ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ...
TRANSCRIPT
ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ ФАКУЛТЕТ ПО ТРАНСПОРТА
Катедра ”Двигатели, автомобилна техника и транспорт”
маг. инж. Илиян Славков Дамянов
ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЕКСПЛОАТАЦИОННАТА НАДЕЖДНОСТ И
РАЗРАБОТВАНЕ НА ДИАГНОСТИЧНИ ПРОЦЕДУРИ НА ЕЛЕМЕНТИ ОТ
ОКАЧВАНЕТО НА АВТОМОБИЛИТЕ
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
на дисертационен труд
за получаване на образователна и научна степен
„Доктор”
Област на висше образование: 5. Технически науки Професионално направление: 5.5. Транспорт, корабоплаване и авиация
Научна специалност: Управление и организация на автомобилния транспорт
Научен ръководител:
доц. д-р инж. Емил Младенов Маджарски
Рецензенти: 1. доц. д-р инж. Лило Петков Кунчев 2. доц. д-р инж. Георги Борисов Джонев
София, 2014 г.
2
Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита от Катедрения съвет в
разширен състав на катедра „Двигатели, автомобилна техника и транспорт” при
Технически университет – София, състояло се на 21.10.2014 г.
Дисертантът е докторант в редовна форма на обучение в катедра
„Двигатели, автомобилна техника и транспорт” към Факултет по транспорта при
ТУ – София, където е разработил дисертационния си труд.
Дисертационният труд се състои от увод, пет глави, заключение, приноси по
дисертацията, списък с използвана литература и списък с публикациите. Общият
обем е от 148 страници, съдържащ 73 фигури и 17 таблици. Списъкът на
използваните литературни източници съдържа 142 заглавия.
Означенията на главите, формулите, фигурите, таблиците и използваната
литература в автореферата съответстват на тези от дисертацията.
Защитата на дисертационния труд ще се състои на 06.03.2015 г. от 17 30 часа
в зала 2140, блок 2 на Технически университет – София на открито заседание на
научното жури, определено със заповед № ОЖ-376/20.11.2014 г. на Ректора на ТУ
– София.
Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в
канцеларията на Факултета по транспорт при ТУ – София, на адрес: гр. София,
бул. „Климент Охридски” №8, бл. 9, ет. 3, каб. 9308.
Автор: маг. инж. Илиян Славков Дамянов
Заглавие: „Изследване на експлоатационната надеждност и разработване на
диагностични процедури на елементи от окачването на
автомобилите”
Тираж: 50 бр.
Печатна база: Издателство на ТУ – София
3
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД 1. Актуалност на проблема Един от основните проблеми свързани с експлоатацията на транспортните
средства, се явява обезпечаване на надеждност и безопасност на движението. Решаването му е тясно свързано с подобряване качеството на ремонтите и техническото обслужване на автомобилите и особено на системите, определящи минимален риск при експлоатацията на автомобилите. Основен подход при определяне на надеждността на автомобилите са подконтролни наблюдения на група автомобили в реални условия на експлоатация. Същите отразяват най-пълно взаимозависимостта на изследваните параметри при конкретните условия, в които са поставени автомобилите и техните системи и елементи. Едно от най-важните направления за управление на надеждността и безопасността е внедряване на стратегии за контрол и оценка на техническото състояние на автомобилите, базирани на ефективни методи и средства за диагностика.
2. Обща характеристика на приносите Извършените изследвания, получените резултати, анализът им и
заключенията, резултат от този анализ, научно-приложните и приложните изводи, създадената експериментална виброустановка, съчетаваща традиционни методи и съвременни електронно-диагностични елементи са актуален принос в стратегията за създаване качествена и ефективна автомобилна диагностика. Същите могат да станат основа за по-широка и обхватна научно-приложна дейност със значими теоретични и практично-приложни цели при експлоатацията и подържането на автомобилния транспорт.
3. Реализация Разработена е диагностична процедура за определяне на хлабини в елементи
на окачването, която се явява практическо приложение на разработените научно-приложни методи и техники за диагностициране състоянието на окачването на автомобила и елементите му.
4. Апробация на дисертацията Основните резултати от дисертацията са представени в 5 научни публикации.
Три от тях са докладвани и обсъждани на Международна научно-техническа конференция по ДВГ и моторни превозни средства Тrans&MOTAUTO’07, ’08, ’09 и ’09, една на Научната конференция с международно участие по авиационна, автомобилна и железопътна техника и технологии Бул Транс 2013 и една в Дубай - The Third International Conference on Digital Information Processing and Communications (ICDIPC 2013), Jan 30 – Feb 1 2013, Dubai.
СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИЯТА УВОД В увода е обоснована актуалността и мотивите за работа по темата. Обект на
изследване е предното окачване на леки автомобили в експлоатация. Изследване на експлоатационната надеждност и разработване на методи и средства за диагностика на критичните по отношение надеждността елементи.
ГЛАВА 1. СЪСТОЯНИЕ НА НАУЧНИТЕ ИЗСЛЕДВАНИЯ И ЦЕЛ НА РАБОТАТА
Направен е обзор на извършените изследвания, иновации и научни методи в областта на експлоатационната надеждност на леки автомобили, избор на
4
показатели на надеждността, вероятност за безотказна работа, вероятност за отказ, плътност на вероятността за отказ, интензивност на отказите и средна отработка до отказ. Анализ на характерни закономерностите на изменение техническото състояние на автомобилите на базата на теорията на надеждността и методи и средства за диагностика на критичните по отношение надеждността елементи.
Цел и задачи на дисертационния труд Цел на работата е изследване на експлоатационна надеждност на окачването
на леки автомобили и разработване на методи и средства за диагностика на критичните по отношение надеждността елементи.
За постигане на целта е необходимо изпълнението на следните задачи: 1. Определяне на критичните елементи по отношение на безотказността на
окачването на автомобилите чрез изследване на експлоатационна надеждност. 2. Разработване на експериментална система за измерване на колебания и
относителни премествания на окачването и елементите му. 3. Изследване на ускоренията в окачването при изменение на техническото
състояние на отделните му елементи. 4. Оценка на възможността за използване на разликите в ускоренията на
елементите от окачването на автомобилите за определяне на техническото състояние на съединенията.
5. Разработване на диагностични процедури за определяне както на общото техническото състояние на окачването, така и на отделните негови елементи на автомобили в експлоатация.
Извършеното изследване на експлоатационната надеждност и разработените методи и технически средства, както и диагностична процедура за оценка състоянието на окачването и елементите му ще усъвършенстват системата поддържане и диагностика на автомобилите и ще повишат безопасността и комфорта на движението на автомобилите
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЯНЕ НА КРИТИЧНИТЕ ПО ОТНОШЕНИЕ НА НАДЕЖДНОСТТА ЕЛЕМЕНТИ ОТ ОКАЧВАНЕТО НА АВТОМОБИЛИ В ЕКСПЛОАТАЦИЯ.
2.1 Класификация на отказите. Надеждност е свойството на обекта, състоящо се в неговата способност да
изпълнява дадени функции при определени условия на експлоатация и в течение на определен интервал от време (или отработка).
Отказ на автомобил или агрегат е събитие, при което има загуба на работоспособност. Отказите по окачването влияят върху работоспособността и безопасността на движението на автомобила и се различават: според източника и характера на възникване; честотата на появата им; различаващи се по времето за тяхното отстраняване и др.
Те могат да бъдат: постепенни и такива, които възникват внезапно в процеса на експлоатация.
2.2 Избор на метод и обект на изследването. Показателите на надеждността на автомобилите са количествена
характеристика на едно или няколко свойства, обуславящи надеждността на обекта и зависи от голям брой фактори, които имат случаен характер.
5
Пробегът на автомобилите, измерван в километри (L), е случайна величина. Случайни величини, освен пробегът (отработка), могат да бъдат броят на отказите, разходите за поддържане в изправно техническо състояние, разходи за резервни части и материали, времето за възстановяване, показателите на работния процес, големината на износването и т.н.
В зависимост от свойството на надеждността, което оценяват, показателите на надеждност се разделят по групи: за безотказност; дълготрайност; съхраняемост; ремонтопригодност и комплексни показатели на надеждността. Всяка от тези групи съдържа множество показатели.
Свойството безотказност на невъзстановяемите обекти се изследва основно с помощта на непрекъснатата случайна величина – отработка до поява на отказ и вероятност за безотказна работа.
2.3 Предварително изследване на експлоатационната надеждност на автомобилите.
За извършване на предварителен анализ на отказите на системата, установяване на критичните детайли и на структурните параметри, определящи тяхната работоспособност, се проведоха предварителни изследвания на автомобили марка Фолксваген, модел Пасат. За изследване на отказите на автомобилите са анализирани 1221 одобрени гаранции за 840 различни автомобила с 1818 отказа в различни системи за период от 1997-2003г.
Най-голямата част от отказите в модела на Фолксваген Пасат се проявяват в групата “Предно окачване, предни полувалове” и “Кормилно управление”. В резултата на първичната обработка на информацията и извършвания предварителен анализ на изследваните 742 броя първи откази на опорните рамена (носачите) прави впечатление, че около 45% от тях са в интервала 40 ÷ 60 хил. км, а в интервала 80 ÷ 100 хил. км се заменят около 15%, което се дължи най-вероятно на субективния фактор при оценка на техническото им състояние и смяната им преди изтичане на гаранционен период. Разпределението на откази в зависимост от разположението на опорните рамена (носачите) са както следва: горни носачи - 20%; долни носачи – 80%, което най-вероятно се дължи на значително по-големите натоварвания на които са подложени долните опорни рамена.
Получените резултати от изследването показват, че основният критичен елемент от окачването са опорните рамена (носачите), но използваните данни не са от подконтролна експлоатация на автомобилите, което не позволява да се оценят точните показатели на надеждност.
2.4 Изследване на експлоатационната надеждност на окачването на автомобилите.
За определяне на точните показатели на надеждност като вероятност за безотказна работа, интензивност и честота на отказите, както и математическото очакване е проведено подконтролно изследване на елементите на окачването на автомобили марка Фиат, модел Панда. Наблюдавани бяха 70 броя автомобили, експлоатирани на територията на България, които за периода на наблюдение са изминали общ пробег от около 12 милиона километра. Във връзка с това данните за появата на отказите и изминатия от автомобилите пробег считам за достоверни.
Обработваната информация за тази подконтролна група автомобили позволява оценка на показателите на безотказност на обекта. За изследването се
6
използва план на изпитване (n,U,L). При провеждане на изследването като критерий за отказ е приет моментът на подмяната на изследвания елемент.
2.4.1 Резултати от изследване на експлоатационна надеждност. В резултат на първичната обработка на информацията е определен броят на
отказите. Регистрирани са 586 отказа на отделните елементи от окачването, като съгласно избрания план на изпитания (n,U,L) изследването е проведено само върху първите 507 отказа. Според изискванията на техническата документация за поддръжка на автомобилите, независимо кой амортисьор е отказал- ляв или десен, се заменят и двата, а с подмяната на амортисьора се заменят и лагер, и маншон на амортисьора.
На основа на данните за отказите на окачването на подконтролна група автомобили и предварителна оценка на отказите по системи на автомобили в гаранционен период е избран обекта на изследване – опорното рамо (носачът) включващ сферичен шарнир и две гумено-металически съединения - тампони. Точно определяне на техническото състояние на носачите е необходимо тъй като са пряко свързани с безопасността на движението, а и се явяват критични по отношение на надеждността в условията на експлоатация в България.
За определяне на закона на разпределение на отработката до отказ, данните на настъпване на първите отказите за опорните рамена (носачите) са обработени със софтуерен продукт Statgraphics. В таблица 2.8 са представени изчислените параметри за разпределенията по експоненциален и нормален закон и този на Вейбул за левите носачи. Честотата на отказите и вероятностната плътност на разпределението по трите закона са показани на фиг. 2.10. Табл. 2.8
Закон на разпределение Параметри Стойност Експоненциален Средна стойност 85490,97561
Нормален Средна стойност 85490,97561 Стандартно отклонение 40402,6223
Вейбул Параметър на формата 2,30068348 Параметър на мащаба 96734,89733
Фиг. 2.10 Честотата и вероятностна плътност на разпределение на отказите по експоненциален,
нормален и закона на Вейбул за левите опорни рамена (носачи). При проверка за съгласуването на закона на разпределение с данните от
извадката е използван тест на Колмогоров-Смирнов и определено ниво на значимост се установи, че при нормално и експоненциално разпределение е по-ниска от 0,7, поради което се отхвърля нулевата хипотеза. За разпределението на
7
закона Вейбул Р-стойността е 0,92, което показва, че разпределението на пробега до първи отказ на левите носачи се съгласува с този закон. Получените стойности са представени в таблица 2.9. На фиг.2.11 е показана вероятността до поява на първи отказ за изследваните закони на левите носачи.
Табл. 2.9
Характеристика Експоненциален (Exponential)
Нормален (Normal)
Вейбул (Weibull)
DPLUS 0,1327979412 0,114634482 0,08521673492 DMINUS 0,2848096593 0,06103820518 0,06693595383 DN 0,2848096593 0,114634482 0,08521673492 P-Value 0,002584019199 0,654108209 0,9271151008
Фиг. 2.11 Функция на разпределение на отказите за левите опорни рамена (носачи). Аналогично проверката на законите на разпределение и тяхното съответствие
за десните опорни рамена (носачи) (табл.2.10, фиг.2.12) и определянето на Р-стойността (табл.2.11) потвърждават приемането на закона на разпределението на закона на Вейбул до първи отказ.
Табл. 2.10 Закон на разпределение Параметри Стойност
Експоненциален Средна стойност 88266,13636
Нормален Средна стойност 88266,13636 Стандартно отклонение 35772,63396
Вейбул Параметър на формата 2,70585039 Параметър на мащаба 99490,68094
Фиг. 2.12 Честотата и вероятностна плътност на разпределение на отказите по експоненциален,
нормален и Вейбул за десните опорни рамена (носачи).
8
Табл. 2.11
Характеристика Експоненциален (Exponential)
Нормален (Normal)
Вейбул (Weibull)
DPLUS 0,1423452551 0,09734742212 0,0810068754 DMINUS 0,3249961509 0,06254586073 0,0508221123 DN 0,3249961509 0,09734742212 0,0810068754 P-Value 0,0001838054579 0,7985948195 0,934959327
Фиг. 2.13 Функцията на разпределение на отказите за десните опорни рамена (носачи).
Получените закони на разпределение на Вейбул за левите и десните опорни рамена (носачи) имат сходни параметри, което позволява изследването на надеждността да се извършва върху цялата съвкупност от носачи.
При известен закон на разпределение на Вейбул определянето на параметрите на разпределението и оценка на математическото очакване на средната отработка до първи отказ (Lср) на общата съвкупност от опорни рамнеа (носачи) с доверителни граници при α = 0.98 е използван софтуерен продукт ReliaSoft Weibull. Получените резултати са показани в таблица 2.12 и на фиг. 2.14.
Средният пробег до отказ на опорните рамена (носачите) за изследваните автомобили е 87000 км с долна граница 78000 и горна граница 98200 км.
Фиг. 2.14 Вероятност за безотказна работа до първи отказ на опорните рамена (носачи).
9
Табл.2.12 Параметри
Разпределение: Weibull-2P Анализ: MLE
Метод ГД граници: BSN Метод оценка: K-M
m 2,494583 L0 98210,35918
Горна граница (0.98) 96283,714 km Lср 87133,742 km
Долна граница (0.02) 78040,766 km Поради естеството и характера на отказите, както и субективния фактор при
регистрирането им, за по-висока точност и достоверност данните за отказите групираме в интервали в 14 интервала.
Вероятността за безотказната работа до поява на първи отказ, честотата на отказите и интензивността на първите отказите на опорните рамена (носачите) са показани съответно на фиг.2.15, фиг.2.16 и фиг.2.17.
Фиг. 2.15 Вероятност за безотказна работа. Фиг. 2.16 Честота на отказите.
Стойностите на интензивността на отказите във функция на пробега на изследваните елементи отразява изменението в техническото им състояние, а от там и безотказността на изследваните автомобили. От изменението на λ(L) (фиг.2.17) достатъчно ясно се наблюдават два етапа. Първият е до около 130 хил.км, където λ(L) има постоянна тенденция на нарастване, а вторият етап – след 130 хил.км, през който стойностите на λ(L) рязко се покачват.
Фиг. 2.17 Интензивност на отказите на опорните рамена. Получените резултати за интензивността на отказите потвърждават
разгледаните в литературата изследвания на надеждност на автомобилите в конкретни експлоатационни условия. Получените закономерности могат да бъдат отнесени към откази, при които имаме постоянна тенденция на нарастване в
10
зависимост от пробега, а след достигане на определен пробег броят на отказите рязко се увеличава.
Получената първоначална оценка на параметрите (m, L0) на разпределението на Вейбул се доуточняват чрез прилагане на нелинейна регресия. Нелинейният регресионен модел има вида:
))(()( 0Lm
LeLP ∆−= (2.17) Стойностите на PL се определят при приетата доверителна вероятност α =
0,98, която отговаря на изискванията при изследваните елементи, имащи пряко отношение за безопасността на движение на автомобила. В таблица 2.14 са дадени стойностите на параметрите на закона на Вейбул (m,L0) с техните доверителни интервали, оценени чрез нелинейна регресия.
Коефициентът на множествена корелация R2 е 99,81%, което показва, че избраният модел, описващ вероятността за безотказна работа, е достоверен. Стойността на коригираният R2 (99,80245177%) със съответните степени на свобода е по-подходящ за сравняване на модели с различен брой независими променливи, която стойност показва недвусмислено, че е налице силна корелационна връзка между пробега на автомобилите и отказите в окачването им. Получените стойности на коефициента на множествена корелация показват процентите, които моделът разкрива (обяснява) от експерименталните данни. Ниската стойност на стандартната грешка SE = 0,01545118292 определя високата точност на модела. Средната абсолютна грешка (MAE) = 0,0105819 е средната стойност на остатъците, което потвърждава нулева средна стойност на остатъците. Стойността на коефициента Дъбрин - Уатсон DW = 1,56 подсказва, че остатъците на модела имат нормален закон на разпределение. Доколко остатъците са разпределени нормално се вижда на фиг. 2.18. В таблица 2.14 са показани деветдесет и осем процентните граници на оценените параметри.
Табл. 2.14
Asymptotic 98,0% Asymptotic Confidence Interval Parameter Estimate Standard Error Lower Upper M 2,510751999 0,003713919045 2,500794967 2,520709032 L0 112021,7779 3,860302951E-9 112021,7779 112021,7779
P (L
)
L (x 1000 km)0 30 60 90 120 150 180
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-46 -26 -6 14 34 54(X 0,001)Normal distribution
-46
-26
-6
14
34
54(X 0,001)
RE
SID
UA
LS
Фиг. 2.18 Вероятност за безотказна работа. 2.19 Разпределение на остатъците на модела.
Проверката доколко остатъците на модела могат да бъдат адекватно моделирани с нормално разпределение се извършва чрез тестове:
11
- тест хи-квадрат Chi-Squared = 0,571415 разделя обхвата на остатъците в припокриващи интервали и сравнява броя на наблюдения във всеки клас;
- тест Колмогоров-Смирнов показва съгласуване на разпределението на остатъците с нормален закон на разпределение с P-стойност = 0,902943, което потвърждават приемането на закона на разпределението.
След получаване на окончателните параметри на разпределението на Вейбул (m =2,510751999, L0=112021,7779) за уточняването им и определяне на средна отработка до отказ Lср (математическото очакване) с доверителна вероятност α = 0.98. В таблица 2.15 са представени окончателните (коригирани) стойностите за разпределението на отказите на опорните рамена (носачите).
Табл.2.15 Вероятността за безотказна работа на
носачите за изследваните автомобили е:
))(()( 7779,112021510751999,2
LeLP ∆−= (2.18) Получените резултати показват, че
средната отработка на отказ на носачите е 99400 километра, с долна граница 71500 километра и горна граница 103000 километра. Тези стойности показват, че обстойна проверка с технически средства на
състоянието на носачите е необходимо при достигане на пробег от 71500 км. 2.5 От изложеното в тази глава произтичат следните по-важни изводи: 1. Проведеното изследване на експлоатационната надеждност на елементите
на окачването на две групи автомобили позволява да се определят опорните рамена (носачите) като критични по отношение на надеждността елементи.
2. Определени са характеристики P(L), f(L), λ(L), и Lср на закономерностите за поява на първи отказ в опорните рамена (носачите) на автомобил Фиат, модел Панда, което представлява обективна основа за оценка на надеждността и усъвършенстване на методите за поддържане и контрол на техническото състояние на носачите и окачването.
3. На база определените характеристики се налага и извършване на диагностични операции с периодичност долната граница на средната отработка до първи отказ или при достигане на пробег от 71500 километра.
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТВАНЕ НА СИСТЕМА ЗА ВИБРОДИАГНОСТИКА ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА ТЕХНИЧЕСКОТО СЪСТОЯНИЕ НА СЪЕДИНЕНИЯТА И ЕЛЕМЕНТИТЕ ОТ ОКАЧВАНЕТО НА АВТОМОБИЛА.
Независимо от конструкцията на окачването на автомобилите, то се състой от множество елементи: амортисьори, пружини, ресори, крепежни съединения, втулки и тампони, шарнирни елементи, гумено-метални съединения, реактивни и стабилизиращи лостове, въздушни възглавници и регулатори на налягане и др.
Основните неизправности в окачването са: деформация и хлабини на еластичните елементи, гумено-металните и еластични съединения, увеличени хлабини в шарнирните съединения, изтичане на течности от амортисьорите, деформация и счупване на отделните елементи и др.
Параметри Разпределение: Weibull-2P
Анализ: MLE Метод ГД граници: BSN
Метод оценка: K-M m 2,510751999 L0 112021,7779
Горна граница (0.98) 103046,574 kmLср 99403,307 km
Долна граница (0.02) 71506,580 km
12
Основните признаци за неизправности в окачването са: повишен шум и чукане при преминаване през препятствия, увеличена амплитуда на колебанията на каросерията и бавното им затихване, нарушена управляемост и динамична устойчивост и др.
3.1 Възможности и средства за диагностика и определяне на техническото състояние на елементите на окачването на автомобилите.
Оценката на техническото състояние на елементите от окачването, се ограничава в техническа диагностика на състоянието на амортисьорите и субективна оценка на състоянието на останалите елементи. Субективната оценка се дължи на липса, както на диагностични параметри, така и на методи и средства за диагноста на елементи от окачването на автомобили в експлоатация.
При използваните методи на изпитване за определяне техническото състояние на елементите в окачването (например разклащане, преместване, натискане и др.) оценката за състоянието им е неточно и субективно, дори и от квалифициран специалист. Най-точният метод за изпитване е чрез стендове за проверка на демонтирани елементи от окачването на автомобила. Едно такова изпитание е трудоемко и нецелесъобразно, тъй като налага демонтаж и монтаж на елементите и наличие на необходимото изпитателно оборудване, което пък води и до многократно увеличени разходи.
За определяне на техническото състояние на окачването и елементите му в автомобила е необходимо разработването на технически средства, както за обща оценка на техническото състояние на окачването, така и за отделните му елементи. Подходящ метод за количествена оценка на параметрите на отделните елементи и техническата им диагностика е използването на вибродиагностика. Тя определя състоянието на техническите системи чрез изследване и анализ на вибрациите на техните елементи.
3.2. Разработване на експериментална система за измерване на колебания и относителни премествания на окачването и елементите му.
За оценка на техническото състояние на елементите от окачването и измерване на хлабините в съединенията му на база изследване на амплитудно-честотните характеристики на виброускоренията е разработена система, която отговаря на следните изисквания:
- висока точност – поради измерване на хлабини на съединения със стойности по-малки от 0,5 mm, дължащи се в някои случаи на загуба на еластичност в гуменометалните съединения и др.;
- малък размер и маса, тъй като не трябва да влияят върху измервания процес;
- разположението на елементите от окачването в пространството не съвпада с осите X, Y и Z на автомобила, както и с възможностите на създаване на колебания. Това налага измерването на преместванията по оси да могат да се преобразуват в пространството;
- еднозначност на резултатите - получаваните резултати трябва да съответстват еднозначно на увеличаване на хлабината, загубата на еластичност и други параметри, характеризиращи неизправности и откази в окачването;
- удобство за работа – монтирането на измервателната система и обработката на резултатите трябва да става за минимално време;
13
- системата трябва да позволява измервания както при стендови условия, така и в реални пътни условия.
За осъществяване на тези изисквания системата се състои от три модула: - модул за създаване на вибрации в колелата на автомобилите при стендови
условия; - модул за измерване на ускорения и снемане на амплитудно-честотни
характеристики; - модули за обработка и съхраняване на данни. Модулът за създаване на вибрации в колелата на автомобилите е необходим
за симулиране при стендови условия на принудени колебания в окачването и елементите му.
Модулът за измерване за ускорения е необходимо да измерва данни от площадката на стенда и от отделните елементи на окачването на автомобила, а получената информация се използва в процеса на по-точно идентифициране на източника на ускорение (неизправност), който следва да се изследва и диагностицира. Снетите и записани вибродиаграми са по оси X, Y, и Z на автомобила.
Модулът за обработка и съхраняване е необходимо да представят получените данни под формата на ускорение, скорост и преместване, нужно е и процесорно устройство, което може да преобразува данните в честотната област. Модулът се използва и за изследване динамичното поведение на неизправните елементи от окачването на автомобила и в пътни условия, при което системата се захранва от акумулаторната батерия на автомобила.
3.3 Модули за вибродиагностика за снемане на ускоренията. На основата на посочените изисквания са разработени съвместно с членове
на катедра „Радио комуникации и видео технологии” два модула за вибродиагностика за оценка техническото състояние на елементите от окачването на автомобилите:
- за измерване на общите виброускорения от окачването на автомобилите; - за измерване на виброускорения на отделни съединения и елементи от
окачването на автомобилите. За оценка техническото състояние на окачването е необходимо модулите за
измерване на ускорения и получаване на амплитудно-честотни характеристики да записват вибродиаграми по оси X, Y и Z. Двата модула за измерване на общите виброускорения на окачването и за измерване на виброускорения на отделните съединения и елементи от окачването на автомобила могат да работят както съвместно, така и поотделно. Структурата на модулите за вибродиагностика е показана на фиг. 3.9.
За измерване на общите виброускорения на окачването на автомобила (блок А4 на фиг.3.9) е необходимо измерването и записването на линейните ускорения на площадката на стенда по точно определени оси X, Y и Z. Използваните MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) инерциални сензори са:
- акселерометър – тип LIS3LV02DQ - триосен акселерометър, производство на фирмата STMicroelectronics;
- жироскоп – тип ADIS16100 – едноосен жироскоп, производство на фирмата Analog Devices.
14
А1 Б1 А2 Б2 Б3 А3 Б4 Б5 Б6 Б7 Б8 Б9 А4 Б10
Фиг. 3.9 Структурна схема на модулите за вибродиагностика.
Визуализация и печат на диаграми на ускорения, скорости, относителни премествания, амплитудно-честотна спектър.
Определяне скоростта на предаване на данни от свързаните сензори
Съхраняване на данни в персонален компютър
Съхраняване на данни в MMC/SD карта
Получаване на данни от общ инерциален сензор
Получаване на данни от инерциална сензорна мрежа
Комуникационен интерфейс RS 232 Комуникационен интерфейс RS 232/CAN
Получаване на данни от акселерометър и жироскоп
Получаване на данни от акселерометър или жироскоп
Определяне вида и броя на свързаните сензори
Определяне броя на master и slave сензори
Определяне времето за предаване на данни от свързаните сензори
Определяне минимална скорост на комуникация в зависимост от броя и
вида на свързани сензори
Получаване на данни за общи виброускорения от площадката на
модула за вибрации
Предаване на данни за виброускорения от отделните свързани сензори
Модули за вибродиагностика
Обработка на данни от персонален компютър
Осигуряване на мрежова топология на инерциална сензорна мрежа
15
Фиг. 3.12 Схема на модула за измерване на общите линейни ускорения на окачването.
Паралелно с модула за измерване на общи линейни ускорения от площадката на стенда е разработена многоканална паралелна измервателна система (блок Б1 на фиг.3.9), към която може да се свържат множество инерциални сензори.
Малките размери и маса на избраните инерциални възприематели позволяват монтирането им на трудно достъпни за измерване места.
Жироскоп Акселерометър
Фиг. 3.15 Възможни места на поставяне инерциална сензорна мрежа за изследване на
виброускорения. 3.3.1 Обработка и съхраняване на данни. Модулът за обработка и съхраняване на данни се състои от две приложения: - приложение за обработка и съхраняване на общи вибродиаграми на
окачването на автомобилите; - приложение за обработка и съхраняване на вибродиаграми от отделни
съединения и елементи от окачването на автомобилите. Приложението (фиг.3.17) за обработка и съхраняване на данни за
виброускоренията на окачването на автомобилите обработва и записва вибродиаграми по оси X, Y и Z от MEMS инерциален сензор, монтиран на стендовата площадка. Визуализацията и печатът на диаграмите на ускоренията, скоростите, относителните премествания и амплитудно-честотния спектър се обработват със специално разработен софтуер за визуализация на вибродиаграмите.
За управление на цифровия акселерометър (жироскоп) е създадено приложение в програмна среда на MATLAB, което позволява преди всеки цикъл на измерване да бъдат зададени обхвати на измерване (±2 g или ±6 g), честоти на дискретизация 40, 160 и 640Hz и време за измерване. От панела на приложението записаните данни могат да бъдат допълнително анализирани и визуализирани.
16
Приложението за обработка и съхраняване на данни за отделните елементи и съединения на окачването (фиг. 3.18) на автомобилите обработва и записва вибродиаграми по оси X, Y и Z от MEMS инерциални сензори, монтирани върху изследваните елементи. Визуализацията и печатът на диаграмите на ускоренията, скоростите, относителните премествания и амплитудно-честотния спектър се обработват със специално разработен софтуер за визуализация на вибродиаграмите.
Фиг. 3.17 Фиг. 3.18
3.4 Оценка на съвместната работа на вибрационния стенд и разработените
модули. Проверката на работата на разработената система, чрез анализ на измерените
виброускорения на тестовата площадка е извършено, чрез три последователни опита на включване на вибрационния стенд и последващото му изключване. Данните получени от модулът за обща вибродиагностика на окачването, при измерване на ускорения е с честота на дискретизация 40 Hz.
На фиг.3.21 е показана извадка от времедиаграмата на колебанията за дефиниране на основните етапи в процеса на експериментиране. При включване на сренда (момент стартиране) започва ускорително движение на платформата. Този процес е сравнително кратък и завършва със стационарен процес на принудено движение на платформата. В края на този стационарен процес се изключва захранването на вибрационната платформа и започва процесът на затихване, чиито параметри представляват интерес на настоящото изследване. Когато амплитудата на колебанията намалее под някакъв праг се счита, че процесът на затихване е приключил и на базата на получените ускорения се прави оценка на състоянието и се определят динамичните характеристики на окачването.
17
Фиг. 3.21 Основни фази от работата на установката.
За анализ и определяне на динамичните характеристики е необходимо да се извърши и спектрална оценка на колебанията, като въз основа на този анализ трябва да бъдат определени: времето и скоростта на затихване на колебанията; основните доминиращи честоти и техните амплитуди; взаимозависимостта на определените честоти и амплитуди.
Амплитудите се измерват и записват във функция на честотата на трептенията и времето. На фиг.3.22 е показана диаграма на изменението на амплитудите във функция на времето и честотата от проведените три опита.
Фиг. 3.22 Триизмерно представяне на спектралната характеристика за трите
последователни опита. Изменението на амплитудите във времето отразяват както основните етапи в
колебателния процес, така и основните динамични характеристики на системата, показани на фиг. 3.23, от която ясно се определят трите основни процеса:
- ускорение на платформата – (Vibration stand acceleration);
18
- стационарен процес – (Stationary vibration); - затихване на колебанията – (Oscillations). От фиг. 3.23 се определя честотата на основното колебание при стационарния
процес на тестовата платформа, което е 16 Hz. При изключване на захранването на вибрационния стенд и началото на процеса на затихване основната честота на колебание намалява, като амплитудата е максимална в диапазона от 6 до 10 Hz. Чрез свързване на спектралните максимуми се определя и скоростта на затихване на колебанията на системата, съгласно наклона на получената права (фиг.3.24).
Фиг. 3.23 Основни етапи на процеса в . Фиг. 3.24 Определяне на динамиката на
честотна област затихване. Спектралната характеристика в амплитуда-честотна спектър е показан на
фиг. 3.25. Анализът на тази характеристика позволява да се отчете влиянието на съвместно или отделно работещи трептящи елементи в изпитваната система. Показаното изменение на амплитудата в зависимост от честотата се характеризира с множество фрактали (неравности), което показва, че изпитваните елементи не са едно цяло, а трептят като отделни тела.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
2
4
X re
spon
se
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
1
2
3
Y re
spon
se
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
20
40
60
Frequency,Hz
Z re
spon
se
Фиг. 3.25 Амплитуден спектър на ускоренията по осите на окачването (fT=40Hz).
19
3.5 От изложеното в тази глава произтичат следните по-важни изводи: 1. Разработена е експериментална установка, състояща се от вибрационен
стенд и модули за измерване на вибрации, с която може да се изследва както окачването, така и отделните му елементи и съединения.
2. С помощта на разработената система могат да се записват вибродиаграми, както за общото състояние на окачването на автомобила, така и на отделните му елементите му при стендови условия.
3. Разработената система позволява измерване на ускорения, относителни премествания, а анализът на амплитудно-честотен спектър на сигналите повишава информативността за поведението на изпитваните елементи.
ГЛАВА 4 ИЗСЛЕДВАНЕ НА УСКОРЕНИЯТА В ОКАЧВАНЕТО НА АВТОМОБИЛА ПРИ ИЗМЕНЕНИЕ НА ТЕХНИЧЕСКОТО СЪСТОЯНИЕ НА ЕЛЕМЕНТИТЕ МУ.
За определянето на техническото състояние на гумено-металните съединения на опорните рамена (носачите) на автомобилите с окачване тип Макферсон е необходимо прилагане на постоянна по големина и променлива по посока сила FX по надлъжната ос на автомобила (оста Х), а за оценка хлабината в сферичните шарнири се прилага постоянна по големина и променлива по посока сила FZ по вертикалната ос (оста Z), при което се оценява преместването на отделните елементи.
За създаване на променливи принудени колебания с постоянна големина върху окачването на автомобила се използва вибрационен стенд BOGE-AFIT ShockTester. За измерване на ускоренията и амплитудно-честотните характеристики на елементите от окачването се използват разработените модули за вибродиагностика.
4.1 Създаване на принудени колебания в окачването и елементите му. Вибрационният стенд предизвиква вертикални колебания, които се предават
на елементите на окачването по различни оси, зависещи от конструкцията на окачването, базата на автомобила и височината на вибрационните площадки. Разположението на автомобила върху площадките е показано на фиг.4.4. Трябва да се има в предвид, че освен създаваните вертикални колебания, конструкцията на стенда позволява относително малки премествания на площадките по осите X и Y. Чрез вибрационния стенд се прилага вертикална сила GZ , предизвикваща опорни реакции по оста на шенкелната ос Х и хоризонтална реакция върху платформата GX (фиг.4.4). По този начин става възможно да се създаде постоянна сила върху окачването по надлъжната ос Х на автомобила.
Големината на получената хоризонтална сила GX върху площадката на стенда, колелото, респективно опорното рамо (носача), зависи от надлъжния наклон на шенкелната ос γ и ъгъла γ1 на надлъжната ос на автомобила с хоризонталната равнина, при което:
GX = sin (γ+γ1)*GZ. (4.1) Прилаганата вертикална сила GZ от площадките по време на измерването e
около 2500N и при ъгъл γ = 2о и наклон на автомобила γ1 = 3о, очакваната хоризонтална сила GX e около 200N. Тази сила предизвиква вибрации по оста X на задвижващата платформа. Получената сила GX е достатъчна за създаване на напрежение в гумено-металните съединения.
20
Фиг. 4.4 Действащи сили от площадките на стенда по осите на автомобила.
4.2 Определяне на техническото състояние на елементите от окачването на автомобила чрез използване на ускоренията на окачването и елементите му.
За проверка на възможността за използване на ускоренията при определяне на общото техническо състояние на елементите от окачването се проведоха измервания с неизправни и нови (изправни) елементи. Изследване на динамичните характеристики и състоянието на елементи от окачването на автомобила се извършва на базата на анализ на данните от микромеханични инерциални сензори, монтирани на съответните елементи и на тестовата площадка чрез измерване на действащите ускорения:
- първото измерване се извърши на автомобила с неизправно опорно рамо (носач-включващ сферичен шарнир с увеличени хлабини и омекнали две гумено-металически съединения - тампони) и неизправна къс реактивен лост (биалетка);
- след смяна на опорното рамо и късия реактивен лост с нови (изправни) се извърши повторно измерване.
И двете измервания бяха извършени при еднакви условия и създавани вертикални колебания.
За обща оценка на техническото състояние на елементите на окачването модулът MEMS (за измерване на общи линейни ускорения) е монтиран на площадката на стенда, а за оценката и измерване на виброускорения на отделни съединения и елементи от окачването на автомобилите се използва инерциалната сензорна мрежа.
4.2.1 Анализ на трептението на тестовата площадка. След включване на вибрационния стенд и достигане на честота над
резонансната на окачването, електродвигателят на стенда се изключва. Модулът за измерване на общи линейни ускорения измерва ускоренията в този режим, както и процеса на намаляване на колебанията, нарастването на амплитудата, достигането на нейния максимум и затихване на колебанията.
21
Измерените ускорения по оси X, Y, и Z от площадката на стенда, получени от модула MEMS (за измерване на общи линейни ускорения) с неизправни гумено-металически съединения (тампони) на опорното рамо (носач), сферичен шарнир и къс реактивен лост (биалетка), са показани на фиг.4.6, а на фиг.4.7 - ускоренията с изправни елементи.
Ефектът от смяна на неизправните елементите на окачването е най-добре видим по разликата в ускоренията по оста X, където в края на колебателния процес (за фиг. 4.6 интервалът между 10 и 17-ата секунда, а за и фиг. 4.7 интервалът между 7 и 14-ата секунда) измерените максимални ускорения след смяна на неизправните елементи от окачването са намалели с 2 пъти, от 0,3 g до 0,1 g.
Времето за затихване на колебанията по оста Z след поставяне на изправни елементи намалява от 7,5s на 6s. Подобно е и намаляване на времето на затихване на колебанията по оси X и Y.
Наблюдават се по-ниски максимални ускорения по оста Z при опита с неизправните елементи, което най-вероятно се дължи на наличието на хлабини в съединенията на окачването. В този случай отделните елементи се ускоряват самостоятелно и при векторното събиране на ускоренията им общото ускорение на групата намалява.
Фиг. 4.6 Ускорения по оси X, Y, и Z на окачването Фиг. 4.7 Ускорения по оси X, Y, и Z на
неизправни елементи на окачването с изправни елементи Ясно се различават при сравняване на спектралните характеристики по ос X
спектралните максимуми които имат значително по–малка стойност, като спектърът е разпределен по–равномерно и е изместен към по–ниските честоти.
При сравнението на амплитудния спектър на сигналите на фиг.4.8 и фиг.4.9 за двата случая се наблюдава, че колебанията при неизправни елементи са с по-високи честоти и амплитуди. Както се отразено на фиг. 4.8 изменението на честотата по оси X, Y и Z на опита с неизправни елементи е съпътствано от множество фрактали, което най-вероятно се дължи на неизправност, тъй като системата „окачване” не трепти като едно цяло, т.е. наличие на повишени хлабини в съединенията на окачането. За точното определяне на причината за появата на тази назъбена линия е необходимо да се изследват и ускоренията на отделните елементи на окачването.
22
Фиг. 4.8 Амплитудно-честотен спектър на Фиг. 4.9 Амплитудно-честотен спектър на сигналите - окачване с неизправни елементи. сигналите - окачване с изправни елементи.
4.2.2 Анализ на виброускорения на отделни съединения от окачването. За изследване и анализ на виброускоренията на отделните елементи от
окачването се използва инерциалната сензорна мрежа. Използвани са три броя акаселерометри поставени върху стабилизиращия лост, опорното рамо (носачът) и спирачният апарат показани на фиг. 4.10. Измерванията са проведени при неизправни и изправни технически състояния на елементите от окачването при еднакви условия и създаване вертикални колебания.
Сензор 1 Сензор 2 Сензор 3
Фиг. 4.10 Номерация и места на поставяне на MEMS акселерометри за изследване на
вибрации в елементи от окачването на автомобила. На фиг.4.11 са показани измерените ускорения от монтираните по
елементите преди и след смяната на елементите ускорения по оси X, Y и Z. Анализът на ускоренията на отделните елементи на окачването показва, че
смяната на посочените елементи води както до намаляване на ускоренията, така и до намаляване на времето на затихване на колебанията. Този ефект е добре видим при съпоставяне на ускоренията на Сензор #1 монтиран върху стабилизиращия
23
лост по оста Х, където времето на затихване на колебанията намалява от приблизително 5s на 3s след смяната на елементите с нови.
Аналогични изводи могат да бъдат направени и при анализа на ускоренията от другите 2 сензора монтирани съответно Сензор #2 монтиран върху опорното рамо (носача) и Сензор #3 монтиран върху спирачен апарат, където максималните стойности на ускоренията са с приблизително 20% по-малки спрямо ускоренията преди смяната, а времето на затихване на колебанията намалява.
Фиг. 4.11 Ускорения с неизправни елементи. Фиг.4.21 Ускорения с изправни елементи.
24
Като се има предвид, че единствената контактна площ на автомобила със площадката на стенда при проведените експерименти е тази, образувана от гумите и всички предавани сили от стенда към окачването на автомобила се осъществяват чрез този еластичен елемент, се налага необходимостта от изследване на влиянието им върху резултатите от проведеното изследване.
4.3 Изследване влиянието на гумите при измерване на виброускорения от окачването на автомобилите.
Изследванията са извършени на различни типове гуми - всесезонни Debica Navigator 175/65/14 и летни Fulda EcoControl 175/65/14 с еднакво налягане, предписано от производителя на автомобила за конкретните условия, при три различни честоти на дискретизация – 40, 160, 640 Hz, при еднакви условия и създаване вертикални колебания с неустановено техническо състояние на елементите на окачването на автомобила. Снетите ускорения имат три области, като измерваните отляво и отдясно ускорения имат идентичен характер при монтираните различни типове гуми.
Сравнителният анализ на вибродиаграмите на предните колела с монтирани гуми Fulda (отляво и отдясно) по оста Z на показва, че имат практически еднакъв характер, което говори за относително еднакво техническо състояние на окачването и елементите му и от двете страни на автомобила. При повишаване на честотата на дискретизация от 40 на 160Hz за анализиране на характеристиките на вибрациите на предните колела, са налице високочестотни съставки в спектрограмата на предните колела, като са налице и хармонични съставки на основното трептение от 16Hz, съответно на честоти 32 и 48Hz.
Фиг. 4.17 Амплитуден спектър на Фиг. 4.18 Амплитуден спектър на
вибрациите с два типа гуми (fT=40Hz ). вибрациите с два типа гуми (fT=160Hz). От направените измервания се вижда, че амплитудно-честотните
характеристиките на окачването практически не зависят от типа на гумите от един и същи клас, въпреки различната сезонност и най-вероятно поради практически еднаквите си характеристики. Дори и анализът с по-висока честота на дискретизация (fТ=160Hz) (фиг.4.18) не показва съществена разлика в амплитудния спектър на сигналите.
4.4 От изложеното в тази глава произтичат следните по-важни изводи:
25
1. Наличието на значителни ускорения от площадката на стенда по надлъжната на автомобила ос Х при създаването на вертикални колебания по ос Z са признак за неизправности в съединенията на окачването.
2. Изследването на ускоренията е недостатъчно за оценка на състоянието на окачването и отделните му елементи. Необходимо е да се извършва и спектрална оценка на ускоренията като амплитудно-честотна характеристика.
3. Получените експериментални резултати показват, че като диагностичен признак за неизправност, т.е. хлабини в съединенията на окачането, може да се използва наличието на фрактали в спектралната оценка на колебанията.
4. Сложната конфигурация и разположението на елементите от окачването в пространството затруднява и прави невъзможно получаване на относителните им премествания по оси X, Y и Z.
5. Доказана е възможността за използване на ускоренията при определяне на техническо състояние на окачването и елементите му с което се избягва субективната оценка.
ГЛАВА 5 ПРИЛОЖЕНИЕ НА ВИБРОДИАГНОСТИКАТА ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ХЛАБИНАТА В СФЕРИЧНИ ШАРНИРИ И РАЗРАБОТВАНЕ НА ДИАГНОСТИЧНА ПРОЦЕДУРА.
5.1. Експериментална оценка на възможността за измерване на хлабини в неразглобяеми съединения.
В процеса на експлоатация, в резултат на триенето, хлабината между елементите се увеличава. Определянето на тази хлабината (∆d) в това неразглобяемо изделие, което и в много случаи е окомплектовано заедно с опорното рамо на съвременните автомобили, не позволява прякото и измерване.
За оценка на възможността за определяне на хлабината два от инерциалните сензори са поставени съответно на: сензор 1 - върху шенкела; сензор 2 – на рамото, показани на фиг.5.2, взаимоориентирани по оста Z. Счита се, че след създаване на разнопосочни усилия (вибрации) при наличие на хлабина те ще имат различни ускорения. Чрез използване на стендa за принудени колебания се получават виброускоренията на двата инерциалните сензори.
Фиг. 5.2. Разположение на сензорите на елементите на окачването Получените данни за ускорения на двата сензора се обработват съгласно
изложената последователност в [132]. След двукратно интегриране се получава: - за относителна скорост
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )∫∫∫ −=−=−=τττ
τττττττ0
120
10
212 daadadatvtvtv (5.1)
- за относително преместване
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∫∫∫ =−=−=τττ
ττττττ00
10
212 dvdvdvtdtdtd (5.2)
26
Максималната стойност на относителното преместване е и стойността на търсената хлабина ∆d.
За оценка на точността на получените резултати при определена хлабина, чрез използване на ускорението в изпитвания шарнир е направен резбови отвор и поставен регулиращ болт, с помощта на който се регулира (чрез пряко контролиране и измерване) хлабината d в шарнирното съединение (фиг. 5.3).
Фиг. 5.3 Контролиране на хлабината в шарнирното съединение
Точното определяне на действителната хлабина d се извършва чрез индикаторен часовник с точност на делението 0,01 mm, монтиран на носача, чрез специализирано приспособление, показано на фиг.5.4. Изследваните хлабини в шарнирното съединение са в границите до 2 mm, а средната и стойност 1 mm, при което средната относителна грешка на измерването е ≈0,5%., като тази точност е удовлетворителна за практическите цели на изследването.
Фиг.5.4. Определяне на действителната хлабина.
Чрез регулиращия болт хлабината в съединението се контролира от 0,00 mm до 1,40 mm. Извършени са 24 измервания на ускоренията на двата сензора при регулирана хлабина с начална стойност 0,00 mm и стъпка 0,20 mm, като стойността на създаваната хлабина се измерва и контролира преди всяко отделно измерване с индикаторния часовник монтиран на опорното рамо (носача) на окачването (фиг.5.4).
5.2 Резултати от експеримента на получените виброускорения. След задействане на стенда и измерване на виброускоренията от поставените
на рамото и шенкела на окачването, инерциални сензори, при различни стойности на хлабината, са получени честотните спектри на сигналите от двата сензора между детайлите. На фиг.5.5 и фиг.5.6 са показани при контролирани стойности на хлабината съответно 0,40 и 0,80 mm.
27
Frequency, Hz
Win
dow
num
ber
0 5 10 15 20 25 30860
880
900
920
940
960
980
1000
1020
Frequency, Hz
Win
dow
num
ber
0 5 10 15 20 25 30440
460
480
500
520
540
560
580
600
Фиг.5.5. Спектър на сигналите от сензор едно, монтиран върху шенкела на окачването в
зависимост от съответната контролираната хлабина / OV=1/16; N=192 /.
Frequency, Hz
Win
dow
num
ber
0 5 10 15 20 25 30
1080
1100
1120
1140
1160
1180
1200
1220
Frequency, Hz
Win
dow
num
ber
0 5 10 15 20 25 30520
540
560
580
600
620
640
660
680
Фиг. 5.6 Спектър на сигналите от сензор две, монтиран върху носача на окачването в
зависимост от хлабината контролираната / OV=1/16; N=192 /. 5.2.1 Определяне на относителна скорост и преместване на елементите. За определянето на относителната скорост и относителното преместване на
сензорите един спрямо друг е необходимо да се определи разликовия сигнал между двата сензора във времевата област. На фиг. 5.7 са показани графиките за 0,40 и 0,80 mm.
0 5 10 15 20 25-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5d=0.4mm
Time,s
dA /
g
0 5 10 15 20 25-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5d=0.8mm
Time,s
dA /
g
Фиг.5.7. Форма на разликовия сигнал (s2(t) – s1(t)) между двата сензора във времевата област.
След числено интегриране на разликовия сигнал са определени относителната скорост и относителното преместване между шенкела и носача при
28
контролиране на създадената хлабина. На фиг.5.8 и фиг.5.9 са показани графиките съответно за 0,40 и 0,80 mm.
0 5 10 15 20 25-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Time,s
Spe
ed,c
m/s
0 5 10 15 20 25-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Time,s
Spe
ed,c
m/s
Фиг. 5.8. Относителна ∆V скорост между елементите при съответна хлабина 0,40 и 0,80 mm.
0 5 10 15 20 25-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Time,s
Dis
tanc
e,m
m
0 5 10 15 20 25
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
Time,s
Dis
tanc
e,m
m
Фиг.5.9.Относително преместване ∆d между елементите при съответна хлабина 0,40 и 0,80 mm.
След направената обработка на снетите ускорения, в таблица 5.1, са показани действителната стойност на хлабината d дейст., измерена с индикаторен часовник, максималната разликата в ускоренията А макс., и изчислената стойност на хлабината ∆d изч., получена след двукратно интегриране на ускорението.
Табл. 5.1
5.3 Проверка за достоверност на получените резултати. За оценка на съответствието и достоверността на получената изчислена
стойност на хлабината е определен коефициентът на корелация на действителните и изчислените премествания ∆d.
29
d дейст.=0,132247*A max^2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4d дейст.
A m
ax
Максималното относително преместване между отделните детайли се сравнява с теоретично измерената хлабина и сравнителният анализ на резултатите при различни стойности на хлабината при различните опити е показан на фиг.5.10.
Резултатите показват, че при промяна на действителната хлабина в границите 0,6÷1,2 mm, грешката при изчисляването и чрез двойно интегриране на получените ускорения е по-малко от ±0,1mm.
Коефициентът на корелация между апроксимираната крива /зелен цвят/ и експерименталните точки за трите отделни опита са както следва:
1. тест 1 - Exp1 – 0,9732 2. тест 2 - Exp2 – 0,9903 3. тест 3 - Exp3 – 0,9714
Фиг. 5.10 Сравнителен анализ на измерена и изчислена хлабина за различните опити.
Коефициентът на корелация между действителните (d дейст.) и изчислените (∆d изч.) стойности на хлабината и от трите опита за 24 броя измервания е определен, чрез използване на софтуерен продукт Statgraphics.
Високата стойност на коефициента на корелация – 0,9860 показва, че изчислените стойности на хлабината съвпадат с действителните. Този коефициент на корелация е статистически значим, тъй като нивото на значимост на нулевата хипотеза Р-стойността е по-малко от 0,05 при 95,0% доверителен интервал.
5.4 .Проверка на зависимостта между ускорението и хлабината. За намаляване обема на изчислителните процедури е възможно да се
използва и регресионен анализ за оценка на функционалната зависимост между стойностите на Аmax и действителната хлабина d дейст..
След обработка на данните от таблица 5.1, с помощта на програмен продукт Statgraphics е получено уравнението:
d дейст.= 0,132247*Amax2 (5.3)
Получената стойност на коефициента на корелация R2 = 96,9257 %, показва много силна корелация между ∆dдейст и Аmax.
Този коефициент на корелация е статистически значим тъй като нивото на значимост на нулевата хипотеза Р-стойността е по-малко от 0,05 при 95,0% доверителен интервал.
Фиг.5.11. Графична зависимост на ускорението и действителната хлабина.
30
Полученото уравнение позволява разликата в ускоренията да се използва за диагностичен параметър за оценка на хлабината в шарнирни съединения. Показаната на фиг.5.11 графика показва, че този диагностичен параметър е еднозначен и чувствителен.
5.5 Обобщена диагностична процедура.
5.6 Изводи: 1. С помощта на разработената система е доказана възможността за
използване на двукратно интегриране на разликовите ускорения за определяне на хлабини.
2. Изчислената хлабина от двукратното интегриране на разликите в ускоренията на сензорите и действителната стойност на хлабината определена с индикаторен часовник са с висока степен на корелация.
3. Получено е уравнение на регресия за взаимовръзката между действителната хлабина и максималните ускорения от вида d дейст.= 0,132247*Amax
2, което доказва, че разликата в ускоренията на може да се използва за диагностичен параметър.
4. Разликата в ускоренията на опорното рамо (носача) и шенкела може да се използва за диагностичен параметър на хлабини в сферични шарнири.
5. Разработена е диагностична процедура за определяне на хлабината в сферичен шарнир.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Извършените в хода на изготвянето на настоящата дисертация изследвания,
получените резултати, анализът им и заключенията, резултат от този анализ, научно-приложните и приложните изводи, създадената експериментална виброустановка, резултат от съчетаване на традиционни методи и съвременни електронно-диагностични елементи са актуален принос в стратегията за създаване качествена и ефективна автомобилна вибродиагностика. Същите биха могли да станат основа за по-широка и обхватна научно-приложна дейност със значими теоретични и практично-приложни цели и значимост при експлоатацията на автомобилния транспорт.
31
ПРИНОСИ ПО ДИСЕРТАЦИЯТА Научно-приложни приноси: 1. На база проведеното изследване на експлоатационната надеждност на
предното окачването на леки автомобили Фиат, модел Панда, са определени показателите P(L), f(L), λ(L), и Lср, като разпределението на пробега до първи отказ на опорните рамена (носачите) се описва със закона на Вейбул.
2. Разработена е експериментална установка, състояща се от вибрационен стенд и два модула за измерване, съхранение и обработка на вибрации, с която може да се изследва както окачването, така и отделните му елементи и съединения, при стендови и пътни условия. Разработената измервателна система позволява измерване на ускорения, относителна скорост и преместване на окачването и елементите му, а анализът на амплитудно-честотен спектър на сигналите повишава информативността за поведението на изпитваните елементи.
3. Доказана е възможността за използване на двукратното интегриране на разликовите ускорения между елементите на окачването за определяне на хлабината в неразглобяемо шарнирно съединение, като точността на поучените резултати, съответства на действителните хлабини измерени с индикаторен часовник.
4. Доказано е ,че разликата в ускоренията на носача и шенкела може да се използва за диагностичен параметър за хлабини в сферични шарнири. Получено е уравнение на регресия за взаимовръзката между действителната хлабина и максималните разликови ускорения от вида d дейст.= 0,132247*Amax
2. Приложни приноси: 1. На база определената средна отработка Lср и закономерностите за поява на
първи отказ в опорните рамена (носачите) на автомобил Фиат, модел Панда, се предлага извършване на контролно диагностични операции при достигане на пробег 70000 километра, което е долната граница на средната отработка до първи отказ.
2. Наличието на значително ускорения от площадката на стенда по надлъжната на автомобила ос Х при създаването на вертикални колебания по ос Z са признак за неизправности в съединенията на окачването.
3. За идентифициране на източника на неизправност е необходимо да се извърши спектрална оценка на получените ускоренията в амплитудно-честотната характеристика, като наличието на фрактали в спектралната оценка на колебанията е признак за неизправност, т.е. хлабини в съединенията на окачането.
4. Усъвършенстван е съществуващия вибрационен стенд, чрез модул за измерване на общите виброускорения на окачването и създаден софтуер за визуализация и анализ на амплитудно-честотната характеристика на окачването, в отговор на съвременните изисквания на инженерната практика.
5. Разработена е диагностична процедура, както за обща оценка на техническото състояние на окачването, така и за оценка състоянието на отделните му елементи и съединения.
СПИСЪК НА ПУБЛИКАЦИИТЕ ПО ДИСЕРТАЦИЯТА 1. Дамянов И., Р. Милетиев. Система за вибродиагностика за оценка
техническото състояние на елементите от окачването на автомобилите, Trans&MOTAUTO’07, Русе, 2007.
32
2. Маджарски Е., И. Дамянов, Р. Милетиев. Оценка на точността при използване на вибродиагностика за определяне техническото състояние на елементите от окачването на автомобилите, Trans&MOTAUTO’08, Созопол, 2008.
3. Маджарски Е., И. Дамянов, Р. Милетиев., Гинев Г. Метод за определяне на техническото състояние на елементи от окачването на автомобила, Trans&MOTAUTO’09, Слънчев бряг, 2009.
4. Emil Iontchev, Ilian Damyanov, Ivaylo Simeonov, Rossen Miletiev - Inertial system for measurement of the dynamic response and status of the vehicle suspension elements, The Third International Conference on Digital Information Processing and Communications (ICDIPC 2013), pp. 331-336, Jan 30 – Feb 1, Dubai, 2013.
5. И. Дамянов - Експериментална оценка на адекватността на метод за измерване на хлабини на елементи от окачването на автомобила, BulTrans – София, 16-18 Октомври, 2013
ANNOTATION Dissertation: STUDY OF OPERATIONAL RELIABILITY AND
DEVELOPMENT OF DIAGNOSTICS PROCEDURES FOR VEHICLE SUSPENSION ELEMENTS
Author: M.Sc. Eng. Iliyan Slavkov Damyanov The study of operational reliability of the suspension and its elements carried out during the
preparation of this dissertation and developed methods and technical means, as well as diagnostic procedure for assessing the condition would improve system maintenance, monitoring and diagnostics of vehicles and would increase safety and comfort of road traffic.
Chapter I include an overview of research, innovation and scientific methods in the field of reliability of cars, typical pattern of variation of technical condition of cars based on reliability theory and methods and tools for vehicle diagnostics.
Chapter II is a survey of the reliability of the elements of the vehicle’s suspension. For the observed cars Fiat, model Panda are defined regularities of occurrence of the first failure of lower control arm which is composed of one ball joint and two rubber-metal bushings. Based on identified characteristics the need of diagnostic operations is determined with frequency lower limit of the average working off to first failure of the element, or when the mileage of 71,500 km is reached.
In chapter III described the developed experimental device, consisting of a vibration test stand and vibration measuring modules. Using this device the vehicle suspension and its elements can be tested to define their technical condition. The developed device allows measurement of accelerations a relative speed and relative displacements. Analyzing to the amplitude-frequency spectrum of the accelerations will increase the informativeness on the behavior of the tested items.
In chapter IV has been demonstrated the possibility of using the accelerations for determining the technical condition of the suspension and its elements, thus avoiding the subjective evaluation. When creating vertical axis fluctuations parallel to the Z axis of the vehicle with vibration test stand, a sign of failure is the presence of elevated X-axis accelerations from the test platform of the stand. The results obtained from the experiments indicate that as a diagnostic sign of failure, i.e., gaps in the compounds of the suspension is the presence of fractals in frequency response evaluation fluctuations.
Chapter V demonstrated the possibility of using double integration of acceleration diff down the gap. The calculated gap from the double integration of the difference in acceleration which are obtained from the sensors, and the actual value of the gap defined by the tracer clock are with a high degree of correlation. Regression equation obtained for relationship between the actual difference and maximum acceleration of type dдейст.=0,132247*Amax
2, which proves that the difference in acceleration can also be used for diagnostic parameter. The difference between the accelerations of the lower control arm and steering knuckle can be used as a diagnostic parameter for determining the gaps in ball joints. To determine the gap in the ball joint a diagnostic procedure is developed.