Hammaspyörien koelaitteen käynninvalvonnan kehittäminen
Lahti, Ville (2020)
2020
Konetekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Mechanical Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-02-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202001311726
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202001311726
Tiivistelmä
Hammaspyörien väsytyskestävyystestit ovat oleellinen osa tehonsiirtolaitteiden kehitystä. Hammaspintojen väsyminen aiheuttaa hammaskylkien kuoppautumista, josta seuraavat hammasprofiilien muutokset ja lopulta hammaspyörien vaurioituminen käyttökelvottomaksi. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia ja kehittää hammaspyörien koelaitteen käynninvalvontalaitteiden ja -menetelmien toimivuutta ja luotettavuutta erityyppisissä koeolosuhteissa. Tutkimuksessa hyödynnettiin jo koelaitteeseen asennettuja öljyn jatkuvatoimista partikkelilaskentaa ja värähtelymittauksia.
Hammaspyörien väsytyskestävyystestit suoritettiin FZG-koelaitteella, jossa testipyöriä ajettiin standardin mukaisella kuoppautumistestillä vakio kuormituksella. Väsytystestejä tehtiin kolmella eri materiaalityypillä. FZG-koelaitteen öljyn puhtautta seurattiin kolmella jatkuvatoimisella partikkelilaskurilla. Testipyörille menevän öljyn hiukkaspitoisuutta mitattiin laser partikkelilaskurilla ja testipyöriltä tulevan öljyn vastaavasti induktiivisella ja optisella partikkelilaskurilla. Kulumispartikkelien määrää mittaavan induktiivisen partikkelilaskurin toimintaa ja yleisesti kulumispartikkelien käyttäytymistä tutkittiin viidellä eri tyyppisellä kiertovoiteluratkaisulla. Värähtelyä mitattiin kiihtyvyysanturilla testivaihteen kotelon kulmasta.
Kokeissa saatujen tulosten perusteella partikkelit kumuloituvat herkästi esimerkiksi järjestelmässä olevien putkien kierteisiin ja poikkileikkausmuutoksiin. Näytteenotolla huomattiin testien aikana olevan suuri merkitys partikkelien kulkeutumiseen partikkelilaskurille. Induktiivinen partikkelilaskuri pystyi loogisella tavalla havaitsemaan eri kokoluokan partikkeleita. Öljyn puhtauden seurantaan kehitettiin koodi, jolla pystytään seuraamaan ja vertailemaan koelaitteeseen tulevaa ja palaavaa öljyä ISO 4406 luokituksen mukaisesti koko koeajojakson aikana optisella ja laser partikkelilaskurilla.
Hammaspyörien koelaiteella suoritettujen väsytystestien yhteydessä mitattiin kokonaisvärähtelyä 5 Hz – 5 kHz taajuudella. Tunnuslukuina käytettiin tehollisarvoa, kurtosis arvoa ja huippukerrointa, joilla pyrittiin tunnistamaan ja seuraamaan vaurion kehittyminen reaaliaikaisesti koelaitteen käynninvalvonnassa. Tuloksen perusteella huippukerroin, kurtosis arvo ja tehollisarvo tuottivat vaihtelevia arvoja ajetun kuormitustason perusteella. Parhaiten tuloksista osoitti seuraavan vaurion kasvua tehollisarvo, jota on mahdollista käyttää koelaitteen käynninvalvonnassa. Gear fatigue tests are an essential part of the development of power transmission devices. Tooth surfaces fatigue causes tooth flank pitting, which results in changes in tooth profiles and eventually damages the gears. The purpose of this master's thesis was to study and develop the functionality and reliability of the monitoring diagnostics of the gear test rig at different opening conditions. The study utilized continuous oil particle counting and vibration measurements already installed in the gear test rig.
Gear fatigue tests were performed with the FZG gear test rig, which was run according to the standardized pitting test at constant torque. Fatigue tests were performed on three different types of material. The oil cleanness of the FZG gear test rig was monitored with three continuous particle counters. The test wheels input oil was measured with a laser particle counter and the output oil with an inductive particle counter and an optical particle counter. In general, the functionality of the inductive particle counter and the behavior of wear particles were investigated using five different types of circulating lubrication solutions. The vibration was measured with an accelerometer from the corner of the test gears.
Based on the results obtained in the tests, the particles tend to accumulate easily, for example, in the threads and cross-sectional changes of the tubes in the system. Sampling was found to play an essential role in the migration of particles to the particle counter during the tests. The inductive particle counter was able to logically detect particles of different sizes. For oil cleanness monitoring, a code was developed to track and compare oil input and output to the test rig with an optical and laser particle counter throughout the test period according to ISO 4406.
During the fatigue tests performed on the gear test rig, vibration was measured at 5 Hz to 5 kHz frequency. The indicators were the root mean square value, the kurtosis value and the crest factor, which were used to identify and monitor the development of damage in real-time during the monitoring diagnostics of the test rig. Based on the result, the crest factor, the kurtosis value and the root mean square value produced variable values based on the running torque level. The root mean square values showed the best correlation with damage development, so it can be used in monitoring diagnostics of the gear test rig.
Hammaspyörien väsytyskestävyystestit suoritettiin FZG-koelaitteella, jossa testipyöriä ajettiin standardin mukaisella kuoppautumistestillä vakio kuormituksella. Väsytystestejä tehtiin kolmella eri materiaalityypillä. FZG-koelaitteen öljyn puhtautta seurattiin kolmella jatkuvatoimisella partikkelilaskurilla. Testipyörille menevän öljyn hiukkaspitoisuutta mitattiin laser partikkelilaskurilla ja testipyöriltä tulevan öljyn vastaavasti induktiivisella ja optisella partikkelilaskurilla. Kulumispartikkelien määrää mittaavan induktiivisen partikkelilaskurin toimintaa ja yleisesti kulumispartikkelien käyttäytymistä tutkittiin viidellä eri tyyppisellä kiertovoiteluratkaisulla. Värähtelyä mitattiin kiihtyvyysanturilla testivaihteen kotelon kulmasta.
Kokeissa saatujen tulosten perusteella partikkelit kumuloituvat herkästi esimerkiksi järjestelmässä olevien putkien kierteisiin ja poikkileikkausmuutoksiin. Näytteenotolla huomattiin testien aikana olevan suuri merkitys partikkelien kulkeutumiseen partikkelilaskurille. Induktiivinen partikkelilaskuri pystyi loogisella tavalla havaitsemaan eri kokoluokan partikkeleita. Öljyn puhtauden seurantaan kehitettiin koodi, jolla pystytään seuraamaan ja vertailemaan koelaitteeseen tulevaa ja palaavaa öljyä ISO 4406 luokituksen mukaisesti koko koeajojakson aikana optisella ja laser partikkelilaskurilla.
Hammaspyörien koelaiteella suoritettujen väsytystestien yhteydessä mitattiin kokonaisvärähtelyä 5 Hz – 5 kHz taajuudella. Tunnuslukuina käytettiin tehollisarvoa, kurtosis arvoa ja huippukerrointa, joilla pyrittiin tunnistamaan ja seuraamaan vaurion kehittyminen reaaliaikaisesti koelaitteen käynninvalvonnassa. Tuloksen perusteella huippukerroin, kurtosis arvo ja tehollisarvo tuottivat vaihtelevia arvoja ajetun kuormitustason perusteella. Parhaiten tuloksista osoitti seuraavan vaurion kasvua tehollisarvo, jota on mahdollista käyttää koelaitteen käynninvalvonnassa.
Gear fatigue tests were performed with the FZG gear test rig, which was run according to the standardized pitting test at constant torque. Fatigue tests were performed on three different types of material. The oil cleanness of the FZG gear test rig was monitored with three continuous particle counters. The test wheels input oil was measured with a laser particle counter and the output oil with an inductive particle counter and an optical particle counter. In general, the functionality of the inductive particle counter and the behavior of wear particles were investigated using five different types of circulating lubrication solutions. The vibration was measured with an accelerometer from the corner of the test gears.
Based on the results obtained in the tests, the particles tend to accumulate easily, for example, in the threads and cross-sectional changes of the tubes in the system. Sampling was found to play an essential role in the migration of particles to the particle counter during the tests. The inductive particle counter was able to logically detect particles of different sizes. For oil cleanness monitoring, a code was developed to track and compare oil input and output to the test rig with an optical and laser particle counter throughout the test period according to ISO 4406.
During the fatigue tests performed on the gear test rig, vibration was measured at 5 Hz to 5 kHz frequency. The indicators were the root mean square value, the kurtosis value and the crest factor, which were used to identify and monitor the development of damage in real-time during the monitoring diagnostics of the test rig. Based on the result, the crest factor, the kurtosis value and the root mean square value produced variable values based on the running torque level. The root mean square values showed the best correlation with damage development, so it can be used in monitoring diagnostics of the gear test rig.