science-review.ru
Развитие сельского хозяйства в наши дни предполагает использование инновационных технологий, а также модернизацию существующей сельскохозяйственной техники, что в свою очередь требует не только совершенствования технической оснащенности производства, но и эффективного применения и обслуживания технической базы [1].
При работе механизмов, технологических узлов и агрегатов возникает вибрация, которая, как правило, может приводить к сокращению эксплуатационного срока службы механизмов. Для снижения уровня вибрации должен быть разработан определенный перечень действий, из которых создается план мероприятий. Как правило, все сельскохозяйственные предприятия работают согласно графикам планово-предупредительных работ. При наступлении времени наработки оборудования производятся запланированные виды технического обслуживания. У данного метода есть и недостатки, так как, если детали и узлы еще работоспособны, они в любом случае подлежат замене.
С каждым днем в нашей стране все больше и больше сельскохозяйственных предприятий, на которых создается современная система технического обслуживания и ремонта машин по фактическому их состоянию. Основным достоинством данной системы является то, что в отличие от регламентированной системы, объем и вид производящих работ изменяется в зависимости от технического состояния узлов и агрегатов на момент проведения работ.
В результате при переходе на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию получается исключить ненужные работы при техническом обслуживании, которые нет необходимости менять, и, как правило, на 30–50 % уменьшить продолжительность обслуживания и денежные затраты.
Технический уровень и надежность сельскохозяйственной техники являются важнейшими факторами при выполнении трудоемких процессов в сельском хозяйстве, связанных с технологией возделывания сельскохозяйственных культур (вспашка, посев, уход за посевами, сбор урожая и др.).
До 80 % от общего количества тракторов, имеющихся в распоряжении сельскохозяйственных предприятий России, отработали свой срок службы, что ограничивает своевременное и качественное проведение полевых работ [2].
Анализ условий, оказывающих влияние на надёжность работы тракторов, показывает, что непосредственно при обслуживании и ремонте необходимо выполнение правил обкатки, а также соблюдение требований инструкции по техническому обслуживанию и ремонту тракторов [3]. В процессе исследований были выявлены следующие факторы, влияющие на надёжность: несоблюдение времени обкатки, использование масел, не соответствующих инструкции по техническому обслуживанию и правилам эксплуатации, несоблюдение сроков между ТО, указанных в инструкции по техническому обслуживанию, разбор узлов и механизмов, требующих ремонта, без специального инструмента; эксплуатация тракторов с превышающей нагрузкой [4].
Исходя из опыта работы сельскохозяйственной техники (тракторов) можно сказать, что большая доля затрат и простоев на ремонт приходится на отказы агрегатов трансмиссии до 25 % (рис. 1), из которых до 20 % – коробка передач.
Рис. 1. Процентное соотношение отказов сельскохозяйственной техники (тракторов)
Данное соотношение показывает, что уменьшение затрат и времени на проведение ремонта для обеспечения работоспособности коробки передач на сегодняшний день является весьма актуальной задачей. Обеспечение работоспособности техники осуществляется в основном по стратегии устранения возникших отказов, несмотря на то, что отказы носят в основном постепенный (закономерный) характер [5].
При работе коробки передач трактора (при изменении крутящего момента и переключении передач) происходит изнашивание деталей и узлов коробки передач (зазоры, посадка). Наиболее интенсивно изнашиваются следующие детали и сборочные единицы коробки передач:
– подшипники;
– посадочные места в корпусе под внутренний диаметр подшипников;
– посадочные места в корпусе под обоймы подшипников валов с картером коробки передач.
Проведение диагностики технического состояния оборудования может осуществляться на остановленном, вскрытом и работающем агрегатах. В случаях, когда агрегат остановлен и когда агрегат вскрыт, появляется больше возможностей для определения его технического состояния и конкретного вида неисправности. Но есть и недостатки данных способов диагностики, что ограничивает их широкое применение, это необходимость остановки агрегата, что не всегда является возможным в условиях эксплуатации.
Поэтому методы диагностирования оборудования в работающем состоянии на сегодняшний день являются особо важными. Методы акустической, вибрационной, параметрической диагностики получили широкое применение при определении технического состояния оборудования.
Для повышения надежности, производительности диагностики, уменьшения затрат на обслуживание и ремонт машин и оборудования необходимо совершенствовать методы и средства технической диагностики и, в частности, вибродиагностики. Вибродиагностика является наиболее эффективным методом диагностирования состояния и оценки степени износа [6].
Целью исследования является изучение возможности использования микроконтроллерной платы Arduino UNO с акселерометром ВС 202 для вибрационной диагностики коробки передач.
Материалы и методы исследования
Проведен сравнительный анализ методик диагностирования оборудования, в том числе и вибрационной диагностики. Сравнивались показатели приборов вибродиагностики, такие как анализатор вибрации двухканальный «Диана-2М» (виброанализатор), виброанализатор СД-23В с акселерометром ВС 202 с использованием микроконтроллерной платы Arduino UNO и программного обеспечения Arduino 1.8.7.
Результаты исследования и их обсуждение
Одной из наиболее важных задач вибрационной диагностики является обнаружение дефектов и оценки остаточного ресурса в рабочих условиях эксплуатации. Данная задача основана на измерении и анализе параметров вибрации диагностируемого оборудования и является одной из главных среди других видов диагностики. Она получила широкое применение для диагностики вращающегося оборудования и решает большинство задач определения и прогноза его состояния.
Суть метода вибродиагностики заключается в том, что в качестве диагностической информации используется вибрация работающего агрегата. Данный вибросигнал является носителем информации о различных колебаниях узлов и деталей технологического оборудования. При изменении рабочего состояния его элементов происходит отклонение параметров работы агрегата и тем самым изменение образующих его вибросигналов. Вибрационная диагностика отличается от других методов технической диагностики перечнем характерных особенностей и в первую очередь различным происхождением вибросигналов и высокой информативностью. Своевременное предупреждение возникновения неисправностей в работающем агрегате особо отличает вибрационную диагностику от других методов диагностирования, которые в основном могут осуществлять только контроль за состоянием агрегата и определять неисправности.
В сельском хозяйстве за счет контроля уровня и спектра вибросигнала на работающем оборудовании предоставляется возможность обслуживать и ремонтировать технику по фактическому ее состоянию. Диагностика деталей и узлов машин проводится в рабочем состоянии, без их демонтажа. Исходя из результатов неоднократных измерений можно прогнозировать состояние деталей и узлов агрегатов до 6 месяцев.
По способу получения диагностической информации вибродиагностика подразделяется на функциональную и тестовую.
Функциональная диагностика проводится без нарушения режимов работы агрегата, т.е. при выполнении им своего рабочего функционала. Все измеряемые диагностические параметры, анализ полученных результатов и принятие решения выполняются раньше, чем они формируются по результатам оценки состояния, в случае, когда это необходимо, итоговое воздействие на объект (работа объекта останавливается или объект работает в другом функциональном режиме).
На современном этапе развития вибрационной диагностики, диагностирование коробки передач трактора производится при работающем оборудовании. В этом случае используемые системы вибродиагностики могут быть как стационарными, так и переносными. В связи с тем, что компьютеры получили основную роль в развитии систем виброконтроля, порядок проведения вибродиагностики при применении различных средств измерения вибросигнала практически одинаков:
1. Конфигурация диагностируемого объекта в программном обеспечении системы виброконтроля.
2. Определение параметров диагностирования объекта.
3. Определение точек для измерения вибрации на объекте.
4. Определение способа крепления вибродатчиков и подготовка мест крепления вибродатчиков.
5. Измерение показаний вибрации объекта (вибросигнала).
6. Обработка и дальнейший анализ измеренных показаний вибрации объекта.
7. Подготовка и определение технического состояния объекта.
В настоящее время поиск неисправностей посредством виброакустического метода в машиностроении является все более целесообразным, так как частная разборка неэкономична и нецелесообразна, а поддержание работоспособности механических передач имеет большое значение. Тем не менее у данного метода есть и недостатки, например высокая помеховосприимчивость.
Наибольшее распространение при исследованиях вибрационных процессов получили пьезоэлектрические и ёмкостные акселерометры. Их основными преимуществами являются: малая масса, высокая надежность, низкая чувствительность к изменению температур, линейность преобразования исходного сигнала и другие преимущества перед другими типами датчиков, например оптическими [7].
Современные приборы вибродиагностики, такие как анализатор вибрации двухканальный «Диана-2М» (виброанализатор), виброанализатор СД-23В, эффективно используются при балансировке вращающегося оборудования, но в связи с их немалой стоимостью целесообразно создать более дешевое и удобное в использовании средство вибродиагностики сельскохозяйственной техники.
В статье предложено использование микроконтроллерной платы Arduino для вибродиагностики коробки передач тракторов семейства МТЗ.
В состав измерительной системы входит следующее оборудование: емкостный акселерометр ВС 202, микроконтроллерная плата Arduino UNO, ноутбук с операционной системой не менее Windows XP, соединительные провода. В качестве программного обеспечения для работы с Arduino используется бесплатное программное обеспечение Arduino 1.8.7.
Емкостный акселерометр ВС 202 предназначен для измерения переменной и постоянной составляющей сигнала, в связи с чем он может использоваться как датчик линейных ускорений и датчик положения, а также регистрации сверхнизкочастотных колебаний.
Преимуществами данного акселерометра являются его многофункциональность и простота калибровки.
В табл. 1 представлены основные технические характеристики акселерометра ВС 202 [8].
Таблица 1
Основные технические характеристики акселерометра ВС 202
|
Параметр |
Ед. измерения |
Значение |
|
Чувствительность |
мВ/g |
93,5 |
|
Частотный диапазон |
Гц |
до 500 |
|
Относительная поперечная чувствительность |
% |
≤ 4 |
|
Амплитудный диапазон |
g± |
± 18 |
|
Собственные шумы, СКЗ, не более |
mg |
7 |
|
Диапазон измеряемых значений виброускорения |
g |
от 0,02 до 10 |
|
Выходное сопротивление, не более |
Ом |
500 |
|
Ток потребления, не более |
мА |
5 |
|
Напряжение питания |
В |
5 |
|
Уровень постоянного напряжения на выходе (в горизонтальном положении при 0 g) |
мВ |
1771 |
|
Материал корпуса |
Нержавеющая сталь |
|
|
Масса (без кабеля) |
г |
16 |
Микроконтроллерная плата Arduino UNO построена на ATmega328 и используется в измерительной схеме в качестве АЦП. На платформе расположены 14 цифровых вход/выходов, 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, USB разъем, разъем питания, ICSP разъем и кнопка перезагрузки. Для проведения измерения необходимо подключить плату к ноутбуку через USB кабель, либо запитать плату при помощи адаптера на 220В, либо батареи.
В табл. 2 представлены основные характеристики микроконтроллерной платы Arduino UNO [9].
Таблица 2
Основные технические характеристики микроконтроллерной платы Arduino UNO
|
Параметр |
Ед. измерения |
Значение |
|
Микроконтроллер |
ATmega328 |
|
|
Рабочее напряжение |
В |
5 |
|
Входное напряжение (рекомендуемое) |
В |
7–12 |
|
Входное напряжение (предельное) |
В |
6–20 |
|
Цифровые входы/выходы |
14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ) |
|
|
Аналоговые входы |
6 |
|
|
Постоянный ток через вход/выход |
мА |
40 |
|
Постоянный ток для вывода 3.3 В |
мА |
50 |
|
Флеш-память |
Кб |
32 (ATmega328), из которых 0.5 используются для загрузчика |
|
ОЗУ |
Кб |
2 (ATmega328) |
|
Тактовая частота |
МГц |
16 |
Схема подключения акселерометра ВС 202 к Arduino представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема подключения акселерометра ВС 202 к Arduino UNO и ноутбуку
Акселерометр ВС 202 имеет три выхода – GND и VCC для питания и вывод аналогового сигнала, который подключается соединительными проводами к любому аналоговому входу, к примеру, А0, а GND и VCC акселерометра – к GND и 5V Arduino UNO соответственно. Плата Arduino UNO соединяется с ноутбуком через провод USB.
Основные преимущества использования микроконтроллерной платы Arduino UNO:
– малая стоимость;
– многообразие микроконтроллерных плат, отличающихся друг от друга размерами;
– простой язык программирования;
– справочники программного кода с большим количеством уже готовых скетчей.
В результате проведенного в статье исследования определен наиболее эффективный метод диагностирования коробки передач – вибродиагностирования.
Таким образом, в статье были выявлены наиболее изнашиваемые детали и сборочные единицы коробки передач. Описан порядок проведения диагностики и предложен метод вибродиагностирования коробки передач тракторов семейства МТЗ и на основе микроконтроллерной платы Arduino с использованием емкостного акселерометра ВС 202.
Библиографическая ссылка
Гордиенко В.В. АНАЛИЗ НЕИСПРАВНОСТЕЙ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ ТРАКТОРОВ СЕМЕЙСТВА МТЗ И МЕТОД ИХ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЙ ПЛАТЫ ARDUINO // Научное обозрение. Технические науки. – 2019. – № 6. – С. 44-49;URL: https://science-engineering.ru/ru/article/view?id=1269 (дата обращения: 19.04.2024).