, προσφέρει χώρο για τη λίπανση και για τη θερμική διαστολή. 1. Περιφερειακός τζόγος (Circular backlash ) j t [mm/in] 2. Κανονικός τζόγος (Normal backlash) j n [mm/in] 3. Κεντρικός τζόγος (Center backlash) j r [mm/in] 4. Γωνιακός τζόγος (Angular backlash) j Θ [deg] Backlash of gears

7 1. Εισαγωγή: Εμπλοκή γραναζιών Συνεργαζόμενο γρανάζι *1 Πινιόν γρανάζι *2 Simulation Gear Train The radial runout of root clearance on a gear set *1 τροχιά: κορυφή οδόντα ρίζα οδόντα *2 τροχιά: ρίζα οδόντα κορυφή οδόντα

8 1. Εισαγωγή: απόκριση γραναζιών Συνεργαζόμενο γρανάζι Pitch Line τροχιά επαφής γραναζιών πριν το σημείο βήματος (Leading edge) A σημείο βήματος (pitch point) P τροχιά επαφής γραναζιών μετά το σημείο βήματος (Lagging edge) Πινιόν γρανάζι Pitch Line 1/f mesh B C sec Q 2 Q 1 σημείο μετάβασης οδόντων (Point of tooth transition)

9 1. Εισαγωγή: υπολογισμός συχνότητας εμπλοκής γραναζιών n οδόντες N οδόντες f mesh = n f r1 = N f r2 f r1 f r2 Ένα καλό ζευγάρι γραναζιών μπορεί να λειτουργεί ικανοποιητικά έως 20 έτη. Τα έτη καλής λειτουργίας εξαρτώνται από: Το φορτίο Τη λίπανση Την ταχύτητα περιστροφής Την επιφανειακή σκληρότητα Λοιποί παράγοντες

10 1. Εισαγωγή: πληροφορίες κανονικής εμπλοκής γραναζιών Κανονικό/φυσιολογικό επίπεδο κραδασμών f G f p f mesh 2fmesh 3f mesh συχνότητα [Hz]

11 1. Εισαγωγή: υπολογισμός συχνότητας εμπλοκής ίδιων οδόντων γραναζιών φθορά f p =20 Hz T p =25 οδόντες f G =4,35 Hz T G =115 οδόντες HTF (hunting tooth frequency) = 1 / [(L/U) (1/f)] L ελάχιστο κοινό πολ/σιο του πλήθους των οδόντων των συνεργαζόμενων γραναζιών U μη κοινός παράγοντας του πλήθους των οδόντων των συνεργαζόμενων γραναζιών f συχνότητα περιστροφής άξονας έδρασης γραναζιού

12 1. Εισαγωγή: υπολογισμός συχνότητας εμπλοκής ίδιων οδόντων γραναζιών Οπότε... 2 κοινοί παράγοντες C = 1 & 5 T p =5*5=C p *U p =25 T G =5*23=C G *U G =115 + U p =5 U G =23 L=U p *U G =5*23=115 HTF=1/[(L/U p )*(1/f p )]= 1/[(L/U G )*(1/f G )]=0,87 Hz Το πινιόν θα περιστραφεί r p =23 (r p =L/U p ) φορές ώστε ένας οδόντας του να εμπλακεί ξανά με τον ίδιο οδόντα από το συνεργαζόμενο γρανάζι. Τοσυνεργαζόμενογρανάζιθακάνει r G =5 (r G =L/U G )περιστροφές γιαεμπλακείξανάμετονίδιοοδόντααπότοπινιόν.

13 1. Εισαγωγή: υπολογισμός συχνότητας εμπλοκής ίδιων οδόντων γραναζιών εάν οι οδόντες εμφανίζουν φθορά... Η HTFδιαμορφώνεικατάπλάτοςτις f p και f G πλάτο ος HTF f G Πλευρικές αιχμές HTF f p 2HTF f mesh Hz

14 1. Εισαγωγή: κοινός παράγοντας πλήθους οδόντων γραναζιών Ο παράγοντας C καθορίζει τη διαμόρφωση (pattern) της φθοράς στα γρανάζια C = 1 κάθε οδόντας εμφανίζει φθορά C = 2 κάθε 2 ος οδόνταςεμφανίζειφθορά C = 3 κάθε 3 ος οδόνταςεμφανίζειφθορά Ο παράγοντας C καθορίζει τη διάρκεια ζωής των γραναζιών Κοινός παράγοντας C % αναμενόμενη διάρκεια ζωής γραναζιών

15 1. Εισαγωγή: κοινός παράγοντας πλήθους οδόντων γραναζιών κοινός παράγοντας C = 5 κάθε 5 ος οδόντας εμφανίζει φθορά φθαρμένοι οδόντες στο πινιόν φθαρμένοι οδόντες στο συνεργαζόμενο γρανάζι U p *f p =5*20(=U G *f G =23*4,35)=100 Hz ή 1/5 f mesh 1/f G 1/f p 1/5f mesh 1/f mesh A sec 115 εμπλεκόμενοι οδόντες 25 εμπλεκόμενοι οδόντες

16 1. Εισαγωγή: φαντασματική συχνότητα γραναζιών Η φαντασματική συχνότητα ( Ghost frequency) προκαλείται από τη μηχανή κοπής στην οποία κατασκευάζεται το γρανάζι. Ο φυσικός μηχανισμός της δημιουργίας αυτών των συχνοτήτων σπάνια ερμηνεύεται. Οι κατασκευαστές εφαρμόζουν συγκεκριμένους ελέγχους/διαδικασίες για να πιστοποιήσουν την ποιότητα των παραγόμενων γραναζιών. Όταν οι φαντασματικές συχνότητες εμφανισθούν, ο κατασκευαστής εντοπίζει την μηχανή κοπής, στην οποία κατασκευάστηκε το συγκεκριμένο γρανάζι, και προβαίνει σε σχετικές επισκευές ή ρυθμίσεις ώστε να διορθώσει το πρόβλημα που προέκυψε. Μηχανή ελέγχου γραναζιών (μέθοδος εφαρμογής: Single/double flank rolling method) DoubleFlankGearRollInspMachines.pdf

17 2. Σπασμένος οδόντας γραναζιού ρωγμή οδόντα σπασμένο τμήμα οδόντα ολοκληρωτική απώλεια οδόντα

18 2. Σπασμένος οδόντας γραναζιού: μηχανισμός βλάβης f p f G αποσβενόμενος κρουστικός παλμός σπασμένος οδόντας 1/fn Α1 χρόνος [sec] fn... διεγηρόμενη ιδιοσυχνότητα

19 2. Σπασμένος οδόντας γραναζιού: ανάλυση απόκρισης 1 σπασμένος οδόντος διαμορφομένο κατά πλάτος σήμα 1/f G 1/f G 1/f G 1/f G 1/f G 1/f G 1/fn πεδίο χρόνου Α χρόνος [sec] ʄ fn f G 2* f G fn - 2* f G fn - f G fn + 2* f G fn + 2* f G πεδίο συχνότητας 0 συχνότητα [Hz]

20 2. Σπασμένος οδόντας γραναζιού: ανάλυση απόκρισης 1/f G διαμορφομένο κατά πλάτος σήμα 1/f G 1/f G 2 αντιδιαμετρικά σπασμένοι οδόντες 1/2f G 1/2f G 1/fn 1/2f G πεδίο χρόνου Α χρόνος [sec] Δφ ~ 180 ο ʄ fn f G 2* f G 4* f G fn - 4* f G fn - 2f G fn + 2* f G fn + 4* f G πεδίο συχνότητας 0 συχνότητα [Hz]

21 2. Σπασμένος οδόντας γραναζιού: διαμόρφωση κατά πλάτος 1/ f G AITIO... διαμορφώνον σήμα Α1 1/f n χρόνος [sec] ʄ 0 f G Α2 συχνότητα [Hz] ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ... φέρον σήμα 0 f n 1/fn 1/ f G 1/ f G 1/ f G 1/ f G 1/ f G 1/ f G ΑΠΟΚΡΙΣΗ... διαμορφομένο χρονικό σήμα χρόνος [sec] ʄ Α1/2 Α2 Α1/2 συχνότητα [Hz] 0 fn- f G fn fn+ f G

22 2. Σπασμένος οδόντας γραναζιού: Αποδιαμόρφωση ακατέργαστο μετρούμενο σήμα x R (t) ʄ Ζωνοπερατό φίλτρο Hz Ζωνοπερατό φίλτρο ~ 1000 FL ΔF2 ΔF1 FH order 1 < order 2 ΔF1 > ΔF2 φιλτραρισμένο σήμα x F (t) Hilbert transform 1/ f G ʄ f G 2f G 3f G 4f G Hz aποδιαμορφωμένο σήμα (envelope) ~ 1000

23 2. Σπασμένος οδόντας γραναζιού : Εξέλιξη βλάβης Χρονική κυματομορφή (πεδίο χρόνου) Φάσμα (πεδίο συχνότητας) Κύρτωση ʄ 1. Αύξηση ενέργειας 2. Αύξηση πλατών 1. Αύξηση ενέργειας διεγερμένων περιοχών 2. Αύξηση πλατών αιχμών 3. Αύξηση πλήθους πλευρικών αιχμών σε υψίσυχνη διεγερμένη περιοχή 4. Αύξηση πλήθους αρμονικών συνιστωσών

24 3. Ακατάλληλος τζόγος & ταλαντούμενα γρανάζια Axle Gear Swap - dial Indicator Measure Backlash

25 3. Ακατάλληλος τζόγος & ταλαντούμενα γρανάζια: αιτίες κύκλοι βήματος Αιτίες... τζόγος σπασμωδική κίνηση κανονική σύζευξη γραναζιών μη κανονική σύζευξη γραναζιών ασθενής φόρτιση ανεπαρκής ηλεκτρική τροφοδοσία του κινητήρα εκκεντρότητα γραναζιών

26 3. Ακατάλληλος τζόγος & ταλαντούμενα γρανάζια: μηχανισμός βλάβης ανεπαρκής τζόγος λόγω εκκεντρότητας Συνεργαζόμενο γρανάζι F G F p F G F p έμπρός πίσω κίνηση Πινιόν γρανάζι

27 3. Ακατάλληλος τζόγος & ταλαντούμενα γρανάζια: μηχανισμός βλάβης Έκκεντρα γρανάζια γωνιακά μεταβαλόμενος τζόγος Α Β Β Α Δj A Δj B >Δj A Δj B γωνιακά μεταβαλόμενες δυνάμεις F p & F G προβλήματα στη μεταφορά κίνησης/ισχύος

28 3. Ακατάλληλος τζόγος & ταλαντούμενα γρανάζια: ανάλυση απόκρισης 1/f p 1/f p sec 1/f n 1/f mesh 1/2f mesh άνισες επιφάνειες εμπλοκής ή προβλήματα μεταφοράς ισχύος sec Δφ ~ 180 ο

29 3. Ακατάλληλος τζόγος & ταλαντούμενα γρανάζια : ανάλυση απόκρισης διαμόρφωση φάσης για τη 2 η αρμονική της f mesh ʄ 2 x 106 2f mesh 1.5 f G 1 f p 0.5 -f p f n +f p f mesh -f p +f p -f p +f p Hz

30 3. Ακατάλληλος τζόγος & ταλαντούμενα γρανάζια: αποτύπωμα φθοράς πινιόν συνεργαζόμενο γρανάζι Κανονικό ή επιθυμειτό αποτύπωμα Ορθός τζόγος Απευθυγραμμισμένα γρανάζια Ορθά ευθυγραμμισμένα γρανάζια Μείωση τζόγου Ορθά ευθυγραμμισμένα γρανάζια Αύξηση τζόγου

31 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια Ansys Workbench FEA of misaligned gears in impact

32 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια: αιτίες Αιτίες... Κακή συντήρηση Χαλαρή στήριξη στον άξονα Υποχώρηση ρουλεμάν Λοιποί παράγοντες

33 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια: αποτύπωμα φθοράς αποτύπωμα απευθυγραμμίας (Α) ορθή ευθυγράμμιση και (Β) απευθυγραμμία

34 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια: μηχανισμός βλάβης ισχυρές καμπτικές δυνάμεις που φρενάρουν την κίνηση των γραναζιών Το εμπλεκόμενο δόντι του πινιόν για να υπερβεί την αντίσταση στη φορτισμένη περιοχή λόγω απευθυγραμμίας... συνεργαζόμενο γρανάζι συνεργαζόμενο γρανάζι ζώνη φόρτισης F 2 F 1 πινιόν 1 2 α β πινιόν 1 2 α β παράγοντας ταλαντώσεις αρμονικές της θεμελιώδους εμπλοκής ωθεί και ξανά ωθεί

35 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια: μηχανισμός βλάβης συνεργαζόμενο γρανάζι Κάθε επόμενο οδόντα, οι δυνάμεις μεταβάλλονται (αυξάνονται μειώνονται) α 1 συνεργαζόμενο γρανάζι β 2 γ πινιόν 3 α 1 β 2 γ 3 πινιόν παράγονται ταλαντώσεις διαφορετικού πλάτους για κάθε ζευγάρι εμπλεκόμενων γραναζιών (επιπλέον, διφορετικά πλάτη οδόντων) πινιόν συνεργαζόμενο γρανάζι α 1 β 2 γ 3

36 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια: ανάλυση απόκρισης μεταβαλλόμενα πλάτη ταλαντώσεων σε κάθε νέα εμπλοκή των γραναζιών 1/f mesh 1/2f mesh 1/3f mesh πλάτος sec ʄ πλάτοςfmesh 2fmesh 3fmesh Hz

37 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια: εξέλιξη φθοράς πλάτος f mesh 2f mesh 3f mesh 4f mesh 5f mesh Hz χειροτέρευση βλάβης αύξηση πλάτους ή/και αρμονικών συνιστωσών

38 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια: παρατήρηση 1 απευθυγραμμία συνδυασμένη με εκκεντρότητα μεγαλύτερα πλάτη πλευρικών αιχμών στην άνω πλευρά f p 2* f p f mesh - 2* f p f mesh - f p f mesh f mesh + f p f mesh + 2* f p p 0 φέρον & διαμορφώνον σήμα σε φάσης συχνότητα [Hz]

39 4. Απευθυγραμμισμένα γρανάζια: παρατήρηση 2 απευθυγραμμία συνδυασμένη με χαλαρότητα γραναζιών μεγαλύτερα πλάτη πλευρικών αιχμών στην κάτω πλευρά f p 2* f p f mesh - 2* f p f mesh - f p f mesh f mesh + f p f mesh + 2* f p 0 φέρον & διαμορφώνον σήμα εκτός φάσης συχνότητα [Hz]

40 5. Περιφερειακές ανομοιομορφίες γραναζιών

41 5. Περιφερειακές ανομοιμορφίες γραναζιών: αιτίες Αιτίες... Σφάλμα κατασκευής Μη επαναφορά μορφής γραναζιού στην περιοχή των ακτίνων κατά την ψύξη μετά από θέρμανση για εγκατάσταση σε άξονα Διαστολή μεγαλύτερη στην περιοχή των ακτίνων στην θερμοκρασία λειτουργίας Απροσδιόριστη σκλήρυνση γραναζιού

42 5. Περιφερειακές ανομοιμορφίες γραναζιών: μηχανισμός βλάβης 8 1 f shaft 2 ανομοιμορφίες στις ακτίνες 7 3 ΔΤ = (1 / f shaft ) / δυσκολίες εμπλοκής κλιμακωτή αύξηση φορτίου 4 1/f mesh μεταβολή φόρτισης

43 5. Περιφερειακές ανομοιμορφίες γραναζιών: ανάλυση απόκρισης 1 / f shaft ΔΤ = (1 / f shaft ) / sec ΔΤ = (1 / f shaft ) / 8 1 / f mesh sec μικρό πρόβλημα μεταφοράς κίνησης

44 5. Περιφερειακές ανομοιμορφίες γραναζιών: ανάλυση απόκρισης 1 / f shaft ΔΤ = (1 / f shaft ) / 8 1 / f mesh sec διαμόρφωση κατά πλάτος ʄ f o = 1/ΔΤ f mesh f shaft f o f mesh - 2f o f mesh - f o f mesh + f o f mesh + 2f o 0 συχνότητα [Hz]

45 5. Περιφερειακές ανομοιμορφίες γραναζιών: αποδιαμόρφωση ακατέργαστο μετρούμενο σήμα x R (t) ʄ Ζωνοπερατό φίλτρο Hz Ζωνοπερατό φίλτρο ~ 1000 FL ΔF2 ΔF1 FH order 1 < order 2 ΔF1 > ΔF2 φιλτραρισμένο σήμα x F (t) Hilbert transform ʄ f ο1/ fο 2f ο 3f ο 4f ο Hz aποδιαμορφωμένο σήμα (envelope) ~ 1000

46 6. Χαραρότητα γραναζιών

47 6. Χαλαρότητα γραναζιών: αιτίες Αιτίες... Κακή συντήρηση Χαλαρή στήριξη στον άξονα Χαλαρά έδρανα

48 6. Χαλαρότητα γραναζιών: μηχανισμός βλάβης Συνεργαζόμενο γρανάζι F G F p F G F p ταλάντωση 2 4 επαφές Πινιόν γρανάζι σε κάθε κύκλο διεγείρονται 2 4 αρμονικές της συχνότητας εμπλοκής οι επαφές των μεταλλικών επαφών διεγείρουν ιδιοσυχνότητες αύξηση επιπέδου θορύβου

49 6. Χαλαρότητα γραναζιών: ανάλυση απόκρισης κύκλος εμπλοκής κάθε κύκλος εμπλοκής γραναζιών διαφορετικός των άλλων διαφορετικό πλήθος, φάση και πλάτος αρμονικών (κορυφών) σε κάθε κύκλο msec πρόβλημα μετάδοσης κίνησης, διακυμάνσεις περί τους κύκλους βήματος, ανομοιόμορφα πλάτη οδόντων

50 6. Χαλαρότητα γραναζιών: ανάλυση απόκρισης απευθυγραμμία συνδυασμένη με χαλαρότητα γραναζιών μεγαλύτερα πλάτη πλευρικών αιχμών στην κάτω πλευρά f p 2* f p f mesh - 2* f p f mesh - f p f mesh f mesh + f p f mesh + 2* f p 0 φέρον & διαμορφώνον σήμα εκτός φάσης συχνότητα [Hz]

51 απολέπιση επιφάνειας 7. Φθαρμένα γρανάζια

52 Αναφορές Tooth Flank Fracture Basic Principles and Calculation Model for a Sub-Surface-Initiated Fatigue Failure Mode of Case-Hardened Gears _Basic_Principles_and_Calculation_Model_for_a_Sub-Surface- Initiated_Fatigue_Failure_Mode_of_Case-Hardened_Gears Best Practices for Analyzing Gear Failures Gear Cutting Basics and Cutting Pinion Gears on a Horizontal Mill Gears & Gear Manufacturing Gear Design Spur Gears How to Analyze Gear Failures

53 Αναφορές Axle Gear Swap - dial Indicator Measure Backlash 2 backlash simulation

54 Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Εργαστήριο Δυναμικής & Κατασκευών Δρ.ΑντωνιάδηςΙ..... Δρ.ΓιακόπουλοςΧ....