Upgrading measurement methods of a gear test rig
Kattelus, Juho (2016)
Kattelus, Juho
2016
Konetekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-11-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201610264655
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201610264655
Tiivistelmä
Hammaspyörät ovat oleellinen osa raskaasti kuormitettuja voimansiirtoketjuja, joita esiintyy esimerkiksi tuulivoima- ja merenkulkuteollisuudessa. Kuoppautuminen on hampaan kyljen vauriomuoto, joka johtuu koskettavien hammaspintojen väsymisestä. Väsytystestit ovat tärkeä osa hammaspyörien kehitystyötä. Tämän työn tavoitteena on kehittää hammaspyörien testilaitteella suoritettavien väsytystestien mittausmenetelmiä ja suorittaa vertailuväsytystestit kuoppautumisen liittyen.
Standardin mukaisessa kuoppautumistestissä testipyöriä ajetaan vakio kuormituksella, kunnes tietty pinta-ala hammaskyljestä on vaurioitunut, tai saavutetaan ennalta asetettu kierrosmäärän raja-arvo. Vaurion kehittymistä seurataan visuaalisilla tarkastuksilla tietyn kierrosmäärän välein. Tässä työssä kehitettiin jatkuvia mittausmenetelmiä asentamalla induktiivinen partikkelilaskin testivaihdelaatikon ulostulevaan öljykiertoon hammaspyörien kulumishiukkasten seuraamiseksi. Optinen jatkuva partikkelilaskin asennettiin testivaihdelaatikon sisään menevään öljykiertoon öljyn epäpuhtauksien seuraamiseksi. Jatkuva menetelmä otettiin käyttöön myös akselia kuormittavan vääntömomentin mittaamiseksi. Kiihtyvyysanturi asennettiin testivaihdelaatikkoon, ja sillä tutkittiin värähtelykiihtyvyyden ja kuoppautumisvaurion kehittymisen välistä korrelaatiota, sekä seurattiin testivaihdelaatikon mahdollista epänormaalia käyttäytymistä. Mittausmenetelmä hammaskyljen profiilin ja pinnankarheuden mittaamiselle kehitettiin asennetuille ja asentamattomille hammaspyörille. Erillinen testi, jossa mitattiin hammastyven venymää pyörivistä hammaspyöristä, kehitettiin ja toteutettiin. Työ sisältää myös kirjallisuusselvityksen hammaspyöriin, hammaspyörien vauriomuotoihin sekä voiteluun liittyen.
Mittaustulokset osoittavat, että partikkelilaskimella havaitut metalliset kulumishiukkaset korreloivat hyvin hammaskyljen kuoppautumisvaurion kehittymisen kanssa. Johtopäätelmänä todettiin, että jatkuva partikkelilaskenta on lupaava keino seurata kuoppautumisvaurion kehittymistä rinnakkain visuaalisten tarkastusten kanssa. Päivitetyllä hammaspyörätestilaitteella suoritettiin onnistuneesti viisi vertailutestiä yhteensä kolmella eri kuormitustasolla. Testilaite on nyt jatkuvassa käytössä vertailutestisarjan sekä eri materiaalin sekä pinnan topografian testisarjojen suorittamiseksi. Päivitettyjä mittausjärjestelmiä hyödynnettiin myös testilaitteen yleisen käyttäytymisen tarkkailuun miehittämättömän käytön aikana sekä aktivoimaan automaattista pysäytystä tärkeimpien toimintasuureiden raja-arvojen perusteella. Gears are widely used in heavy machinery such as wind power and marine applications. Macropitting is a gear flank failure mode caused by Hertzian fatigue on mating gear tooth surfaces. Fatigue tests are an important part of developing gears. The purpose of this work is to upgrade the back to back gear test rig for advanced type of fatigue tests by developing the test methods and to carry out reference fatigue tests focused on gear macropitting life.
In standardized macropitting test the test gears are driven under constant torque until certain amount of gear flank area is damaged or test cut-off length is fulfilled. Progression of damage is monitored by visual inspection in certain time interval. In this work online inductive particle counter was implemented to the outlet oil flow of the test gear box to monitor the gear wear particles from the oil. An optical online particle counter was implemented to the inlet oil supply of the test gear box to monitor the contaminants. Online load torque measurement method was developed and implemented. Vibration acceleration measurement was attached to the test gear box to study the correlation between vibration and macropitting damage progression and also to monitor the abnormal behaviour of the test rig. An arrangement to measure gear surface profile and roughness was designed for mounted and dismounted gears. In addition, tooth root strain measurements for running gears were developed and applied in separate test. This study also included a literature review focusing on gears, gear failure modes and lubrication.
The measurement results show that metallic particles observed with online particle monitoring correlated well with progression of macropitting damage in gear flank. It was concluded that online particle monitoring is a promising way to follow the progression of macropitting damage in parallel with visual inspections. Five reference tests were carried out successfully with upgraded gear test rig using three different load stages. Test rig is now on continuous operation to complete the reference test series and test series with advanced material and surface topography. The implemented measuring systems were also utilized to monitor the test rig overall behaviour during unmanned operation and to activate automatic shutdown procedure based on specified signal limits related to key operating parameters.
Standardin mukaisessa kuoppautumistestissä testipyöriä ajetaan vakio kuormituksella, kunnes tietty pinta-ala hammaskyljestä on vaurioitunut, tai saavutetaan ennalta asetettu kierrosmäärän raja-arvo. Vaurion kehittymistä seurataan visuaalisilla tarkastuksilla tietyn kierrosmäärän välein. Tässä työssä kehitettiin jatkuvia mittausmenetelmiä asentamalla induktiivinen partikkelilaskin testivaihdelaatikon ulostulevaan öljykiertoon hammaspyörien kulumishiukkasten seuraamiseksi. Optinen jatkuva partikkelilaskin asennettiin testivaihdelaatikon sisään menevään öljykiertoon öljyn epäpuhtauksien seuraamiseksi. Jatkuva menetelmä otettiin käyttöön myös akselia kuormittavan vääntömomentin mittaamiseksi. Kiihtyvyysanturi asennettiin testivaihdelaatikkoon, ja sillä tutkittiin värähtelykiihtyvyyden ja kuoppautumisvaurion kehittymisen välistä korrelaatiota, sekä seurattiin testivaihdelaatikon mahdollista epänormaalia käyttäytymistä. Mittausmenetelmä hammaskyljen profiilin ja pinnankarheuden mittaamiselle kehitettiin asennetuille ja asentamattomille hammaspyörille. Erillinen testi, jossa mitattiin hammastyven venymää pyörivistä hammaspyöristä, kehitettiin ja toteutettiin. Työ sisältää myös kirjallisuusselvityksen hammaspyöriin, hammaspyörien vauriomuotoihin sekä voiteluun liittyen.
Mittaustulokset osoittavat, että partikkelilaskimella havaitut metalliset kulumishiukkaset korreloivat hyvin hammaskyljen kuoppautumisvaurion kehittymisen kanssa. Johtopäätelmänä todettiin, että jatkuva partikkelilaskenta on lupaava keino seurata kuoppautumisvaurion kehittymistä rinnakkain visuaalisten tarkastusten kanssa. Päivitetyllä hammaspyörätestilaitteella suoritettiin onnistuneesti viisi vertailutestiä yhteensä kolmella eri kuormitustasolla. Testilaite on nyt jatkuvassa käytössä vertailutestisarjan sekä eri materiaalin sekä pinnan topografian testisarjojen suorittamiseksi. Päivitettyjä mittausjärjestelmiä hyödynnettiin myös testilaitteen yleisen käyttäytymisen tarkkailuun miehittämättömän käytön aikana sekä aktivoimaan automaattista pysäytystä tärkeimpien toimintasuureiden raja-arvojen perusteella.
In standardized macropitting test the test gears are driven under constant torque until certain amount of gear flank area is damaged or test cut-off length is fulfilled. Progression of damage is monitored by visual inspection in certain time interval. In this work online inductive particle counter was implemented to the outlet oil flow of the test gear box to monitor the gear wear particles from the oil. An optical online particle counter was implemented to the inlet oil supply of the test gear box to monitor the contaminants. Online load torque measurement method was developed and implemented. Vibration acceleration measurement was attached to the test gear box to study the correlation between vibration and macropitting damage progression and also to monitor the abnormal behaviour of the test rig. An arrangement to measure gear surface profile and roughness was designed for mounted and dismounted gears. In addition, tooth root strain measurements for running gears were developed and applied in separate test. This study also included a literature review focusing on gears, gear failure modes and lubrication.
The measurement results show that metallic particles observed with online particle monitoring correlated well with progression of macropitting damage in gear flank. It was concluded that online particle monitoring is a promising way to follow the progression of macropitting damage in parallel with visual inspections. Five reference tests were carried out successfully with upgraded gear test rig using three different load stages. Test rig is now on continuous operation to complete the reference test series and test series with advanced material and surface topography. The implemented measuring systems were also utilized to monitor the test rig overall behaviour during unmanned operation and to activate automatic shutdown procedure based on specified signal limits related to key operating parameters.