Simulátor vibrací pro experimenty ve vibrodiagnostice

Transkript

ESKÉ VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
Fakulta elektrotechnická
Katedra mení
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Simulátor vibrací pro experimenty ve vibrodiagnostice
Diplomant:
Ondej Kreibich
Vedoucí práce:
Doc. Ing. Radislav Šmíd, Ph.D.
Studijní obor:
Letecké informaní a ídící systémy
Datum odevzdání: Leden 2007
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
Student
Ondej Kreibich
Obor
Letecké informaní a ídící systémy
Název tématu: Simulátor vibrací pro experimenty ve vibrodiagnostice
Zásady pro vypracování:
Navrhnte a realizujte konstrukci simulátoru vibrací pro experimenty a výuku
vibrodiagnostiky. Simulátor by ml umožovat simulaci jednoduchých závad
ozubeného pevodu, valivých ložisek a simulací nevyváženosti. Navrhnte ovládání
hnacího motorku a mení rychlosti pomocí DAQ modulu s rozhraním USB.
Realizujte základní programové vybavení pro ovládání simulátoru, digitalizaci
vibraních signál a jejich analýzu obvyklými vibrodiagnostickými metodami v
prostedí Matlab.
estné prohlášení
Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatn a použil jsem pouze
podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v piloženém seznamu.
V Praze dne 19.1.2007
..................................................
podpis diplomanta
Souhrn
Práce je zamena na stavbu zaízení – simulátoru, který umožuje demonstrovat vady
na mechanických ástech skutených strojních zaízení v laboratorních podmínkách. Pro
sestrojení takového zaízení byly nastudovány základy konstrukní nauky, dle kterých se
následn postupovalo pi návrhu konstrukce simulátoru. Tento návrh v podob kompletní
technické dokumentace sloužil jako podklad pro výrobu jednotlivých souástí zaízení.
Ovládání
simulátoru
zajišuje
elektronická
jednotka
komunikující
s
PC
prostednictvím sériového kanálu. Jádrem jednotky je osmibitový mikrokontrolér ady 8051,
který podle pijatých dat z PC ovládá výkonový spína a tím mní otáky hnacího motoru.
Mikrokontrolér zárove mí rychlost otáek motoru prostednictvím optického senzoru a
tento údaj vysílá zpt do PC.
Pro vyhodnocení vibraních signál byly uvedeny nkteré teoretické základy
vibrodiagnostiky sloužící k monitorování stavu stroj.
Digitalizaci dat zajišuje modul PMD 1208FS od firmy Measurement Computing
pipojený k PC pes USB. Následná analýza namených signál se provádí obvyklými
vibrodiagnostickými metodami v prostedí Matlab.
Ovení funkce simulátoru bylo provedeno profesionálním systémem Pulse od firmy
Brüel & Kjær.
Klíová slova: vibrodiagnostika, prediktivní údržba, monitorování stavu stroj,
mikroprocesor ady 8051, výkonový spína MOSFET, pulsní šíková
modulace
Summary
This project is focused on structure of mechanism – training equipment, which allows
demonstrate various defects of mechanical parts under laboratory conditions. Results from
these experiments should be applied in real machinery. Principles of Design science were
studied and used for construction project of the mechanism. Results from this field were used
for determination of exact training equipment construction. Scheme of the construction is
clearly described in technical documentation, which was applied for made of individual parts.
Adjustment and control of the device is provided with electronic module
communicating with PC over serial link. The core of module is 8-bit microcontroller 8051
family, which controls speed of DC motor by power switch. Signal including speed value for
this control is received from PC. Microcontroller measures speed of DC motor via optical
encoder and this value transmit back to PC.
Theoretical principles of vibrodiagnostic field and condition monitoring were studied
and applied for proper interpretation of calculated vibrodiagnostic signal.
PMD 1208FS module supplied by Measuremet Computing Corporation provide of
data aquisition. This module has connection with PC by USB. Signal analysis of acquisition
data is provided by usual vibrodiagnostic method in Matlab software.
Verification of functionality was performed by professional system Pulse from Brüel
& Kjær company.
Keywords: vibrodiagnostic, predictive maintenance, condition monitoring, microcontroller
8051 family, power MOSFET switch, pulse width modulation
Podkování: Dkuji vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Radislavu Šmídovi, Ph.D. za
pomoc a odborné vedení, které mi poskytoval po celou dobu diplomové práce.
Obsah
Obsah
1. Úvod ....................................................................................................................................... 1
2. Cíl práce ................................................................................................................................ 2
3. Mechanická konstrukce simulátoru vibrací ...................................................................... 3
3.1. Návrh konstrukce.............................................................................................................5
3.2. Ložiska ..........................................................................................................................16
3.2.1. Rozdlení ložisek....................................................................................................16
3.2.2. Trvanlivost..............................................................................................................17
3.2.3. Životnost ložisek ....................................................................................................18
3.2.4. Vlastnosti ložisek a ovlivující veliiny.................................................................19
3.2.5. Mazání valivých ložisek .........................................................................................21
3.2.6. Všeobecné pokyny..................................................................................................22
3.3. Ozubené pevody...........................................................................................................23
3.3.1. Charakteristika........................................................................................................23
3.3.2. Vlastnosti pevod..................................................................................................27
3.3.3. Poznatky pro návrh a kontrolu ...............................................................................31
4. Monitorování stavu stroj s využitím vibraních signál .............................................. 34
4.1. Základní pojmy..............................................................................................................34
4.2. Celkové vibrace stroje ...................................................................................................37
4.3. Frekvenní analýza vibrodiagnostického signálu..........................................................37
4.3.1. Oblast nízkých kmitot.........................................................................................38
4.3.2. Oblast stedních kmitot.......................................................................................44
4.3.3. Oblast vysokých kmitot .....................................................................................46
5. Elektronické vybavení simulátoru .................................................................................... 49
5.1. Návrh elektronického vybavení simulátoru...................................................................49
5.2. Mení otáek ................................................................................................................50
5.2.1. Mení otáek pes ovládací jednotku ....................................................................51
5.3. ízení otáek stejnosmrného motoru...........................................................................53
5.3.1. Pulsní šíková modulace.........................................................................................53
5.3.2. Výkonový spína s tranzistorem MOSFET............................................................53
5.4. Ovládací jednotka ..........................................................................................................60
6. Programové vybavení pro obsluhu simulátoru ............................................................... 65
6.1. Realizace zdrojového programu pro procesor ady 8051 – AT89C51RD ....................65
6.2. Funkce vytvoené pro ovládání simulátoru v prostedí MATLAB ...............................69
6.3. Funkce pro zpracování vibrodiagnostických signál v prostedí Matlab......................69
7. Uživatelská píruka .......................................................................................................... 72
7.1. Mechanická ást ............................................................................................................72
7.1.1. Zmna sestavy simulátoru ......................................................................................73
7.1.2. Zámna ložisek .......................................................................................................74
7.1.3. Zámna ozubených kol pi zachování osové vzdálenosti hídelí ...........................74
7.1.4. Zámna ozubených kol se zmnou osové vzdálenosti hídelí................................74
7.1.5. Upínání nevývažk i dalších rotaních komponent na hídel...............................75
7.1.6. Soupis potebného náadí .......................................................................................75
7.2. Elektronická ást ...........................................................................................................77
7.2.1. Pipojení ovládací jednotky ....................................................................................77
7.2.2. Ovládání jednotky ..................................................................................................78
8. Výsledky z ovování funkce simulátoru ......................................................................... 79
9. Závr.................................................................................................................................... 83
10. Literatura .......................................................................................................................... 84
I
Obsah
Seznam píloh
Pílohy umístné na konci práce:
x Píloha A
x Píloha B
x Píloha C
Technické výkresy souástí simulátoru
Kódy vytvoených program
Soupis spojovacího materiálu použitého v konstrukci simulátoru
Piložené CD:
soubor
x dp_kreibich.pdf
adresá
x datasheets
x OrCAD
x tech_vykresy
x programy/8051
Diplomová práce ve formátu .pdf
Katalogové listy použitých komponent (el. souástek i mech. ástí)
Ovládací jednotka – schéma a plošné spoje
Technické výkresy vyrobených souástek simulátoru
Zdrojový kód programu pro jednotku
II
Úvod
1. Úvod
Pedmtem této diplomové práce bylo navrhnout a sestrojit zaízení – simulátor, který
by umožoval na jednoduché mechanické soustav demonstrovat závady pevodového
systému (ozubeného pevodu, valivých ložisek, nevyváženost), které mohou u bžných
strojních zaízení nastat jejich nevhodnou výrobou, opotebením, provozem nebo špatnou
konstrukcí, a tyto simulované závady následn analyzovat obvyklými vibrodiagnostickými
metodami.
Výsledky analýzy tchto jev pak mohou sloužit k naplánování údržby skutených
zaízení, tak aby k poruše v dob jejich navrhované životnosti vbec nedošlo, minimalizovat
odstávky na údržbu a opravy, optimalizovat výkonnost stroj a zabezpeit bezpenost
provozu. Metody simulace závad mohou pomoci k vyhledání a specifikování závad bez
nutnosti celkového rozebrání stroje.
K využití simulátor se pikláníme tam, kde z hlediska velikosti není možné mit
signály na skutených zaízeních, v laboratorních podmínkách, i ke studijním úelm.
Dalšími dvody pro využití simulátor je nedostatek potebného množství vzork daného
zaízení, zpsobení prodlevy ve výrob i omezení nebo perušení funknosti reálného
zaízení.
Výrobou simulátor mechanických soustav pro experimenty ve vibrodiagnostice, se
celosvtov zabývá již nkolik renomovaných firem (nap. americké firmy SpectraQuest
Inc. [10], V-TEK Associates [13] nebo Sales Technology Inc.[7]). Cena simulátor je
relativn vysoká (základní modely bez potebného softwaru a píslušenství se pohybují kolem
tech tisíc amerických dolar). Dalším negativním faktorem pro nákup takového firemního
zaízení je krom ceny uzavenost nabízeného softwaru, a proto není možné do zakoupených
program, i do konstrukce celého simulátoru jakkoliv zasahovat.
Z výše uvedených dvod se pistoupilo k ešení navrhnout a sestrojit simulátor
vlastní konstrukce vybavený vlastním ovládáním a softwarem, který bude umožovat jak
praktickou výuku napíklad pro pedmt Diagnostika vyuovaný na Katede mení
FEL VUT v Praze, tak pro výzkum a experimenty v oblasti vibrodiagnostiky. Simulátor
bude navíc možno v budoucnosti ješt dále rozšiovat a nebudou se na takto realizované
zaízení vztahovat žádné závazky plynoucí z nákupu simulátoru od specializované firmy.
1
Cíl práce
2. Cíl práce
Tato diplomová práce si bere za cíl navrhnout vlastní konstrukci simulátoru vibrací
pro experimenty a výuku vibrodiagnostiky tak, aby výsledné zaízení bylo bezpené a
jednoduché na obsluhu, variabilní a v budoucnosti rozšiitelné. Výroba simulátoru i jeho
souástí by nemla být píliš cenov nároná nebo komplikovaná na výrobu.
Dle zadání by zaízení mlo umožovat demonstrovat závady na tchto mechanických
ástech:
x ozubený pevod
x valivé ložisko
x nevyváženost na hídelích
Souástí simulátoru vibrací bude dále ovládání z poítae, které zahrnuje nastavení a
mení rychlosti pohonu a snímání vibraních signál z akcelerometr umístných na
zvolených mechanických ástech simulátoru.
Digitalizace vibraních signál z akcelerometr bude zajištna DAQ modulem
s rozhraním USB a následné zpracování a analýza vibraních signál provedena v prostedí
Matlab.
2
Mechanická konstrukce simulátoru vibrací
3. Mechanická konstrukce simulátoru vibrací
Akoliv se jedná o diplomovou práci ešenou na elektrotechnické fakult VUT, její
nemalá ást je strojního charakteru. Opodstatnní nalezneme v pevném spojení strojírenství a
oboru technické diagnostiky, pro který je diplomová práce urena. Také studovaný obor
zabývající se letectvím je se strojírenstvím a zmínnou technickou diagnostikou
neodmysliteln spjatý.
Proto je potebné v úvodu této kapitoly zabývající se mechanickým návrhem a
konstrukcí simulátoru vibrací zmínit základní pojmy a teoretické základy potebné pro
konstrukci.
Technický výrobek: vyrobený pemístitelný technický objekt (stroj, nástroj, pístroj,
technické zaízení...) a jeho ásti (komplexy, montážní jednotky, suroviny) i v rozpracovaném
stavu.
Technický systém (TS): technický výrobek i nepemístitelný technický objekt (továrna,
elektrárna, dopravní sí...) a jejich ásti (obrábcí linka, hrubá stavba) i v rozpracovaném
stavu vetn fáze návrhu všech uvedených technických objekt.
ásti a mechanismy stroj (MS) nkdy také „Strojní ásti“: pojem vznikl historicky a není
zcela pesný, zahrnuje konstrukní provedení orgán technického systému. Pokud jsou ásti a
mechanismy stroj MS též montážním celkem (ložisko, spojka) jsou oznaovány jako
komponenty (obvykle konstruované a vyrábné na prodej). Podle oblasti použití se MS
rozlišují na obecné (pro všechny TS) a speciální (pro uritý obor TS, nap. pro spalovací
motory i potrubní systémy).
Souvislosti mezi zmínnými pojmy ukazuje následující tabulka 3-1, kde je zárove ukázán
stupe komplexnosti technického systému.
Stupe
I.
II.
III.
Technický systém
Píklady
Oblast
Díl, souást, strojní díl Element bez montážních operací
Stavební skupina,
mechanismus,
podskupina
Stroj, pístroj, aparát
Zaízení, strojní park
IV.
Charakteristika
ep, ložiskové pouzdro,
pružina, podložka
„MS“
Jednoduchý systém, který se skládá Pevodovka, hydraulický
z díl
a
mže
vykonávat válec
jednoduché funkce
Systém, který se skládá ze skupin a Soustruh, automobil,
díl a vykonává uritou funkci
elektromotor
Komplexní systém sestávající ze Obrábcí linka, továrna na „Stroje a
zaízení“
stroj, skupin, díl, vesms výrobu cementu
s komplexními úkoly mající však
funkní a místní jednotu
Tab. 3-1 Stupn komplexnosti technického systému
3
V píslušných oborech, které se problematikou konstruování zabývají bylo zjištno, že
existuje konený poet tíd vlastností shodných pro všechny technické systémy (viz obr. 3-1)
a pro každý jednotlivý systém se pouze liší stavy nebo hodnoty u jednotlivých vlastností.
Všechny vlastnosti technického systému existují nezávisle na lovku – tvrci, mohou však
být pro lovka – uživatele docíleny rzn uspokojiv, což se hodnotí porovnáním
s požadavky. Výsledkem porovnání je výrok/rozhodnutí o (relativní) kvalit technického
systému.
Obr. 3-1 Vnjší a vnitní vlastnosti technických systém [1]
Konstruování technických systém z hledisek jejich vlastností vychází z následující
metodiky:
x stanovení požadovaných vlastností
x analyzovat dostupné poznatky – únosnost závisí na...
– bezpenost obsluhy závisí na...
– výrobní náklady závisí na...
x zjištní dosažených vlastností
4
V rámci návrh se dále provádjí nezbytné výpoty na statické i dynamické zatžování
a namáhání psobící na jednotlivé ásti mechanism, dále výpoty na kontrolu návrhu a další
postupy, které vedou ke splnní funkce a bezpenosti dle požadovaných vlastností.
Návrh simulátoru vibrací tyto metody a poznatky bere na vdomí a využívá je pro
úspšnou realizaci.
3.1. Návrh konstrukce
Z mechanického hlediska se pi návrhu simulátoru vycházelo ze zadání, kde je
uvedeno jaké závady má pístroj demonstrovat, dále z již poízených souástí a také ze zmn
a nových požadavk, které vyplynuly pi samotném ešení návrhu.
Navrhovaný simulátor vibrací by dle zadání ml umožovat:
x demonstraci závady na ozubeném pevodu
x demonstraci závady na valivém ložisku
x demonstraci vlivu nevyváženého rotaního tlesa umístném libovoln v celé soustav
simulátoru
x mení otáek systému
v prbhu návrhu ješt pibyl požadavek na možnost:
x zatžovat výstup mechanické soustavy (za pevodem)
x mení orbitu na jedné z hídelí pomocí dvou senzor IN-081 od firmy Brüel & Kjær.
K dispozici již byly nkteré z potebných komponent k sestavení simulátoru, jednalo
se o dva stejnosmrné motorky s permanentními magnety P2RH479 od firmy Atas, upínací
pouzdra H204 od firmy SKF a dvouadá naklápcí kuliková ložiska 1204 K s kuželovou
dírou, které se na hídel upínají práv pomocí zmínných pouzder SKF.
Se zadáním byl doporuen odkaz na firmu SpectraQuest Inc. [10], která se vývojem a
výrobou podobných zaízení pro úely vibrodiagnostiky zabývá, avšak jejich zaízení jsou
pomrn cenov nároná (na obr. 3-2 je jejich zaízení urené pro demonstraci vad ložisek, za
cenu 3260,- am. dolar). Dalším negativním faktorem pro zakoupení takového zaízení je jeho
„uzavenost“. Pestože tyto sety mají uritou možnost rozšíení dokoupením nabízeného
píslušenství, tím že se jedná o firemní výrobek je vtší zásah i zmna konstrukce, ovládání a
software vlastním požadavkm nemožný.
5
Obr. 3-2 Zaízení pro simulaci nevyváženosti a vad ložisek od firmy SpectraQuest Inc.
Z výše uvedených poznatk na funkci pístroje, vyplynula podoba základní
mechanické soustavy simulátoru (obr. 3-3), kterou lze shrnout do následujících bod:
x
x
x
x
x
pohonná jednotka – stejnosmrný motor od f. Atas
hnací hídel
pevod
hnaný hídel
brzda – stejnosmrný motor od f. Atas (stejného typu jako motor urený pro
pohon)
Obr. 3-3 Základní sestava simulátoru
6
K sestavení simulátoru bylo zapotebí navrhnout a vyrobit adu dalších souástí,
jejichž rozmry byly odvozeny z již poízených komponent a z velikosti ozubených kol
tvoících požadovaný pevod. Pro návrh jednotlivých komponent byl zvolen následující
postup:
x Pevod – navrženy dva základní pevody, prvý sestavený z ozubených kol o 40 a 60
zubech, druhý z kol o 57 a 60 zubech, ozubená kola se vyrobí každé po tech kusech,
aby bylo možné vytvoit rzné vady ozubení.
x Hídele – prmr obou hídelí je 17 mm jelikož pouzdra SKF mají tento vnitní
prmr. Upínací pouzdra se dají využít jak na uložení hídel pomocí ložisek, tak na
upínání dalších komponent (nap. nevývažky i ozubená kola pevodu).
x Spojka – najít zpsob jak propojit motor s hnacím hídelem a hnaným hídelem
s brzdou.
x Domeky na ložiska – musejí umožovat uložení již zakoupených dvouadých
kulikových ložisek 1204 K a jejich jednoduchou zámnu za ložiska stejného typu s
rzným stupnm poškození dle požadavku zadání. Dále by domeky mly umožnit
pevné pichycení k základní desce, kde výšku nad deskou definuje roztená kružnice
ozubených kol.
x Uchycení motoru – motory P2RH479 od firmy Atas mají uchycení ešené pírubou.
Proto je nutné vyrobit pípravek, který umožní pevné pichycení motoru k podložce.
x Základní deska – zvolit vhodný materiál, aby deska byla pevným základem pro celou
konstrukci simulátoru a zárove nepenášela vibrace mezi jednotlivými ástmi
zaízení. Dále by zaízení umístné na desce mlo dovolovat uritou variabilitu,
plynoucí ze zmny pevod, ili nastavit osovou vzdálenost hídel.
x Orbit – dle katalogových list senzor IN-081 od firmy Brüel & Kjær najít zpsob
jejich aplikace pro mení orbitu na jedné pípadn obou hídelích.
x Nevývažek – norma SN ISO 1940-1 definuje nevyváženost, jako jev, kdy se hlavní
osa setrvanosti neshoduje s osou rotace, je tedy poteba navrhnout rotaní tleso,
které nebude mít hmotu rotoru symetricky rozdlenou okolo hlavní osy setrvanosti, a
bude možné jej umístit kamkoliv na hídel tak, aby v tomto míst psobilo rušivou
odstedivou silou pimené velikosti.
7
Uvedená rozvaha pivedla k následujícím konkrétním konstrukcím jednotlivých díl
simulátoru:
Pevody
Pro výrobní a s tím související cenovou náronost byl zvolen modul ozubených kol
m = 1, pak roztená kružnice d (d = poet zub u m) je pímo poet zub, z ehož plyne že
pro ozubená kola o 40 a 60 zubech je osová vzdálenost hídelí 50 mm a pro kola o 57 a 60
zubech je osová vzdálenost 58,5 mm. Šíka ozubených kol nesmí být píliš malá, kvli
otlaení zub pi penosu momentu, ani píliš velká pro ztráty energie v ozubení. Byla tudíž
zvolena šíka ozubených kol 10 mm. Více teorie o pevodech udává kapitola 3.3.
Hídele
Základem pro hídele je hladká tažená ocelová ty o prmru 17 mm, aby nebyla
nutnost obrábní materiálu na tento prmr, pouze na koncích je z dvod vnitního otvoru
hídelové spojky v délce 10 mm hídel stoena na prmr 6 mm.
Spojka
Z poznatku, že výstupní hídel motorku od firmy Atas má prmr 6 mm, bylo
nejvýhodnjší hledat spojku se vstupním otvorem tohoto prmru a výstupním otvorem
17 mm. Po przkumu trhu však bylo zjištno, že taková kombinace vnitních prmr
hídelových spojek se nevyrábí.
Dále byl vybírán typ hídelové spojky, kde podstatným kritériem, vedle technických
parametr (penos momentu, max. otáky, úhlová odchylka, vle pi rozbhu) byla poizovací
cena. Hídelové spojky potebných velikostí nabízí více firem, z tch nejvtších to jsou nap.
firmy Huco, KTR Kupplungstechnik, Ruland, kde po przkumu katalogových cen a
potebných parametr byla vybrána tzv. elisová spojka s pružným stedovým elementem
MJC25-6-A od firmy Ruland (píloha A). Tento typ spojek umožuje spojení dvou hídel a
jejich pružný zábr pi rozbhu nebo pulzujícím bhu s nulovou vlí a mírnou úhlovou
nesouosostí hídel, což jsou nejvhodnjší vlastnosti pro naší aplikaci.
Vstupní i výstupní otvor je o prmru 6mm, konec hídel tedy musí být upraven na
prmr 6 mm v délce 10 mm, pro nasunutí hídel do tohoto typu spojek.
8
Domeky
Uložení valivých ložisek velice ovlivuje jejich trvanlivost, a tak je poteba vždy pi
výbru uložení vzít v úvahu následující faktory:
x
x
x
x
x
x
velikost a zpsob zatížení
materiál a tuhost uložených ástí
tepelné pomry v ložisku
dilatace uložených ástí
požadavky na pesnost
požadavky na montáž a demontáž
Kroužek otáející se vi smru psobícího zatížení (obvodové zatížení) musí být
uložen pevn (aby se neodvaloval). Kroužek neotáející se vi smru zatížení mže být
uložen voln (bodové zatížení). Další teoretické základy týkající se ložisek popisuje
kapitola 3.3.
V našem pípad žádná velká zatížení na uložení nepsobí a hlavním kritériem je
rychlá výmna ložiska za jiné, proto bylo uložení vyrobeno jako rozebíratelné rozíznutím
ložiskové skín, což se v konstrukci uložení bžn nepoužívá, z dvod možné deformace
dráhy ložiska vlivem nepesnosti pi výrob uložení. Základem pro finální výrobek byla
otruvzdorná hliníková slitina (dural) o rozmrech 120 u 360 u 20 mm, který byl rozdlen na
4ks v délce 90 mm, v takto vzniklých polotovarech byl obroben otvor pro ložisko a výsledný
tvar zhotovován technologií ezání vodním paprskem.
Obr. 3-4 Uložení ložiska (domeek ložiska)
9
Uchycení motoru
Uchycení motoru (obr. 3-5) tvoí dva kolmo svaené duralové plechy pojištné
postraními podprami, rovnž pivaenými. Podstava slouží k pichycení úchytu k základní
desce tymi šrouby a stojina je na vnitní stran obrobena tak, aby do ni zapadla tvarovaná
píruba motoru. Pi svaování se potebné kolmosti vnitní stny stojiny a spodní strany
podstavy nepodaí dosáhnout, proto bylo poteba tyto dva povrchy upravit frézováním a tím
dosáhnout požadované kolmosti. Celý výsledný výrobek byl opaten ochranným povlakem
nanesením polyesterového práškového plastu.
K motoru bylo ješt nutné pichytit senzor otáek, vybrán a zakoupen byl senzor
HEDM – 5540A12. Tento optoelektronický senzor obsahuje kódové koleko s vnitním
otvorem 6 mm, ili lze pímo upnout na prchozí hídel motoru. Upevnní spoívá
v hliníkovém plechu na který je pišroubován senzor a pes nosníky je tento plech pipevnn
k montážním otvorm na motoru jak je patrné z obr. 3-5.
Obr. 3-5 Uchycení motoru a montáž senzoru otáek
Základní deska
Základ simulátoru tvoí deska (viz. obr. 3-6) k níž jsou upevnny všechny nosné
komponenty mechanické soustavy. Aby deska nepenášela vibrace nebo dokonce nebyla
zdrojem rezonancí od rotujících mechanických ástí, musel být vybrán materiál s tlumícími
vlastnostmi a zárove pevný, aby konstrukci simulátoru unesl.
Jeden z takových materiál je tvrzená tkanina s firemním oznaením TEXTIT (díve
TEXGUMOID) používaná na výrobu ložisek, ozubených kol, obložení kluzných ástí lis,
hoblovací stroje a rámové pily, materiál je odolný vi slabým kyselinám i pi vyšší teplot
10
umožuje použití jako konstrukního materiálu pi výrob stroj a zaízení, další vlastnosti
udává následující tabulka:
Pojivo
Mrná hmotnost
Pevnost v ohybu kolmo
E modul (pružnost)
Rázová houževnatost kolmo
Pevnost v tlaku
Elektrická pevnost pi 90° C v oleji (kolmo)
Tab. 3-2 Vlastnosti elektroizolantu Textit E 512.2
fenolformaldehydová živice
1,35 – 1,40 g/cm3
100 MPa
7 u 103
20
160 MPa
4,5 kV/mm
Cena se odvijí od hmotnosti desky, ili ím slabší deska tím nižší cena pi zachování
ostatních rozmr, proto bylo vhodnjší zvolit levnjší tení desku (tl. 10 mm) a opatit ji
pomocným rámem, než zvyšovat její sílu a tím cenu i celkovou hmotnost simulátoru.
Pomocný rám je svaený z hliníkových profil 20 u 30 mm s tlouškou stny 3 mm.
Na spodní stran rámu je pipevnno šest gumových pístrojových nožiek, pro stabilitu stroje
a ástenou izolovanost od okolí.
Deska má rozmry 100 u 46 u 10 mm a je opatena všemi potebnými otvory pro
upevnní komponent simulátoru, dále jsou na desce upevnny vodítka a vyznaeny osy
hídelí, pro jednodušší ustavování domek a ostatních komponent do jejich pozic.
Obr. 3-6 Základní deska s pomocným rámem
11
Orbit
Pro mení orbitu se využívají dva senzory vzdálenosti na principu víivých proud,
vzájemn pootoené o 90°, sledující mený objekt. Bylo tedy poteba dva takové senzory
umístit do systému pro mení orbitu hídele (obr. 3-7). Dle technické specifikace jsou
dostupné senzory IN-081 od firmy Brüel & Kjær ureny pro prmry hídelí od prmru
60 mm, ale hídele simulátoru mají prmr jen 17 mm, ešení se našlo v kruhovém unašei
z vodivého materiálu (Al) rozšiujícím prmr hídele na 60 mm a s vnitní kuželovou dírou
pro pouzdro k jednoduchému upnutí kola na hídel. Rám nesoucí senzory byl zhotoven
vyíznutím ásti dlouhé 24 mm z ocelového profilu 100 u 100 u 4 mm a po vyvrtání
potebných otvor opaten ochranným povlakem proti korozi nanesením práškového
polyesterového plastu.
Obr. 3-7 Snímání orbitu
Nevývažek
Nevyváženost hídele je vytvoena pomocí kola zhotoveného z duralového materiálu,
toto kolo má po obvodu navrtáno 12 otvor s vnitním závitem M6 (obr. 3-8). V tomto
základním stavu je kolo vyvážené. Po našroubování pesného šroubu (šrouby se závitem M6)
do jednoho nebo více otvor vznikne nevývažek, mimo osu rotace na kterou po roztoení
bude psobit odstedivá síla a tím dojde k požadované simulaci nevyváženosti. Podle druhu
šroubu, zejména podle jeho penívání ze závitu kola, lze vytvoit jak statickou nevyváženost
(tžišt mní výšku, a vzniká kmitání kola ve svislé rovin) tak dynamickou nevyváženost
12
(kmitání kola i mimo svislou rovinu). Kolo má opt kuželový stedový otvor pro uchycení
pomocí pouzdra na hídel a tím je splnna možnost umístit nevývažek libovoln v celé délce
hídelí.
Obr. 3-8 Nevývažek
13
Obr. 3-9 Celkový pohled na konstrukci simulátoru (délka hídel 300 mm)
14
Obr. 3-10 Celkový pohled na konstrukci simulátoru (délka hídel 500 mm)
15
3.2. Ložiska
3.2.1. Rozdlení ložisek
Valivá ložiska dlíme podle smru síly, pro jejíž penášení jsou pevážn urena, do
dvou základních skupin:
x Ložiska radiální
x Ložiska axiální
Podle tvaru valivých tles rozeznáváme v každé skupin ložiska kuliková, váleková,
jehlová, soudeková a kuželíková.
Velká vtšina radiálních ložisek je schopna penášet i síly v axiálním smru a nkteré
druhy axiálních ložisek mohou zachytit i radiální zatížení. Z hlediska psobících sil neexistuje
pesná hranice mezi obma uvedenými základními skupinami ložisek (obr. 3-11).
Obr. 3-11 Použití ložisek z hlediska psobící síly [1]
Aby byla volba valivého uložení optimální jak z hlediska technického, tak i
ekonomického, je teba, aby byl konstruktér dobe obeznámen s charakteristickými
vlastnostmi ložisek, které jsou dány jejich rznou vnitní konstrukcí. Teprve pak mže volit
pro dané provozní parametry nejvhodnjší ložisko. Pehled ložisek ukazuje následující
tabulka 3-3.
16
Radiální ložiska
kuliková
x Jednoadá
x Jednoadá rozebíratelná
x Jednoadá s kosoúhlým
stykem
x Dvouadá naklápcí
x Dvouadá s kosoúhlým
stykem
váleková, jehlová,
soudeková a kuželíková
x Váleková jednoadá
x Váleková dvouadá
x Váleková víceadá
x Jehlová jednoadá
x Klece s jehlovými
váleky
x Soudeková dvouadá
x Kuželíková jednoadá
x Kuželíková dvouadá
x Kuželíková tyadá
Axiální ložiska
kuliková ložiska
x Axiální jednosmrná
x Axiální obousmrná
váleková a soudeková
x Axiální váleková
jednosmrná a
obousmrná
x Axiální soudeková
Tab. 3-3 Pehled ložisek
3.2.2. Trvanlivost
Trvanlivostí ložiska rozumíme poet otáek (nebo dobu chodu v provozních hodinách
pi dané frekvenci otáení), které ložisko vykoná, než se objeví první známky únavy materiálu
(vydrolení) na valivých tlesech nebo obžných drahách. Mezi ložisky stejného typu a
velikosti mohou však být znané rozdíly.
Z tohoto dvodu byl pojem trvanlivosti pro výpoet jednoznan uren a se zetelem
na provozní bezpenost byla za základ vzata základní trvanlivost – v souladu s doporuením
ISO tj. trvanlivost, které dosáhne nebo ji pekroí 90% vtšího potu stejných ložisek pi
stejných provozních podmínkách.
Pod pojmem trvanlivost rozumíme dobu chodu ložiska až do jeho vyazení pouze
v dsledku dynamické únavy materiálu kroužk nebo valivých tles, nezahrnujeme sem
vyazení ložiska nepedvídatelnými píinami, jako jsou nesprávné mazání, vniklé neistoty a
vlhkost, pop. nevhodná konstrukce uložení nebo neodborn provedená montáž.
Zpravidla bývá poet otáek nepromnný, a je proto výhodnjší vyjádit trvanlivost
v provozních hodinách (viz. tab. 3-4). Trvanlivost ložisek u uložení náprav silniních a
kolejových vozidel se asto vyjaduje v jízdních kilometrech (viz. tab. 3-5).
17
Druh stroje
Základní trvanlivost
pístroje a náadí zídka používané
1000
elektrické stroje pro domácnost, malé ventilátory
2 000 až 4 000
stroje pro perušovaný provoz:
4 000 až 8 000
runí nástroje, dílenské jeáby, hospodáské stroje
stroje pro perušovaný provoz s požadavkem velké spolehlivosti:
8 000 až 15 000
pomocné stroje v elektrárnách, pásové dopravníky, dopravní vozíky,
výtahy
válcovací stolice
6 000 až 12 000
stroje pro 8-16hodinový provoz:
20 000 až 30 000
stacionární elektromotory, ozubené pevody, vetena textilních stroj,
stroje na zpracování plastických hmot, jeáby
stroje pro trvalý provoz:
40 000 až 60 000
stacionární elektrické stroje, dopravní zaízení, válekové trat,
erpadla, odstedivky, dmychadla, kompresory, tlukadlové mlýny,
drtie, briketovací lisy, dlní výtahy, lanové kotoue
stroje pro trvalý provoz s velkou provozní bezpeností:
100 000 až 200 000
papírenské stroje, elektrárny, vodárny, lodní stroje
Tab. 3-4 Smrné hodnoty základní trvanlivosti v provozních hodinách
Vozidla
osobní vozy
nákladní vozy
nápravová ložiska pro:
nákladní železniní vozy
elektrické pouliní dráhy
osobní železniní vozy
lokomotivy
Tab. 3-5 Smrné hodnoty základních trvanlivostí v kilometrech
základní trvanlivost
150 000
200 000 až 300 000
800 000
1 500 000
3 000 000
3 000 000 až 5 000 000
3.2.3. Životnost ložisek
Pod pojmem životnost ložiska zahrnujeme dobu chodu ložiska až do jeho vyazení i
z jiných píin, než je únava materiálu. Ložisko mže být vyazeno nap. pro ztrátu
požadovaných vlastností, opotebení, nebo i pedasnou únavu, vyvolanou nepíznivými
provozními vlivy:
x
x
x
x
x
nedostateným mazáním
vniknutím neistoty
vlhkosti zpsobující korozi
nevhodnou konstrukcí uložení
montážními chybami
18
Životnost ložiska je zpravidla menší než základní trvanlivost stanovená výpotem.
Opotebení ložiska, a tím i zvtšení provozní vle, je zpsobeno pedevším neistotami, které
vniknou do ložiska, korozí a chybným nebo nedostateným mazáním. Pi rzných provozních
podmínkách a rozmanitém použití ložisek není možno pedem urit vliv provozních
podmínek, zejména opotebení, na skutenou životnost ložiska.
3.2.4. Vlastnosti ložisek a ovlivující veliiny
Vliv teploty
Bžn vyrábná a dodávaná ložiska jsou urena pro horní mez provozní teploty do
100 °C. Je-li nutné použít valivého ložiska pro provozní teplotu trvale vyšší než 100 °C, je
teba ložiskové kroužky, pop. i valivá tlesa podrobit zvláštnímu tepelnému zpracování
(stabilizaci), které má za úel zabránit nepípustné zmn rozmr ložiska vlivem
krystalických zmn materiálu. Tvrdost stabilizovaných souástí ložisek je nižší, tím se snižuje
i hodnota základní dynamické únosnosti.
Vliv vyšších teplot na únosnost ložiska
Trvalá provozní teplota ložiska (°C)
Zmenšení únosnosti ( % )
Tab. 3-6 Vliv vyšších teplot na únosnost ložiska
125 150 175 200 225 250 275 300
5 10 15 20 30 40 45 50
Mezní otáky
Mezní otáky uritého ložiska jsou funkcí více initel, z nichž jako urující je teba
uvést druh ložiska, jeho pesnost, konstrukci a provedení klece, vnitní vli, dále pak jsou
mezní otáky ovlivnny provozními pomry v uložení samém, tj. velikostí a smrem vnjších
sil, zpsobem mazání a druhem maziva, zpsobem chlazení, atd. Tento souhrn initel uruje
vývin tepla v ložisku a tím i mezní otáky ložiska, které jsou pedevším omezeny pípustnou
provozní teplotou maziva. Z uvedeného je zejmé, že nelze stanovit jednoznan a obecn
platnou hranici mezních otáek.
Bžn lisované klece z ocelového plechu jsou vhodné pro obvyklé rychlosti. Pro
rychlou orientaci jsou v rozmrových tabulkách uvedeny hodnoty mezních otáek pro
jednotlivá ložiska v normálním stupni pesnosti jak pro mazání tukem, tak i pro mazání
olejem. Uvedené otáky platí za pedpokladu pimeného zatížení ložisek (Lh = 100 000 h ),
normálních provozních pomr a chlazení.
19
Pekroení hodnot mezních otáek zpravidla vyžaduje:
x úpravu mazání, eventueln chlazení,
x konstrukní, pop. materiálovou zmnu klece,
x zvýšenou pesnost ložiska a pimen zvýšenou pesnost souástí s ložiskem
souvisejících,
x vtší radiální vli než normální.
Pesnost ložisek
Pesností valivých ložisek se rozumí pesnost jejich hlavních rozmr, pesnost tvaru a
pesnost chodu. Ložiska jsou rozdlena do stup pesnosti P0, P6, P5, P4. Pesnost P0 je
základní; P6, P5, P4 jsou vyšší stupn pesnosti, piemž s klesajícím íslem stoupá pesnost.
Pípustná naklopitelnost ložisek
Pro vyrovnání nepesností, jež se pi montáži vyskytují u nesouosých dr
v ložiskových tlesech, se dobe hodí naklápcí ložiska kuliková, soudeková nebo axiální
soudeková, u kterých kulová obžná dráha vnjšího kroužku umožuje urité vyklopení
vnitního kroužku kolem stedu ložiska. Pípustný úhel vyklopení závisí na vnitní konstrukci
ložiska.
Uložení s ostatními druhy ložisek vyžadují co nejlepší souosost montážních ploch
vnjšího kroužku. Nepatrné vyosení je však rovnž v uritých mezích pípustné.
U jednoadých kulikových ložisek je vyosení kroužk závislé na provozní vli,
velikosti ložiska a vnitní konstrukci ložiska a na psobících silách a momentech. Stanovení
hodnot pípustného vyosení je s ohledem na mnoho initel obtížné a lze je stanovit jen
pibližn pro normální provozní podmínky.
Pípustný úhel vyklopení
Druh ložiska
úhel vyklopení
Jednoadá kuliková
max. 6'
Dvouadá kuliková naklápcí
3°
Jednoadá váleková
6'
Ostatní váleková
2'
Soudeková dvouadá
1,5° ÷ 2,5° dle typu
Kuželíková jednoadá
2'
Axiální soudeková
2° ÷ 3° dle typu
Tab. 3-7 Pípustný úhel vyklopení jednotlivých druh ložisek
20
3.2.5. Mazání valivých ložisek
Úlohou mazání valivých ložisek je vytvoení stabilního nosného mazacího filmu ve
styku valivých tles na funkních plochách klece. Mazivo chrání též ložisko ped korozí a
zlepšuje jeho utsnní. Všechny druhy valivých ložisek mohou být mazány plastickým
mazivem nebo olejem, krom axiálních soudekových ložisek, která musí být mazána pouze
olejem. Vyhovuje-li provozním pomrm a druhu ložiska plastické mazivo i olej, dává se
pednost zpravidla mazání plastickým mazivem, protože umožuje jednodušší uspoádání
uložení.
Zpsob mazání závisí vždy na provozních pomrech, piemž je teba vzít v úvahu
teplotu, otáky, velikost ložiska, zatížení, požadavky na tsnní, hospodárnost.
Každé mazivo má píznivé vlastnosti jen v uritém rozsahu teplot, a proto je pro volbu
maziva rozhodující pedevším provozní teplota ložiska.
V ložisku má být jen pomrn malé, nezbytn nutné množství maziva. Pemazané
ložisko má vyšší tení, a tím i vyšší teplotu.
Mazání plastickým mazivem
Mazání plastickými mazivy je výhodné z hlediska utsnní ložisek proti neistot a
vlhkosti a pro snadnou obsluhu. Vtšinou pro tento zpsob mazání vyhovuje štrbinové
tsnní nebo plstné tsnní. V provozu nevyžadují plastická maziva žádnou zvláštní
kontrolu, a proto se jich bžn užívá pi normálních provozních podmínkách.
Pi první montáži se ložisko naplní plastickým mazivem. Prostory po obou stranách
tlesa se mohou naplnit mazivem jen do poloviny, protože velké množství maziva by
zpsobilo zvýšení teploty, a tím i jeho pedasné znehodnocení.
Mazání olejem
Mazání olejem se stává nezbytným:
x
x
x
x
jsou-li otáky tak velké, že se domazávací lhty pro mazání tukem píliš zkracují,
je-li provozní teplota ložiska tak vysoká, že nepipouští mazání tukem,
je-li teba odvádt z ložiska teplo zpsobené tením nebo vnjšími zdroji,
jsou-li sousední souásti již mazány olejem (nap. ozubená kola).
Pi olejovém mazání musí být zajištn plynulý pívod oleje do ložiska pi rozbhu,
v provozu a po zastavení stroje. Množství obíhajícího oleje musí být dostatené, aby mazání
bylo pln zajištno.
Nadmrné množství oleje zvyšuje zbyten jeho teplotu i teplotu ložiska. Pi olejovém
mazání jsou mezní otáky valivých ložisek vyšší než pi mazání plastickými mazivy.
21
Zpsoby mazání olejem:
x
x
x
x
mazání olejovou lázní
mazání obhem oleje
mazání vstikováním oleje
mazání olejovou mlhou
Mazání pevným mazivem
Pevná maziva jsou doplkem maziv kapalných a plastických zejména tam, kde tato
maziva nemohou splnit mimoádné požadavky na protiotrové vlastnosti v podmínkách
mezního tení nebo na odolnost vi velmi vysokým teplotám, chemickým vlivm apod.
3.2.6. Všeobecné pokyny
Vhodné montážní pracovišt, udržování valivých ložisek v naprosté istot a šetrné
zacházení s nimi jsou základní podmínky správné montáže.Neistota a nesprávné zacházení
s valivými ložisky pi montáži mají nejškodlivjší vliv na jejich pesnost, jíž se dosáhlo velmi
složitým technologickým postupem.
Ložiska urená k montáži se mají vyjímat z pvodního ochranného obalu až tsn ped
montáží. Ve výjimených pípadech se ložiska perou v benzínu s pídavkem 5 až 10 %
lehkého minerálního oleje, v benzolu, naft, pop. v bezvodém petroleji. Po vymytí a
odkapání mycího prostedku je teba ložisko promazat olejem a zabezpeit jej proti zneištní.
Ped montáží ložiska je asto zapotebí pekontrolovat rozmry pipojovacích souástí,
aby se zabránilo chybám, které by se mohly projevit zkrácením životnosti ložiska.
Ped montáží se styné plochy, tj. díra a povrch vnjšího kroužku ložiska, ep a díra
v tlese, peliv oistí a nepatrn potou olejem. Stejným zpsobem se pipraví i upínací
pouzdra, pop. stahovací pouzdra.
U ložisek s kuželovou dírou se smí pokrýt kuželová plocha v ložisku , na epu nebo na
pouzde jen nepatrnou vrstvou oleje. Vtší vrstva maziva na kuželových plochách se mže za
provozu vytlait a zpsobit tak nepípustné uvolnní kroužku ložiska.
Montáž ložisek s kuželovou dírou
Ložiska s kuželovou dírou se upevují na hídeli upínacími nebo stahovacími pouzdry,
pop. se usazují pímo na kuželovém epu, a to zpravidla ponkud pevnji než ložiska s dírou
válcovou. Zmínného upevnní se dosáhne bu
nalisováním vnitního kroužku pomocí
matice, nebo naražením pouzdra. V obou pípadech s vnitní kroužek roztáhne a zpsobí
zmenšení radiální vle v ložisku.
22
U dvouadých naklápcích kulikových ložisek se proto smí matice upínacího pouzdra
pitáhnout jen do té míry, aby se vnjší ložiskový kroužek dal nejen otáet, ale i lehce
vyklápt.
3.3. Ozubené pevody
3.3.1. Charakteristika
Základní zákon ozubení zní: Dva boky zub lze použít jen tehdy, jestliže normála v
kterémkoli dotykovém bod Y musí procházet valivým bodem C (pólem relativního pohybu),
nebo jinak eeno spolená normála obou bok zub protíná spojnici sted kol O1, O2 v
obráceném pomru úhlových rychlostí.
Ze základního zákona ozubení je zejmé, že základním stavebním prvkem ozubených
pevod je profil boku zubu.
Dvojice profil lze sestrojit nkolika zpsoby:
a) metodou pímou (pro libovolný profil)
b) nepímou trochoidní metodou (vede k ozubení cykloidnímu)
c) nepímou obálkovou metodou (vede k ozubení evolventnímu)
Zubové profily
Technický význam má zejména ozubení:
x Cykloidní – odvalování kružnice po pímce nebo po kružnici z vnjšku nebo zevnit.
Každý bod tvoící kružnici opisuje cykloidu (u kola epicykloidu nebo hypocykloidu).
Nevýhody – složitý výrobní nástroj, proto se používá výjimen.
x Kruhový oblouk (Wildhaber - Novikovo ozubení) – zuby kol mají konvexní pop.
konkávní boky tvoené kruhovými oblouky.Výhoda – malý stykový tlak, proto se
používají pro reduktory válcovacích stolic pi malých rychlostech. Nevýhoda – stejná
jako u cykloidní.
x Evolventní – nejastji používané ve strojírenství. Evolventa vznikne, odvaluje-li se
pímka ( tvoící ) po základní kružnici. Každý bod pímky opisuje evolventu.
Výhody:
x
x
x
x
jednoduchý pímoboký nástroj
necitlivost vi úchylkám vzdálenosti os
konstantní smr síly v ozubení
posunutím profilu pi stejném potu zub a základní roztei lze mnit vzdálenost
os
Nevýhody:
x podezání paty zubu pi malém potu zub
x nepíznivé tlakové pomry pi zábru konvexního boku zubu s konvexním
bokem zubu protikola u vnjšího ozubení
23
Obr. 3-12 Evolventní ozubení [2]
Základní vlastnosti dvojice evolventních profil
Obr. 3-13 Dvojice evolventních profil [2]
24
Dva evolventní profily, oton uložené okolo sted svých základních kružnic mají tyto
vlastnosti:
a) jsou vždy sdružené o profil sdružený s evolventou je opt evolventa.
b) pevodový pomr i, realizovaný zábrem dvou evolventních profil, je uren
penášeným pomrem polomr jejich základních kružnic rb2, rb1, resp. valivých
kružnic rw2, rw1.
i = (Z1/Z2 ) = (rb2/rb1) = (rw2/rw1)
c) pevodový pomr i je nezávislý na volb, pop. na zmn osové vzdálenosti.
d) spolená normála je souasn pímkou zábru.
e) správný zábr evolventních profil mže nastat jen na úsece N1,N2.
f) posunutí bodu Y po pímce zábru je pímo úmrné úhlu pootoení u obou profil.
Rychlost tohoto psobení je dána složkou absolutní rychlosti v1 a v2 do spolené
normály.
v1n = v2n = v
vn = rb1 u Z1 = rb2 × Z2 = v × cos Dw, kde v = rw1 × Z1 = rw2 × Z2
g) rychlost pohybu dotykového body Y po jednotl. evolventních profilech je dána
tenými složkami absolutních rychlostí v bod Y.
v1t = N1Y × Z1 = rb1 × Z1 × tgDY1
v2t = N2Y × Z2 = rb2 × Z2 × tgDY2
Pi rovnomrném otáení obou len koná bod Y po evolvent e1 pohyb rovnomrn
zrychlený, po evolvent e2 rovnomrn zpoždný.
Geometrie pímého ozubení - vnjší ozubení
Základní geometrické parametry (obr. 3-15 a 3-16):
Úhel zábru D – úhel, který svírá tvoící pímka evolventy procházející valivým
bodem C s tenou k roztené kružnici.
Roztená kružnice d – má prmr, na nmž svírá evolventa profilu s osou soukolí
úhelD.
d1,2 = z1,2 × m
Rozte p – je vzdálenost dvou sousedních zub na roztené kružnici mena po
oblouku.
p = S(d/z) = S × m
25
Modul m – je íslo, jehož násobením íslem S se dosáhne rozte p.Všechny rozmry
ozubení jsou úmrné modulu, proto modul m je initel velikosti ozubení.
Má rozmr mm a je normalizován.
Normalizovaná ada modul:
1, (1.25), 1.5, 1.75, 2, (2.25), 2.5, (2.75), 3, (3.25), 3.5, (3.75), 4, 4.5, 5,
(5.5), 6, 6.5, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22
Základní kružnice – je to evoluta jednoznan urující evolventní profil
db = 2rb = d × cos D
Základní rozte – je vzdálenost dvou sousedních bod zub na základní kružnici
Vzdálenost os – osová vzdálenost
a = 0,5(d1 + d2 ) = 0,5 × m(z1 + z2)
Obr. 3-14 Geometrie ozubeného kola s evolventním profilem zubu [2]
Hlavová kružnice – kružnice omezující vnjší obrys ozubeného kola
da = d + 2 × ha
Patní kružnice – kružnice omezující vnitní obrys ozubeného kola
df = d – 2 × h f
Hlava zubu – výška hlavy zubu – ást zubu mezi hlavovou a roztenou kružnicí
ha = 0,5 (da – d) = h*a × m
Pata zubu – výška paty zubu – ást zubu mezi roztenou a patní kružnicí
hf = 0,5 (d – df) = h*f × m
Výška zubu h = ha + hf = 0,5 (da – df )
Tlouška zubu s a šíka mezery s + e = p pro libovolný prmr sy + ey = py
26
Tlouška zubu sy na libovolném prmru dy.
sy = 2 × \ × (dy/2)
2\y = 2 × \b – inv Dy
2\b = 2\ + 2 × inv D
2\ = s/(d/2) = 2s/d
sy = dy × ((s/d) + evD – evDy)
Prakticky významná je tlouška zubu na hlavové kružnici.
sa = da × ((S/2z) + evD - evDa)
cos Da = db/do = (d × cos D)/do
Obr. 3-15 Geometrie zubu s evolventním profilem [2]
3.3.2. Vlastnosti pevod
Provoz, údržba
Základní podmínkou pro provoz pevodových mechanism je mazání a chlazení.
Zpsoby mazání:
x Plastickým mazivem (tukem).
Podle Strojírenské píruky se doporuuje do v d 1 ms-1. Ze zkušenosti (vývojem
plastic. maziv) se používá (nap. u frézov. hlav) do rychlosti v d 20 ms-1.
x Rozstikovací mazání.
Rotací kol v oleji dochází k rozstiku oleje ve skíni (obr. 3-16), který se tak dostává
do jednotlivých zábr. Brození v oleji však nesmí být píliš velké ( roste tzv. ztrátový
výkon ) pi velkých obvodových rychlostech. Je to nejastjší zpsob mazání a
zárove chlazení do v d 20 ms-1.
27
Obr. 3-16 Rozstikovací mazání
x Obhové mazání.
Olej se vhání erpadlem do trysek a dále se vstikuje do zábru (obr. 3-17). Poté se ve
spodní ásti odvádí zpt (pes filtr) do nádrže. V pípad, že obvod je vybaven
chladnikou, používá se tento olej zárove jako chlazení. Tento zpsob se používá pro
vysoké obvodové rychlosti.
Obr. 3-17 Obhové mazání
Zásada – ím vyšší obvodové rychlosti o oleje s nízkou viskozitou (nižší ztráty).
Chlazením se likviduje teplo, které vzniká pi ztrátách v ložiskách a v ozubení.
Úinnost el. pevod K = 98%
Opravy
Nejastjší závadou je:
a) ulomení zubu (nelze opravit)
b) tvoení tzv. pitting
c) opotebení bok otrem
Jedná-li se o porušení povrchu zubu pittingy nebo opotebení otrem je možné (pi
malém výskytu mlkých porušení) kolo pebrousit. Maximální hloubka takovýchto poruch
nesmí být vtší než 0,1 mm.
Jiné závady – nap. porušení v míst náboje u penosu Mk. Záleží na jednotlivé
závad.
28
astý pípad poruchy – zadírání, pi vysokých zatížení a velkých rychlostech u
mkkých (netvrzených) soukolí.
Výroba, montáž
elní ozubená kola se vyrábjí nkolika zpsoby:
x
x
x
x
x
x
frézováním
epovou frézou (dlícím zpsobem)
odvalovací frézou
obrážením
hebenem
obrážecím kolekem (vnitní ozubení)
Výroba vyžaduje speciální stroje na výrobu ozubení. Je pomrn nákladná a
zdlouhavá, ale v porovnání s výrobou ostatních typ ozubených pevod ješt nejlevnjší.
Krom výroby vlastního ozubení pistupuje (hlavn u tvrzených kol) ješt broušení.
Dalším dležitým faktorem je
x dodržení tolerovaných rozmr
x pesnost uložení
x správné nastavení vle v ozubení
asová náronost – pomrn znaná
– dlouhá výroba, tepelné zpracování, montáž.
Náklady
Podstatn vyšší než u jiných typ pevodových mechanism, ale z pevod ozubenými
koly jsou nejmenší.
Opravy a dokonení metodou RVS
Technologie RVS jsou založeny na atomové výmnné reakci mezi komponentami
prostedk RVS a základním materiálem, zpsobené teplem vytvoeným tecí a kinetickou
energií. Umožují vytvoení ferosiliciové (kovokeramické) povrchové struktury na ocelovém
povrchu. Využívají se ve výrob jako závrená technologická operace pro úpravu tecích
ploch a nebo pro renovaci opotebených mechanism, jako jsou ložiska, pevodovky, motory,
naftová erpadla, výrobní stroje a další zaízení. To vždy za provozu bez jejich demontáže.
Technologii RVS je možno použít pro úpravu povrch funkních dvojic u všech materiál na
bázi železa, které jsou ve vzájemném pohybu.
RVS prostedky jsou jemn disperzní mnohosložkové smsi minerál, písad a
katalyzátor. Základními surovinami pro jejich výrobu jsou minerály šungit, serpentinit a
29
nefrit. Obvykle se jako nosné médium používají oleje a maziva. Mezi hlavní výhody
prostedk RVS patí nap. ekologická nezávadnost, nulová zmna viskozity oleje (vzhledem
k velmi malé koncentraci) i to, že se nerozpouštjí v mazivech ani s nimi chemicky nereagují.
Nejdležitjší vlastnosti kovokeramické vrstvy
Kovokeramická vrstva je schopna narst až do tloušky stovek mikrometr, má
znanou tvrdost HRC 63–70, koeficient tení dosahuje nízkých hodnot, až 0,003. Teplota
rozpadu kovokeramiky je vysoká 1575–1600 °C.
Vrstva nekoroduje ani vlivem kyselin a hydroxid a má vysokou odolnost vi
kavitaním destrukcím - neporušuje se pi rázech. Nárazová pevnost kovokeramiky je do
490,3 MPa. Díky vysokému elektrickému odporu (106 .m) nedochází ke koroznímu
poškození. Ekonomické a ekologické úspory spoívají pedevším ve vícenásobném
prodloužení životnosti zaízení a snížených nárocích na etnost výmny mazacích médií.
Další pedností je též i snížená hlunost za chodu mechanismu.
Využití RVS technologií
Metoda se používá pro úpravu kluzných povrch pi výrob nových a obnovení
opotebovaných ástí. Výhodou je úprava, resp. renovace povrchu na požadovaný tvar bez
demontáže zaízení za chodu bhem provozu. Vle získané RVS technologií na všech
funkních tecích dvojicích v mechanismu jsou optimalizovány do takové míry, které jsou
tžko dosažitelné bžnými, doposud používanými výrobními metodami. Výsledkem je
spolehlivý, optimální, dlouhotrvající chod funkních dvojic celého mechanismu (nap. motoru
i reduktoru).
30
3.3.3. Poznatky pro návrh a kontrolu
Silové pomry v elním ozubení
Obr. 3-18 Silové pomry v elním ozubení [2]
V zábru ozubených kol psobí:
x síly od toivého momentu Mt = P/Z
x dále pídavné síly zpsobené neplynulostí chodu motor (vnjší dynamické síly)
x pídavné síly zpsobené nepesností výroby soukolí a zmnou tuhosti zubu bhem
zábru (vnitní dynamické síly)
Síly v ozubení:
x
x
x
x
obvodová síla Fo = 2 × Mk/d
radiální síla FR = Fo × tgD
axiální síla FAX = Fo × tgE
normálná síla FN = Fo/(cos D × cos E)
Postup pi návrhu elního soukolí
Pedpoklad:
Známe:
x
x
x
x
potebný pevod i
zatížení (Mk, n)
úhel E
zvolíme materiál kol (vetn tepelného zpracování)
Potebujeme navrhnout – další základní rozmry tj. prmr kola, resp. modul a šíku ozubení
31
Co ovlivuje volbu prmru kola a šíky ozubení:
x zatížení (Fo = fx × (Mk))
x obvodová rychlost (v = f (d))
Zásada:
x prmry ozubených kol volit takové, aby obvodová rychlost v d 30 ms-1 (výjimen
45 ms-1).
x píliš široká kola (tj. b ! 100mm) nejsou vhodná z hlediska dotyku. Jsou velmi citlivá
na ohybovou a kruhovou tuhost hídel kol (dležitý je úhel sklonu prhybové áry a
úhel zkroucení hídele viz obr. 3-19).
Obr. 3-19 Vliv prhybové áry a zkroucení hídele
Zkušenost:: je-li úhel sklonu prhybové áry a úhel zkroucení hídele v míst zábru
kol (uvažováno v míst stedu ozubení)
Mo 1.10-3rad
Mu 1.10-3rad,
potom tuhost hídele prakticky neovlivuje únosnost ozubení.
Tuhost (deformace) zábru elních ozubených kol
Obr. 3-20 Dležité body pi zábru elních ozubených kol
Pi výpotu deformací zubového zábru je nutno vzít v úvahu nkolik dležitých
faktor:
x poloha zatížení se bhem zábru mní. V zaátku zábru psobí zatížení na
hlavové kružnici (F1) a koní na pat (F3) viz obr. 3-20.
x v prbhu zábru jsou nkdy v zábru dva zuby (u elních kol se šikmým
ozubením i více zub) a nkdy jeden zub. Je-li v zábru více zub, tak se
zatížení na jednotlivé zuby rozdlí v pomru jejich tuhosti.
32
Princip výpotu
Idealizovan lze deformaci zub složit z tchto dílích deformací:
x
x
x
x
ohyb zubu
smyk zubu
dotyk, tj. kontaktní deformace (od tzv. Hertzových tlak)
deformace vetknutí, tj. vlastního tlesa ozubeného kola
Protože rozhodující deformace jsou práv kontakty a vetknutí dosáhne se pesný výpoet
pouze použitím numerických metod (nap. MKP).
Závrem nkteré zásady, které je nutné brát v úvahu pi návrhu ozubených pevod elními
koly:
Zvyšování únosnosti elních ozubených kol lze dosáhnout:
x kalením povrchu bok zub, cementování kalení, pípadn nitrocementace => nutno
potom jako dokonovací operaci provést broušení (brusné ševingování nebo
lapování zub)
x nitridování, iontové nitridování a karbonitridace již broušení nepotebují (i když se
také nkdy provádí)
x kulikováním pechodu paty zubu se zvýší podstatn únosnost zubu v ohybu
x únosnjší tvar zub:
– evolventní ozubení s vtším úhlem zábru (korekcí)
– zvýšením evolventního ozubení ( h ! 2,25m ) s HD ! 2
x píznivjším rozložením zatížením podél šíky zub:
– provést osov stavitelné jedno s kol podle síly v ozubení
– pizpsobení úhlu sklonu zubu zkroucení pastorku a prhybu hídele pi zatížení
– pizpsobením boku zub zakivením – modifikaci (pesn se definuje
poloha zábru pi malém zatížení a pi vyšším se styk vlivem kontakt. deformací
rovnomrn zvyšuje)
Opatení pro snižování hlunosti:
x
x
x
x
x
x
boní modifikace
volba potu zub v prvoíslech (odstraní se periodické chyby v nepesnostech)
používat kola s vyšším potem zub a malým modulem
používat šikmé ozubení (více zub, plynulý zábr)
používat materiály s tlumícími schopnostmi.
povrchové úpravy
33
Monitorování stavu stroj
4. Monitorování stavu stroj s využitím vibraních signál
Je prokázáno, že údržba je jednou z nejvyšších nákladových položek, jestli ne vbec
nejvyšší. Monitorováním stavu stroj lze pedcházet haváriím a neplánovaným odstávkám.
V závislosti na aktuálním stavu stroje lze naplánovat termín jeho opravy na vhodnou dobu,
kdy se náklady minimalizují.
Jelikož vtšina závad rotaních stroj se projevuje nadmrnými vibracemi, využíváme
vibraní signály jako indikátory mechanického stavu stroj.
4.1. Základní pojmy
Mechanické kmitání – dynamický jev, pi nmž hmotné body nebo tuhá tlesa
vykonávají vratný pohyb kolem klidové rovnovážné polohy, kmitání je zpsobeno externí
nebo interní budicí silou. Termín kmitání je ekvivalentní pojmu vibrace.
Vibrace - lze popsat amplitudou a fází v daném asovém okamžiku. Hodnoty veliin
mechanických vibrací (tab. 4-1) jsou dány budicí silou, jejím smrem a kmitotem. Dle
asových zmn veliin mají vibrace charakter jevu periodického, neperiodického nebo
náhodného. Harmonické vibrace jsou periodické vibrace obsahující jedinou frekvenci (4.1)
Superpozicí rzných asových prbh vzniknou složené vibrace (4.2) a mohou být jak
periodické tak neperiodické.
x = x0 sin(Z t + M)
(4.1)
x = x01 sin(Z1t + M1) +..+ x0n sin(Znt + Mn)
(4.2)
Vlna – zmna vlastností nebo fyzikálního stavu prostedí šíící se v tomto prostedí a
penášející energii, aniž by souasn docházelo k pemisování prostedí. Stojatá vlna vzniká
pokud se vlivem odrazu šíí proti sob dv totožné vlny stejnou fázovou rychlostí.
Rázy – pi stetu dvou navzájem se pohybujících tles (nap. kulika v ložisku) dojde
k náhlé zmn gradientu urující veliiny vibrací (vtšinou rychlosti nebo zrychlení). Ráz
zpsobí pechodový kmitavý jev generující v tlese postupnou rázovou vlnu. V technické
diagnostice se také používá umle generovaný ráz nap. diagnostickým kladívkem se
zabudovaným senzorem síly.
34
Znaka Jednotka
s
m
s0
sv
sr
M
m
m
m
rad, °
v
m.s-1
Název, vysvtlení a vztahy
okamžitá výchylka vibrací. tj. zmna polohy bodu (tlesa) k referenní soustav
souadnic (displacement)
amplituda vibrací, tj. maximální hodnota harmonických vibrací (amplitude)
výkmit, tj. maximální hodnota vibrací v daném asovém intervalu (peak – sp)
rozkmit, tj. maximální rozdíl výkmit v daném asovém intervalu (peak to peak – spp)
fáze harmonické veliiny v ase t = 0 (phase angle)
rychlost vibrací v = ds/dt (velocity), pro harmonické kmitání platí v0 = Zs0
složené periodické vibrace lze po rozkladu na jednotlivé harmonické složky definovat
jako efektivní hodnotu rychlosti dle vztahu
v ef
U
m.s-1
a
m.s-2
b
m.s-3
1 n 2
¦ v 0i
2i1
mohutnost kmitání, tj. maximální efektivní hodnota rychlosti vibrací (v daném asovém
intervalu) na vybraných místech (severity)
zrychlení vibrací a = dv/dt (acceleration), pro harmonické vibrace meného objektu
platí:
a0 = Z v0 = Z2s0
aef = Z vef
ryv, tj. veliina udávající asovou zmnu zrychlení da/dt (jerk)
stední hodnota urující veliiny (mean value):
T
x
Cx
1
x t dt
T ³0
1 n
¦ x i t ni1
xˆ
x(t) je urující veliina vibrací vtšinou rychlost nebo zrychlení), T je daný asový
interval pro x(t), xi(t) jsou diskrétní hodnoty veliiny, n je celkový poet hodnot, (platí
jak pro periodické, neperiodické tak i náhodné vibrace)
efektivní hodnota urující veliiny (RMS – root mean square):
T
x ef2
xef
1 2
x (t )dt
T ³0
xˆ ef2
1 n 2
¦ x i (t )
ni1
x(t) je urující veliina vibrací vtšinou rychlost nebo zrychlení), T je daný asový
interval pro x(t), xi(t) jsou diskrétní hodnoty veliiny, n je celkový poet hodnot, (platí
jak pro periodické, neperiodické tak i náhodné vibrace)
hladina urující veliiny vibrací:
L
L
dB
20 log
H
H0
kde H0 je referenní hodnota urující veliiny:
pro amplitudu s0 = 10-12 m
pro rychlost v0 = 10-8 m.s-1
pro zrychlení a0 = 10-5 m.s-2
Tab. 4-1 Pehled vybraných veliin a vztah mechanických vibrací [3]
Nejvhodnjší veliinou ve vibrodiagnostice je efektivní hodnota rychlosti, nebo je
pímým mítkem škodlivosti vibrací z hlediska penosu energie. Harmonické vibrace
pedstavují pemnu potencionální energie na kinetickou a naopak. Prmrná potencionální
energie a prmrná kinetická energie jsou stejné a jsou rovné polovin celkové energie, tj.
E = mvef2. [3]
35
Pi diagnostikování stroj je nutné rozlišovat absolutní a relativní vibrace:
x absolutní vibrace – pohyb tlesa je vztahován ke gravitanímu poli zemkoule neboli
k pevnému, ale fixnímu bodu. Mí se pomocí absolutních senzor vibrací.
x relativní vibrace – pohyb tlesa je vztahován ke zvolenému reálnému bodu (nap. jiná
ást stroje, základová deska stroje, náprava vozidla apod.), tj. bodu, který mže být
také v pohybu. Mí se pomocí relativních senzor vibrací.
Více teorie k mení vibrací a senzorm vibrací popisuje nap. literatura [3].
Umístní sníma
Sníma by neml být umístn na lakované povrchy, nezatížené zóny ložisek, dlící
roviny a konstrukní mezery. Ml by být zajištn dostatený pítlak snímae s kolmým úhlem
k povrchu. Vibrace by mly být meny ve tech smrech (obr.4-1):
x axiálním (podélném) – v tomto smru by mení celkových vibrací mla vykazovat
velmi nízké hodnoty, jelikož vtšina sil je generována kolmo k hídeli, nicmén
problémy s nesouosostí a ohnutým hídelem zpsobí vibrace i v tomto smru.
NDA – Non Drive Axial – nehnací konec hídele axiáln
DEA – Drive End Axial – hnací konec hídele axiáln
x horizontálním – mení celkových vibrací v tomto smru vykazuje obvykle nejvtší
hodnoty, stroj je v této rovin poddajnjší, nadmrné vibrace psobící v horizontální
rovin jsou dobrým indikátorem nevyváženosti.
NDH – Non Drive Horizontal - nehnací konec hídele horizontáln
DEH – Drive End Horizontal – hnací konec hídele horizontáln
x vertikálním – v tomto smru obvykle mení vykazují menší celkové vibrace než pi
mení v horizontální rovin, je to zpsobeno tuhostí stroje, která je zpsobena
konstrukcí a psobením gravitace.
NDV – Non Drive Vertical - nehnací konec hídele vertikáln
DEV – Drive End Vertical – hnací konec hídele vertikáln
Obr. 4-1 Umístní sníma vibrací na meném stroji
36
4.2. Celkové vibrace stroje
Celkové vibrace pedstavují celkovou vibraní energii menou v jistém frekvenním
rozsahu. Mením celkových vibrací stroje nebo jeho ástí a porovnáním této hodnoty s její
normální úrovní (normou) získanou nap. pi mení na novém stroji nebo na stroji po
generální oprav dostaneme informaci o stavu stroje. Tato informace se pak srovnává
s nastavenými poplachovými úrovnmi a vyhodnocuje se její asový vývoj (trend).
Porovnáváme-li celkové hodnoty, musí být zachován stejný frekvenní rozsah a stejný
zpsob mení amplitudy signálu.
Mohutnost
vibrací RMS
mm/s
Meze rychlosti a tídy stroj ISO 2372 – 1974
Malé stroje
Stední stroje
Tída I
Tída II
0,28
dobrý
0,45
dobrý
0,71
1,12
uspokojivý
1,80
uspokojivý
2,80
neuspokojivý
4,50
neuspokojivý
7,10
11,20
19
nepijatelný
nepijatelný
28
45
71
Tab. 4-2 Orientaní meze vibrací stroje
Velké stroje
Tuhé uložení
Poddajné
Tída III
Tída IV
dobrý
dobrý
uspokojivý
uspokojivý
neuspokojivý
neuspokojivý
nepijatelný
nepijatelný
4.3. Frekvenní analýza vibrodiagnostického signálu
Frekvenní analýza odstrauje nevýhody analýzy v asové oblasti, tj. lokalizuje
vznikající poruchy jednotlivých ástí objektu (nevyváženost, ozubené soukolí, ložiska aj.).
Úplná frekvenní analýza je dána amplitudovým spektrem a fázovým spektrem. U náhodných
signál se vyhodnocuje výkonová spektrální hustota. Fázové spektrum umožuje analyzovat
fázové pomry mezi jednotlivými komponentami amplitudového spektra a je používané pro
detekci nevyváženosti rotaních ástí stroje, nesouososti hídel a pro vyvažování [3].
Matematické vyjádení spektrální analýzy je popsáno nap. v literatue [3],[12].
37
4.3.1. Oblast nízkých kmitot
4.3.1.1. Nevyváženost
K nevyváženosti dochází, když hlavní osa setrvanosti hídele není totožná s její
geometrickou osou. Existují ti druhy nevyváženosti:
x Statická nevyváženost – osa rotace je rovnobžná s osou setrvanosti
Obr. 4-2 Statická nevyváženost
x Momentová nevyváženost – dv totožné síly (hmoty) psobí proti sob (posunuté o
180°)
Obr. 4-3 Momentová nevyváženost
x Dynamická nevyváženost – kombinace statické a momentové nevyváženosti
Obr. 4-4 Dynamická nevyváženost
Ve vtšin pípad se v praxi vyskytuje dynamická nevyváženost. U jednoduchých
stroj pevládá statická nevyváženost nad momentovou. U složitjších stroj s více než
jednou spojkou nebo s nkolika místy na rotoru, kde se mže nevyváženost vyskytnout, bývá
dominantní momentová nevyváženost.
38
Úinky:
Nevyváženost obvykle zpsobuje vtší dynamické zatížení ložisek, než pipouští
konstrukní návrh. Následkem únavy materiálu pak vznikají závady ložisek. Únava materiálu
je výsledkem psobení sil na zatžované plochy a projevuje se jako drolení i odlupování
kovového povrchu.
U vibrací zpsobených istou nevyvážeností má jejich prbh sinusový tvar s jednou
vlnou za otáku. Ve spektru se to projevuje vyšší hodnotou amplitudy pi otákové frekvenci
(obr.4-5). Ostatní závady mohou rovnž zpsobovat vyšší hodnotu amplitudy pi otákové
frekvenci, ale obvykle zpsobují i harmonické násobky. Obecn platí, pokud má signál
harmonické násobky nad základní otákovou frekvencí, pak problém není zavinn
nevyvážeností. Ke vzniku harmonických násobk mže však dojít tehdy, když se
nevyváženost bude zvtšovat anebo když se tuhost podpory v horizontálním a vertikálním
smru bude velmi lišit.
Obr. 4-5 Spektrum FFT indikující nevyváženost [5]
Analýza fáze
x Posunutí fáze o 90° mezi vertikálním a horizontálním smrem.
x V pípad pevládající statické nevyváženosti, není ve stejném micím smru na obou
koncích stroje i z obou stran spojky namen žádný fázový posun.
39
4.3.1.2. Nesouosost
O nesouososti mluvíme tehdy, když hídele, spojky a ložiska nejsou vyrovnány do
osy. Existují dva typy nesouososti (obr. 4-6):
x úhlová – dva hídele jsou spojeny ve spojce tak, že v hídeli vzniká ohybová síla
x paralelní – osy hídel jsou rovnobžné, ale vi sob posunuté
x nebo jejich kombinace
Obr. 4-6 Nesouosost: a) úhlová, b) paralelní
Píiny:
x Tepelná dilatace – vtšina stroj je vyrovnána do osy za studena, když je pak stroj
provozován a teplota stoupá, zpsobí tato tepelná dilatace vznik nesouososti.
x Stroje, které jsou pevn spojené a nejsou správn vyrovnané.
x Síly penášené na stroj potrubím a podporami.
x Nerovné, posouvající se nebo sedající základy.
Následky:
Stejné jako u nevyváženosti – poškození ložisek
x Úhlová nesouosost zpsobuje axiální vibrace pi otákové frekvenci (1u).
x Paralelní nesouosost vyvolává radiální vibrace pi dvojnásobku otákové frekvence
(2u).
40
Jelikož vtšina pípad nesouososti je kombinací úhlové a paralelní nesouososti, je
teba ve spektrech analyzovat jak základní otákovou frekvenci, tak její dvojnásobek, a to
v axiálním i radiálním smru.
x Pokud jsou u spojek hodnoty amplitudy dvojnásobné otákové frekvence pod úrovní
50% amplitudy pi základní otákové frekvenci, jsou tyto hodnoty pijatelné a zaízení
lze obvykle provozovat po dlouhou dobu.
x Je-li hodnota amplitudy dvojnásobné otákové frekvence v rozmezí 50 – 150%
amplitudy pi základní otákové frekvenci, je pravdpodobné, že dojde k poruše
spojky.
x Je-li hodnota amplitudy dvojnásobné otákové frekvence vyšší než 150 % hodnoty
amplitudy pi základní otákové frekvenci, pak se jedná o výraznou nesouosost a
potebný zásah je teba provést co nejdíve.
Obr. 4-7 Spektrum FFT indikující nesouosost [5]
Analýza fáze
Velice užiteným nástrojem sloužícím k analýze nesouososti je mení fáze. Je-li to
možné, zjistíme fázový posun mezi hodnotami namenými na protjších koncích stroje
v axiálním smru.
x Úhlová nesouosost – v axiálním smru z obou stran spojky nebo stroje existuje fázový
posun 180°.
x Paralelní nesouosost – v radiálním smru z obou stran spojky nebo stroje existuje
fázový posun 180°. K fázovému posunu o 180° dojde, pemístíme-li sníma na tomtéž
ložisku z horizontální do vertikální polohy.
x Kombinace obou – v axiální i radiální poloze bude z obou stran spojky nebo stroje
existovat posun o 180°.
41
4.3.1.3. Mechanické uvolnní
Mechanické uvolnní nebo nesprávné uložení/lícování jednotlivých ástí se obecn
projevuje jako dlouhý sled neobvykle vysokých amplitud pi harmonických násobcích
otákové frekvence nebo harmonických násobcích poloviny otákové frekvence. Tyto
harmonické se mohou objevovat sporadicky (ne všechny), napíklad se mohou objevovat
špiky pi 2ufhíd, 3ufhíd, 4ufhíd, 5ufhíd, 6ufhíd atd. nebo pi 3,5ufhíd, 4ufhíd, 5,5ufhíd, 6ufhíd
atd.
Píiny:
x došlo k mechanickému uvolnní stroje od základu (stojanu)
x došlo k uvolnní komponenty stroje
x došlo k rozvoji defektu ložiska, což zpsobilo opotebení jeho element nebo uvolnní
ložiska
Následky:
x pokud uvolnní souvisí s ložiskem, pak jsou jeho úinky stejné jako pi nevyváženosti,
ale silnjší
x pokud dojde k uvolnní jiné ásti (nap. lopatky ventilátoru), potom existuje
nebezpeí, že se tato ást odlomí a zpsobí sekundární závadu
Obr. 4-8 Spektrum FFT indikující uvolnní [5]
42
4.3.1.4. Ohnutý hídel
Pi mení celkových vibrací a spektrální analýzy se ohnutý hídel projevuje identicky
jako nesouosost. K jejich rozlišení je zapotebí provést mení fáze.
Píiny ohnutí:
x Ohnutí za studena – u hídel s velkým pomrem délky a prmru mže v klidové
poloze psobením gravitace dojít k prohnutí.
x Nesprávná manipulace.
x Vysoký kroutící moment.
Následky:
x Nadmrné dynamické zatžování ložisek.
Analýza fáze:
x Hodnoty fáze v radiálním smru (vertikáln a horizontáln) jsou obvykle „ve fázi“.
x Hodnota fáze v axiálním (podélném) smru je obvykle o 180° posunutá.
4.3.1.5. Špatn nasazené ložisko na hídeli
Podobn jako u nesouososti generuje kiv nasazené ložisko výrazné vibrace
v axiálním smru. Rozlišit tyto dva pípady umožní mení fáze v axiálním smru .
Pokud se hodnoty fáze mené ve tyech naznaených polohách snímae na
obr. 4-9, výrazn liší, pak se jedná o kiv nasazené ložisko.
Obr. 4-9 Polohy snímae pro zjištní špatn nasazeného ložiska
43
4.3.2. Oblast stedních kmitot
4.3.2.1. Vady pevod
Základem analýzy pevod s elními ozubenými koly jsou zubové frekvence fz, které
vznikají pi zábru dvou nebo více ozubených kol a závisí na potu zub a rychlosti otáení
jednotlivých kol. Pro jednoduchou pevodovku dle obr. 4-10 platí:
fz = f1 u n1 = f2 u n2
(4.3)
a)
b)
Obr. 4-10 Pevodovka s elními ozubenými koly: a) dvoukolový pevod, b) boní profil zub
Vady pevodu a jejich projevy:
x opotebení vlivem skluzu zub pi zábru – narstá druhá a tetí spektrální složka,
rozšiují se boní pásma a vznikají rezonanní složky spektra pi frekvenci fn.
x nesouosost hídel u pevodovky – nárst složky na dvojnásobku zubového
kmitotu a rzná výška levých a pravých složek boního pásma
x uvolnné kolo na hídeli – osciluje vi hídeli v podélném pohybu a složka druhé
harmonické zubového kmitotu je vtší než složka první a tetí harmonické
x excentricita – nárst složky zubové frekvence
x boní zubová vle – nárst všech složek spektra a zmna odstupu v boních pásmech
x vyštípnutí nebo odlomení ásti zubu – pi této závad je nevhodnjší pro analýzu
asový prbh signálu nebo kepstrální analýza, protože je závada ve spektru
maskována ostatními složkami spektra (obr. 4-11)
44
Obr. 4-11 Frekvenní a kepstrální analýza vadného pevodového soukolí [3]
frekvence dotyku fht (Hunting Tooth frequency)
Lze vypoítat frekvenci dotyku, ili frekvenci s jakou se dostanou stejné dva zuby do zábru:
fHT
fv
k UFv
fm
k UFm
f z N SD
n m nv
(4.4)
kde kUF je koeficient, který udává kolikrát se musí vtší kolo s potem zub nv resp.
menší kolo s potem zub nm otoit, aby se dostaly do zábru dva stejné
zuby
N SN
N SN
k UFv
k UFm
nv
nm
kde NSN je nejmenší spolený násobek potu zub ozubených kol v zábru
Spektrální složky frekvence dotyku se pohybují v oblasti desetin hertz a jejich
amplituda je pomrn malá, proto je jev lépe pozorovatelný v dostaten dlouhém asovém
záznamu.
Nejvtší spolený dlitel NSD potu zub dvou ozubených kol v zábru
Ideální pevodovka by mla mít NSD = 1, pak se v pípad poškozeného zubu na
jednom kole, opotebovávají zuby druhého kola rovnomrn. Pokud tomu tak není,
poškozený zub penáší vadu na každý NSD-tý zub. Pro NSD > 1 existuje NSD samostatných
45
drah, na kterých se odpovídající zuby potkávají. Ve spektru se popsaný jev projeví jako
subharmonické složky GAPF (Gear Assembly Phase Frequency) dané násobky podílu NSD/fz.
Pi vibrodiagnostické analýze signál z pevodovek je nutné porovnávat spektra vždy
pi stejném momentovém zatížení, protože pi nárstu zatížení klesají amplitudy složek
zubových kmitot.
4.3.3. Oblast vysokých kmitot
4.3.3.1. Vady ložisek
Existuje mnoho závad stroj, které mohou zpsobit poškození ložisek. Nejastji se
jedná o nadmrné zatížení zpsobené nesouosostí, nevyvážeností nebo problémy s mazáním
(nedostatené mazání, nesprávné mazání, nadmrné mazání, nebo zneištní maziva) nebo
jejich kombinace. K ostatním patí:
x
x
x
x
Vadné dosedací plochy pro ložiska na hídelích nebo v pouzdrech.
Nesprávný postup pi montáži.
Nesprávné uložení (tolerance) v pouzdrech a na hídelích.
Vibrace v dob, kdy se ložisko neotáí.
Prchod elektrického proudu ložiskem.
asto má poátení únava ložiska za následek vznik smykového naptí, které psobí
cyklicky pod zatžovaným povrchem. Následkem psobení tohoto naptí vznikají trhlinky,
které se postupn rozšiují smrem k povrchu. Prchodem valivých ástí pes tyto trhliny
dochází k uvolování (odlamování) drobných ástic. Tento jev je známý jako drolení nebo
odlupování (obr. 4-12). Drolení se postupn rozšiuje a mže pípadn zpsobit to, že se
ložisko stane nepoužitelné. Tento druh defektu má dlouhotrvající charakter a jeho pítomnost
se projevuje zvýšenými vibracemi a hlukem.
Obr. 4-12 Únava materiálu tzv. drolení vlivem nadmrného zatížení
46
Další typ poškození ložiska je vyvolán petížením povrchu. To zpsobuje vznik trhlin
na povrchu, které se rozšiují dovnit materiálu. Dochází k nmu následkem nadmrného
dynamického zatížení i nesprávným mazáním.
V obou pípadech generuje poškozené ložisko hluk a vibrace, které pokud jsou
detekovány, dovolují uživateli vas odstranit píinu závady ložiska nebo vymnit ložisko
díve, než dojde k jeho úplnému zniení.
Defekt ložiska lze rozdlit do nkolika fází dle jeho vývoje:
x poátení fáze: defekt je stále pod povrchem nebo natolik malý (mikrometry),
že nevzniká mitelný vibraní signál. Nárazy pi kontaktu kov-kov se tlesem
ložiska šíí akustická emise ve frekvencích až do nkolika MHz, ímž je
možnost detekovat závadu v nejranjším stadiu. Používá se napíklad metoda
SEE (Spectral emitted energy) patent firmy SKF, nebo analýzou impulsního
akustického signálu.
x druhá fáze: již dochází k poškození jednotlivých element, ale vibraní
spektrální složky odpovídajícím nízkým kinematickým frekvencím ložiska
jsou zcela maskovány nízkofrekvenními spektrálními složkami od ostatních
ástí stroje. Zde se diagnostika provádí ve frekvenním ultrazvukovém pásmu
v rozmezí 20kHz – 60kHz za použití akcelerometr s vysokou hodnotou
vlastní rezonanní frekvence. Zpracování signálu umožuje ada zpsob,
vtšinou patentovaných u rzných firem.
x tetí fáze: poškozený prvek vyvolává pi pohybu stykem s dalším prvkem
mechanické rázy, pi nichž dochází k penosu kinetické energie na tleso
ložiska. Toto tleso se po rázu rozkmitá na vlastním kmitotu v rozmezí
5 kHz – 20 kHz, piemž kmity jsou tlumené a rychle doznívají. Zde je
vhodná obálková analýza dle obr. 4-13.
x tvrtá fáze: ložisko je již v koncovém stadiu své životnosti a lze již detekovat
vibraní spektrální složky pímo v oblasti nízkých kmitot. Dochází ale i
k nárstu otákových spektrálních složek a široká oblast spektra má náhodný
charakter. Tato mení obvykle indikují bezprostedn hrozící defekt ložiska,
kdy zbývá mén než 10% doby životnosti.
47
Obr. 4-13 Obálková analýza pi diagnostice poškozeného ložiska (f1 je kinematická
frekvence poškozeného elementu ložiska) [3]
Kinematické frekvence impulz ložisek (n – poet kuliek, r – otáky hídele [ot/min], Bd –
prmr kuliky, Pd – prmr roztené kružnice, I – stykový úhel):
x ford frekvence defektu na vnjší dráze ložiska (Frequency Outer Race Defect)
ford
n r § Bd
·
cos I ¸
¨1 2 60 © Pd
¹
(4.5)
x fird frekvence defektu na vnitní dráze ložiska (Frequency Inner Race Defect)
f ird
n r § Bd
·
cos I ¸
¨1 2 60 © Pd
¹
(4.6)
x fbd frekvence defektu kuliky (Frequency Ball Defect)
2
º
n r ª § Bd ·
2
¸ cos I»
«1 ¨
2 60 ¬« © Pd ¹
¼»
f bd
x fc
(4.7)
frekvence klece ložiska (Frequency Cage)
fc
1 r § Bd
·
cos I ¸
¨1 2 60 © Pd
¹
(4.8)
48
Elektronické vybavení simulátoru
5. Elektronické vybavení simulátoru
5.1. Návrh elektronického vybavení simulátoru
Do simulátoru vibrací, dle zadání a požadavk, by mly být z elektronického hlediska
zakomponovány následující funkce:
x nastavení otáek hnacího motoru z PC
x mení otáek s penosem do PC
x digitalizaci vibraních signál a jejich penos do PC pomocí DAQ modulu
Zadání doporuuje tyto požadavky splnit za použití micího (DAQ) modulu
s rozhraním USB. Takový modul byl již k dispozici a to PMD-1208FS od firmy Measurement
Computing. Tato varianta se zpoátku jevila jako optimální, jelikož výrobky této firmy jsou
podporovány programovým balíkem Matlab (Data Acquisition Toolbox). Práv toto prostedí
se využívá pro sbr a vyhodnocování namených vibrodiagnostických signál. Modul nabízí:
x
x
x
x
8 analogových vstup
2 analogové výstupy (12-bit)
16 digitálních vstup/výstup
32-bitový externí íta
Vybavení modulu se pro splnní všech požadavk na ovládání simulátoru uvedených
v zadání zdálo být dostatené. Avšak po bližším seznámení se s funkcemi modulu [4], bylo od
tohoto zámru upuštno. Dvodem byl omezený pístup k ítai, který bylo výhodné využít
pro ítání puls ze snímae otáek, ale tato funkce modulu není zatím prostedím Matlab
podporována a vytvoení vlastních funkcí v Matlabu pro zprovoznní tohoto ítae by bylo
píliš složité.
Další možností je využít analogový vstup pro ítání, tu však omezuje vzorkovací
frekvence modulu, která iní 50 kS/s pro všechny kanály, ili za použití dvou kanál je
vzorkovací frekvence 25 kS/s na kanál, tyi kanály 12,5 kS/s na kanál a tak dále, což není
nijak mnoho a tato skutenost znemožuje mení za využití vtšího množství kanál.
ešením bylo využít tento modul pouze na samotné mení signál z akcelerometr a
ovládání simulátoru pedat nezávislé jednotce pipojitelné k PC nejlépe pes rozhraní USB.
Jednotka by tedy mla, jak již bylo zmínno, umožovat nastavit otáky motoru zadané z PC,
následn je zmit a údaj penést zpt do poítae. Blokové schéma takového elektronického
zaízení ukazuje obr. 5-1.
49
Obr. 5-1 Blokové schéma elektronického ovládání simulátoru vibrací
Základem ovládací jednotky je mikrokontrolér, který má za úkol pevést íslo zaslané
z PC na signál umožující ovládání motorku, kterým je k tomuto úelu nejvíce využívaná
metoda PWM – pulsní šíkové modulace (viz. odstavec 5.3.). Takto poízený signál ovládá
výkonový spína, který svým spínáním mní stední hodnotu proudu protékajícím motorem a
tím jeho otáky.
Rychlost otáení motorku snímá pulsní sníma otáek (optický nebo indukní),
mikrokontrolér zjistí dobu periody mezi jednotlivými pulsy a tento údaj vyšle do PC, kde se
jednoduchým výpotem urí rychlost otáení.
5.2. Mení otáek
Pi analýze vibrodiagnostického signálu u rotaních soustav jsou otáky hídel
jednou ze základních veliin. Pro íslicové zpracování signálu je dále podstatný tzv.
keyphasor, což je vztažný bod na rotujícím objektu. Existuje celá ada senzor otáek, ale
v diagnostice
v souasné
dob
pevládají
bezdotykové
senzory
induknostní
a
optoelektronické. Z induknostních senzor lze využít senzoru na principu víivých proud.
Senzor snímá jednu nebo více drážek na hídeli. Optoelektronické senzory pracují na principu
odrazu záení na odrazné plošce nebo prchodu záení pes przory v pohybujícím se stínítku
a jsou vybaveny infraervenými nebo laserovými diodami. Drážka nebo odrazná ploška
souasn zastupuje na hídeli bod pro prmrování signálu v asové oblasti a referenní bod
pro vyhodnocení fázového spektra [3].
50
5.2.1. Mení otáek pes ovládací jednotku
Ovládací jednotka pi mení otáek motorku pracuje jako íta v režimu mení doby
periody. Na vstupu je optický inkrementální senzor otáek HEDM – 5540A12 od firmy
Agilent. Tento senzor má ti kanály A (500 puls/ot.), B (500 puls/ot.) fázov posunutý vi
kanálu A, sloužící pro urení smru otáení (nevyužito) a I (puls/ot.) využitý jako keyphasor.
Uvnit jednotky je pak mikrokontrolér s procesorem AT89C51RD2 blíže popsaný v kapitole
5.4. Na desce mikrokontroléru je umístn frekvenní dli využitelný pro snížení rozlišení
senzoru otáek. Výstupem jednotky je PC pipojené pes sériové rozhraní, kam se vysílá údaj
o dob periody mezi jednotlivými impulsy ze senzoru otáek. Rychlost otáení se vypote
v PC o rychlost otáení = 60/(T × pulsy za ot.).
Získaný údaj není kompletní bez vyhodnocené nejistoty mení. Standardní nejistota
typu B pi mení doby periody Tx se spote dle následujícího vzorce:
§ ' cT X
¨¨
© 3
uT X
kde
2
· § 'T X
¸¸ ¨¨
¹ © 3
1
fN
' cT X
2
·
¸¸ 2u k2
¹
(5.1)
je rozlišovací schopnost ítae v režimu mení
periody
fN
frekvence normálového kmitotu
G f0
TN N
100
'T X
kde Gf0
je relativní nestabilita frekvence krystalového oscilátoru G f0 v %
N
TN
uk
G f0
TX
100
doba periody normálového kmitotu
1
fN
poet puls naítaných za dobu TX
smrodatná odchylka, jejímž zdrojem je kolísání komparaní úrovn
zpsobené šumem vstupního obvodu zesilovae a šumem signálu,
platí:
uk
kde
US
USIG
vp
2
U S2 U SIG
vp
je efektivní hodnota šumu vstupního obvodu ítae
efektivní hodnota šumu vstupního signálu
rychlost pebhu spouštcí hrany signálu v okamžiku
spuštní [V/s]
51
Jelikož míme obdélníkový signál, kde se hodnota vp blíží nekonenu, lze len uk
zanedbat. Kmitoet použitý pi ítání je polovina frekvence procesoru, která je polovinou
frekvence krystalového oscilátoru. Pro oscilátor 33 MHz je tedy frekvence ítání 8,25 MHz.
Nestabilita frekvence krystalového oscilátoru je dle údaje výrobce r 50 ppm což je 0,005%,
pak nejistota typu B pi mení periody vychází (pro rychlost otáení 5000 ot/min a 500 puls
na otoku):
2
uTX
§ ' cT X
¨¨
© 3
2
· § 'T X
¸¸ ¨¨
¹ © 3
1
§
¨
6
¨ 8,25.10
¨
3
¨
©
·
¸¸
¹
§ 1 · § G f0
¨
¸ ¨
TX
¨ fn ¸ ¨ 100
¨ 3¸ ¨
3
¨
¸ ¨
©
¹ ©
2
2
· § 0,005
¸ ¨
2,4.10 5
100
¸ ¨
¸ ¨
3
¸ ¨
¹ ©
·
¸
¸
¸
¸
¹
·
¸
¸
¸
¸
¹
2
2
7.10 8 s
pevedeno na otáky je teoretickým výsledkem hodnota 5000 r 15 ot/min.
Tento údaj není však zcela platný, vlivem délky programu, kdy není možné vyvolat
perušení se tato nejistota zvtší. Tuto nejistotu mení lze zmenšit snížením pot puls na
otáku jejich vydlením ped zpracováním v mikropoítai a mit tak delší dobu periody, tím
se ale sníží rozlišení senzoru.
Mení doby periody lze zpesnit metodou „prmrování“, kdy míme dobu n period
(n je zpravidla 10k, kde k je pirozené íslo) a výsledný as pak podlíme n, pak složka
zpsobená šumem superponovaného k menému signálu a kolísáním komparaní úrovn a
složka vzniklá omezenou rozlišovací schopností se sníží n-krát. Pro nejistotu typu B pi
mení doby periody s prmrováním pak platí:
uT X
§ ' cT X
¨¨
©n 3
2
· § 'T X
¸¸ ¨¨
¹ © 3
2
·
§u ·
¸¸ 2¨ k ¸
© n ¹
¹
2
(5.2)
52
5.3. ízení otáek stejnosmrného motoru
5.3.1. Pulsní šíková modulace
V ídící technice a obecn v systémech výkonové elektroniky, se nejastji používá
pulsní šíková modulace – PWM (pulse width modulation). Jak ukazuje obr. 5-2 základem
této modulace je pevná nosná frekvence, ili délka periody TOP a promnná veliina, kterou je
šíka impulzu T. Dležitou okolností ped samotným ešením aplikace je výbr potu
kvadrant, ve kterých se bude operovat, jsou aplikace jednokvadrantové (umožující pouze
ídit velikost výkonu na zátži), dvoukvadrantové (ídící navíc smr výkonu a umožující
brzdní motoru) a nejuniverzálnjší tykvadrantové (umožující úplné ízení výkon i
píkon motoru).
Obr. 5-2 Pulsní šíková modulace
Jelikož dostupný motor s permanentními magnety P2RH479 od firmy Atas dovoluje
pouze levotoivý smysl otáení (simulátor nevyžaduje oboustranný smysl otáení), tak není
poteba se zabývat smrem ízeného výkonu, ale pouze jeho velikostí, stejn tak není poteba
ešit brzdní motoru, které nám pípadn zajistí elektronicky ovládaná brzda (také pomocí
PWM), která je souástí mechanické konstrukce simulátoru.
5.3.2. Výkonový spína s tranzistorem MOSFET
Tranzistor MOSFET se v dsledku svého malého odporu v sepnutém stavu výborn
hodí práv pro ízení stejnosmrných motork, které jsou ureny vtšinou pro rozsah naptí
do 24 V, takový rozsah má i zde použitý motorek P2RH479 od firmy Atas. Postaí tedy
tranzistor MOSFET z nejnižší napové tídy 50 nebo 60 V. Zvolili jsme proto tranzistor
IRF520. Výkonové tranzistory MOSFET mají v sepnutém stavu již tak malý odpor (10 m:),
že vznikající teplo je i pi kolektorovém proudu nkolik ampér tak malé, že s chlazením
nejsou žádné potíže a postaí tedy malý chladi.
Naptí vzniklé na induknosti následkem zmn proudu, který jí prochází, je pímo
úmrné rychlosti tchto zmn (5.3)
53
US
L
di
dt
(5.3)
Protože každý, by malý kus pívodu má svojí induknost, která pi rychlém perušení
proudu spínaem zpsobí, dle zmínného vztahu, nárst naptí v proudovém okruhu, mže
nastat prraz tranzistoru i pi spínání ist odporových zátží. Velikost indukovaných
napových špiek lze snížit správným navržením plošného spoje a použitím nkterého
z ochranných obvod. Obecn platí :
x ím je spínání rychlejší a ím jsou vyšší spínané proudy, tím krititjší se stávají
parazitní induknosti.
x Používat co nejkratší spoje.
x Kompaktní konstrukce obvodu.
x Vždy použít ochranný obvod proti peptí bu
pro každý MOSFET a nebo pro
jejich skupinu.
Je-li v obvodu jako zátž použita induknost, omezuje se peptí vznikající pi vypnutí
proudu peklenutím zátže ochrannou tzv. nulovou diodou. Ta pevezme proud procházející
dosud tranzistorem a omezí naptí indukované na zátži pi vypnutí na velikost svého
propustného naptí. Je teba dbát na to, aby MOSFET a dioda byly umístny co nejblíže u
sebe a spoje byly co nejkratší, jinak mže na rozptylových induknostech vzniknout i tak
píliš velké peptí. Obvykle tato peptí nepekroí maximální hodnoty a nezpsobí žádné
škody. Avšak energeticky bohaté peptí vzniklé napíklad pi vypnutí obvodu v pípad
zkratu vinutí cívky, kdy mohou obvodem kolektoru protékat vysoké proudy, které uloží
v magnetickém poli rozptylových indukností pozoruhodné množství energie, tranzistor
nemže pestát bez poškození. Pak je teba použít souástky odolné vi lavinovému prrazu
a již zmínné ochranné obvody. Další možností je omezit hodnotu zkratového proudu
snížením naptí hradla, což ale mže negativn ovlivnit spínací vlastnosti tranzistoru.
Na obr. 5-3 je zobrazeno navržené a použité zjednodušené zapojení obvodu
výkonového spínae s tranzistorem MOSFET, nulové (volnobžné) diody a pepové
ochrany.
54
+ 24V
MOTOR
Rs
IL
D1 Id
Ls
D2
ZD2
RG
PWM
Snímání I
ZD1
RI
I
Obr. 5-3 Spínání induktivní zátže tranzistorem MOSFET
Tranzistor je periodicky otevírán a proud indukností motoru IL pitom narstá (viz
Obr. 5-4). Induknost slouží jako zásobník energie. Když je tranzistor uzaven, mže proud
motoru dále téci pes nulovou diodu jako proud Id. Pi dostaten rychlém kmitotu spínání je
proud motoru spojitý, s malým zvlnním bez velkých proudových špiek, k jakým dochází
nap. v pípad fázového ízení s použitím triak nebo tyristor. To se pirozen pízniv
projeví na životnosti kolektoru a uhlíkových kartá motoru. Jako nulovou diodu je s ohledem
na minimální spínací ztráty vhodné použít rychlou spínací diodu s krátkou dobou závrného
zotavení, v našem pípad byla použita dioda 30ETH06 u níž je doba závrného zotavení
typicky 30 ns.
55
Obr. 5-4 Prbhy proud pi spínání induktivní zátže
Ochrana, která byla využita v našem zapojení, vychází z literatury [11]. Zenerova
dioda ZD1 chrání hradlovou elektrodu proti peptí, velikost jejího Zenerového naptí je 16V,
protože pi této hodnot je již výkonový tranzistor IRF520 pln sepnut. Zárove je toto naptí
ješt dostaten nižší než maximáln pípustné naptí UGS 20V. D2 je jednoduchá kemíková
dioda 1N4007, která snese nárazový propustný proud 1A a má prrazné naptí vtší než 20V.
ZD2 je Zenerova dioda s naptím o velikosti 30V, která ochrání tranzistor ped prrazem, toto
Zenerovo naptí má být okolo poloviny pásma mezi povoleným maximálním naptím
kolektor-emitor UDS a naptím +Ucc v našem pípad 24V. Ochranné prvky by mly být
pipojeny co nejblíže k vývodm tranzistoru, aby nevznikaly žádné další rozptylové
induknosti.
V zapojení elektroniky spínae byl využit obvod IR2121, jedná se o budi tranzistor
MOS tzv. dolní spína, tento obvod nabízí další ochranu v podob integrovaného
komparátoru s referenním naptím 230mV, který v pípad pekroení této hodnoty, snímané
na vhodn zvoleném odporu zaazeném do proudového okruhu, spínání peruší. U této
proudové ochrany, která chrání tranzistor proti pekroení kolektorového proudu IDS, je
možnost nastavení rychlosti reakce na podnt z komparátoru pomocí externí kapacity CERR
56
podle vztahu (5.4), o zareagování na pekroení proudu IDS však obvod IR2121 nenabízí
žádnou informaci. Proto, pro pípad zptnovazebního ízení a pro ochranu stejnosmrného
motorku, byl do proudového okruhu zalenn podobný zpsob ochrany, a to externím
komparátorem s integrovanou referencí ADCMP356, u kterého se v pípad pekroení
úbytku naptí na snímacím odporu daného referencí (600 mV) objeví na výstupu log. 0
v úrovni TTL.
Ped budi tranzistoru je z dvod rušení a ochrany ídící elektroniky zaazen optolen
6N137 pro galvanické oddlení celého výkonového obvodu.
Napájení integrovaných obvod je zajištno hojn používanými napovými
stabilizátory ady 78XX, které jsou zapojeny dle technické dokumentace výrobce.
dt
C
dU
I ERR
(5.4)
Výkonový spína brzdy
Brzda je ešena stejným typem motorku jako v pípad pohonu, zde v zapojení jako
dynamo. Regulaci brzdného úinku tvoí elektronická zátž s využitím opt pulsní šíkové
modulace jako u pohonu s tím rozdílem, že zde motor nespínáme s napájecím naptím, ale se
zátží.
Obvod výkonového spínae brzdy (viz obr. 5-6) je tém shodný s výše popsaným
spínaem motoru (viz obr. 5-5). Oba obvody jsou zhotoveny na jednom plošném spoji.
57
Obr. 5-5 Výkonový spína motoru
58
Obr. 5-6 Výkonový spína brzdy
59
5.4. Ovládací jednotka
Základem celého elektronického ovládání simulátoru zajišující nastavení a mení
otáek z PC byl zvolen mikroprocesor od firmy Atmel AT89C51RD2. Jedná se o výkonnou
verzi procesoru ady 80C51 tedy jednoipového 8-bitového mikrokontroléru s pamtí typu
Flash (celkem 64 Kb pro pam programu a pam dat). Pam Flash mže být
programována jak paralelním programováním, tak v sériovém módu s vhodným softwarem
podporující ISP (In-System programing), ili lze pevn zabudovaný procesor v systému
programovat pes sériový kanál. Programovací naptí je vytvoeno uvnit procesoru
z napájecího naptí Ucc.
AT89C51RD2 zachovává všechny rysy ady procesor Atmel 80C52 jako jsou
rozšíená vnitní datová pam RAM (256 byt), perušovací systém s devíti zdroji a tymi
úrovnmi perušení a ti 16-bitové ítae. Procesor dále disponuje 2048 byty pamti typu
EEPROM pro uchování konstant.
Procesor dále nabízí programovatelné pole íta, 1792 byt pamti XRAM,
hardwarový Watchdog, rozhraní SPI, rozhraní pro klávesnici a univerzální sériový kanál
podporující multiprocesorovou komunikaci (EUART), v neposlední ad procesor nabízí
vylepšené ízení rychlosti (X2 mód).
Zmínné vlastnosti pedurují procesor AT89C51RD2 k využití ve výkonných
aplikacích, které vyžadují pulsní šíkovou modulaci, vysokorychlostní vstup/výstup a
schopnosti íta jako jsou rzné alarmy, ízení motor, teky karet a další.
Jak je patrné, architektura procesoru nabízí mnoho zajímavých prvk a funkcí.
V ovládací jednotce simulátoru vibrací využijeme jen nkteré z nich, které si dále popíšeme,
ale není možností tohoto textu je popsat detailn, tudíž pro podrobný popis funkcí procesoru
je nutné nahlédnout do podklad výrobce, které jsou uložené na piloženém CD viz seznam
píloh nebo na internetových stránkách firmy Atmel.
Programovatelné pole íta PCA (Programmable Counter Array)
PCA zajišuje vtší asovací možnosti s menší výpoetní nároností než klasické
ítae/asovae. Další výhody jsou redukce ovládacího programu a vtší pesnost ítae. PCA
obsahuje jednoúelový íta/asova, který zajišuje asovou základnu pro pole pti
komparaních/záchytných modul. Jeho hodinový vstup mže být naprogramován k ítání
jednoho z následujících signál:
60
x
x
x
x
Frekvence sbrnice (FCLK PERIPH) y 6
Frekvence sbrnice (FCLK PERIPH) y 2
Peteení ítae 0
Externí vstup na portu ECI (P1.2)
Každý komparaní/záchytný modul mže být naprogramován v jakémkoliv následujícím
módu:
x
x
x
x
íta s reakcí na vzestupnou nebo sestupnou hranu
softwarový asova
vysokorychlostní výstup
PWM modulátor
Pokud jsou komparaní/záchytné moduly nastaveny jako záchytný mód, softwarový
asova nebo vysokorychlostní výstup, pak mže být generováno perušení jakmile v modulu
dojde k vykonání dané funkce. Všechny moduly a peteení PCA asovae sdílí jeden vektor
perušení.
PCA íta/asova a komparaní/záchytné moduly sdílejí pro své vstupy a výstupy
bránu 1. Zapojení jednotlivých bit ukazuje tabulka 5-1. Jestliže jakýkoliv bit v brán není
využit pro PCA, pak mže tento bit sloužit jako standardní vstup/výstup.
PCA
16-bitový íta
16-bitový modul 0
16-bitový modul 1
16-bitový modul 2
16-bitový modul 3
16-bitový modul 4
Tab. 5-1 PCA a související bity brány 1
Externí I/O pin
P1.2/ECI
P1.3/CEX0
P1.4/CEX1
P1.5/CEX2
P1.6/CEX3
P1.7/CEX4
ISP In-System programing – sériové programování
Tento systém umožuje nahrát nový zdrojový program bez nutnosti vyjmutí procesoru
ze systému, staí pouze pipojený sériový kanál. Popis a složitost celého systému ISP je
podrobn popsána v materiálech výrobce (viz výše), a tak bude uveden jen malý výet z této
funkce a to postup nahrávání zdrojového programu do procesoru.
Pro zahájení práce s pamtí Flash procesoru (mazání, nahrávání programu) je teba:
x program v PC, který dokáže komunikovat s procesorem resp. s programem
Bootloader, který je umístn pevn v procesoru a obsluhuje programování pamti
Flash. Nejlépe je používat program vyvinutý výrobcem – Flip (aktuální verze je 3.1.0)
x pipojení procesoru k PC pes sériový kanál
61
x musí být splnny tzv. hardwarové podmínky, což jsou: PSEN = 0
EA
=1
ALE = 1 nebo nepipojen
x pokud jsou pedchozí body splnny stiskneme tlaítko RESET a procesor se dostane
do režimu programování. Problémy mohou nastat pi špatn nastavené komunikaci
pes sériový kanál v PC.
Pokud máme program nahrán v pamti, nastavíme signál PSEN = 1 a stiskneme
tlaítko RESET, poté procesor vykonává nový zdrojový kód. Nastavování signálu PSEN na
plošném spoji ídící ásti ovládací jednotky se provádí propojkami JP1 a JP2.
Popis zapojení ídící ásti ovládací jednotky - mikropoítae
Obvod mikropoítae je tvoen již zmínným mikroprocesorem AT89C51RD2, který
zastává všechny dležité úkony pro ešení dané úlohy. To jsou ovládání PWM výstupu (P1.3)
pes sériový kanál a vysílání údaje sériovým kanálem o mené period signálu picházející ze
senzoru otáek (P1.5). Dalšími prvky jsou podprné obvody pro funkci mikroprocesoru:
x nulovací obvod (RESET) tvoený spínaem S1
x krystalový oscilátor Q1
x pevodník TTL úrovní sériového kanálu na úrovn V24 (PC) pomocí integrovaného
obvodu MAX232 (U4)
x ovládání signálu PSEN pomocí propojky
x dv ovládací tlaítka pro univerzální použití
Napájení mikropoítae a podprných obvod zajišuje samostatný napový
stabilizátor 7805 (U2).
Na vstupu signálu z optických senzor otáek
x HEDM–5540A12 umístný na motoru – kanály: A 500 CPR
B 500 CPR (posunutý vi A)
I
1 CPR
x HEDM–5500J12 umístný na brzd – kanály: A 1024 CPR
B 1024 CPR (posunutý vi A)
jsou tzv. pull-up rezistory (R1–R5) vyžadované výrobcem senzoru pro zajištní úrovní TTL.
Využity jsou kanály A obou senzor a I kanál u senzoru otáek motoru, kanály B slouží
k urení smru otáení, což zde není poteba, ale i tak jsou na plošném spoji vyvedeny.
Kanály A obou senzor a kanál I jsou také extern vyvedeny na konektory typu BNC
pro pipojení napíklad externího ítae i jiné micí jednotky.
Pro ovlivování pesnosti mení periody puls ze senzoru otáek (kapitola 5.2.1) je
do cesty signálu z kanálu A vložen dli frekvence (74393), a to u senzoru otáek motoru
(U2) i brzdy (U1). Tento dli umožuje snížit poet puls na otáku v pomru 1/2 až 1/255,
62
piemž pímý signál (1/1) je možné zvolit též. Tato nastavení lze navíc provést samostatn
pro signál vstupující do procesoru i pro signál vyvedený na externí výstup (BNC).
Propojení ídící ásti ovládací jednotky s výkonovým spínaem je zajištno pomocí
konektorových kolík JP3, které pijdou zasunout do dutinkové lišty J1 umístné na plošném
spoji výkonového spínae. Ob desky tak vytvoí hierarchickou strukturu o dvou úrovních.
Plošný spoj ídící ásti ovládací jednotky umožuje i urité rozšíení. Na plošném
spoji jsou za tímto úelem vyvedeny všechny dležité vývody procesoru, a to formou pájecích
plošek. Lze tedy napíklad pipojit segmentový LED zobrazova i LCD displej a umístit jej
do další hierarchické úrovn.
63
Obr. 5-7 ídící ást ovládací jednotky
64
Programové vybavení pro obsluhu simulátoru
6. Programové vybavení pro obsluhu simulátoru
6.1. Realizace zdrojového programu pro procesor ady 8051 – AT89C51RD
Pi realizaci programu pro libovolný typ procesoru je poteba nejen znát dobe jeho
architekturu a možnosti instrukního souboru, ale také vlastnosti a možnosti programového
vybavení, na kterém bude program vytváen. Krom tchto znalostí je vhodné dodržovat
urité základní postupy pi tvorb programového vybavení, které mžeme rozdlit do
následujících krok [9]:
x Popsat logicky správn programovanou úlohu a navrhnout vhodné algoritmy pro její
ešení, k tomu nám mže pomoci vývojový diagram úlohy. Je vhodné úlohu rozdlit
do menších funkních celk, které budou pozdji realizovány podprogramy, funkcemi
nebo moduly.
x Vybrat vhodný programovací jazyk k napsání tzv. zdrojového programu. Pro realizaci
efektivních (rychlejších a pamov mén náronjších) program je vhodný jazyk
symbolických adres JSA, což je jazyk blízký vlastnímu strojovému kódu procesoru a
používá se jako nejnižší programovací úrove. asov efektivnjší je programování ve
vyšším programovacím jazyce (nap. jazyk C), které ale vede vtšinou na pamov
rozsáhlejší a o nco pomalejší programy než programy napsané v JSA.
x Peložit zdrojové soubory. Je-li zdrojový soubor v jazyce C je nejprve peložen
pomocí kompileru do jazyka JSA. Zdrojové programy vytvoené kompilerem nebo
pímo v JSA se pekládají pomocí assembleru do tzv. relativního modulu (soubor
s píponou .OBJ). Tyto moduly se pak spojují pomocí linkeru (spojovacího a
pemísovacího programu) do výsledného absolutního programu. U takto vzniklého
programu je možné ovit jeho innost prostednictvím programového simulátoru
nebo obvodového emulátoru.
x Je-li výsledný program odladn, je nahrán do vnitní pamti samotného procesoru
nebo do pamti EPROM, EEPROM a podobných typ. Pro programátory pamtí a
procesor je teba výsledný program transformovat do tzv. INTEL HEX formátu.
V našem konkrétním pípad bylo pi realizaci programu postupováno dle zmínných
obecných pravidel programování jednoipových mikroprocesor. Byla nastudována
architektura použitého procesoru AT89C51RD2 viz kapitola 5.4 i jeho instrukní soubor
(popsaný v materiálech výrobce), který je obdobný jako u ostatních procesor ady 8051.
65
Dále byl vytvoen vývojový diagram programu (obr. 6-1). Podle kterého se postupovalo pi
ešení dílích úkol, které se poté propojily do jednoho celku.
Pro procesor AT89C51RD2 je specifických nkolik funkcí, které ostatní procesory
ady 8051 nenabízejí, v naší aplikaci je nejdležitjší tzv. programovatelné pole íta PCA
(Programmable Counter Array) popis hardwarového ešení je nastínn v kapitole 5.4.
Softwarové ovládání tohoto rozšíení je ešeno následujícími registry:
název
umístní
funkce
nap. nastavení zdroje hodin pro PCA, povolení perušení pi
CMOD
0D9h
peteení hlavního ítae PCA
nap. spuštní hlavního ítae PCA, povolení perušení od
CCON
0D8h
jednotlivých modul PCA
registr pro každý modul (n = 0-4) piazuje funkci modulu:
CCAPMn 0DAh–0DEh
16-bitový íta nábžná/sestupná hrana, 8-bitová PWM atd.
CCAPnH 0FAh–0FEh vyšší byte ítae jednotlivých modul (n = 0-4)
CCAPnL 0EAh–0EEh nižší byte ítae jednotlivých modul (n = 0-4)
CH
0F9h
vyšší byte hlavního ítae PCA
CL
0E9h
nižší byte hlavního ítae PCA
Tab. 6-1 Registry systému PCA
Bližší popis registr je nad rámec této práce, jejich funkce je detailn a názorn
popsána v podkladech výrobce (ATMEL), tento dokument je uložen na piloženém CD viz
seznam píloh, funkci PCA lze také vyíst z popisu zdrojového kódu programu, který je
uveden v píloze C a rovnž umístn na piloženém CD.
Popis funkce realizovaného zdrojového programu
Zdrojový program je založen na hlavním programu bžícím v nekonené smyce, kde
se vysílá údaj o period uložený v promnné PERIOD. Píjem hodnot otáek zadaných z PC
pes sériový kanál je ešeno využitím perušení stejn tak, jako pro zachycení (sestupné)
hrany signálu a tím naplnní promnné PERIOD.
Perušení jsou tedy v programu povolena dv, a to od sériového kanálu, kdy perušení
pijde pokud byl po tomto kanálu pijat/vyslán znak, nebo pokud byla zachycena sestupná
hrana signálu pivedeného na port 1.5.
V prvním pípad obsluha perušení rozhoduje zda šlo o:
x vyslání znaku – proces se vrací bez jakékoliv reakce do smyky hlavního programu
x píjem znaku – íselný údaj pijatý po sériovém kanálu (ASCII kód) je uložen,
následn peveden do šestnáctkové soustavy a vložen do registru CCAP0H. Modul0
systému PCA, nastavený jako 8-bitový PWM výstup na port 1.3 mní stídu práv dle
obsahu registru CCAP0H.
66
Ve druhém pípad dojde k perušení od zachycení sestupné hrany modulem2 systému
PCA na portu 1.5. Následná obsluha perušení uloží údaj ítae modulu2 v dob píchodu této
hrany H1 a provede se výpoet (6.1) a (6.2). Je zejmé, že pi prvním prchodu programu není
naplnna promnná H2 a tím dojde pi výpotu (6.1) k neplatnému výsledku, jelikož se údaj
obnovuje v rychlém sledu není tato skutenost tém postehnutelná. Po provedení zmínných
procedur se proces opt vrací do smyky hlavního programu.
H2 – H1 = PERIOD
(6.1)
H2 = H1
(6.2)
je stav ítae pi aktuálním píjmu hrany
kde H1
stav ítae pi píjmu pedchozí hrany
H2
poet puls ítae mezi jednotlivými hranami
PERIOD
Hlavní program pracuje s hodnotou uloženou v promnné PERIOD, kde je uložen
poet puls ítae mezi jednotlivými hranami. Tento údaj se pevede pomocí funkce
HEX2BCD do desítkové soustavy a vyšle se pes sériový kanál do PC. Hlavní program bží v
uzaveném cyklu s nastaveným zpoždním z dvod dostateného asového intervalu
pro vybavení pípadných perušení a pro zpomalení etnosti vysílání údaje o period
meného signálu do PC. Pozdji mže být hlavní program doplnn o další instrukce a
podprogramy zajišující napíklad ovládání brzdy, zobrazení údaje o otákách motoru na
displeji i o manuální ovládání rychlosti otáení motoru externími tlaítky na panelu.
67
Obr. 6-1 Vývojový diagram programu pro mikroprocesor v ovládací jednotce
68
6.2. Funkce vytvoené pro ovládání simulátoru v prostedí MATLAB
text = {'Zadejte otacky motoru [0-255]:'};
predvolba = {'0'};
%nabidka predvolenych hodnot
titulek_dialogu = 'Motor';
%titulek okna
radek = 1;
%format dialogu
odpoved=inputdlg(text,titulek_dialogu, radek, predvolba);
ot=char(odpoved(1,1))
ser = serial('COM1','BaudRate',9600,'DataBits',8);
fopen(ser);
readasync(ser);
fprintf(ser,[ot 'p']);
fscanf(ser)
fclose(ser);
delete(ser)
clear
Obr. 6-2 Dialogové okno pro zadání otáek motoru
6.3. Funkce pro zpracování vibrodiagnostických signál v prostedí Matlab
Mení pomocí DAQ modulu PMD-1208FS:
ai = analoginput('mcc',0);
set(ai,'InputType','Differential');
addchannel(ai,0:1,{'chan1','chan2'});
interval = 1;
set(ai,'SampleRate',15000);
f_vz = get(ai,'SampleRate');
set(ai,'SamplesPerTrigger',interval*f_vz)
set(ai,'TriggerType','Manual')
delka_bloku = get(ai,'SamplesPerTrigger');
start(ai)
trigger(ai)
vzorky = getdata(ai);
delete(ai); clear ai
69
Dialogové okno pro výbr metody zpracování signálu:
str = {('FFT'),('Hilbertova transformace'),('Kepstrum')};
[s,v] = listdlg('PromptString','Vyber zpracování signálu',...
'SelectionMode','single',...
'ListString',str)
Obr. 6-3 Dialogové okno pro výbr metody zpracování signálu
Algoritmus FFT:
Pro detekci harmonických složek ukrytých v šumu s nulovou stední hodnotou lze
použít DFT k pevodu zašumného signálu do frekvenní oblasti, kde se harmonické složky
projeví jako špiky výkonového spektra. Toto výkonové spektrum signálu Pyy vypoteme
v Matlabu pi použití délky DFT N = 512 pomocí píkaz:
Y = fft(sig,512);
Pyy = Y.* conj(Y) / 512;
Další možností je Matlabem nabízená funkce:
[f,mag] = daqdocfft(vzorky,f_vz,delka_bloku)
kde f
je frekvence
mag
zesílení
vzorky
hodnoty vzorkovaného signálu
f_vz
vzorkovací frekvence
delka_bloku délka dat = f_vz u doba mení
Hilbertova transformace:
použitá funkce pro výpoet:
h=hilbert(x);
abs(h)
70
Kepstrum:
použitá funkce pro výpoet:
rc=real(ifft(log(abs(fft(x))+eps)))
Vykreslení prbh:
plot(x,y)
grid on
ylabel('Nazev osy y')
xlabel('Nazev osy x')
title('Nazev grafu')
71
Uživatelská píruka
7. Uživatelská píruka
7.1. Mechanická ást
Konstrukce simulátoru vibrací umožuje jeho sestavení ve dvou rzných velikostech,
respektive pro dv délky hídelí (300 nebo 500mm), dále umožuje zámnu libovolných
ložisek v soustav za ložiska s vadou a pi zmnách pevodu umožuje potebnou úpravu
roztee hídel.
Celé zaízení je navrženo tak, aby zmny konfigurace a nastavení byly na první pohled
pochopitelné a jednoduchým zpsobem proveditelné, ale i tak je poteba ukázat, jak tyto
úkony provádt, aby nedošlo ke zniení ástí simulátoru a nebo nebyla ohrožena bezpenost
obsluhy. V rámci této kapitoly bude také kompletní soupis náadí potebného pro obsluhu
(tab. 7-1) a údržbu (tab. 7-2), na které se píruka bude odkazovat. Soupis spojovacího
materiálu bude uveden v píloze D.
Simulátor má svj základní tvar, který není nutné v rámci obsluhy mnit a vždy mže
zstat sestaven, tento tvar ukazuje obr. 7-1, tvoí jej základní deska pevn spojená s rámem,
který je opaten pístrojovými nožikami. Na základní desce jsou pišroubována vodítka
usnadující nastavení kolmosti domek a brzdy k osám hídel. Zárove k desce zstává
pipevnn motor a první domeek (D1) nesoucí hnací hídel. Obr.7-1 dále znázoruje všechny
ostatní komponenty simulátoru.
Obr. 7-1 Výchozí seskupení simulátoru vibrací a pehled všech komponent
72
7.1.1. Zmna sestavy simulátoru
Simulátor umožuje, jak již bylo zmínno, rznou konfiguraci délky hídel,
k dispozici jsou dva hídele o délce 500 mm a dva o délce 300 mm. Je možné využít stejn
dlouhé hídele a vytvoit tak soustavu „dlouhou“ (viz obr.3-9) nebo „krátkou“ (viz obr.3-10),
pípadn použít rzné délky hídel a sestavit tak jejich kombinaci. Rovnž je možné upnout
delší hídel do domek instalovaných na kratší rozmr a zkoumat jevy pi letmo uložených
rotaních objektech (nevývažek, orbit, ozubené kolo).
Postup pi zmnách sestavy simulátoru je následující:
1. Urit kterých komponent se zmna týká.
2. Pokud se zmny týkají jen jedné z hídelí, nebude zejm nutné demontovat
druhou hídel.
3. U hnací hídele lze zvolit následující konfiguraci:
Hídel 300 mm – domeky v pozicích D1, D2_300
(lze se všemi kombinacemi u hnané hídele)
(lze se všemi kombinacemi u hnané hídele)
(nelze s brzdou v pozici B_300)
4. U hnané hídele lze zvolit následující konfiguraci:
Hídel 300 mm – domeky v pozicích D3, D4_300, brzda B_300
Hídel 300 mm – domeky v pozicích D4_300, D4_500, brzda B_500 (nelze orbit)
Hídel 500 mm – domeky v pozicích D3, D4_500, brzda B_500
Hídel 500 mm – domeky v pozicích D3 , D4_300, brzda B_500
Hídel 500 mm – domeky v pozicích D4_300, D4_500, brzda B_500
5. Hídelová spojka s motorem i brzdou – povolíme vnitní upínací šrouby M3 za
použití N1.
6. Povytáhneme hídel smrem od spojky, dokud hídel spojku zcela neopustí.
7. Domeky – povolíme šrouby M8 umístné na vrchu domeku, zajišující ložisko
(pomocí N2).
8. Tahem smrem vzhru vyjmeme hídel i s ložisky z domek.
9. Povolíme upevnní domek D3 a D4 k základní desce (dva šrouby M10) za
použití N6 na horní pojistnou matici a N3 na šroub na spodu základní desky. Dále
uvolníme uchycení brzdy, a to tím že povolíme tyi pojistné matice (M8) z vrchu
držáku N5 za souasného pidržování hlavy šroubu pomocí N2 ve spod desky.
10. Domeky a pípadn brzdu pemístíme do nových pozic a zptn dle bodu 9
upevníme k základní desce.
11. Vsuneme hídel s nasunutými ložisky a pípadn dalšími komponenty do
domek, zajistíme horním dílem domeku a dotáhneme šrouby pomocí N2.
12. Vsuneme hídel zpt do spojky a zajistíme hídel proti protáení dotažením
šroubk na spojce.
13. Zkontrolujeme zda se rotaní ásti voln protáejí a vše je ádn dotaženo.
73
7.1.2. Zámna ložisek
1. Spojka – povolíme vnitní upínací šrouby M3 (N1).
2. Pouzdra – povolíme matici na ložiskových pouzdrech (N7) a jemným poklepáním
na povolenou, avšak ješt stále zatoenou matici uvolníme pouzdro.
3. Povytahujeme hídel smrem od spojky, dokud hídel spojku zcela neopustí.
4. Domeky – povolíme šrouby M8 umístné na vrchu domeku, zajišující ložisko
(N2).
5. Tahem smrem vzhru vyjmeme hídel i s ložisky z domek.
6. Sejmeme ložisko, z hídele a zamníme jiným. Zptná montáž se ídí opaným
postupem.
7.1.3. Zámna ozubených kol pi zachování osové vzdálenosti hídelí
Postup pi zmnách týkající se pevodu záleží na umístní ozubených kol na hídelích
a na jejich zamýšlené montáži, pokud je ozubené kolo hnací hídele upevnno letmo, staí
pouze povolit matici pouzdra a kolo stáhnout. Pro ostatní zmny platí následující postup:
1. Spojka – povolíme vnitní upínací šrouby M3 (N1)
2. Pouzdra – povolíme matici na ložiskových pouzdrech (N7) a jemným poklepáním
na povolenou, avšak ješt stále zatoenou matici uvolníme pouzdro.
3. Povytahujeme hídel smrem od spojky, dokud hídel spojku zcela neopustí.
4. Zde se mžeme rozhodnout zda budeme demontovat vršky domek a celou hídel
sejmeme (bod a) nebo pouze vysuneme hídel z ložiskových pouzder (bod b).
Záleží na umístní ozubených kol a pípadn dalších komponent na hídelích.
4.a Domeky – povolíme šrouby M8 umístné na vrchu domeku, zajišující
ložisko (N2). Z hídele vysuneme ložiska a pípadn další komponenty tak,
aby se provedla výmna za jiné ozubené kolo. Montáž provedeme zptným
postupem.
4.b Povolíme i ostatní pouzdra na hídeli (viz bod 2), která nesou ostatní
komponenty a hídel vysuneme. Pi zptné montáži nasuneme hídel do
prvního domeku pak na hídel nasuneme komponenty a ozubené kolo, dle
poteby. Nakonec hídel vsuneme do druhého domeku a do spojky.
7.1.4. Zámna ozubených kol se zmnou osové vzdálenosti hídelí
Pi zámn ozubených kol se zmnou roztee pevodu je postup prací složitjší a
vyžaduje vtší preciznost v provedení. Osová vzdálenost pro pevod za použití kol o 40 a 60
zubech je 50 mm (modrá ryska), vzdálenost pro pevod tvoený koly o 60 a 57 zubech je
58,5 mm (zelená ryska). Postup výmny ozubených kol je následující:
1. Pro ob hídele provedeme body 1. až 4. jako pi výše popsané výmn pevodu
s tím že nebudeme pokraovat v montáži.
2. Povolíme upevnní domek D3 a D4 k základní desce (dva šrouby M10) za
použití N6 na horní pojistnou matici a N3 na šroub na spodu základní desky. Dále
uvolníme uchycení brzdy, pokud bude pipojena, a to tím že povolíme tyi
pojistné matice (M8) z vrchu držáku N5 za souasného pidržování hlavy šroubu
74
3.
4.
5.
6.
pomocí N2 ve spod desky. Tím se domeek a brzda uvolní a je možný jejich
stranový posuv.
Nasuneme potebné komponenty na hídele pi souasném vsunování hídelí do
ložisek. Nebo nasuneme komponenty a pak hídele vložíme do rozmontovaných
domek (viz výmna ložisek body 4. a 5.), poté domeky smontujeme.
Upravíme komponenty na hídelích a hídele do požadovaných pozic a run
dotáhneme matice pouzder.
Nastavíme požadovanou souosost a osovou vzdálenost, na domecích i na brzd je
vytvoena osová ryska, která by se mla shodovat s píslušnou ryskou na desce
(modrá – kola 60z a 40z, zelená – kola 57z a 60z), kolmost k osám zajišují
vodítka, je proto nutné tyto plochy udržovat v istot a pi dotahovaní šroub
kontrolovat zda komponenty jsou k vodítkm ádn pimknuty.
Utáhneme matice pouzder pomocí N7, utáhneme šroubky na spojkách pomocí N1,
zkontrolujeme zda je vše ádn dotaženo a zda se všechny rotující ásti voln
protáí.
7.1.5. Upínání nevývažk i dalších rotaních komponent na hídel
Zde platí stejný postup popsaný v odstavci 7.1.3 o ozubených kolech, pouze je poteba
si pipravit nevývažek našroubováním spojovacího materiálu (dle typu nevyváženosti šroub
s hlavou, stavcí šroub - ervík, možno zvtšit zátž maticí upevnnou na pesahující šroub)
do otvor se závitem M6.
Obecné pokyny pro každou provádnou zmnu na simulátoru:
x
x
x
x
x
Provit stav jednotlivých souástek.
Odkonzervování a oištní ložisek technickým benzinem, je-li to nutné.
Nanesení mazacího prostedku.
Ložiska bez vady musí mít volný dobh.
Jelikož vtšina souástek je ze slitin hliníku, je nutné povolovat a dotahovat
všechny šrouby s potebnou opatrností, aby nedošlo k poškození vnitních závit
tchto souástek.
7.1.6. Soupis potebného náadí
Náadí potebné pro ovládání simulátoru:
N
1
2
3
4
5
6
náadí
použití
Imbus 2mm
spojka RULAND
Imbus 6mm
domeek, motor
Imbus 8mm
domeek
klí plochý 10mm
nevývažek
klí plochý 13mm
motor, rám na orbit
klí plochý 17mm
domeek
speciální klí SKF
pouzdra H204 od firmy SKF
7
možno nahradit plochým klíem 31.35mm
Tab. 7-1 Seznam náadí potebného pro ovládání simulátoru
75
Náadí potebné pro údržbu simulátoru:
náadí
použití
nástrná hlavice, nebo trubkový klí 8mm
motor, rám, nožiky
klí plochý 7mm
vodítka
šroubovák kížový PZ1
vodítka + upevnní ochr. krytu
imbus 4mm
motor, nožiky
imbus 3mm
úchyt idla
imbus 0.97 mm
uchycení idla
Tab. 7-2 Seznam náadí potebného pro údržbu simulátoru
76
7.2. Elektronická ást píruky
Ovládání jednotky vyplývá z blokového schématu (obr. 5-7) a také z popisek na
elním (obr. 7-2) a zadním panelu jednotky (obr.7-3).
7.2.1. Pipojení ovládací jednotky
1. Ujistíme se, že hlavní vypína je v pozici 0, tedy že jednotka je odpojena od
naptí.
2. Pipojíme senzory otáek od motoru (ot. M) a od brzdy (ot. B), k pipojení slouží
plochý kabel – pozor na znaky, je poteba dodržet barvu vodie u puntíku na
senzoru a stejný vodi mít na stran puntíku na jednotce.
3. Pipojíme motor (M) a brzdu (B). Pozor na polaritu!
4. Propojíme PC a jednotku datovým kabelem pes rozhraní RS 232 nebo kabelem
USB – RS 232.
5. Pipojíme stejnosmrné napájení 24V, 5A. Pozor na polaritu a na hodnotu
naptí nastavenou na zdroji naptí!
6. Pokud bude poteba mit otáky externím ítaem, pipojíme jej pes BNC
konektor na pedním panelu jednotky, u motoru jsou otáky snímány kanálem A,
který vysílá více puls za otáku (dle nastavení uvnit jednotky) a kanál I což je
index vyslaný jednou za otáku. Brzda nabízí pouze kanál A.
7. Nyní je jednotka pipojena a pipravena k použití
Obr. 7-2 elní panel jednotky
77
Obr. 7-3 Zadní panel jednotky
7.2.2. Ovládání jednotky
Na jednotce jsou umístny tyto ovládací prvky:
x
Hlavní vypína – jedná se o kolébkový pepína se temi polohami:
I Zapnuta elektronická ást, eká se na instrukce z PC
0 Vypnuto
II Propojeno napájení s výstupem na motor, elektronika
vypnuta. V této poloze lze ovládat motor regulovatelným
zdrojem.
x
Tlaítko RESET – pro pípady, že by jednotka pestala odpovídat na podnty
z PC, je vyvedeno tlaítko reset, bh programu se tak vrátí do
výchozí polohy
78
Výsledky z ovování funkce simulátoru
8. Výsledky z ovování funkce simulátoru
Ovení funkce simulátoru bylo provedeno mením vibrací za pomoci tveice
akcelerometr od firmy Brüel & Kjær (typ 4507 B004) umístných na prvním (1) a
druhém (2) ložiskovém domeku viz obr. 8-1. K mení signál byl použit profesionální
micí systém Pulse typ 7537 rovnž od firmy Brüel & Kjær.
Obr. 8-1 Umístní akcelerometr pi mení vibrací
Krom tohoto systému bylo využito DAQ modulu PMD 1208FS. Tento modul snímal
signál ze snímae otáek a z jednoho akcelerometru (rovnž typ 4507 B004) pipojeném k
modulu pes zesilova Nexus (Brüel & Kjær).
Pro zpracování signálu byla zvolena spektrální a kepstrální analýza. Tyto metody jsou
již implementovány v ovládacím softwaru systému Pulse.
Byly vyhodnoceny následující výsledky mení:
Objekt bez vady
Ve spektru (obr. 8-2) se nevyskytují zvýšené hodnoty u otákové frekvence (pro
1000 ot/min iní 16,66 Hz) ani u jejích násobk, relativn vysoká složka je až pi frekvenci
720 Hz, což mže být zapíinno rezonancemi v systému, i vlivem motoru.
79
[m/s²]
Autospectrum(Akcelerometr1) - Input
Working : Input : Input : FFT Analyzer
400m
360m
320m
280m
240m
200m
160m
120m
80m
40m
0
0
200
400
600
800
[Hz]
1k
1,2k
1,4k
1,6k
Obr. 8-2 FFT spektrum – objekt bez vady – otáky 1000 ot/min
Kepstrum meného signálu (obr. 8-3) také nevypovídá o žádné závad.
[dB]
Cepstrum(Akcelerometr1) - Input (Magnitude)
Working : Input : Input : FFT Analyzer
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
20m
40m
60m
80m
100m
120m 140m
[s]
160m
180m
200m
220m
240m
Obr. 8-3 Kepstrum – objekt bez vady – otáky 1000 ot/min
Vadné ložisko
V soustav bylo zamnno „zdravé“ ložisko za ložisko s umlou vadou, tato vada byla
vytvoena laserem, kdy do dráhy jedné ady kuliek je vypálen otvor o prmru 0,1 mm. Ve
spektru (obr. 8-4) se poté objevily spektrální áry na kmitotu kolem 250 a 300 Hz (rychlost
otáení 3000 ot/min) Pokud spoteme kinematické impulsní frekvence použitého ložiska dle
uvedených vzorc 4.5 až 4.8 dostaneme, že frekvence defektu na vnjší dráze ložiska iní
254,8 Hz a frekvence defektu kuliky vychází na 293 Hz. Lze tedy íci, že spektrální áry
kolem 250 a 300 Hz pravdpodobn souvisí s vadou ložiska.
80
Obr. 8-4 FFT spektrum – vadné ložisko – otáky 3000 ot/min
Ozubený pevod
Do systému byl zaazen pevod tvoený ozubenými koly o 40 a 60 zubech, kde kolo
s menším potem zub bylo umístno na hnací hídel, která byla posléze roztoena na
rychlost 1000 otáek za minutu. Ve spektru (obr. 8-5) se toto projevilo spektrální arou na
frekvenci pibližn 660 Hz, pokud spoteme zubovou frekvenci dle vztahu 4.3 dostaneme
údaj 667 Hz. Lze tedy íci že tato spektrální ára pímo souvisí se zaazením pevodu do
systému.
Obr. 8-5 FFT spektrum – ozubený pevod – 1000 ot/min
81
Nevýváženost
Umístním nevývažku dle obrázku 3-8 letmo na hnací hídel výrazn vzrostla
spektrální ára odpovídající otákové frekvenci, ili první harmonické (16,6 Hz). Dle teorie
uvedené v kapitole 4.3.1.1 se práv tímto zpsobem nevyváženost projevuje. Zmny lze
vypozorovat i pi analýze kepstra (obr. 8-7), kde se výrazn objevila rahmonická pi kvefrenci
60 ms. Rychlost otáení hídele byla 1000 ot/min.
Obr. 8-6 FFT spektrum – nevývažek – 1000 ot/min
Obr. 8-7 Kepstrum – nevývažek – 1000 ot/min
82
Závr
9. Závr
Pedmtem práce byl vlastní vývoj technického systému, jenž by umožnil
demonstrovat vady vznikající na strojních ástech pi provozu skutených zaízení. Pi tomto
vývoji byla nastudována problematika základ konstrukce stroj odborn nazývaná ásti a
mechanismy stroj. Z tchto poznatk byla následn navržena konstrukce zaízení,
v diplomové práci nazývaného simulátor vibrací, a byla zpracována kompletní technická
dokumentace pro následnou výrobu ástí simulátoru. Nkteré univerzální komponenty, které
jsou prmyslov vyrábny ve velkých sériích, byly vhodn vybrány a zakoupeny, nebo takto
poízené ásti jsou ve výsledku levnjší než jejich samostatná výroba. Složitjší ásti zaízení
vyrobila specializovaná firma. Ostatní ásti byly vyrobeny svépomocí i v díln katedry
mení.
Ovládání
simulátoru
bylo
vyešeno
samostatnou
elektronickou
jednotkou
komunikující s osobním poítaem pes sériové rozhraní. Pro splnní úkolu ovládat otáky
hnacího motorku, byly prohloubeny znalosti z oboru výkonové elektroniky, speciáln
zapojení tranzistor MOSFET ve spínacích obvodech, dále byly nastudovány podklady
výrobc použitých souástek a využity znalosti z metodiky návrhu plošných spoj. Pi úkolu
mit otáky hnacího motorku byly využity znalosti z mikroprocesorové techniky. Výsledkem
byla realizace ovládací jednotky, která dle pokyn z PC pes sériové rozhraní, nastavuje
otáky hnacího motorku a následn je dokáže s pijatelnou pesností zmit. Hardware
jednotky umožuje i ovládání brzdy.
Byl napsán zdrojový program pro mikroprocesor elektronické jednotky a skripty pro
prostedí Matlab, které komunikují s jednotkou prostednictvím dialogových box. Dále byly
využity funkce implementované v prostedí Matlab pro zpracování signál pomocí metod
FFT spektra, kepstra a Hilbertovy transformace.
Pro analýzu vibrodiagnostických signál byla nastudována a zpracována ást
pojednávající o teoretických základech monitorování stavu stroj pomocí vyhodnocování
vibrací.
Funkce zaízení – demonstrovat mechanické závady – byla ovena profesionálním
diagnostickým systémem Pulse od firmy Brüel & Kjær. Analýza namených signál
potvrdila vhodnost postaveného zaízení k úelm simulací defekt na rzných mechanických
ástech stroj.
83
10. Literatura
[1]
HOSNEDL, S. – KRÁTKÝ, J. Píruka strojního inženýra: obecné strojní ásti 1.
1. vyd. Brno: Computer Press, 1999. ISBN 80-7226-055-3.
[2]
HOSNEDL, S. – KRÁTKÝ, J. Píruka strojního inženýra: obecné strojní ásti 2.
1. vyd. Brno: Computer Press, 2000. ISBN 80-7226-202-5.
[3]
KREIDL, M. – ŠMÍD, R. Technická diagnostika: senzory – metody – analýza signálu.
1.vyd. Praha: BEN – technická literatura, 2006. ISBN 80-7300-158-6.
[4]
Measurement Computing Corporation. Measurement Computing Corp.: Product:
'PMD-1208FS' [on-line]. c2006, [cit. 2006-12-10].
<http://www.measurementcomputing.com>.
[5]
Prvodce vibraní diagnostikou I. Praha: SKF Ložiska a.s., 1994.
[6]
ASA, J. – ŠVERCL, J. Strojnické tabulky 1 pro školu i praxi. 1.vyd. Praha:
Nakladatelství SCIENTIA, spol. s r.o., 2004. ISBN 80-7183-312-6.
[7]
Sales Technology, Inc. Vibration Monitoring and Machine Protection Products
[on-line]. c2004, [cit. 2006-12-16]. <http://www.stiweb.com/>.
[8]
SEDLÁEK, M. – ŠMÍD, R. Matlab v mení. Vydavatelství VUT, 2004
[9]
SKALICKÝ, P. Procesory ady 8051. 2. vyd. Praha: BEN – technická literatura, 2003.
ISBN 80-86056-39-2.
[10] SpectraQuest, Inc. Vibration Training, Vibration Diagnosis and Analysis [on-line].
c2006, [cit. 2006-12-20]. <http://www.spectraquest.com>.
[11] STENGL, J. P. – TIHANYI, J. Výkonové tranzistory MOSFET. 1. vyd. Praha:
BEN – technická literatura, 2000. ISBN 80-86056-54-6
[12] TMA, J. Zpracování signál získaných z mechanických systém užitím FFT. Praha:
Sdlovací technika, 1997. ISBN 80-901936-1-7.
[13] V-TEK Associates. Machine Trainers [on-line]. c2002, poslední revize 2.10.2006
[cit. 2006-12-19]. <http://www.vtekassociates.com/prod03.htm>.
[14] ZKL, a.s. ZKL GROUP - Manuál konstruktéra [on-line]. c2007, [cit. 2006-12-15].
<http://www.zkl.cz/czech/manual.aspx>.
Píloha A
Technické výkresy souástí simulátoru
KOLO 1
Z=40
40
42
KOLO 2
62
60
A
KOLO3
FINISH
MATERIAL
--
OCEL
KR45-15, R65-15, KR60-15
STOCK SIZE
COMMENTS:
DIMENSIONS ARE IN MILIMETERS DRAWN
TOLERANCES: ČSN-ISO 2768m
ONDŘEJ
KREIBICH
1:1
57
A
SHEET 1 OF 1
REV.
ČVUT-FEL
OZUBENÁ KOLA
1.0
27G-11
9.1.2007
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
5
0
5
,
9
20 H11
4,76°
Z=57
PART NAME
DATE
MODUL OZUBENÍ: M=1
ŘEZ A-A
JEDNOTNÝ NÁBOJ
Z=60
10
A
A
70
46
28
20
1
FINISH
MATERIAL
STOCK SIZE
--
DURAL
KR75-20
COMMENTS:
58
(
6
M
)
X
2
ŘEZ A-A
5
ONDŘEJ
KREIBICH
1:1
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
ČVUT-FEL
5
27G-12
SHEET 1 OF 1
1.0
REV.
KOLO-NEVÝVAŽEK
9.1.2007
PART NAME
DATE
15
9,52°
A
ŘEZ A-A
22
FINISH
MATERIAL
STOCK SIZE
--
DURAL
KR25-70
COMMENTS:
4,76°
A
ONDŘEJ
KREIBICH
5
1:1
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
SHEET 1 OF 1
1.0
REV.
ČVUT-FEL
KOLO-ORBIT
27G-13
9.1.2007
PART NAME
DATE
20
60
6
500
512
VERSE 500
17 h11
17 h11
6
FINISH
MATERIAL
STOCK SIZE
--
OCEL
KR20-520
COMMENTS:
300
312
ONDŘEJ
KREIBICH
VERSE 300
1:1
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
SHEET 1 OF 1
1.0
REV.
ČVUT-FEL
HŘÍDEL
27G-21
9.1.2007
PART NAME
DATE
44 ±0,1
27
22
16
+0,1
0
45°
76
114
62
47
43
96
0,8
17
M8
14
8
43
H7
10,5
20
84
STOCK SIZE
MATERIAL
FINISH
PL 120X90-30
DURAL
--
COMMENTS:
ONDŘEJ
KREIBICH
DATE
9.1.2007
PART NAME
SIZE
A
DWG. NO.
SCALE
1:1
ČVUT-FEL
DOMEČEK
27G-31
SHEET 1 OF 1
REV.
1.0
34
R37
ŘEZ A-A
Al P10x80x80
8
10
80
60
Al P2X30X30
45
3,2
88
4
3,2
30
A
A
30
2
84
4
+0,1
0
(54,45)
FINISH
MATERIAL
KOMAXIT
DURAL
SVAŘENEC
COMMENTS:
STOCK SIZE
(54,45)
ONDŘEJ
KREIBICH
delší kvůli upnutí
33
±0
77
Al P10x80x80
9
8
,1
A
1:1
DWG. NO.
SCALE
SIZE
SHEET 1 OF 1
REV.
ČVUT-FEL
33
DRŽÁK MOTORU
1.0
27G-33
9.1.2007
PART NAME
DATE
2
2
4,5
84
44 ±0,10
3,2
463
105
97
60
320
234
129
X)
435
129
175
79
455
231,25 234
169,50
131,25
84,50
(2
370
5
216,25
231,25
131,25
146,25
505
150
7(
12
X)
1000
175
234
129
79
118,75
4,5 (2X)
FINISH
MATERIAL
--
TEXTIT
COMMENTS:
1:5
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
10
127
SHEET 1 OF 1
1.0
REV.
ČVUT-FEL
8,50
DESKA
27G-41
9.1.2007
PART NAME
DATE
)
1000X463-10
(2X
805
ONDŘEJ
KREIBICH
243,75
216
216,25
895
(8X
STOCK SIZE
705
147 146,25
685
SVRTAT S RÁMEM
175
9
260
158,5
66
R4,5 (4X)
485
2X)
4,
4,5 (
79
350
R5,5
(8X)
4,5 (4X)
9
X)
(4
)
0
)
605
(2X
635
85
30
(8X
650
655
R5 5
,
(4X)
4,5 (
4X)
147
69
695
10
)
(6X
50
11
R4
,5
850
4,5
4,5
5
R4,
)
0
45
430
B
950
175
252
FINISH
MATERIAL
STOCK SIZE
--
DURAL
PROFIL 30X20
COMMENTS:
200
A
A
ONDŘEJ
KREIBICH
453
ŘEZ B-B
6x
1:5
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
SHEET 1 OF 1
1.0
REV.
ČVUT-FEL
RÁM
27G-42
9.1.2007
PART NAME
DATE
20
ŘEZ A-A
12x
8
B
15
30
20
8
15
30
4,5
70
100
FINISH
MATERIAL
STOCK SIZE
--
DURAL
PL 110X25X10
COMMENTS:
20
ONDŘEJ
KREIBICH
8
1:1
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
ČVUT-FEL
27G-44
SHEET 1 OF 1
1.0
REV.
VEDENÍ MOTORU
9.1.2007
PART NAME
DATE
d
c
b
a
4,5
21
10
30
60
115
85
130
100
20
FINISH
MATERIAL
STOCK SIZE
--
DURAL
PL 25X330X2
COMMENTS:
20
20
20
ONDŘEJ
KREIBICH
1:1
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
SHEET 1 OF 1
1.0
REV.
ČVUT-FEL
VEDENÍ
27G-45
9.1.2007
PART NAME
DATE
24
38,25
4
59,50
100
100
FINISH
MATERIAL
KOMAXIT
OCEL
PROFIL 100X100-4
COMMENTS:
ONDŘEJ
KREIBICH
1:1
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
SHEET 1 OF 1
1.0
REV.
ČVUT-FEL
RÁM-ORBIT
27G-51
9.1.2007
PART NAME
DATE
1
STOCK SIZE
44,25
8,50
1
0
5
,
0
0
5
,
0
1000
891
500
500
FINISH
MATERIAL
STOCK SIZE
--
--
--
COMMENTS:
ONDŘEJ
KREIBICH
1:5
DWG. NO.
SCALE
A
SIZE
SHEET 1 OF 1
REV.
ČVUT-FEL
ZKUŠEBNÍ STAV
27G-00-500 1.0
9.1.2007
100
PART NAME
DATE
463
150
169
Píloha B
Kódy vytvoených program
X:\programy\8051\citac_PWM.a51
$INCLUDE (reg_c51.inc)
; soubor s registry pro AT89C51RD2
Dseg at 30h
cnt0:
cnt1:
preteceni1:
preteceni0:
PERIOD:
OLDL:
OLDH:
OLDpreteceni1:
OLDpreteceni0:
DS
DS
DS
DS
DS
DS
DS
DS
DS
1
1
1
1
4
1
1
1
1
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
otacky_PWM:
nacteny_znak:
rad1:
rad2:
vysledny_hex:
mezivypocet_rad1:
mezivypocet_rad2:
DS
DS
DS
DS
DS
DS
DS
4
4
4
4
4
4
4
CSEG
LJMP
ORG
MOV
LJMP
ORG
MOV
CLR
JMP
at 0000h
inicializace
23h
IEN0, #40h
int_uart
033h
IEN0, #40h
CCON.2
mperiod
inicializace:
MOV SCON, #50h;
ORL TMOD, #20h;
MOV TH1, #0FDh;
MOV TL1, #0FDh;
SETB ES;
SETB EA;
SETB TR1;
pocatecni adresa, od ktere jsou ulozena data
vyuzivano matematickou knihovnou
vyuzivano matematickou knihovnou
druhy rad preteceni 16bit citace PCA
prvni (nejvyssi) rad preteceni 16bit citace PCA
vysledna perioda v pulsech citace
hodnota citace pri predchozi reakci na hranu 0bit
; prijata hodnota z PC 0-255
; vysledek ovladajici PCA modul0 pro PWM
; pocatecni adresa, od ktere je program ulozen
; obsluha preruseni od serioveho kanalu
; zakazat preruseni aby se PWM spravne nastavila
; obsluha preruseni od PCA
; zakazat preruseni aby se perioda spravne spocitala
/*
/*
/*
/*
/*
/*
/*
uart mode 1 (8 bit), REN=1 */
Timer 1 mode 2 */
9600 Bds na 11.059MHz */
9600 Bds na 11.059MHz */
povol serial preruseni */
povol global preruseni */
Timer 1 run */
MOV
MOV
IEN0, #0D0h
SP,#70H
; nastaveni bitu EC, ES a EA v registru preruseni (PCA + UART)
; nastaveni zasobniku mimo oblast bank R0-R7
MOV
MOV
CMOD,#01h
CCON,#40h
; povoleni CF bitu v CCON --> preruseni od PCA
; nastaveni bitu CR --> povoleni PCA
;--------nastaveni PCA modulu 0------------------MOV CCAPM0, #42h
;nastaveni PCA modulu 0 - jako 8bit PWM
MOV CCAP0L, #00h
;vynulovani citace modulu 0
;--------nastaveni PCA modulu 2------------------MOV CCAPM2, #11h;
MOV
MOV
MOV
MOV
CH,#00h;
CL,#00h;
preteceni0,#00h
preteceni1,#00h
;
;
;
;
MOV
MOV
CCAP2H, #00h;
CCAP2L, #00h;
; vynulovani citace modulu 2
report:
MOV DPTR, #text01
CALL sendrss
vynulovani citace PCA
--//-vynulovani prvniho radu preteceni citace PCA
vynulovani druheho radu preteceni citace PCA
;vypise uvodni zpravu obsazenou v text01
;--------hlavni program--------------------------sem:
CALL wait ;wait2
; cekani
;--------vypis 4byte HEX-->BCD pres UART---------MOV IEN0, #40h
; zakazat preruseni aby se provedl prevod
MOV R1,#37h
MOV R4,#0h
; pro format zobrazeni bez tecky --> xxxxx
CALL HEX2BCD
MOV A,#51h ;#0Ah
; oddelovaci znak - dalsi radka
CALL sendrs
MOV A,#0Ah
; oddelovaci znak - dalsi radka
CALL sendrs
MOV IEN0, #0D0h
; povolit zpatky preruseni
;
CLR P1.5
; test
;
SETB P1.5
LJMP sem
;--------konec hlavniho programu-----------------;--------ulozeni stavu citace pri prichodu hrany-mperiod:
JNB CCON.7, nepreteklo
INC preteceni1
CLR CCON.7
MOV A, preteceni1
CJNE A,#0FFh,nepreteklo_o_d_rad
INC preteceni0
nepreteklo_o_d_rad:
MOV IEN0, #0D0h
RETI
nepreteklo:
PUSH ACC
PUSH PSW
MOV A, CCAP2L;
CLR C
SUBB A,OLDL
MOV PERIOD,A
; vynuluje C aby nebyl nastaven z minulych operaci
MOV A,CCAP2H
SUBB A,OLDH
MOV PERIOD+1,A
MOV A,preteceni1
SUBB A,OLDpreteceni1
MOV PERIOD+2,A
MOV A,preteceni0
SUBB A,OLDpreteceni0
MOV PERIOD+3,A
MOV
MOV
MOV
MOV
OLDL,CCAP2L
OLDH,CCAP2H
OLDpreteceni1,preteceni1
OLDpreteceni0,preteceni0
POP
POP
PSW
ACC
MOV
IEN0, #0D0h
RETI
;--------nacteni cisla ze ser. linky a prevedeni do HEX -->PCA-->PWM-------------cteni:
MOV R0,#otacky_PWM ;ukazatel na pozici v pameti kde bude ulozen udaj o otackach
dalsiznak:
CALL ctiznak
CALL sendrs
CJNE A,#070h,ne_enter ;cti dalsi znak dokud neprijde (ENTER) ukoncovaci znak p
JMP ano_enter
;pokracuj pokud prisel (ENTER) ukoncovaci znak p
ne_enter:
CLR C
SUBB A,#'0'
MOV @R0,A
INC R0
JMP dalsiznak
ano_enter:
MOV A,R0
MOV R3,A
; schovat posledni pozici textu
MOV R0,#rad1
; rad 1 10 100 1000
CALL clrr0
MOV rad1,#1
MOV R0,#nacteny_znak ; znak z predesleho cteni, prvni se bere posledni znak
CALL clrr0
MOV R0,#vysledny_hex ; vysledny_hex = znak3 + 10*znak2 + 100*znak1 + 1000*znak0
CALL clrr0
konverze_dalsicifra:
CJNE R3,#otacky_PWM,konverze_pricti_dalsi_misto
JMP konverze_konec
konverze_pricti_dalsi_misto:
DEC R3
;posun ukazatel o pozici zpet
MOV A,R3
MOV R0,A
MOV nacteny_znak,@R0 ;nacti znak z pozice kam ukazuje ukazatel
MOV R1,#rad1
MOV R2,#nacteny_znak
MOV R0,#mezivypocet_rad1
CALL mul4
;rad1*nacteny_znak = mezivypocet_rad1
MOV R0,#vysledny_hex
CALL add4
;vysledny_hex = vysledny_hex + mezivypocet_rad1
MOV
MOV
MOV
MOV
CALL
rad2,#10
R1,#rad1
R2,#rad2
R0,#mezivypocet_rad2
mul4
;rad1 * rad2 = mezivypocet_radu2
MOV R0,#rad1
CALL xfer010
;do rad1 dej mezivypocet_radu2
JMP konverze_dalsicifra
konverze_konec:
MOV
JMP
CCAP0H,vysledny_hex
konec_cteni
; -------nacteni znaku---------------------------ctiznak:
JNB RI,ctiznak
MOV A,SBUF
CLR RI
CJNE a,#11h,zn1ok
;nereaguj pokud prijdou nechtene znaky v seriove komunikaci
JMP ctiznak
zn1ok:
CJNE A,#13h,zn2ok ;nereaguj pokud prijdou nechtene znaky v seriove komunikaci
JMP ctiznak
zn2ok:
RET
;---------obsluha preruseni od serioveho kanalu--int_uart:
RI, int_RI
JB
RETI
int_RI:
CALL cteni
konec_cteni:
CLR RI
MOV IEN0, #0D0h
RETI
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
Podprogram prevadi 4B-HEX cislo ulozene v datove pameti na adrese
na kterou ukazuje pointer R1 na 10B-BCD, ktere zobrazuje na monitoru
pres seriovou linku. 4B-HEX cislo je po prevodu a vypsani vynulovano.
Pointer R1 musi ukazovat na nejvyssi byte cisla !!!!!!!
4B-HEX
XX XX XX XX
Pr. 01 00 00 00 = 1
^
^
Pr. FF 00 00 00 = 255
nejnizsi
nejvyssi
Pr. FF FF 00 00 = 65535
*******************************************************************
4B-HEX cislo na adrese 30-33h
MOV
MOV
CALL
R1,#33
R4,#03h
HEX2BCD
; pro format xx.xxx
; prevede a vytiskne cislo
*******************************************************************
Vstupy: R1, R4
R1 = ukazatel na nejvyssi bajt 4B-HEX cisla
R4 = pozice des. tecky (0=neni, 1=xxxx.x, 2=xxx.xx, 3=xx.xxx, atd.)
nemodifikuje zadny jiny registr
*******************************************************************
HEX2BCD:
PUSH
PUSH
PUSH
PUSH
PUSH
MOV
CJNE
MOV
JMP
HEX1:
MOV
CLR
SUBB
MOV
HEX2:
MOV
CALL
PUSH
DJNZ
MOV
HEX3:
POP
DJNZ
JMP
HEX4:
CJNE
DJNZ
INC
JMP
HEX5:
POP
DEC
HEX6:
ADD
CALL
CJNE
MOV
CALL
HEX7:
DJNZ
POP
ACC
B
0
2
3
R3,#10
R4,#0,HEX1
R4,#0FFH
HEX2
A,#10
C
A,R4
R4,A
R0,1
DN
B
R3,HEX2
R3,#10
ACC
R4,HEX4
HEX6
A,#0,HEX6
R3,HEX3
R3
HEX6
ACC
R4
A,#30H
SENDRS
R4,#0,HEX7
A,#'.'
SENDRS
R3,HEX5
3
; zacatek HEX2BCD
POP
POP
POP
POP
RET
DN: MOV
MOV
DN1:MOV
ANL
ADD
SWAP
MOV
DIV
SWAP
XCH
ANL
SWAP
ADD
SWAP
MOV
DIV
ADD
MOV
DEC
DJNZ
RET
2
0
B
ACC
R2,#4
B,#0
A,@R0
A,#0F0H
A,B
A
B,#10
AB
A
A,@R0
A,#0FH
A
A,B
A
B,#10
AB
A,@R0
@R0,A
R0
R2,DN1
; *******************************************************************
; Pomocny podprogram - vyslani obsahu registru A po seriove lince
; *******************************************************************
SENDRS:
;JB
MOV
JNB
CLR
RET
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
TI,$
SBUF,A
TI,$
TI
; zacatek SENDRS
*******************************************************************
Pomocny podprogram - vyslani retezce ukonceneho znakem 0 (00h)
po seriove lince
*******************************************************************
Pouziti:
MOV DPTR,#TEXT1
CALL SENDRSS
...
TEXT1:
DB 'Toto je muj text',0
*******************************************************************
SENDRSS:
CLR
MOVC
JZ
CALL
SJMP
EXIT:
RET
SRS1:
MOV
JNB
CLR
INC
RET
A
A,@A+DPTR
EXIT
SRS1
SENDRSS
; posilej znaky az do chvile nez prijdes na '0'
SBUF,A
TI,$
TI
DPTR
;------cekaci smycka-----------wait2:
MOV R0, #01H
rep1:
MOV R1, #0FH
rep2:
CALL wait
DJNZ R1, rep2
DJNZ R0,rep1
RET
wait:
MOV B, #0FFH
znovu1:
MOV A, #0FFH
znovu2:
DJNZ ACC, znovu2
DJNZ B, znovu1
RET
;------------------------------text01: DB 0ah, 0dh, 'kuk nacpi sem cislo', 0ah, 0dh, 0
$INCLUDE
END
(aritm4b.a51)
; pouziti matematicke knihovny
; konec celeho programu
Píloha C
Seznam spojovacího materiálu
Domeek
ks
8
8
16
8
8
typ
šroub M10 u 45 hlava vnitní šestihran (imbus)
matice samojistná M10
podložka 10.1mm
imbus M8 u 50
podložka 8.1mm
Motor
ks
8
8
16
8
8
16
typ
podložka 8.1mm
podložka 5.1mm
ks
4
6
6
Senzor otáek
typ
šroub M1,6 u 10 zápustná hlava – prbžná drážka
matice M1,6
ks
12
12
12
12
10
4
16
6
6
Základní deska
typ
šroub M6 u 20 vratový (spojení s rámem)
matice M6
podložka 6.1 mm
vrut 3 u 15 kížová drážka (ochranný kryt)
šroub M4 u 16 zápustná hlava – kížová drážka (vodítka)
šroub M4 u 25 zápustná hlava – kížová drážka (vodítka)
matice M4
šroub M5 u 20 hlava vnitní šestihran (imbus) (nožiky)
ks
2
4
2
typ
šroub M8 u 20 hlava šestihran
podložka 8,1 mm
Orbit
Rotaní komponenty a ložiska
ks
7
typ
pouzdro H204 SKF

Simulátor vibrací pro experimenty ve vibrodiagnostice

Transkript

Podobné dokumenty

Ensat - Protech SpT sro

TECHNICKÁ DOKUMENTACE

ČERPADLO ZUBOVÉ DVOJITÉ

ČERPADLO ZUBOVÉ

Zařízení laboratoře rotační laserové vibrometrie předáno

CHARON I