Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
DETECTION OF DAMAGE OF THE AUTOMOBILE GEARBOX DETEKCE POŠKOZENÍ AUTOMOBILOVÉ PěEVODOVKY Filip HORT, František VLAŠIC, Pavel MAZAL, Ivan MAZģREK Vysoké uþení technické v BrnČ, FSI, Ústav konstruování Contact:
[email protected]
Abstract This contribution presents basic information about the experiment focused on identification of damage of the automobile gearbox (Škoda Fabia) with usage of acoustic emission method. The experiment was implemented in the test room of Institute of Machine and Industrial Design of BUT. It consisted of measuring of signal of an intact and a damaged gearbox during different functional conditions. In the gearbox the needle bearing and tooth wheel in fifth speed gear was artificially damaged. The goal of this experiment was to compare the records of measurement of noise emission with acoustic emission signal and level of vibration. Simultaneously the temperature of gear housing was measured. In article the first measurements that show the suitability of the chosen methodology for testing are presented. Key words: acoustic emission, gearbox, noise emission, vibration
Abstrakt V pĜíspČvku je podána základní informace o prĤbČhu experimentu zamČĜeného na identifikaci poškození automobilové pĜevodovky Škody Fabia s využitím metody akustické emise. Experiment probíhal v laboratoĜi Ústavu konstruování VUT v BrnČ a spoþíval v mČĜení signálu z nepoškozené a poškozené pĜevodovky za rĤzných provozních podmínek. Na pĜevodovce bylo umČle poškozeno ozubené kolo na 5 rychlostním stupni a jehlové ložisko volnobČhu. Cílem experimentu bylo porovnat výsledky mČĜení hlukové emise pĜevodovky se záznamem signálu akustické emise a hladinou vibrací. SouþasnČ byla mČĜena teplota na skĜíni. V þlánku jsou prezentovány první výsledky mČĜení, které ukazují na vhodnost zvolené metodiky zkoušení. Klíþová slova: akustická emise, pĜevodovka, hluková emise, vibrace
1) Úvod do problematiky Pojem akustické emise (AE) a její aplikace je rozšíĜen již do mnoha vČdních oborĤ a prĤmyslových aplikací. Citlivost této metody je využívána pĜi odhalování poþátkĤ poškození materiálových struktur, mimo jiné také pĜi vysokocyklových zkouškách únavy materiálu. Zde jsou její možnosti podrobeny zkoumání, zda je schopna odhalit pĜítomnost nevratných dČjĤ, které se v materiálu odehrávají pĜi jeho cyklickém namáhání. To mohou být procesy jako: pohyb dislokací, zmČna struktur v materiálu, šíĜení mikrotrhlin apod. [1]. Akustická emise a její možnosti jsou zkoumány také v oblasti vnČjšího poškozování materiálu, zde se jedná zejména o detekci poþátku vzniku únavových poškození jako je pitting, spalling, þi tĜení povrchĤ [2]. Detekce poškození na pĜevodových ústrojích je velice komplikovaná úloha a její obtížnost roste s poþtem prvkĤ, jež jsou v pĜevodovém ústrojí obsaženy. Každý prvek (rozumČjme:
DEFEKTOSKOPIE 2010
95
kolo, pastorek, ložisko, …) si s sebou nese vlastní kinematické frekvence, jejich násobky a mČní celkovou tuhost soustavy a její odezvu na poškození. Za úþelem detekování rozsahu poškození pĜevodových ústrojí se používají rĤzné metodické pĜístupy a mČĜení. Mohou jimi být napĜíklad mČĜení: hlukové emise mikrofonem, hladiny vibrací, použití metody AE, þi mČĜení teploty oleje (na vhodné þásti skĜínČ) použitím pyrometru. Albers a kol. [3] se zabývali porovnáním signálĤ získaných snímaþi AE a laserovým vibrometrem. Poznatkem experimentu bylo zjištČní, že spoleþná frekvenþní pásma získaná z mČĜení je možné vzhledem ke stálosti citlivosti jednotlivých metod porovnávat pouze v úzkém pásmu, pĜibližnČ (20 – 60) kHz. Další autoĜi [4] se ve svém þlánku zabývali monitorováním poškození pĜevodového ústrojí na modelové þelní pĜevodovce následujícími metodami. MČĜením vibraþní hladiny signálu, mČĜením AE v podobČ r.m.s, energie signálu a souþasnČ také zaznamenáváním hodnoty teploty. AutoĜi pĜedešlých prací konstatovali vhodnost použití více metod pĜi snímání a vyhodnocování poškození pĜevodového ústrojí, aþkoli se jejich vzájemné porovnání vČtšinou odehrává pouze v malých mezích vyhodnocených dat. Analýzami pĜevodových ústrojí se stále zabývá mnoho odborníkĤ a ve vČtšinČ pĜípadĤ je problematika soustĜedČna pouze na jednodušší pĜevodové skĜínČ s jedním pĜevodovým stupnČm a þelním typem ozubení kola a pastorku. Na tČchto modelech bývá jednodušší umístČní snímaþĤ AE do bližší oblasti vytvoĜeného poškození zubĤ soukolí. SložitČjší je problematika mČĜení na klasické automobilové pĜevodové skĜíni, kde lze snímaþe umístit pouze na tČleso skĜínČ. 2) Experimentální zaĜízení a metodika zkoušek Experimentální zaĜízení Testovací stanice (obr.1) je vybavena panelem pro kompletní obsluhu všech jejich þástí. Panel urþuje vstupní otáþky pĜevodovky pohánČné elektrickým motorem, dále Ĝídí víĜivý dynamometr, který slouží jako brzda a také stanovuje zatČžující moment pĜevody. Pro testování byla vybrána standardní pĜevodová automobilová skĜíĖ znaþky Škoda Fabia s typovým oznaþením MQ200 – EYX 03060. PĜedmČtem zkoumání bylo poškození evolventního kola se šikmými zuby. PĜevodový olej o objemu 1,8 l nesl oznaþení Gyrol 75W. Na obr. þ. 1 je vidČt þást sestavy bČhem zkoušení, pĜevodová skĜíĖ je umístČna v pravé þásti, motor je umístČn za pĜevodovkou, mezi pĜevodovkou a motorem je absorpþní pĜepážka a vlevo na obrázku je umístČn dynamometr.
Obr. 1 Mechanická þást zkušební stanice pro zkoušení pĜevodovek Fig. 1 Mechanical part of test stand for gear boxes testing.
96
DEFEKTOSKOPIE 2010
Použitá mČĜící aparatura Snímání hlukové emise probíhalo mikrofonem umístČným na stativu ve vzdálenosti 1 m od pĜevodovky. Hladina vibrací byla snímána piezoelektrickým snímaþem umístČným na vrchní stranČ skĜínČ. Teplota byla zaznamenávána pyrometrem zamČĜeným na stĜed plechového víka 5. PĜevodového stupnČ. Hluk, vibrace a teplotu zaznamenával analyzátor Dewetron s následujícími parametry: mikrofon (1 V/10 kHz), vibrace (0 .. 250 m/s2; 10 kHz a teplotu (1 V/10 Hz). Pro mČĜení signálu AE bylo využito analyzátoru Dakel XEDO se þtyĜmi kanály. Snímaþe AE mČly oznaþení MIDI a jejich frekvenþní charakteristika je dostupná na webových stránkách spoleþnosti DAKEL, souþasnČ byly použity i pĜedzesilovaþe od stejné firmy. Snímaþe AE byly rovnomČrnČ rozmístČny radiálnČ po obvodu skĜínČ v její pĜední þásti, kde se nachází 5. pĜevodový stupeĖ, viz obr. 2. Softwarové vybavení analyzátoru XEDO pro mČĜení signálu AE umožĖuje zaznamenávat kromČ RMS. až 16 energetických hladin signálu – Counts (poþet pĜekmitĤ pĜes nastavené prahové úrovnČ), což umožĖuje jedno nastavení citlivosti mČĜení pro rĤzná stádia zkoušky (zábČh – znaþné výkyvy v signálu, následné uklidnČní signálu a jeho nárĤst až do vytvoĜeného poškození). Software DaeShow umožĖuje vyhodnocovat parametry Counts, Trends, Events a RMS... Dále je možné tĜídČní navzorkovaných událostí a dle velikosti jejich amplitudy, délky události a hodnoty RiseTime. Software umožĖuje vyhodnocovat události ve frekvenþní oblasti a také exportovat získaná data pro zpracování v jiných software (Matlab).
Obr. 2. Sledovaná pĜevodovka se snímaþi vibrací a AE Fig. 2. Tested gear box with sensors (vibrations and AE) Metodika zkoušení Cílem úvodního mČĜení bylo zjistit, zda je možné detekovat odezvu na poškození reálné pĜevodovky nČkterou již dĜíve zmínČnou metodou a ovČĜit vhodnost typu poškození pro experimentální zkoušky. Experiment byl situován do tĜech jednotlivých etap. První etapou bylo namČĜení experimentálních dat nepoškozené pĜevodovky (v délce mČĜení pĜibližnČ 45 minut). V této fázi byly pozorovány provozní vlivy soustavy na odezvu signálĤ mČĜících
DEFEKTOSKOPIE 2010
97
aparatur, tedy zmČny vstupních otáþek, nebo zaĜazení neutrálu (zastavené soukolí – rotující jehlové ložisko). Druhá etapa mČĜení spoþívala v namČĜení dat poškozené pĜevodovky, kde vytvoĜeným poškozením bylo odbroušení jednoho zubu kola 5. pĜevodového stupnČ. SouþasnČ bylo vytvoĜeno umČlé poškození jehlového ložiska téhož stupnČ, které spoþívalo v odbroušení þásti jedné jehly ložiska o velikost cca 0,1 mm, viz obr. 4. TĜetí etapa mČĜení probíhala s rozsáhlejším poškozením stejného kola, kde došlo k odbroušení dalšího sousedního zubu kola, viz obr. 3.
Obr. 3. Detail poškozeného ozubení Fig. 3. Detail of damaged gear
Obr. 4. Testované jehlové ložisko Fig. 4. Tested needle bearing
3) Experimentální výsledky AE První etapa zkoušky: Jak již bylo zmínČno výše, první etapa zkoušky spoþívala v namČĜení signálu nepoškozené pĜevodovky. Poþáteþní podmínky byly následující: vstupní otáþky 3000 min-1, výstupní otáþky 952 min-1, momentové zatížení cca 50 Nm. MČĜení AE probíhalo kontinuálnČ bČhem celé zkoušky. Nastavení citlivosti jednotlivých (þtyĜ) kanálĤ bylo 17 dB pro kanál 1 a 2 a 12 dB pro kanál 3 a 4 (kanál je v grafu oznaþený jako slot). Aþkoli byly snímaþe AE rozmístČny radiálnČ v rĤzných místech po obvodu skĜínČ, signál AE z jednotlivých snímaþĤ vykazoval v podobČ CountĤ pĜibližnČ identický prĤbČh, proto jsou následující výsledky vybrány pouze ze slotu 1. Záznam první etapy mČĜení (obr. 5) byl spuštČn po cca 30 minutách od spuštČní pĜevodovky, aby se dosáhlo ustáleného stavu (zahĜání oleje). PĜi spuštČní zkoušky byla teplota oleje 39 °C, postupnČ docházelo k pozvolnému nárĤstu teploty, nejvyšší hodnota byla zaznamenána ve 37. minutČ zkoušky (59 °C), viz obr. 10. V grafu je patrný mírný nárĤst intenzity signálu AE do 29 minuty zkoušky, která je soubČžná se zvyšující se teplotou oleje. NáslednČ byly sníženy otáþky z 3000 min-1 na 2500 min-1, pĜi tomto snížení je patrný velký pokles intenzity signálu AE. PĜi zvyšování otáþek se signál opČt zvýšuje. Ve 36. minutČ došlo k zastavení pĜevodovky, pĜeĜazení na neutrál a najetí na pĤvodních 3000 min-1. Tento stav trval až do ukonþení mČĜení (43. minuty), pĜiþemž stanice byla vypnuta již o minutu dĜíve. V posledních 6 minutách chodu pĜevodovky na neutrál docházelo k pozvolnému útlumu signálu AE, pĜiþemž dĤvod tohoto útlumu zatím není autorĤm pĜesnČ znám, nicménČ zde existuje hypotéza o vlivu nedostatku
98
DEFEKTOSKOPIE 2010
mazacího oleje v ložisku a i tento jev bude pĜedmČtem zkoumání v dalších naplánovaných mČĜeních.
Obr. 5. Záznam signálu AE z první etapa mČĜení – Counts Fig. 5. Plot of AE signal from first part of measurement – Counts
Druhá etapa zkoušky: Výsledky záznamu signálu AE (opČt v podobČ CountĤ) jsou zobrazeny na obr. 6. Oproti první etapČ zde bylo mČĜení spuštČno zároveĖ s pĜevodovkou. Jak je z tohoto grafu patrné, v první þásti došlo k výraznému nárĤstu hluþnosti pĜevodovky (4. minuta), poté došlo k rychlému uklidnČní hluþnosti (5,5 minuta) a pozvolnému uklidnČní do 12 minuty. Následovaly zmČny provozních otáþek pĜi zaĜazeném neutrálu (13. - 25. minuta). Poté byla stanice vypnuta a po zaĜazení 5. stupnČ došlo ke spuštČní se zvýšenými otáþkami (3500 min-1). Intenzita signálu (CountĤ) druhé etapy mČĜení se po uklidnČní (od 5. minuty) jevila srovnatelná s nepoškozenou pĜevodovkou ve zvýšených i snížených otáþkách.
Obr. 6. Záznam signálu AE (Counts) ve druhé etapČ mČĜení Fig. 6. AE signal plot (Counts) from second part of experiment
Výrazný výkyv ve 4. minutČ je pĜisuzován procesĤm probíhajícím pĜi styku poškozeného zubu s nepoškozenými zuby spoluzabírajícího soukolí. Odezva tČchto procesĤ, pĜi kterých pravdČpodobnČ dochází k následnému otupení hrany poškozeného boku zubu, byla v signálu všech použitých aparatur detekovaná. Poškození jehly ložiska na pátém pĜevodovém stupni se mohlo projevit pĜi zaĜazeném neutrálu (cca 13. až 25. minuta), avšak signál vykazuje podobný prĤbČh jako u nepoškozeného ložiska a nebyla zde detekovaná žádná výrazná zmČna. TĜetí etapa mČĜení: Ve tĜetí etapČ zkoušky kdy bylo poškození rozšíĜeno o další sousední zub, nebyly v signálu AE pozorovány žádné výrazné odchylky od prvního typu poškození. ZmČny ve stupních
DEFEKTOSKOPIE 2010
99
otáþkách se projevily stejnČ jako v pĜedešlých pĜedstavených etapách mČĜení. SouþasnČ je ze všech tĜí etap mČĜení pozorováno, že snížení otáþek má za následek snížení signálu AE hladin s nejvyšší citlivostí, ale zároveĖ mírný nárĤst hladin s nižší citlivostí. Snížením otáþek dochází k úbytku událostí s malou amplitudou a naopak k mírnému zvýšení poþtu událostí s vyšší amplitudou a délkou. Tento poznatek je patrný také z grafu na obr. 7, kde je zobrazeno rozložení velikosti délky události, podobný prĤbČh je zaznamenaný i v rozložení událostí v závislosti na jejich amplitudČ. Tento poznatek ovšem nevypovídá patrnČ nic o detekci poškození, ale spíše o rozkmitání nČkterých þástí pĜevodovky na jejich vlastních frekvencích.
Obr. 7. Druhá etapa mČĜení – délka událostí AE Fig. 7. Second part of the test – duration of AE events 4) Experimentální výsledky vibrací a hlukové emise MČĜení hlukové emise a vibrací je znázornČno obr. 8 a 9. Graf na obrázku 8 zobrazuje akustický tlak, vibrace a celkový hluk ve všech tĜech etapách mČĜení. PĜi provedené analýze byla zjištČna nejvýraznČjší zmČna hlukové emise v úzkém pásmu zubového kmitoþtu (2400 Hz pĜi 3000 min-1). Proto jsou akustický tlak a vibrace na obr. 8 vztaženy k tomuto zubovému kmitoþtu. TĜetím zobrazeným parametrem je celkový hluk, který jak je vidČt z grafu nevykazuje pĜílišné zmČny. Ve druhé etapČ mČĜení je vidČt extrémní nárĤst hodnot akustického tlaku, což je porovnatelné se záznamem AE a teplotou, viz obr. 10. Záznam na obrázku 9 obsahuje stejná data, jako záznam na obrázku 8, ale x-ové ose je pĜiĜazen þas v minutách. Hluk a vibrace v prĤbČhu testu 300 250 200 150 100 50
celkový hluk [dB]
BOX2.004
BOX2.003
BOX2.002
BOX2.001
2. zub ubroušen
BOX.017
BOX.016
BOX.014
BOX.013
BOX.012
BOX.011
BOX.007
BOX.006
vibrace na z1 [m/s2]
1. zub ubroušen
akustický tlak na z1 [mPa]
BOX.005
BOX.004
BOX.003
BOX.002
0
Obr. 8. Vibrace a hluk – jednotlivé etapy Fig. 8. Vibrations and noise – different stages
100
DEFEKTOSKOPIE 2010
Obr. 9. Vibrace a hluk – þasová osa Fig. 9. Vibrations and noise – time axis 5) Experimentální výsledky mČĜení teploty Záznam teploty celé zkoušky je v grafu na obrázku 10 rozdČlen do tĜech etap mČĜení. V první etapČ je vidČt pozvolný rĤst až do zaĜazení neutrálu, kdy zaþala teplota klesat. Ve druhé etapČ po provedeném poškození se projevil extrémnČ rychlý nárĤst teploty z 35 °C až na 54 °C za 9 minut od zaþátku zkoušky, teplota byla mČĜena na víku pátého stupnČ. Skuteþná teplota na soukolí musela v tomto okamžiku dosahovat nČkolikanásobnČ vyšších hodnot. I tento moment koresponduje s extrémními hodnotami AE a akustickým tlakem. Ve tĜetí etapČ se další poškození kola v signálu AE již neodrazilo a ani teplota nezaznamenala nČjaký výrazný posun. V grafu je také patrná reakce na snížení otáþek zastavením rĤstu teploty.
Obr. 10. Záznam teploty v prĤbČhu zkoušky Fig. 10. Record of temperature during the test
DEFEKTOSKOPIE 2010
101
6) ZávČr Cílem práce bylo experimentálnČ ovČĜit metodiku mČĜení signálu akustické emise, hlukové emise a vibrací na detekci poškození bČžného automobilové pĜevodovky. Pro experiment byla použita pĜevodovka z vozidla Škoda Fabia. MČĜení probíhala ve tĜech etapách, pĜiþemž první etapa mČĜení byla vČnována nepoškozené pĜevodovce, druhá etapa mČĜení obsahovala poškozené evolventní ozubené kolo a poškozené jehlové ložisko. Ve tĜetí etapČ bylo mČĜeno rozšíĜené poškození ozubeného kola. Experimentální zkoušky probČhly pĜi rĤzných provozních podmínkách a to v podobČ zmČn vstupních otáþek na hnacím hĜídeli pĜi zaĜazeném pátém rychlostním stupni a neutrálu. Výsledky dosažené použitými metodami, samozĜejmČ v závislosti na jejich citlivosti, shodnČ reagovaly na vytvoĜené poškození ve druhé etapČ mČĜení, pĜiþemž metoda AE prokázala vysokou citlivost i na zmČny provozních podmínek. Poškození ozubeného kola mČlo za následek nárĤst signálĤ hlukové emise i vibrací, v pĜípadČ metody AE až k extrémním hodnotám. U hlukové emise byla pozorována znaþná zmČna akustického tlaku v úzkém pásmu zubového kmitoþtu. Dalším parametrem potvrzujícím vhodnost zvolené metodiky mČĜení je teplota, která dokázala dobĜe reagovat na procesy probíhající uvnitĜ pĜevodovky a zmČny provozních podmínek. Tento þlánek je vČnovaný pĜedstavení pouze prvních výsledkĤ úvodního mČĜení poškozeného pĜevodového ústrojí. Z tohoto mČĜení vyvstaly nČkteré otázky, týkající se napĜíklad procesĤ probíhajících pĜi zábČru poškozeného zubu kola. Tyto otázky bude nutno objasnit pĜed dalšími zkouškami s podobným typem poškození. Zajímavou oblastí mĤže být i mČĜení signálu AE pĜi pĜeĜazení rychlostního stupnČ na neutrál, které úvodní zkouška nevČnovala pĜílišnou pozornost. Souþástí pĜíprav na pĜíští experimentální zkoušky bude rozbor dalších možných typĤ poškození pĜevodového ústrojí a detailní dokumentace nepoškozených þástí pĜed zkouškou a poškozených þástí po provedené zkoušce. Práce, pƎedstavené v tomto pƎíspĢvku vznikly v rámci Ǝešení projektu MPO CR FRRͲTI1/371 „Integrovanýsystémmonitorovánívybranýchstrojníchēástí”aēásteēnĢprojektuFSIVUTvBrnĢFS– SͲ10Ͳ30AkustickádiagnostikamechanicképƎevodovky.
Literatura [1] KOPEC, B. a kol. Nedestruktivní zkoušení materiálĤ a konstrukcí. Brno, CERM, 2008, 572 s. ISBN 978-80-7204-591-4. [2] BRUCE T. KUHNELL, Monash University, “Wear in Rolling Element Bearings and Gears – How Age and Contamination Affect Them”. Machinery Lubrication Magazine. September 2004. [3] ALBERS, A., SCHELL, J., DICKERHOF, M., HESSENAUER, B. Validation of AE- signals recorded with conventional Equipment using 3D-Scanning-Laser-Vibrometer. In: 29th European Conference on Acoustic Emission Testing 2010, Vienna, Austria, September 8-10, 8 pages, CD edition, NDT.net - The Open Access NDT Database, Kirchwald, Germany, ISBN 978-3-200-01956-0. [4] TAN, CH. K., MBA, D. Identification of the acoustic emission source during a comparative study on diagnosis of a spur gearbox. In: Tribology International, Vol. 38, Issue 5, May 2005, Pages 469-480.
102
DEFEKTOSKOPIE 2010
