Уильям Л. Винтербауэр, доктор философии, главный инженер, QED Services, Анн-Арбор, Мичиган.

Вооруженные силы США предъявляют высокие требования к необходимому им оборудованию. Возьмем, к примеру, набор коробок передач, созданных компанией Excel Gear Inc., Роско, Иллинойс, (excelgear.com ) для ракетных пусковых установок на новых кораблях серии DDG1000 ВМС США. Коробки передач являются приводными элементами для сервосистем, которые вращают и поднимают ракетную установку. Для обеспечения хорошей работы сервоприводов коробки должны соответствовать требованиям военно-морского флота по жесткости, эффективности и низкому люфту.

Прототип был протестирован с использованием трудоемкого ручного метода. Несмотря на то, что этот метод был удовлетворительным, он требовал тщательной проверки для предотвращения ошибок при вводе данных. Требования к тестовой системе требовали высокой точности, устранения ошибок измерений и устранения ошибок ввода данных. Опыт компании по автоматизации процедур тестирования служит полезным уроком проектирования.

После успешного завершения прототипов президент Excel Gear Н.К. Чиннусами решил, что производственный цикл нуждается в улучшении процедур сборки и автоматизации методов испытаний. Предварительная нагрузка на подшипники была определена как важный фактор – слишком малая предварительная нагрузка допускала чрезмерный люфт, в то время как слишком большая снижала эффективность и выделяла тепло. Измерение, достаточно точное для определения оптимального размера распорки с предварительным натягом, затруднено, поскольку до установки распорки подшипник может наклоняться из стороны в сторону.

Компания изготовила набор приспособлений для предотвращения опрокидывания подшипников и улучшения повторяемости предварительных нагрузок. Приспособления также повысили эффективность первых серийных коробок и уменьшили их люфт по сравнению с тем, что было достигнуто в коробках-прототипах.

Типы тестов

Подразделения потребовали проведения нескольких тестов. Например:

Температурные испытания во время обкатки: Основными источниками тепла в коробке передач являются трение уплотнений, трение подшипников и вспенивание масла. Тепло, выделяющееся при взбивании масла, распределяется по всей коробке и рассеивается через корпус. Трение между уплотнением и подшипником является концентрированным и, если оно будет чрезмерным, приведет к выходу из строя. Температура проверяется вблизи подшипников на высокоскоростном валу, где измерения на коробках-прототипах показали самые высокие температуры. Эти участки также находились рядом с тюленями. Хотя невозможно разделить тепло, выделяемое подшипниками и уплотнениями, уплотнения, по-видимому, выделяют больше всего тепла.

Температуры регистрировались в течение двух часов при работе коробки на максимальной скорости. После охлаждения тест повторяли с коробкой, работающей в противоположном направлении. В ходе теста температура сначала быстро повышается, а затем с понижающейся скоростью. Пока температура не достигнет равновесия, в процессе эксплуатации коробки не будут работать непрерывно в течение двух часов, а максимальная скорость будет достигаться лишь с перерывами.

Жесткость зубчатой передачи: Эта характеристика, измеряемая при заблокированном выходном валу, представляет собой отношение перемещения входного вала к приложенному крутящему моменту в Нм/рад. Крутящий момент прикладывался с помощью гидравлического привода с двумя противоположными цилиндрами, приводящими в движение две рейки против шестерни. Стойки удерживаются в шестерне с помощью втулки. Это приводит к возникновению силы трения, противоположной направлению движения. Поскольку трение в гидравлическом приводе может привести к неточностям измерения, крутящий момент измеряется между приводом и входным валом с помощью датчика крутящего момента Dataflex 42/1000. Этот датчик имеет пропускную способность 1000 Нм в любом направлении. Крутящий момент определяется путем измерения крутящего момента на валу датчика с помощью поворотных датчиков в дифференциальной цепи. На каждом конце вала установлен ротор энкодера. Поскольку считывающие головки энкодера установлены на неподвижной части преобразователя, контактных колец нет. Выходной сигнал A-quad-B преобразователя преобразуется в напряжение электронным блоком энкодера. Диапазон выходного напряжения составляет от 0 до 10 В при значении холостого хода 5 В, а калибровочная константа составляет 0,200 Нм/мВ. Вращательное движение измерялось с помощью поворотного энкодера на 2000 строк (разрешение 0,018°). Поскольку входной вал проходит через коробку, энкодер установлен на противоположном конце вала от гидравлического привода. Когда коробка находится в рабочем состоянии, на этом конце вала установлен тормоз.

Выходной сигнал A-quad-B от энкодера преобразуется в напряжение программируемым блоком управления энкодером. Диапазон и количество вольт на градус могут быть установлены в зависимости от измеряемой величины вращения. Выход имеет диапазон от 0 до 10в. Для этого теста выходная мощность составляла 8.100° на В, а напряжение без вращения составляло 5 В.

Люфт зубчатой передачи: Для обеспечения рабочего зазора шестерен необходим некоторый люфт. Слишком малый люфт приводит к перегреву и преждевременному выходу из строя, а слишком большой — к снижению производительности сервопривода. Зазор определяется на основе данных, собранных для определения жесткости зубчатой передачи.

Момент отрыва: Для этих коробок она была низкой и измерялась вручную с помощью динамометрического ключа. Хотя обычно предпочтение отдается автоматическим тестам, некоторые из них настолько просты, что требуемое программирование не оправдано. Этот тест, например, был единственным, который не был автоматизирован.

Потери мощности коробки передач во всем диапазоне скоростей: Входной крутящий момент измерялся при работе коробки передач с набором скоростей как по часовой стрелке, так и против нее. Крутящий момент является почти линейной функцией скорости с небольшой составляющей сцепления. Это предпочтительно в сервосистеме, поскольку способствует демпфированию контура сервопривода. Поскольку крутящий момент является почти линейной функцией скорости, кривая потерь мощности почти параболическая.

Испытательное оборудование

На прилагаемых изображениях показано тестовое оборудование, а в таблице тестового оборудования перечислены некоторые его детали. Используемое программное обеспечение DASYLab представляет собой графический язык программирования. Он программируется путем размещения блок-схем, представляющих операции сбора данных, на экране и соединения их “проводами” для управления потоком данных. В используемой здесь системе обработанные данные записываются на диск в формате, разделенном табуляцией, подходящем для дальнейшего анализ с использованием Microsoft Excel.

Более подробная информация об испытательном оборудовании приведена в прилагаемой таблице

Программирование сбора данных: Блок-схема DASYLab предоставляет пример экрана программирования. Каждый блок представляет собой операцию с данными, такую как сбор, масштабирование, сохранение на диск и отображение. Этот метод программирования быстрее, чем написание кода. Например, выходное напряжение от датчика крутящего момента, энкодера и термопар было подключено к блоку электронного интерфейса. Эта коробка имеет встроенный опорный переход для термопар. Устройство также имеет цифровой и аналоговый выходы, но они не использовались. Интерфейсный блок сканирует свои входные данные и преобразует их из аналоговых в цифровые значения. Они передаются на компьютер через USB-соединение с частотой около 1 Гц. Это относительно медленно для сбора данных, но более чем достаточно для этих квазистатических тестов.

В программе DASYLab первое поле — это поле ввода, которое “общается” с аппаратным обеспечением и помещает входные значения на его выходы в цифровой форме. Обычно это специальный модуль, который работает только с определенным оборудованием. Большинство других блоков не зависят от типа оборудования в системе. Другие используемые поля — это цифровые дисплеи, графические дисплеи и поля вывода для записи данных на диск. Эти поля имеют соответствующие компоненты на экране дисплея. Этот экран может быть виртуальным прибором, то есть он может выглядеть как такие приборы, как вольтметры, осциллографы и самописцы диаграмм. Для этого теста программа преобразует входные данные в технические единицы измерения и отображает значения несколькими способами. Цифровые дисплеи показывают текущие числовые значения входных данных.

Другой дисплей, график XY, показывает вращение по оси Y и крутящий момент по оси X. Этот отзыв дает предварительный просмотр результатов. Это может сэкономить много времени, потому что, если что-то не так, например, оборвался провод или вышла из строя термопара, это быстро становится очевидным. Тест может быть остановлен, проблема устранена, и тест возобновлен. Проблема, которая остается незамеченной до тех пор, пока данные не будут проанализированы, тратит впустую весь период тестирования.

Недостатком DASYLab является то, что эта программа должна была быть написана с помощью компьютера, подключенного к аппаратному обеспечению интерфейса. Было бы большим преимуществом писать программу, сидя перед настольным компьютером, а не работать в тестовой зоне с помощью ноутбука.

Детали анализа

Обратная реакция и соответствие требованиям: Одним из преимуществ автоматизированного сбора данных является больший объем точной информации, чем может быть собран вручную за разумный период. Дополнительные данные дают лучшее представление о характеристиках оборудования, чем это было бы возможно в противном случае. В случае люфта и соответствия красная линия имитирует точки, полученные при изменении крутящего момента от нуля до максимума, до минимума и обратно до нуля три раза. (Приведенные данные не являются фактическими значениями, но они представляют собой точное представление о типе собранных данных.) Данные показали хорошую согласованность и повторяемость, что обеспечивает уверенность в результатах. Например, синяя линия показывает кривую, соответствующую данным о люфте и соответствии требованиям. Длина вертикальной линии при нулевой нагрузке указывается как люфт. Наклон линий, соответствующих наблюдениям, является жесткостью. Это консервативный метод определения таких значений. Обычный ручной четырехточечный тест дал бы как меньшие показатели люфта, так и соответствия требованиям. При испытании по четырем точкам используются два момента, которые лишь немного превышают момент отрыва в каждом направлении, и два момента, которые составляют от четверти до половины момента полной нагрузки.

Переход от ручного тестирования к автоматизированному: Первое использование автоматизированной системы включает в себя отладку, поскольку в тестовой системе, а также в тестируемом устройстве могут возникнуть проблемы. Преимуществом запуска этой системы было то, что предыдущие результаты, собранные вручную, были доступны для ознакомления. Проблемы с тестовой системой обнаруживаются быстро. Для первого испытания параллельно с новым испытательным оборудованием использовались некоторые ручные измерительные приборы. Это либо подтвердило результаты, либо выявило проблемы. Например, был быстро обнаружен и исправлен неправильный коэффициент масштабирования. Это иллюстрирует один из принципов успешного тестирования: проверьте калибровку испытательного оборудования перед проведением тестов.

Об авторе: Уильям Винтербауэр — главный инженер QED Services и консультант Excel Gear Inc.

Excel Gear Inc.
www.excelgear.com