2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шум работы подшипников двигателя

Уменьшение аккустического шума преобразователя частот

В настоящее время преобразователи частоты устанавливаются в коммерческих зданиях для обеспечения управления системами и экономии расходов для система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха HVAC (Heating, Ventilating and Ai Conditioning). В зданиях, таких как больницы, школы и общежития, офисных и других зданиях, акустический шум, генерируемый электрическим оборудованием, может оказаться проблемой. Регулируемый преобразователь частоты может издавать акустический шум и создавать шум в двигателях.

Понимание причин акустического шума является первым требованием для решения проблемы его влияния. Ниже рассматриваются факторы, которые могут создавать акустический шум в преобразователе частоты и в подключенном к нему оборудовании. Также рассматриваются жесткость условий в различных установках, а также решения по ограничению или устранению проблем акустического шума.

Причины акустического шума

Наиболее очевидной разницей между подключением двигателя к линии переменного тока или к выходу преобразователя частоты является то, что преобразователь изменяет частоту питания, подаваемого на двигатель. Форма кривой изменения частоты, подаваемой на двигатель, является основной причиной шума двигателя. График напряжения более сложный, чем простая синусоида.

В преобразователях частоты с инвертором широтно-импульсной модуляции ШИМ, как в большинстве современных преобразователей, инвертор управляет подаваемым на двигатель напряжением, посылая на двигатель серии импульсов высокого напряжения (см. Рис. 1). Акустический шум производится искажением частоты. Импульсы могут вызывать резонанс в статоре двигателя или в ребрах охлаждения. Типовая частота этих импульсов, называемая несущей частотой, находится в слышимом звуковом диапазоне. Этот механический резонанс заставляет двигатель выступать в роли усилителя. Вибрация может создавать раздражающий высокий звук.

Для генерирования переменной частоты большинство преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией ШИМ имеют частоту переключений от 2 до 6 кГц. Она находится в диапазоне, в котором человеческое ухо наиболее чувствительно, и где обычно обнаруживаются даже низкие уровни шума. Поскольку данный шум имеет высокую частоту, большинство людей считает его очень раздражающим. Высокочастотные шумы трудно маскировать и их слышно на некотором расстоянии от источника.

Другим источником шума является питание на входе в преобразователь частоты. В общем случае, нельзя услышать звук, когда ток течет по проводам питания. Это связано с тем, что слишком малое количество материала может вибрировать, а усилия не слишком велики. С другой стороны, трансформаторы могут создавать заметный жужжащий звук, так как их обмотки концентрируют магнитные поля, создаваемые током.

Рисунок 1. Форма кривой напряжения с широтно-импульсным модулированием ШИМ

Добавление контура фильтрации на входе регулируемого преобразователя частоты для уменьшения электрического шума в линии питания переменного тока может увеличить акустический шум. Это связано с тем, что основным устройством в таком фильтре является большая катушка. Концентрация магнитного поля, как в трансформаторе, может вызвать достаточную вибрацию в своих обмотках, чтобы создать заметный шум. Преобразователь частоты сам по себе является еще одним возможным источником акустического шума. Меняющиеся токи через преобразователь приводят к возникновению изменяющихся магнитных полей. Эти магнитные поля могут заставить резонировать металлические предметы, что приводит к возникновению акустического шума.

Акустический шум от линии питания переменного тока, фильтров на линиях входа или преобразователя частоты едва ли представляет собой проблему. Это оборудование обычно располагается в изолированном служебном помещении. Если шум нежелателен, существует ряд возможных методов борьбы с ним. С большой вероятностью стена или шкаф, на которых монтируется фильтр или преобразователь, усиливают шум. Звук можно существенно снизить за счет использования виброизоляторов между блоком и стеной или за счет монтажа блока на опоре на полу. Для особых случаев можно связаться с изготовителем преобразователя или фильтра на предмет наличия более бесшумного фильтра или других решений данной проблемы.

Однако акустический шум, создаваемый в двигателе, может быть намного более существенным и его следует рассмотреть более детально. Оптимальным решением было бы исключить частотный импульсный шум в выходном напряжении преобразователя частоты, но это невозможно без добавления пассивных компонентов на выходе преобразователя частоты.

Второй способ контроля акустического шума – сдвинуть частоту переключений из чувствительного диапазона либо вверх, либо вниз. Допускаемое преобразователем снижение частоты переключений ниже данного диапазона не является подходящим решением, так как была бы нарушена форма кривой тока и частоты и создание кривой близкой к синусоидальной форме было бы невозможным. Это означает, что способность управлять двигателем была бы существенно сокращена. Повышение частоты переключения рассматривается ниже.

Методы снижения шума

Ниже будут сравниваться четыре различных метода снижения шума двигателя:

1. Фиксированная высокая частота переключения.
2. Случайно выбираемая частота переключения.
3. Выходной индуктивно-емкостной фильтр.
4. Автоматическая модуляция частоты переключения.

Фиксированная высокая частота переключения

Фиксированная высокая частота переключения в диапазоне 12–20 кГц является традиционным способом уменьшения акустического шума в двигателе. Этот высокочастотный шум труднее обнаруживается ухом человека и, в отличие от низкочастотного, не сильно влияет на форму кривой. Однако у этого подхода имеются недостатки.

Основными недостатками являются:
• увеличение электромагнитных помех;
• увеличение риска повреждения изоляции двигателя;
• потери мощности, которые выделяются в виде тепла в преобразователе частоты;
• увеличение токов утечки при использовании более крупного фильтра электромагнитных помех .

Увеличенные электромагнитные потери могут потребовать более крупного и более дорогого фильтра электромагнитных помех. Он увеличивает стоимость преобразователя и увеличивает ток утечек. Ток утечки может привести к проблемам с изоляцией в двигателе и, кроме того, привести к опасности поражения электрическим током.

Рисунок 2. Индексированные потери на выходе

Высокие частоты переключения создают в преобразователе частоты дополнительное тепло, которое уменьшает срок службы преобразователя или требует установки переразмеренного преобразователя. Потери являются результатом искажений в кабелях двигателя при высоких частотах. Это означает, что если бы преобразователь работал на более низкой частоте переключения, он мог бы обслуживать двигатель при меньших затратах энергии или обслуживать более крупный двигатель. В инверторе преобразователя частоты частота переключения в районе 4 кГц гарантирует самые низкие потери в преобразователе частоты, а суммарный кпд самый высокий в диапазоне от 2,0 до 4,5 кГц (см. Рисунок 2).

Случайно выбираемая частота переключения

Случайно выбираемая частота переключения известна также как «белый шум». Частота переключения постоянно изменяется в пределах диапазона вокруг базовой частоты переключения. Такой подход не требует снижения номинальных параметров преобразователя. Основной недостаток данного метода – наведенный белый шум заставляет двигатель звучать так, как если бы был неисправен подшипник. Этот звук отличается от фиксированной частоты переключения, но может быть почти таким же раздражающим.

Выходной индуктивно-емкостной фильтр

На выходе преобразователя частоты может быть установлен индуктивно-емкостной фильтр. Этот фильтр создает напряжение с формой чистой синусоиды. Поскольку искажения устранены, исключен также и шум, наводимый на двигатель. Это означает, что работа двигателя в общем улучшена, поскольку в большинстве применений нет разницы между работой напрямую или работой с использованием преобразователя частоты.

Подход с использованием индуктивно-емкостного фильтра для решения проблемы шума двигателя имеет несколько недостатков:
• шум не убирается из системы, просто перемещается в индуктивно-емкостной фильтр;
• между преобразователем частоты и двигателем вводится падение напряжения;
• увеличиваются расходы на установку, потому что индуктивно-емкостной фильтр должен устанавливаться отдельно.

Автоматическая модуляция частоты переключения

Функция автоматической модуляции частоты переключения ASFM (Automatic Switching Frequency Modulation) является передовой электронной особенностью преобразователя частоты VLT HVAC Drive. Благодаря функции ASFM несущая частота автоматически настраивается на запрограммированную максимальную частоту переключения, когда двигатель нагружен легко. Когда нагрузка на двигатель высока, частота переключения уменьшается для экономии энергии.

Низкая несущая частота (низкая частота импульсов) вызывает шум в двигателе, что делает высокую несущую частоту более предпочтительной. Однако, высокая несущая частота генерирует тепло в преобразователе, ограничивая тем самым доступный для двигателя ток. Функция ASFM автоматически регулирует эти условия, чтобы обеспечить самую высокую несущую частоту без перегрева преобразователя. Обеспечивая регулируемую высокую несущую частоту функция ASFM уменьшает рабочий шум двигателя на малых оборотах, когда контроль за акустическим шумом является критичным, и обеспечивает полную выходную мощность на двигатель, когда это требуется. Системы без функцииASFM могут делать либо то, либо другое, но не оба действия одновременно. Важным преимуществом является отсутствие потребности в снижении выходной мощности при высокой нагрузке. Система ASFM настраивает частоту на основании требуемого двигателем тока, а не на основании оборотов двигателя, чтобы обеспечить наилучшую из возможных несущую частоту, удовлетворяющую требованиям как характеристик, так и контроля шума.

Установки с насосами и вентиляторами имеют характеристику переменного крутящего момента. Полный выходной ток преобразователя частоты и полная несущая частота доступны только до тех пор, пока нагрузка не достигнет 60 %. (На Рисунке 3 представлены преобразователь 15-60 л.с. при 460 В переменного тока и преобразователь 5-30 л.с. при 208 В переменного тока.) При характеристиках с переменным крутящим моментом это означает, что обороты вентилятора или двигателя составляют грубо от 75 % до 80 % от полных оборотов до того, как нагрузка достигает значения 60 %. Поэтому, более высокая частота переключения доступна почти все время без необходимости переразмеривать преобразователь, особенно в важных условиях низкой нагрузки, когда шум становится проблемой. Кроме того, двигатели установок HAVC переразмерены с коэффициентами гарантированного обеспечения характеристик и коэффициентом безопасности системы. Это связано с тем, что переразмеренная система всегда может работать при пониженной нагрузке, в то время как недоразмеренная система не сможет удовлетворить проектные требования. Таким образом, преобразователь частоты редко работает возле полной выходной мощности, существенно увеличивая диапазон оборотов, в котором можно использовать высокую несущую частоту.

Рисунок 3. Характеристики при переменном крутящем моменте.

Тот факт, что частота переключения наиболее высока при низкой нагрузке, означает, что электрические искажения в системе очень ограничены по сравнению с фиксированной высокой частотой переключения. Электромагнитные помехи также ниже, чем при фиксированной высокой частоте переключения, что приводит к меньшему току утечек и более длительному сроку службы двигателя. Кроме того, уменьшаются полные электрические потери, поскольку потери мощности из-за низкочастотных искажений в кабеле двигателя минимальны. Это имеет дополнительное преимущество снижения расходов на энергию.

При использовании функции ASFM акустический шум все еще генерируется, когда частотный преобразователь работает под высокой нагрузкой. Однако в большинстве установок с насосами и вентиляторами обычный окружающий генерируемый акустический шум увеличивается при увеличении оборотов и нагрузки. Поэтому шум, генерируемый частотой переключения, обычно маскируется акустическим шумом системы.

Влияние конструкции двигателя

Генерируемый в двигателе из-за резонанса частот шум зависит в основном от конструктивных деталей двигателя, конструкции двигателя и применяемых материалов. Конструктивные детали двигателя по разному реагируют на токи гармоник. При сравнении двух двигателей в одном двигателе акустический шум был ниже на частоте переключения, чем на двойной частоте переключения. Для другого двигателя все было с точностью до наоборот. Разница между этими двумя двигателями заключалась в разном количестве и размерах охлаждающих ребер.

Сравнение затрат и выгод от уменьшения шума

Читать еще:  Что такое капельный двигатель

Минимальный воздушный зазор между статором и ротором, характеристика двигателей более высокого качества, также помогает уменьшить уровень шума двигателя.

Испытания двигателей различных марок и размеров привели к заключению о том, что ни один из изготовителей двигателей не имеет оптимальной конструкции в части уменьшения шума. Даже самые лучшие двигатели различаются в зависимости от размера двигателя. Поэтому невозможно сделать обобщающий вывод о шуме двигателя.

Рисунок 4. На приведенном графике сравниваются разные рассмотренные методы.

Сравнение методов уменьшения шума

Индуктивно-емкостной фильтр и высокая частота переключения приводят к большему снижению шума. Однако высокая частота переключения приводит не только к увеличению цены частотного преобразователя при ухудшении характеристик преобразователя, но также увеличивает электрические потери в системе и приводит к увеличенным электромагнитным помехам. Основным недостатком использования индуктивно-емкостного фильтра является увеличенная цена.

Белый шум существенно снижает шум двигателя, вызываемый преобразователем, но индуцирует другой свой собственный шум, создающий такие же проблемы.

ASFM, уникальная функция преобразователя частоты VLT HVAC Drive, обычно является наиболее эффективным с точки зрения затрат решением.

Увеличение межремонтного пробега. Повышение мощности двигателя, частоты вращения коленвала, снижение расхода топлива, температуры и износа деталей. Восстановление компрессии. Улучшение пуска и разгона.

ЧТО ОБЕСПЕЧИВАЕТ ДОБАВЛЕНИЕ SMT 2 К БЕНЗИНУ ДЛЯ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КРИВОШИПНО-КАМЕРНОЙ ПРОДУВКОЙ?

Недостаточные смазочные свойства топливно-масляной смеси компенсируются путем добавления к бензину SMT 2 . Это обеспечивает значительное увеличение срока службы двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой.

На топливно-масляных смесях работают, как известно, двухтактные двигатели с кривошипно-камерной схемой газообмена. Это небольшие по габаритам и простые по исполнению мотоциклетные, лодочные, навесные моторы, двигатели средств малой механизации. Детали таких двигателей смазываются маслом, добавляемым к бензину. Доля моторного масла в бензине может составлять в зависимости от марки двигателя от 1/20 до 1/100. Очевидно, что при таких малых концентрациях масла условия смазки деталей крайне неблагоприятные. Кроме того, из-за частой смены режимов работы двигателя невозможно поддерживать оптимальное соотношение компонентов в топливно-масляной смеси. Ответственные детали двигателя (поршень, кольца, цилиндры, втулки, шатунные и коренные подшипники) подвергаются в этих условиях чрезмерно интенсивному трению и износу.

Благоприятное изменение ситуации достигается введением в состав топливно-масляной смеси кондиционера металла SMT 2 . Препарат создает на поверхностях трения защитную пленку с устойчивыми трибологическими свойствами. После кондиционирования поверхностей деталей существенно снижается коэффициент трения и интенсивность изнашивания двигателя, отчего возрастает срок его службы и надежность работы. Кроме этого, как показали результаты испытаний, добавление SMT 2 к бензину позволяет увеличить крутящий момент, максимальную мощность, снизить расход топлива и улучшить разгонную характеристику двигателя.

Эффекты от применения

Cостав «Актив Плюс» является базовым составом линейки «Актив». Он имеет оптимальную композицию активных компонентов, которая одинакова эффективна для двигателей любого типа и конструкции с рабочим объемом от 1,5 до 2,5 литров и с объемом масляной системы от 4 до 7 литров. Состав «Актив Плюс» также рекомендуется использовать для обработки 4-тактных различной мототехники: мотоциклов, снегоходов, квадроциклов, двигателей водного транспорта и так далее.

Для малообъемных нетурбированных бензиновых двигателей автомобилей и 2-тактных двигателей рекомендуется использовать состав «Актив Стандарт».

Для автомобильных двигателей с большим объемом масла, а также двигателей автомобилей, которые работают в условиях повшенных нагрузок рекомендуется использовать сотав «Актив Премиум»

ПОРЯДОК ПРИМЕНЕНИЯ

Для использования состав необходимо тщательно взболтать , так чтобы активный компонент в виде серо-зеленого осадка полностью разошелся по всему объему флакона и вылить смесь в маслозаливную горловину. Это не требует никаких специальных знаний или инструментов.

Полный цикл обработки двигателя потребует два или три флакона, в зависимости от состояния двигателя. Добавление состава производится в соответствии с расписанием замены масла в двигателе.

Добавление состава в моторное масло может быть выполнено любым автовладельцем на любом легковом автомобиле самостоятельно. Однако важно обратить внимание на пункты инструкции, прилагаемой к каждому флакону состава, чтобы он отработал максимально эффективно.

Стандартная процедура обработки состоит в следующем:

  • Флакон состава добавляется в масло примерно за 1000 километров пробега до планируемой штатной замены масла.
  • Еще один флакон состава добавляется после замены уже в свежее масло и работает там на протяжении всего межсервисного пробега.
  • Для автомобилей с пробегом более 50 000 километров для достижения максимального восстановительного эффекта настоятельно рекомендуется добавить состав в третий раз после очередной замены масла. При этом выгоднее приобретать не разрозненные составы, а сразу набор для полного цикла обработки.

ЭФФЕКТЫ

Под воздействием трибосостава на изношенных участках деталей образуется защитный металлический слой, который способен крепче удерживать пленку моторного масла.
Это позволяет решить следующие задачи:

Устранить задиры, восстановить и выровнять компрессию по цилиндрам.

Защитный слой заполняет задиры, царапины, поверхностную выработку деталей, в значительной степени восстанавливая форму цилиндров. Это и плотная постоянная масляная пленка уплотняет зазоры в цилиндро-поршневой группе

Сократить расход масла на угар.

Защитный слой восстанавливает плотность узла гильза – кольцо – поршневая канавка. Это улучшает съем масла со стенок цилиндра и снижает его угар в камере сгорания, особенно при повышенных оборотах двигателя.

Устранить шум при работе гидрокомпенсаторов.

Защитный слой восстанавливает форму поверхности плунжера гидрокомпенсатора, оптимизирует зазоры, что предотвращает прорыв масла и нормализует его давление.

Снизить вибрации и шумы при работе двигателя.

Восстановление и выравнивание компрессии по цилиндрам приводит к ровной работе двигателя.

Восстановить давление масла в системе.

Падение давления масла происходит из-за увеличения зазоров в парах трения ЦПГ, а также из-за износа насоса. Восстановление поверхностей трения приводит к оптимизации зазоров. При этом масляный насос поднимает выходное давление до номинального, снижаются потери давления из-за расширенных зазоров в ЦПГ, в головке блока, в КШМ.

Снизить расход топлива.

Восстановление и выравнивание компрессии обеспечивает более полное сгорание топлива, сокращение потерь при прорыве газов.

Повысить мощность и приемистость двигателя.

Восстановление и выравнивание компрессии обеспечивает более полное сгорание топлива, сокращение потерь при прорыве газов.

Избавиться от дымности выхлопа, снизить его токсичность.

Восстановление компрессии и оптимизация зазоров в цилиндро-поршневой группе обеспечивают качественное сгорание топлива и снижают угар масла.

Кроме решения актуальных проблем, применение трибосостава позволяет достичь профилактических эффектов:

Облегчить запуск двигателя и сократить его износ при «холодном пуске».

Обработанные поверхности способны удерживать масляную пленку при длительном простое. Это облегчает совершение первых оборотов и предотвращает повышенный износ двигателя при масляном голодании в момент запуска, что особенно важно при отрицательной температуре окружающей среды.

Защитить двигатель от износа при повышенных нагрузках.

Защитный слой за счет структурных особенностей обладает повышенной микроупругостью (деформируется при столкновении и затем восстанавливает форму, вместо того, чтобы разрушаться) и микротвердостью (не разрушается при возникновении нагрузок от частиц износа).

Защитить двигатель в случае аварийной потери масла.

Масляная пленка, удерживаемая на защитном слое за счет его структурных особенностей, способна защитить двигатель от возникновения задиров и заклинивания в случае внезапного падения давления масла.

ОБРАБОТКА 4-ТАКТНОЙ МОТОТЕХНИКИ

Состав «Актив ПЛЮС» может быть использован для восстановления 4-тактных двигателей различной мототехники: высокооборотистых двигателей мотоциклов, лодочных моторов и двигателей на катерах, квадроциклов, мотоблоков, газовых генераторов и любой другой техники. Принцип действия состава таков, что он не имеет никаких побочных эффектов и никак не влияет на работу моторного масла, которое используется в двигателе, ни на узлы в которых нет трения стальных деталей. К последним относится, например, так называемое «мокрое сцепление» у некоторых мотоциклов. Во-первых, хотя это и звучит контринтуитивно, в сцеплении нет трения подвижных деталей такого, чтобы активировать частицы состава. Во-вторых, даже если бы оно там и было состав не оказывает никакого воздействия на композитные материалы, из которых сцепление сделано.

При обработке мототехники дозировка состава рассчитывается, исходя из объема двигателя, а этапы обработки определяются моточасами. Подробную описание обработки и расчетов можно посмотреть во вкладке «Инструкция»

ПРИЗНАКИ ИЗНОСА ДВИГАТЕЛЯ

Существуют различные признаки того, что износ узлов двигателя приближается к критическому. Как правило нарастающий износ характеризуется снижением динамичности двигателя, увеличением среднего расхода топлива при тех же режимах езды.

Ниже перечислены еще некоторые наиболее частые признаки износа, при которых обработка двигателя трибосоставом может существенно отложить необходимость ремонта:

Появился звук «железного звона» при запуске двигателя

Вследствие износа стенок цилиндров происходит расширение зазоров между ними и поршневыми кольцами.

Особенно это заметно при запуске на морозе, когда зазоры расширены еще больше. Это говорит о том, что поверхности цилиндров сильно изношены, а каждый такой запуск изнашивает их еще сильнее.

Появился постоянный сизый дым в выхлопе.

Сизый дым означает, что в камеры сгорания постоянно попадает масло, что свидетельствует о расширенных зазорах в цилиндро-поршневой группе из-за износа стенок цилиндров и поршневых колец.

Двигатель стал работать громче, жестче, появилась вибрация.

Эти признаки могут свидетельствовать о том, что нарушен баланс компрессии.

Появился «цокот» гидрокомпенсаторов в момент прогрева двигателя.

Стрекочущий звук при работе двигателя «на холодную» говорит о том, что гидрокомпенсаторы не могут удержать масляное давление из-за износа поверхности плунжера.

НАЗНАЧЕНИЕ

При пробеге более 50 000 километров – восстанавливает характеристики двигателя до номинала, продлевает срок службы, откладывает необходимость ремонта.

При пробеге менее 50 000 километров – облегчает обкатку, существенно снижает скорость износа, сохраняет заводские характеристики.

В разделе «потребительские эффекты» ниже подробно описано — какие именно характеристики восстанавливаются и почему.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Под воздействием трибосостава на изношенных участках деталей образуется защитный металлический слой, который способен крепче удерживать пленку моторного масла.

Восстановленная форма и размеры + более плотная пленка масла на поверхности -> нормальная работа детали.

Триботехнический состав содержит частицы активного минерала. При их попадании в зоны локальных контактов поверхностей, где возникает высокое локальное давление, а температура превышает 1000 С – частицы минерала изменяют протекание процессов трения. Поверхность детали получает возможность «захватывать» микрочастицы металла, находящиеся в смазке. Постепенно на всей изношенной поверхности образуется сплошной металлический защитный слой, особенностью которого является пористая структура с большим количеством микроуглублений. Частицы самого минерала при этом остаются в масле и продолжают оказывать необходимые воздействия уже на других участках.

Микропоры защитного слоя наполняются маслом, которое за счет сил поверхностного натяжения образует на нем сплошную пленку. Эта масляная пленка полностью никогда не отделяется от поверхности детали, не стекает, даже при долгом простое. Сам защитный слой способен выдерживать большие нагрузки за счет повышенной микротвердости и микроупругости по сравнению с оригинальной заводской поверхностью.

Восстановление формы и более эффективная смазка, позволяют детали выполнять свои функции так, как это было заложено в конструкции двигателя, что приводит к восстановлению рабочих характеристик всех узлов трения.

Повреждения подшипников

Главной проблемой подшипников является прочность. Зачастую она связана с начальной нагрузкой, которую всегда трудно установить точно. Момент сопротивления преднагруженного подшипника в период приработки быстро снижается. Поэтому начальную нагрузку можно контролировать только у новых подшипников, однако, повреждения могут происходить и при маленьких нагрузках, так как шарики и ролики имеют склонность к скольжению вместо качения.

Читать еще:  Что означает vacuum в двигателе автомобиля

В обычных условиях правильно выбранный и правильно эксплуатирующийся подшипник имеет 90% шансов проработать в течение назначенного срока службы, и 10% шансов выйти из строя в результате процессов выкрашивания, которые происходят в условиях естественной деградации. Множество подшипников преждевременно выходят из строя по причине плохой смазки (43% подшипников) или плохого монтажа (27% подшипников). Даже лучшая подшипниковая сталь не может компенсировать ни недостатки смазки, ни значительной деформации валопровода. Дефекты в смазке влекут за собой перегрев подшипника, что может стать причиной заклинивания подшипника. В предельных ситуациях смазка в подшипнике может даже воспламениться. Явная причина внешних повреждений подшипников: плохая смазка, плохой монтаж, недостатки уплотнения, плохие условия эксплуатации, Повреждения связанные с собственно подшипником: плохое качество подшипниковой стали, неточная внутренняя геометрия, дефектные сепараторы и уплотнения подшипника. Внешние причины вызывают более 90% преждевременных отказов подшипников.

К сожалению выяснить причину разрушения подшипника нелегко: если инцидент является типичным, для специалиста будет несложно дать заключение по результатам исследования мелких осколков подшипника. При серьезном инциденте необходимо следовать методологии стандартной экспертизы:

Далее необходимо проанализировать главные причины аварии или разрушения подшипников.

Усталостное выкрашивание (расслоение) подшипника

Расслоение подшипника — естественная причина разрушения подшипников правильно смонтированных и используемых. Если давление Гертца не превышает 2000 N/mm, подшипники имеют срок службы, практически обусловленный только смазкой и чистотой. В действительности давление между элементами качения и кольцами обычно составляет от 3 000 до 3 500 N/mm и усталостные повреждения подшипника, чередуясь с напряжениями на сдвиг, приводят к расслоению металла. Все исследования подтверждают пагубное влияние на усталость подшипников неметаллических включений в сталь: нерастворимые карбиды, остатки окислов и сернистых соединений, шлаки, попавшие при плавке…

Выкрашивание (расслоение) — процесс длительный, который ускоряется, в той или иной степени, после появления первых трещинок. Локализованное и преждевременное выкрашивание характеризует такие аномалии, как плохой монтаж, перегрузка, дефекты вала, плохая геометрия посадочного гнезда.

Повышенный предел эластичности повышает ресурс, так как он уменьшает риск, связанный с наличием неметаллических включений. Применение сталей высокого качества дегазированных и разлитых под вакуумом сегодня является наиболее распространенным.

Поверхностное выкрашивание (шелушение) подшипника

Поверхностное выкрашивание (шелушение) на поверхности металла достаточно распространено и проявляется в форме очень мелких чешуек на подшипнике. Оно связывается с применением смазки недостаточной плотности по отношению к шероховатости поверхности, что провоцирует контакт металл-металл. Основное средство борьбы с этим явлением – уменьшение шероховатости поверхности и повышение вязкости смазочного материала подшипника.

Заедание (заклинивание) подшипника

Проявляется в переносе частичек материала, вырываемых с поверхности, и их осаждение в другом месте микроприпаиванием. Появляется матовые зоны и коричневые следы, свидетельствующие о перегреве. Позднее происходит деформация элементов качения подшипника с отрывом частичек материала и их локализация, элементы качения и сепараторы подшипников разрушаются или сплющиваются и даже полностью свариваются. Необходимо помнить, что заедание неминуемо при отсутствии смазки. Избыток смазки, вопреки сложившемуся мнению, не позволяет снизить трение в подшипнике. Заедание чаще происходит в конических роликовых подшипниках при наличии трения скольжения между роликами и буртиком внутреннего кольца и когда многие ролики повреждены: зачастую это происходит при первых оборотах если не позаботиться о хорошей смазке при запуске.

Другими причинами заклинивания подшипника являются:

Выбор смазки и способа смазки подшипника имеет исключительное значение. Нет необходимости в очень вязкой и обильной (избыточной) смазке, которая приводит к скольжению шариков или роликов по поверхности колец при запуске и торможении подшипника.

Оттиски (отпечатки) от деформации подшипника

Оттиски (отпечатки) от деформации подшипника встречаются очень часто: следы ударов, трещин, растрескивания поверхности, отражающие отсутствие мер предосторожности: случайное падение подшипника, монтаж подшипника с нанесением ударов или с приложением усилий непосредственно к элементам качения, перегрузка подшипника.

Пластические деформации колец подшипника приводят к выемкам без обдирания материала и складкам вытесненного металла или экстракции. Эти отказы не всегда видимы непосредственно: трещины могут в известных случаях привести к последующему разрушению.

Инкрустация инородных частиц

Инкрустация инородных частиц – результат пренебрежения чистотой при монтаже подшипника или попадания случайных примесей. Она выражается в виде отпечатков, продольных непрерывных или прерывистых бороздок на шлифованных поверхностях колец подшипника. Способствует появлению ненормальных люфтов, перекосов, вибраций.

Следы оставляемые неупругими частицами неглубокие и мало заметные. Если частицы твердые, кратеры становятся относительно глубокими с выступающими краями. Если частицы хрупкие, они разрушаются от сжатия и как результат – многочисленные мелкие отпечатки с острыми кромками.

Коррозия подшипника

Коррозия подшипника проявляется в виде пятен от красного до черного цвета, затем в виде зон отслоения материала. Она может быть химической, под действием окисленного масла, агрессивных продуктов, проникших из-за дефектов уплотнения…, или электрохимической с образованием ржавчины от проникновения воды или чрезмерной конденсации. Лучшей защитой против коррозии и защитой от причин способных ее провоцировать является выбор надлежащей смазки. В наиболее тяжелых случаях необходимо применять подшипники из нержавеющей стали, керамики и т.п. Отметим также, что появление коррозии приводит к последующему усталостному разрушению подшипников и выкрашиванию.

Контактная коррозия (фреттинг-коррозия) подшипника

Контактная коррозия проявляется в виде следов розоватого, коричневого или черного цвета более или менее протяженных в зонах наружных опор подшипников. Она возникает при незначительном вращении или вибрации колец по отношению к их опорным поверхностям; внимание было привлечено к феномену 30-х годов, когда констатировали, что подшипники вагонов подвержены серьезным повреждениям.

Контактная коррозия не во всех случаях приводит к непоправимым повреждениям, особенно в ее начале, но если она приводит к повреждению опорного гнезда или вала, то результатом будет ухудшение состояния опорной поверхности и есть основания опасаться растрескивания колец. В большинстве случаев она является следствием неправильной посадки подшипника в корпусе или на валу. В каждом случае монтажа необходимо тщательно соблюдать предписанные зазоры и допуски.

Образование кратеров (электрическая точечная коррозия подшипника)

Электрическая точечная коррозия подшипника провоцирует относительно глубокие микроскопические раковины. Она обязана значительным электрическим токам проходящим через подшипник и создающим маленькие электрические дуги, приводящие к локальному расплавлению и закалке металла. В этом случае вал становится как бы заземляющей массой при сварке.

Образование дорожек (канавок) на подшипнике

Дорожки образуются в результате одновременного воздействия слабых электрических токов и вибраций. Этот феномен чаще проявляется, когда речь идет об электрогенерирующем оборудовании, станках, электровозах и механизмах с приводными ремнями, несущих электростатическую нагрузку. Не известна связь частоты колебаний с другими параметрами работы подшипника: скоростью вращения, частотой тока, нагрузками. Средство борьбы – заземление механизмов, электрическая изоляция подшипников в корпусах, закоротка опор, применение токопроводящей смазки.

Надрывы

Надрывы – узкие разрывы или другие начальные стадии растрескивания, имеют возможными причинами чрезмерные напряжения при монтаже или демонтаже подшипника или трещины при обработке и закалке.

Абразивный износ подшипника

Абразивный износ придает подшипникам серый вид, как бы покрытый инеем. Он появляется при работе в абразивной среде при неудовлетворительной смазке.

Окрашивание (изменение цвета) подшипника

Окрашивание в коричневый, голубоватый или черноватый цвет подшипника является результатом поверхностного окисления в присутствии смазки, полимеризующейся при высокой температуре. Источник ненормального перегрева подшипника может быть внутренним, например избыток смазки, или внешним.

Повреждение сепараторов подшиипников

Повреждения сепараторов происходят главным образом в результате небрежного монтажа подшипника.

Внешние признаки повреждения подшипника

Внешние признаки повреждения подшипников многочисленны:

повышенный момент трения может быть следствием повреждения сепаратора, непригодности смазки, повреждения уплотнения подшипника.

Профилактика и контроль повреждений подшипников

Контролируя работу подшипников, измеряя температуру, шум, вибрации и периодически анализируя качество смазки можно значительно уменьшить риск возникновения повреждений подшипников.

В 90% случаев используются закаленные подшипниковые стали, в 10% — цементированные.

Дополнительные рекомендации

Звон металлических деталей при ударе, например, молотком, используется для определения наличия дефектов. Звук, издаваемый стальной деталью, содержащей дефект – дребезжащий, более низкий и глухой по сравнению со звуком бездефектной детали, имеющей чистый, высокий звук. Данный метод достаточно эффективен применительно к контролю затяжки резьбовых соединений, целостности деталей простой формы. В более сложных случаях его использование ограничено.

Каждый механизм содержит две причины шумов: механического характера, электрического характера. Воющий звук, исчезающий при отключении питания электродвигателя, указывает на повреждения в электрической части мотора.

Степень повреждения определяется интенсивностью шума. Шум, вызывающий болевые ощущения при прослушивании техническим стетоскопом, является пределом эксплуатации деталей. Использование электронного стетоскопа предполагает сравнение интенсивности шума однотипных элементов.

Указанные виды шумов в истинном виде проявляются редко. Акустическая картина механизма составляется из совокупности шумов всех элементов, определяется размерами, характером смазывания, нагрузками, температурой и другими факторами. Поэтому приведенная классификация служит исходной информацией при расшифровке конкретной акустической картины механизма. Качество расшифровки и правильность постановки диагноза зависят от квалификации, подготовленности и опыта механика.

Откуда появляется шум при работе сцепления автомобиля?

Шум, проявляющийся в виде гудящих звуков разной тональности при работе сцепления (его включении, выключении и на холостом ходу двигателя) свидетельствует о возникновении достаточно серьезных проблем, требующих быстрого решения.

Устройство сцепления автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099 и их модификаций

На примере сцепления автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099 попробуем разобраться откуда появился шум при работе сцепления и какие есть пути решения этой проблемы.

Откуда появился шум при работе сцепления автомобиля?

Шум со стороны сцепления при работе двигателя на холостом ходу

Если прислушаться, со стороны сцепления и коробки передач, во время работы двигателя автомобиля на холостых оборотах, слышен непрерывный отчетливый шум. При выжимании педали сцепления шум пропадает или заметно уменьшается.

Такие признаки могут свидетельствовать о выходе из строя подшипника первичного вала коробки передач на который «насаживается» корзина и ведомый диск сцепления. Вал начинает «болтаться» вместе с разбитым подшипником издавая шум, а при выключении сцепления, на него снижается нагрузка и шум пропадает. Такая неисправность часто сопровождается течью масла из коробки передач под сальник первичного вала. На ранних стадиях неисправность практически не заметна, но по мере разрушения подшипника дает о себе знать.

Шуметь и даже выть на холостом ходу может и выжимной подшипник, так как его рабочая поверхность всегда прижата к лепестковой нажимной пружине корзины и вращается вместе с ней (сцепление на ВАЗ 2108, 2109, 21099 беззазорное). Неисправность подшипника может быть следствием вытекания из него смазки, после чего появляется выработка с люфтом, и он начнет издавать звуки при вращении своей подвижной части. См. фото в начале статьи.

Чтобы определить, что именно шумит на холостом ходу — выжимной или подшипник вала проделаем следующее.

Отсоединяем трос от вилки привода выключения сцепления. Запускаем двигатель и оставляем его работать на холостых. После чего немного поворачиваем вилку по часовой стрелке. Выжимной подшипник выйдет из соприкосновения с диафрагменной нажимной пружиной корзины сцепления и звук должен исчезнуть. Вой исчез – выжимной неисправен и подлежит замене. Если не исчез, предстоит снятие коробки и замена подшипника первичного вала, либо замена в ней масла на более качественное или густое.

Читать еще:  Daihatsu pyzar какой двигатель

Проверка исправности выжимного подшипника сцепления на автомобилях ВАЗ 2108, 2109, 21099

Шум при выключении сцепления

В случае, если из картера сцепления, при нажатии на его педаль, доносится воющий звук, то, скорее всего вышел из строя выжимной подшипник. Отпускаем педаль, шум пропадает или уменьшается. Если подшипник подклинивает или вообще заклинил, то нормально выжать (отключить) сцепление не получится. Двигатель будет глохнуть, «воткнуть» передачу станет практически не возможно.

Так же при нажатии на педаль сцепление может издавать шум в случае неправильной регулировки его привода. Оно «ведет» — ведомый диск до конца не отходит от маховика при выключении, трется об него и шумит. Устранить неисправность можно отрегулировав привод.

Шум при включении сцепления

Когда водитель отпускает педаль сцепления, включая его, со стороны коробки передач и сцепления прослушивается отчетливый шум или даже дребезжание, металлический звон и стук.

Это свидетельствует об износе или поломке ведомого диска (износ, деформация, ослабление крепления его накладок, поломка демпферных пружин) либо об ослаблении крепления коробки передач к двигателю.

Примечания и дополнения

— На автомобилях ВАЗ 2108, 2109, 21099 сцепление постоянно включено, то есть первичный вал коробки передач вращается вместе с корзиной сцепления и ведомым диском. См. «Устройство и принцип действия сцепления автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099». При нажатии на педаль вступает в работу выжимной подшипник, который давит на нажимную пружину корзины, заставляя ее ведущий диск отойти от ведомого.

— Полностью оценить работу и исправность сцепления можно проведя его комплексную проверку. См. «Проверка сцепления на автомобилях ВАЗ 2108, 2109, 21099».

Как моделировать вибрации и уровень шума в коробке передач с помощью COMSOL Multiphysics®

Зубчатые передачи используются в таких устройствах, как часы, промышленное оборудование, музыкальные шкатулки, велосипеды и автомобили. Коробка передач является основным источником вибраций и шума в таких устройствах. Для эффективного снижения уровня шума в коробке передач необходимо выполнить виброакустическое моделирование с последующим улучшением конструкции. Давайте посмотрим, как можно использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics® для создания более тихих систем передач.

Расчёт уровня шума, вибрации и жёсткости в коробке передач

Коробка передач обычно состоит из зубчатых шестерней, валов, подшипников и корпуса. При работе коробка передач сильно шумит по двум причинам:

  1. Передача нежелательных поперечных и осевых сил на подшипники и корпус при зацеплении одного вала с другим
  2. Люфт в различных частях коробки передач: в зацеплении зубчатых шестерней, в подшипниках и в корпусе

Самым шумным узлом в коробке передач является зацепление зубчатых шестерней. Ниже показана схема возникновения и распространения шума в окружающую среду.

Свист и треск зубчатых шестерёнок

Можно выделить две разновидности шума, возникающего при зацеплении зубчатых шестерней: свист и треск.

Первый — один из самых распространённых шумов в коробке передач, особенно когда двигатель работает под нагрузкой. Он возникает из-за вибрации в коробке передач вследствие погрешности зубчатого зацепления при включении передачи, а также из-за различия жёсткости в зацеплении. Свист зубчатых шестерней возникает при частоте зацепления и обычно достигает уровня шума от 50 до 90 dB по относительной шкале уровня звукового давления при измерении на расстоянии одного метра.

Треск зубчатых шестерней обычно возникает при работе двигателя без нагрузки. Примерами могут служить дизельные автобусы и грузовики, работающие на холостом ходу. Треск — это ударная разновидность шума, вызванная работой коробки передач на холостом ходу. Одним из параметров зубчатой шестерни, который непосредственно влияет на треск, является окружной зазор, необходимый для смазки. Простое регулирование величины этого зазора может снизить уровень шума.

Погрешность зубчатого зацепления

Что же такое погрешность зубчатого зацепления? Когда две шестерни имеют идеальный эвольвентный профиль, вращение выходной шестерни зависит от крутящего момента на входной шестерне и передаточного отношения. Постоянное вращение входной шестерни приводит к постоянному вращению выходной. Существуют различные причины модификации формы зуба шестерни, такие как износ, смещение по оси, модификация профиля ножки и вершины зубца. Такие изменения могут привести к отклонению по центральной оси выходной шестерни при вращении. Это и есть погрешность зубчатого зацепления (ПЗЗ). При динамической нагрузке вибрация зубьев в шестернях также приводит к погрешности зубчатого зацепления. Комбинированная погрешность называется динамической погрешностью зубчатого зацепления (ДПЗЗ).

Моделирование уровня шума и вибраций в коробке передач в COMSOL Multiphysics®

Снижение шума до приемлемого уровня — сложная задача, особенно в современных коробках передач, которые состоят из множества работающих одновременно зубчатых шестерней. Правильно смоделировав данный механизм, мы можем разработать более тихую коробку передач. COMSOL Multiphysics позволяет разработчикам точно обозначить проблемы и предложить методы их решения, учитывая конструктивные ограничения. С помощью данного программного обеспечения мы можем оптимизировать существующие разработки, чтобы уменьшить уровень шума и, более того, сделать это задолго до стадии производства.


Модель коробки передач в рабочем интерфейсе COMSOL.

Рассмотрим пятиступенчатую синхронизированную механическую коробку переключения передач (МКПП) в автомобиле, чтобы изучить распространение вибрации и шума. МКПП в автомобиле служит для передачи крутящего момента от двигателя к колёсам.
Геометрия пятиступенчатой МКПП в автомобиле.

Для численного моделирования данной задачи мы будем использовать два физических интерфейса:

  1. Механических нализ многотельных систем
  2. Акустический анализ

Во временной области мы рассчитаем динамику вибрации зубчатых шестерней и корпуса. Входными данными будут являться частота вращения двигателя и выходной крутящий момент. В акустической части анализа мы рассчитаем уровни звукового давления вокруг коробки передач для заданного диапазона частот, используя нормальную составляющую ускорения корпуса в качестве источника шума.

Анализ вибраций в коробке передач

В начале рассмотрим механизм синхронизированной коробки передач. В ней используются шестерни с косыми зубцами для передачи крутящего момента от начала приводного вала через обратный вал к концу приводного вала.


Механизм синхронизированной пятиступенчатой коробки передач без учёта синхронизирующих колец, соединяющих шестерни с основным валом.

Параметры шестерней представлены в таблице:

ПараметрЗначение
Угол зубчатого зацепления25 [deg]
Угол наклона линии зуба30 [deg]
Жёсткость зубчатых шестерней1e8 [N/m]
Коэффициент перекрытия1.25

Шестерни на приводном валу могут вращаться свободно, в то время как шестерни на обратном валу закреплены. На валу фиксируется только одна передача. На практике это достигается при помощи синхронизирующих колец. В модели для зацепления и расцепления зубчатых шестерней с приводным валом используются шарнирные соединения (hinge joints) с условием включения.

Валы задаются жёсткими и прикреплёнными к корпусу через шарнирное соединение. Сам корпус задаётся гибким, стоящим на земле и прикреплённым одним концом к двигателю. Данные, необходимые для расчёта движения, следующие:

Входная величинаЗначение
Скорость вращения двигателя5000 [об/мин]
Крутящий момент1000 [Н-м]
Количество передач5

Задав все необходимые параметры, можно выполнить расчёт и получить анимацию распределения вибраций в корпусе, как показано ниже:

Анимация распределения напряжений по Мизесу в корпусе и скорости различных шестерней.

Выберем произвольную точку на корпусе, чтобы построить графики нормальной составляющей ускорения. На левом графике ниже показана зависимость нормальной составляющей ускорения от угла поворота приводного вала. Разложим данную функцию в частотной области с помощью преобразования Фурье (используя FFT-решатель). На правом графике ниже показан частотный спектр вибраций. По графику видно, что нормальная составляющая ускорения содержит несколько резонансных пиков. Вибрации максимальны в диапазоне частот от 1000 до 3000 Гц.

Зависимость нормальной составляющей ускорения от угла поворота приводного вала и её разложение в частотный спектр Фурье в произвольной точке на корпусе.

Расчёт уровня шума в коробке передач

Теперь давайте разберём, как смоделировать распространение шума в COMSOL Multiphysics. Для начала ограничим область вокруг коробки передач воздушной сферой, чтобы в ней моделировать распространение шума.

Для связи двух физических интерфейсов добавим одностороннюю взаимосвязь, полагая, что внешняя среда — это воздух. Такая взаимосвязь означает, что вибрации корпуса влияют на окружающую среду, в то время как влиянием акустических волн на конструкцию мы пренебрегаем. Это позволит быстрее решить нашу задачу.

Акустический анализ выполняется в частотном диапазоне. Поскольку расчёт многотельных систем производится во временной области, необходимо преобразовать ускорение корпуса из временной области в частотную. Для этого используется преобразование Фурье (FFT-решатель).


Воздушная сфера, ограничивающая область вокруг коробки передач для акустического расчёта. Показаны два микрофона, измеряющие уровень шума.

В качестве источника шума используется нормальная составляющая ускорения, которая применяется на внутренние границы акустической области. Чтобы не допустить каких-либо отражений от внешних границ акустической области, добавим узел Spherical Wave Radiation (Сферическое условие излучения). Настроив модель таким образом, мы можем выполнить акустический расчёт и посмотреть на уровни звукового давления на поверхности коробки передач, а также в области вокруг неё на разных частотах. Для лучшего понимания направленности шума, добавим графики распределения звукового давления в разных плоскостях при различных частотах.

Уровень звукового давления на поверхности коробки передач (справа) и вокруг неё (слева).

Уровень звукового давления на расстоянии 1м в плоскости xy (слева) и в плоскости xz (справа).

Теперь рассмотрим уровни звукового давления. Как раз для этого мы расположили два микрофона в воздушном пространстве.

МикрофонРазмещениеРасположение
1Сбоку от коробки передач(0, -0.5 m, 0)
2Над коробкой передач(0, 0, 0.75 m)

Расположение микрофонов задаётся в узле Параметры и может быть изменено в любой момент без пересчёта модели.


Частотный спектр амплитуд давления в местах расположения микрофонов.

Вышеприведённый график даёт хорошее представление о частотной составляющей уровня шума. Однако, было бы ещё лучше, если бы мы могли слышать шум, поступающий на микрофон, прямо как в физическом эксперименте. Это возможно реализовать, если написать спциальный скрипт на языке Java®, используя данные об амплитуде и фазе звукового давления, как функцию от частоты.

Давайте послушаем звуковые файлы, в которые записыван шум с двух микрофонов…

Мы уже рассмотрели результаты акустического моделирования на различных частотах. Было бы здорово увидеть данные результаты во временной области. Представим результаты во временной области с помощью преобразователя Фурье (FFT-решатель), чтобы затем визуализировать распространение в динамике акустических волн вокруг коробки передач.

Анимация распространения акустических волн вокруг коробки передач.

Проектирование менее шумной коробки передач

В данной заметке мы рассмотрели методику расчёта шума от коробки передач с помощью комбинации механического анализа многотельной системы и последующего акустического исследования. Данная методика может быть использована перед началом производственного процесса для создания менее шумных коробок передач в рабочем диапазоне скоростей. Новые функциональные возможности в версии 5.3 пакета COMSOL Multiphysics® позволяют записывать реальный шум в работающей коробке передач, что приближает моделирование к настоящему физическому эксперименту.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector