Zastosowanie analizy modalnej w diagnozowaniu elementów

ZASTOSOWANIE ANALIZY MODALNEJ W DIAGNOZOWANIU ELEMENTÓW
UKŁADU ROZRZĄDU SILNIKÓW SPALINOWYCH
MARCIN ŁUKASIEWICZ, TOMASZ KAŁACZYēSKI,
MICHAŁ LISS, EWA KULIĝ, KRZYSZTOF GLAZIK
Streszczenie
W pracy przedstawiono moĪliwoĞci stosowania metod wibroakustycznych w badaniach wybranych elementów układu rozrządu silnika spalinowego. W szczególnoĞci
zaprezentowano moĪliwoĞü implementacji metod analizy modalnej w procesie modelowania i badaĔ diagnostycznych. W czĊĞci praktycznej pracy przedstawiono przykład
zastosowania róĪnych metod analizy modalnej w badaniach eksperymentalnych dla
wałka rozrządu silnika spalinowego.
Słowa kluczowe: silnik spalinowy, analiza modalna, modelowanie, techniki informacyjne
Wprowadzenie
Rosnący stopieĔ złoĪonoĞci nowoczesnych maszyn i pojazdów oraz rosnące wymagania bezpieczeĔstwa zmuszają konstruktorów i uĪytkowników tych obiektów do nadzorowania ich
bieĪącego stanu technicznego. Staje siĊ to moĪliwe, jeĞli juĪ na etapie projektowania konstruktorzy
zaimplementują w obiekcie urządzenia i procedury diagnostyczne. We współczesnej inĪynierii mechanicznej, w budowie oraz eksploatacji maszyn, czynnikiem stymulującym bezpoĞrednio rozwój
diagnostyki jest odpowiedzialnoĞü funkcji realizowanej przez maszynĊ. OdpowiedzialnoĞü ta moĪe
zostaü zdefiniowana w niewymiernych kategoriach bezpieczeĔstwa ludzi jak teĪ w wymiernych kategoriach ekonomicznych. Współczesne maszyny opisywane są takimi cechami jak: funkcjonalnoĞü,
bezpieczeĔstwo, niezawodnoĞü, gotowoĞü, mobilnoĞü i podatnoĞü eksploatacyjna. Celem stosowania diagnostyki maszyn jest, wiĊc okreĞlenie stanu obiektu na podstawie generowanych sygnałów
(symptomów) diagnostycznych i porównanie ich z wartoĞciami nominalnymi [1,4,8,9,10,11].
Jedną z metod opisu stanu maszyny jest diagnostyka drganiowa – rozumiana jako zorganizowany zbiór metod i Ğrodków do oceny stanu technicznego (jego przyczyn, ewolucji i konsekwencji)
systemów technicznych, przy wykorzystaniu procesów drganiowych lub sygnału hałasu. Patrząc
syntetycznie na ogół moĪliwych zastosowaĔ diagnostyki drganiowej w kolejnych fazach istnienia
obiektu, trzeba wyróĪniü potrzebĊ znajomoĞci wiedzy o obiekcie, o sygnałach, syndromach i symptomach oraz elementy teorii decyzji w zakresie wnioskowania diagnostycznego, niezbĊdnych do
prawidłowej oceny stanu technicznego obiektu.
Stosowane obecnie w silnikach spalinowych systemy skupiają siĊ na prawidłowym funkcjonowaniu obiektu poprzez diagnozowanie procesów sterowania silników. Wykryte nieprawidłowoĞci
w pracy silnika są zazwyczaj wynikiem rozregulowania układów silnika. Stosowane obecnie metody diagnostyczne silników spalinowych w małym zakresie skupiają siĊ na wykrywaniu uszkodzeĔ
w strukturze poszczególnych elementów silnika. Rozwiązaniem tego problemu moĪe byü zastosowanie metod wibroakustycznych a w szczególnoĞci analizy modalnej w diagnozowaniu stanu
silników [1,4,5,6,7,8,9,10].
166
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 79, 2016
1. Podstawy teoretyczne analizy modalnej
Analiza modalna układów mechanicznych jest metodą badania własnoĞci dynamicznych konstrukcji w oparciu o sygnały wibroakustyczne. W wyniku przeprowadzenia analizy modalnej
otrzymuje siĊ model modalny stanowiący uporządkowany zbiór czĊstoĞci własnych, odpowiadających im współczynników tłumienia oraz postaci drgaĔ własnych. Ideą tej metody jest Ğledzenie
zmian parametrów modelu modalnego, powstających na skutek rozregulowaĔ, zuĪycia, uszkodzeĔ
lub awarii, na podstawie bieĪących obserwacji obiektu. W metodzie tej tworzy siĊ model modalny
w postaci zbioru czĊstoĞci własnych, postaci drgaĔ oraz współczynników tłumienia, dla obiektu bez
uszkodzeĔ, jako wzorzec. NastĊpnie w czasie eksploatacji identyfikuje siĊ model modalny i bada
jego korelacjĊ z modelem dla obiektu nieuszkodzonego. W przypadku, gdy korelacja taka wystĊpuje
moĪna stwierdziü, Īe obiekt jest w stanie zdatnoĞci. W przypadku braku korelacji obiekt jest w stanie
niezdatnoĞci, spowodowanym np.: uszkodzeniem. Jest ona realizowana jako teoretyczna, eksperymentalna lub eksploatacyjna analiza modalna (operacyjna analiza modalna) [1,2,4,9,10,11].
Teoretyczna analiza modalna definiowana jest jako problem własny macierzy, zaleĪny od
macierzy mas, sztywnoĞci i tłumienia. Teoretyczna analiza modalna wymaga rozwiązania zagadnienia własnego dla przyjĊtego modelu strukturalnego badanej konstrukcji. Wyznaczone zbiory
czĊstoĞci własnych, współczynników tłumienia dla czĊstoĞci własnych oraz postacie drgaĔ własnych pozwalają na symulacje zachowania siĊ konstrukcji przy dowolnych wymuszeniach, doborze
sterowaĔ, modyfikacji konstrukcji i innych. Ma ona zastosowanie w procesie projektowania, gdy
nie ma moĪliwoĞci realizacji badaĔ na podobnym obiekcie [2,4,9,10,11].
Eksperymentalna analiza modalna stosowana w diagnozowaniu stanu konstrukcji umoĪliwia
estymacjĊ modeli dynamicznych oraz ich analizĊ w oparciu o dane pomiarowe umoĪliwiające, estymacjĊ parametrów modelu modalnego, symulacjĊ modyfikacji strukturalnych oraz syntezĊ
odpowiedzi obiektu na zadane wymuszenie. Przeprowadzenie eksperymentalnej analizy modalnej
wymaga pomiaru drgaĔ konstrukcji wyłączonej z ruchu w wielu jej punktach przy wymuszeniu
działającym w jednym lub wielu punktach wyznaczonej sieci punktów pomiarowych. JednoczeĞnie
musi byü mierzony przebieg siły wymuszającej drgania. Estymacja parametrów modelu modalnego
polega na aproksymacji zmierzonych charakterystyk konstrukcji za pomocą funkcji, dla której
zmiennymi są parametry modelu modalnego [2,4,9,10,11].
Eksploatacyjna (operacyjna) analiza modalna jest stosowana do identyfikacji obiektów
mechanicznych o duĪych rozmiarach i masach, w przypadku, gdy sztucznie nie wzbudzamy obiektu
do wibracji ale pozwalamy by jego naturalne wymuszenia eksploatacyjne wzbudzały strukturĊ do
drgaĔ oraz gdy nie moĪna wyłączyü badanej konstrukcji z normalnej eksploatacji. Takie rozwiązanie
cechuje siĊ krótkim czasem badaĔ i niskimi kosztami, gdyĪ nie ma potrzeby stosowania aparatury
pobudzającej, a pomiary nie zakłócają trybu pracy badanego obiektu, zmierzone sygnały odpowiedzi reprezentują zaĞ rzeczywiste warunki pracy obiektu[2,4,9,10,11].
Analiza modalna jest stosowana, jeĞli badany układ spełnia nastĊpujące warunki:
a) Układ jest liniowy i jego dynamika moĪe byü opisana za pomocą liniowego układu równaĔ
róĪniczkowych zwyczajnych lub cząstkowych. Z załoĪenia o liniowoĞci układu moĪemy
sformułowaü zasadĊ superpozycji układu, mówiącą, Īe odpowiedĨ układu na dowolną
kombinacjĊ wymuszeĔ musi byü równa kombinacji odpowiedzi na poszczególne wymuszenia. Zasada ta dotyczy zarówno czĊstoĞci jak i amplitud;
b) Układ spełnia zasadĊ wzajemnoĞci Maxwella, a wiĊc odpowiedĨ w punkcie i – tym konstrukcji spowodowana wymuszeniem w punkcie j – tym jest równa odpowiedzi w punkcie
167
Marcin Łukasiewicz, Tomasz KałaczyĔski, Michał Liss, Ewa KuliĞ, Krzysztof Glazik
Zastosowanie analizy modalnej w diagnozowaniu elementów układu rozrządu
silników spalinowych
j – tym na to samo wymuszenie działające w punkcie i – tym, to w rezultacie spełnienia
tego warunku otrzymujemy symetryczne macierze mas, sztywnoĞci, tłumienia oraz charakterystyk czĊstoĞciowych;
c) Współczynniki równaĔ opisujących dynamikĊ są stałe w trakcie pomiarów, co oznacza, Īe
w czasie jednej sesji pomiarowej zmiany parametrów nie powinny mieü wpływu na wyniki
pomiarów;
d) Tłumienie w układzie jest małe lub proporcjonalne do masy lub sprĊĪystoĞci, co jest istotne
wówczas, gdy badane są rzeczywiste postacie drgaĔ lub, gdy stosuje siĊ metody dla jednego
stopnia swobody;
e) Układ jest obserwowalny i istnieje moĪliwoĞü pomiarów wszystkich charakterystyk, których znajomoĞü jest niezbĊdna do znajomoĞci modelu.
WaĪnym pojĊciem ĞciĞle związanym z analizą modalną jest liczba stopni swobody. Opisuje ona
minimalną liczbĊ niezaleĪnych współrzĊdnych, których znajomoĞü jest konieczna do opisania
układu w przestrzeni. Dla bryły sztywnej w przestrzeni liczba stopni swobody równa jest trzem
stopniom swobody związanymi z przesuniĊciami wzdłuĪ poszczególnych osi x, y, z układu współrzĊdnych, oraz trzema stopniami swobody związanymi z obrotem bryły wokół tych osi ϕx, ϕy, ϕz.
Dowolny układ mechaniczny moĪe byü traktowany jako zbiór o nieskoĔczonej liczbie małych brył
sztywnych, z tego teĪ wzglĊdu ma on nieskoĔczoną liczbĊ stopni swobody [1,2,6,7,8].
Ze wzglĊdu na złoĪonoĞü metod analizy modalnej zostały stworzone dedykowane systemy informatyczne umoĪliwiające inĪynierom stworzenie modelu wirtualnego dowolnego obiektu
a nastĊpnie w miarĊ potrzeb przeprowadzenie badaĔ zarówno na obiekcie wirtualnym jak i rzeczywistym. Stwarza do moĪliwoĞci do prowadzenia diagnostyki juĪ na etapie konstruowania
i wprowadzania zmian do obiektu bez ponoszenia nakładów na tworzenie kosztownych prototypów.
W nastĊpnym rozdziale opisane zostaną przykładowe systemy, w które zostały zaimplementowane
moduły i elementy analizy modalnej.
2. Charakterystyka systemów CAD/ CAM/ CAE w procesie modelowania
Proces modelowania odbywa siĊ w zaawansowanych systemach CAD/CAM/CAE. Tego typu
systemy umoĪliwiają stworzenie przedmiotów, brył o skomplikowanych kształtach geometrycznych, po czym tak stworzone elementy czĊĞci maszyn poddawane są analizie, badaniom w róĪnych
aspektach eksploatacyjnych. Popularnymi programami, które charakteryzują te systemy są Autodesk Inventor, Catia oraz bardziej rozbudowany o systemy analizy LMS Virtual.Lab.
Autodesk Inventor- popularne Ğrodowisko CAD (Computer Aided Design). Charakteryzuje siĊ
moĪliwoĞcią stworzenia elementów czĊĞci maszyn – od najprostszych detali, po powierzchnie
o skomplikowanej, wielopłaszczyznowej krzywiĨnie. Jego zasadniczą funkcją jest stworzenie geometrycznego modelu maszyn, z uwzglĊdnieniem geometrii analitycznej. Zapewnia to wykonanie
elementów z duĪą dokładnoĞcią. Oprogramowanie to, poza funkcjami modelowania bryłowego, zawiera wiele funkcji umoĪliwiających wykonywanie badaĔ wytrzymałoĞciowych projektowanych
elementów, na przykład wykorzystana w pracy funkcja analizy modalnej [3,7].
168
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 79, 2016
Rysunek 1. Model wałka rozrządu wraz z siatką elementów skoĔczonych wykonany w programie
Autodesk Inventor
ħródło: [2].
Catia – system, który posiada zintegrowane moduły CAD/ CAM/ CAE. Podobnie jak opisany
powyĪej program, Catia posiada moduł CAM (Computer Aided Manufacturing), który umoĪliwia
wytwarzanie elementów czĊĞci maszyn, które posiadają złoĪone kształty. Głównym zadanie modułu, jest opracowanie procesu technologicznego, który współpracuje ze zintegrowanymi
obrabiarkami sterowanymi numerycznie [3,7].
LMS Virtual.Lab- W programie moĪliwe jest przeprowadzenie analizy dynamicznej i wytrzymałoĞciowej elementów współpracujących ze sobą w silniku spalinowym. MoĪliwe jest równieĪ
przeprowadzenie analizy hałasu emitowanego podczas pracy urządzenia. Wszystkie moduły mogą
ze sobą współpracowaü, mogą byü teĪ w pełni niezaleĪne. LMS Virtual.Lab jest oparty o jeden
interfejs Catia V5, co pozwala na symulacje w róĪnych dziedzinach nauki w jednym programie.
MoĪliwe jest wprowadzenie zmian w konstrukcji na etapie projektowania bez koniecznoĞci budowy
prototypów [3,7].
3. Przykłady stosowania metod analizy modalnej w badaniach elementów układu rozrządu
Dla potrzeb pracy przeprowadzono badania z zakresu teoretycznej oraz eksperymentalnej analizy modalnej dla obiektu badaĔ, którym był wałek rozrządu o numerze katalogowym 7541011 SF
wykorzystywanym w silniku spalinowym o numerze 126 A1.076/E.
3.1. Teoretyczna analiza modalna
Teoretyczna analiza modalna została wykonana w Ğrodowisku wirtualnym, gdzie na model nie
działały Īadne siły zewnĊtrzne. Ponadto w programie Autodesk Inventor 2014 narzĊdzie analizy
modalnej jest uproszczone. Twórcy oprogramowania pominĊli wartoĞü współczynnika tłumienia,
co sprawia, Īe wartoĞci czĊstotliwoĞci modalnych uzyskiwane tą metodą mogą siĊ róĪnic od wartoĞci uzyskanych w trakcie eksperymentu na obiekcie rzeczywistym. Dla potrzeb symulacji
zastosowano nastĊpujące załoĪenia, które zestawiono w tabeli 1 oraz 2.
169
Marcin Łukasiewicz, Tomasz KałaczyĔski, Michał Liss, Ewa KuliĞ, Krzysztof Glazik
Zastosowanie analizy modalnej w diagnozowaniu elementów układu rozrządu
silników spalinowych
Wynikiem teoretycznej analizy modalnej w Ğrodowisku Autodesk Inventor jest zbiór czĊstoĞci
własnych elementu oraz wartoĞci przemieszczeĔ. Przykłady przemieszczeĔ dla wybranych czĊstoĞci
przedstawiono na rysunku 1. Wyniki symulacji uzyskanych za pomocą teoretycznej analizy modalnej zestawiono w tabeli 3.
Tabela 1. Cechy fizyczne materiału w trakcie modelowania
Nazwa
Stal stopowa o wysokiej wytrzymałoĞci
GĊstoĞü masy
7,84 [g/cm3]
Granica plastycznoĞci
275,8 [MPa]
WytrzymałoĞü na rozciąganie
448 [MPa]
Moduł Younga
200 [GPa]
Współczynnik Poissona
0,287 [ul]
Moduł sprĊĪystoĞci
77,7001 [GPa]
Ogólne
NaprĊĪenie
Tabela 2. Parametry symulacji
Typ symulacji
Liczba trybów
Zakres czĊstotliwoĞci
Masa elementu
Pole elementu
ObjĊtoĞü elementu
Analiza modalna
8
0,1 – 10000 [Hz]
1,29752 [kg]
408,357 [cm2]
165,5 [cm3]
ĝrodek ciĊĪkoĞci
X= -0,469 [cm]
Y= 0,24 [cm]
Z= -0,73 [cm]
Liczba elementów siatki
Elementy zakrzywione siatki
Maksymalny kąt obrotu
35290
Tak
60º
Rysunek 2. Przykładowe wartoĞci przemieszczeĔ
dla: a) czĊstoĞci 325,76 Hz w kierunku osi X, b) dla czĊstoĞci 4682,19 Hz w kierunku osi Y
ħródło: opracowanie własne.
170
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 79, 2016
Tabela 3. Wyniki symulacji teoretycznej analizy modalnej uzyskane w Autocad Inventor
CzĊstoĞü modalna
F1
F2
WartoĞü czĊstoĞci modalnej
325,76 Hz
347,33 Hz
F3
F4
F5
1793,50 Hz
1802,29 Hz
3331,67 Hz
F6
F7
F8
3353,61 Hz
4682,19 Hz
4789,24 Hz
3.2. Eksperymentalna analiza modalna
Badania zostały przeprowadzone w laboratorium wibroakustyki Zakładu Pojazdów i Diagnostyki UTP w Bydgoszczy. W celu przeprowadzenia analizy przyjĊtych zostało dziesiĊü punktów
pomiarowych. W kaĪdym z tych punktów został przeprowadzony pomiar piĊciokrotnie. Miejsce
zamocowaĔ czujników, oraz ich kolejnoĞü przedstawia rysunek 3.2, gdzie strzałki zielone oznaczają
miejsca czujników w osi –Z, a czerwone strzałki oznaczają czujniki w osi X.
Rysunek 3. Miejsce mocowaĔ czujników pomiarowych w trakcie analizy
ħródło: [2].
Kolejnym krokiem analizy było przygotowanie w Ğrodowisku LMS Virtual.Lab układu geometrycznego badanego obiektu, którego model wraz z opisem przedstawiono na rysunku 4.
171
Marcin Łukasiewicz, Tomasz KałaczyĔski, Michał Liss, Ewa KuliĞ, Krzysztof Glazik
Zastosowanie analizy modalnej w diagnozowaniu elementów układu rozrządu
silników spalinowych
Rysunek 4. Model siatki wraz z współrzĊdnymi punktów wymuszeĔ wykonanej
w LMS Test.Xpress Modal Analysis
ħródło: opracowanie własne.
Wynikiem pomiarów na tym etapie było uzyskanie widma przyspieszeĔ drgaĔ, wartoĞci tłumienia oraz siły uderzenia młotka modalnego w badany element. Przykładowe zbadane te wartoĞci
przedstawiono na rysunkach 5, 6 oraz 7. Wykorzystując narzĊdzie uĞredniania program uĞrednił
wszystkie wartoĞci przyspieszeĔ drgaĔ dając jeden wynik pomiarowy przedstawiony w postaci wykresu na rysunku 8.
Rysunek 5. Widmo przyspieszeĔ drgaĔ dla pomiaru w drugim punkcie pomiarowym
ħródło: opracowanie własne.
172
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 79, 2016
Rysunek 6. Tłumienie drgaĔ dla pomiaru w drugim punkcie pomiarowym
ħródło: opracowanie własne.
Rysunek 7. WartoĞü siły uderzenia młotka modalnego w drugim punkcie pomiarowym
ħródło: opracowanie własne.
173
Marcin Łukasiewicz, Tomasz KałaczyĔski, Michał Liss, Ewa KuliĞ, Krzysztof Glazik
Zastosowanie analizy modalnej w diagnozowaniu elementów układu rozrządu
silników spalinowych
Rysunek 8. UĞrednione widmo przyspieszeĔ dla wszystkich pomiarów
ħródło: opracowanie własne.
W kolejnym etapie system wyznaczył wartoĞci czĊstoĞci własnych oraz współczynnika tłumienia, które zestawiono w tabeli 4. Dla kaĪdej z czĊstoĞci przypisana została wartoĞü przemieszczeĔ
w kierunku X. Przykłady przemieszczeĔ przedstawiono na rysunku 9 i 10.
Tabela 4. Wyniki uzyskane metodą eksperymentalnej analizy modalnej
F1
F2
CzĊstoĞci własne [Hz]
357,6383
642,2722
F3
1739,6849
0,6
F4
2178,2163
0,81
F5
3306,1485
0,91
F6
3757,7804
1,09
F7
4331,1302
0,08
F8
4690,863
0,04
174
WartoĞü tłumienia [%]
7,65
11,05
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 79, 2016
Rysunek 9. Postaü drgaĔ dla czĊstoĞci 1739,6849 Hz w kierunku X
ħródło: opracowanie własne.
Rysunek 10. Postaü drgaĔ dla czĊstoĞci 4331,1302 Hz w kierunku X
ħródło: opracowanie własne.
3.3. Analiza uzyskanych wyników
Zaprezentowane wyniki obu metod wykazują duĪe prawdopodobieĔstwo odnoĞnie kształtu postaci drgaĔ własnych. Niestety wartoĞci czĊstoĞci teoretycznej analizy modalnej nie pokryły siĊ
z czĊstoĞciami otrzymanymi podczas badania metodą eksperymentalnej analizy modalnej.
Pierwsza postaü drgaĔ przejawiała siĊ w postaci wygiĊcia wału na całej jego długoĞci. Wystąpiło to dla czĊstoĞci 325,76 Hz oraz 347,33 Hz dla analizy teoretycznej, natomiast dla
eksperymentalnej analizy modalnej wartoĞci te wynosiły 357,6383 Hz oraz 642,2722 Hz. RóĪnica
wartoĞci dla obu metod wynosi kolejno 31,8783 Hz oraz 294,9422 Hz.
Kolejne odkształcenie wystąpiło dla czĊstoĞci 1793,5 Hz dla teoretycznej analizy modalnej oraz
1739,6849 Hz dla eksperymentalnej analizy modalnej. Odkształcenie zostało zaobserwowane na
jednej z krzywek wału. RóĪnica czĊstoĞci obu metod wyniosła w tym przypadku 53,8151 Hz.
NastĊpny rodzaj postaci drgaĔ cechował siĊ wygiĊciem wału w kształt litery „S”. Dla teoretycznej analizy modalnej, wartoĞci czĊstoĞci wynosiły 1802,29 Hz, 3331,67 Hz, 3353,61 Hz oraz
4682,19 Hz. W przypadku badaĔ przeprowadzonych metodą eksperymentalnej analizy modalnej
175
Marcin Łukasiewicz, Tomasz KałaczyĔski, Michał Liss, Ewa KuliĞ, Krzysztof Glazik
Zastosowanie analizy modalnej w diagnozowaniu elementów układu rozrządu
silników spalinowych
stan taki uzyskano przy czĊstoĞciach 2178,2163 Hz, 3306,1485 Hz, 3757,7804 Hz oraz 4331,1302
Hz. RóĪnicami czĊstoĞci dla kolejnych pomiarów są odpowiednio 375,9261 Hz, 25,5215 Hz,
404,1704 Hz, oraz 351,0598 Hz.
Ostatnią uzyskaną postacią drgaĔ jest odkształcenie w czĊĞci mocowania wału. Dla teoretycznej
analizy modalnej, czĊstoĞü wyniosła 4789,24 Hz natomiast dla eksperymentalnej analizy modalnej
czĊstoĞü ta wynosi 4690,863 Hz. RóĪnica czĊstoĞci wynosi 98,377 Hz.
4. Podsumowanie
DziĊki zastosowaniu metod wirtualnych moĪliwe staje siĊ przeprowadzenie badaĔ diagnostycznych zarówno na etapie projektowania jak i na etapie normalnej eksploatacji, gdzie metody modalne
pomagają wyjaĞniü charakter pracy badanego elementu. W artykule zaprezentowano moĪliwoĞü implementacji technik informatycznych na przykładzie programu CAD, wraz z nowoczesną
technologią weryfikacji prototypu poprzez Ğrodowisko systemu LMS Virtual.Lab w oparciu o badania wibroakustyczne ze szczególnym uwzglĊdnieniem metod analizy modalnej do badaĔ
diagnostycznych wybranych elementów układu rozrządu silników spalinowych. Dla potrzeb tej
pracy przedstawiono badania elementu układu rozrządu w postaci wałka rozrządu, dla którego wyznaczono teoretyczne wartoĞci czĊstoĞci modalnych w systemie wirtualnym oraz odpowiadające im
przemieszczenia wałka w wybranych punktach. WielkoĞci te nastĊpnie zweryfikowano dla obiektu
rzeczywistego metodami eksperymentalnej analizy modalnej. Jako wynik uzyskano ponownie wartoĞci czĊstoĞci drgaĔ własnych, wartoĞci współczynnika tłumienia i okreĞlono postaci drgaĔ.
Porównanie uzyskanych wyników wskazało jednoznacznie na róĪnice wyników uzyskiwane w obu
metodach. RóĪnice te wynikają z rodzaju metod i modelu modalnego tworzonego na potrzeby danej
metody badawczej, błĊdów pomiarowych oraz błĊdu metody. Teoretyczna analiza modalna została
wykonana w Ğrodowisku wirtualnym, gdzie na model nie działały Īadne siły zewnĊtrzne. Ponadto
w programie Autodesk Inventor 2014 narzĊdzie analizy modalnej jest uproszczone. Eksperymentalna analiza modalna została przeprowadzona w warunkach rzeczywistych, gdzie na obiekt działają
zewnĊtrzne siły zakłócające pomiar.
Zastosowanie powyĪszych metod do badani diagnostycznych dla układów silników spalinowych znajduje zatem swoje zastosowanie zarówno w badaniach modelu wirtualnego jak
i rzeczywistego obiektu. Badania tego typu mogą byü stosowane jako uzupełnienie innych dotychczas stosowanych klasycznych metod diagnostycznych. DziĊki modelowi geometrycznemu
moĪliwa staje siĊ wizualizacja otrzymanych wyników, co pomaga zrozumieü i wyjaĞniü zachowanie
siĊ obiektu w warunkach rzeczywistej eksploatacji.
Bibliografia
[1] Cempel C.: Diagnostyka wibroakustyczna maszyn. PWN Warszawa 1989.
[2] Glazik K.: Badania diagnostyczne silników spalinowych z zastosowaniem metod wibroakustycznych, praca inĪynierska, UTP Bydgoszcz 2016r.
[3] Łukasiewicz M., KałaczyĔski T., Musiał J, SHALAPKO J. I.: Diagnostics of buggy vehicle
transmission gearbox technical state based on modal vibrations, Journal of Vibroengineering,
September 2014. Volume 16, Issue 6, Pages (2624–3168). Numbers of Publications from 1359
to 1407, ISSN 1392-8716.
176
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 79, 2016
[4] Łukasiewicz M.: Vibration Measure as Information on Machine Technical Condition, Studia
i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarządzania Wiedzą – 2010, vol. 35, s. 111–118, ISSN
1732-324X.
[5] Łukasiewicz M., KałaczyĔski T., KarolewskI D.: Badania wpływu układu klimatyzacji na parametry pracy pojazdów samochodowych, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia
Zarządzania Wiedzą – 2014, vol. 68, s. 113–128, ISSN 1732-324X.
[6] Łukasiewicz M., KałaczyĔski T., ĩółtowski B., Liss M.,: Naprawa powypadkowa a właĞciwoĞci
konstrukcji noĞnej pojazdów, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarządzania Wiedzą,
– 2014, vol 68, s. 176–190, ISSN 1732-324X.
[7] WyleĪoł M.: CATIA. Podstawy modelowania powierzchniowego i hybrydowego. ISBN 83-7361126–6, Wydawnictwo Helion, Gliwice 2003r.
[8] ĩółtowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn, Wydawnictwa Uczelniane ATR w Bydgoszczy,
Bydgoszcz 1996r.
[9] ĩółtowski B., Łukasiewicz M., KałaczyĔski T.: "Techniki informatyczne w badaniach stanu maszyn", Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy,
Bydgoszcz 2012r.
[10] ĩółtowski B., KałaczyĔski T.: Diagnostyka maszyn. Wykład i üwiczenia. Wydawnictwo Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, Bydgoszcz 2013r.
[11] ĩółtowski B.: Łukasiewicz M.: Diagnostyka drganiowa maszyn. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, Bydgoszcz – Radom 2012r.
THE USE OF MODAL ANALYSIS IN COMBUSTION ENGINES TIMING GEAR
SYSTEM DIAGNOSTIC INVESTIGATIONS
Summary
The possibilities of vibroacoustics methods applying in the audits of the chosen
units of the of the combustion engine timing rear units were introduced in this paper.
The possibility of the modal analysis methods implementation in the process of modelling and diagnostic audits were presented in the peculiarity. The example of the
various modal analysis methods use in experimental audits for the timing gear camshaft of the combustion engine was introduced in the investigative piece of the work.
Keywords: combustion engine, modal analysis, solid modeling, informative technics
Marcin Łukasiewicz
Tomasz KałaczyĔski
Michał Liss
Ewa KuliĞ
Krzysztof Glazik
Zakład Pojazdów i Diagnostyki
Wydział InĪynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy
e-mail: [email protected]
177