Измерение вибраций, удара и шума

Диагностирование состояния машин и оценка степени опасности повреждения на основе данных контроля вибрации – один из наиболее эффективных методов повышения надежности и долговечности оборудования.

Виброизмерительная аппаратура служит для исследования механического состояния оборудования с целью обнаружения дефектов на разных стадиях их возникновения.

Виброизмерительную аппаратуру используют при эксплуатации роторных машин всех типов (сепараторов, центрифуг, насосов, компрессоров и т. д.), применяют для контроля качества сборки и наладки объектов и во многих других случаях.

Простейшей формой вибрации является гармоническое колебание тела, которое как функция времени представляет собой синусоиду (рис.).

S (t) Мгновенное значение коорди-

S наты положения точки при

колебательном движении t называют перемещением и

- S обозначают S (t).

T= 1/f₀

S – амплитуда; f₀ – частота колебаний.

Наибольшая часть колебаний, встречающихся на практике, имеет форму искаженной синусоиды. Для измерения параметров вибрации используют различные физические принципы преобразования механических колебаний в электрический сигнал.

Наибольшее распространение получили преобразователи со струнным чувствительным элементом, преобразователи с пьезоэлектрическим, тензорезистивным, электромагнитным (индуктивным) и ёмкостным чувствительными элементами. Они являются контактными, их закрепляют на исследуемом объекте и кабелем соединяют с контрольно-измерительной аппаратурой.

К примеру, пьезоэлектрические (пьезометрические) датчики являются достаточно эффективными, имеют небольшие размеры и массу, обладают высокой вибропрочностью и термостойкостью (до 500 ºC).

Схема пьезометрического датчика (рис) предназначен для измерения вибраций, удара и шума.

Корпус датчика 1 содержит два пьезоэлемента 6, разделённых токосъёмной пластиной 3. Пьезоэлемент обладает тем свойством, что под влиянием механического напряжения, вибраций, колебаний в системе, в нём вырабатывается разность потенциалов.

Необходимое давление на поверхности пьезоэлемента создаётся инерционной колеблющейся массой 2, которая поджимается упругим элементом 7. Датчик закрепляется с помощью резьбового хвостовика 5, электрический сигнал поступает к проводнику 4. Таким образом измерение напряжения зависит от интенсивности механических колебаний..

Преимущества бесконтактных измерителей вибрации заключаются в возможности проведения измерений с повышенной точностью в труднодоступных местах в условиях высоких температур и агрессивных сред. Для этого используются оптические, радиоволновые, акустические, радиационные, электромагнитные и магнитные методы, основанные на измерении частоты излучения генератора (например оптического), отраженного от объекта.

Вибрацию большинства роторных машин, как правило, определяют по пиковому значению размаха виброперемещения подшипников, т.е. определяется относительное смещение или деформация подшипника..

Общий уровень вибрации МАПП можно оценивать также по следующим параметрам: виброскорости и значению виброускорения. Первую производную перемещения по времени называют скоростью

v=	dS(t)	=Ś
	dt

Вторую – ускорением

a=	d2 S(t)	=Š
	dt2

По измерению одного из рассмотренных выше диагностических параметров вибрации можно судить о возникновении неисправности. Для определения характера дефекта, возникшего в машине, проводят спектральный анализ вибрации, т.е. весь диапазон частот вибрации разделяется на определённые спектры.

Кроме того, в настоящее время появляются средства измерения и анализа вибрации для диагностических систем, отличительной особенностью которых является возможность спектрального анализа не только самого сигнала, но и колебаний мощности отдельных его компонент, предварительно выделенных из сигнала.

В таких системах диагностики основное внимание уделяется анализу высокочастотной вибрации, которая в отличии от низкочастотной, возбуждается малыми по величине колебательными силами, возникающими ещё в начальной стадии развития дефектов.

Такие СД с возможностью анализа колебаний мощности измеряемого сигнала позволяют решать задачи диагностики тех узлов роторных машин, которые являются источниками сил трения и динамических нагрузок (источником колебания). Это подшипники качения, скольжения, рабочие колёса насосов и турбин, зубчатые колёса механических передач и многие другие.

Силы трения и, соответственно возбуждаемая ими высокочастотная вибрация, в исправных подшипниках представляют собой случайные процессы с постоянной за время измерения мощностью. При возникновении дефектов поверхностей качения появляется периодическое изменение мощности этих процессов, т.е. появляется скачок амплитудной модуляции сил трения и высокочастотной вибрации.

Частота модуляции определяет вид дефекта, глубина модуляции – степень развития дефекта. На рисунке приведены спектры колебаний мощности высокочастотной вибрации подшипникового узла без дефектов и с износом наружного кольца, которые иллюстрируют возможности диагностирования подшипников.

Дефекты обнаруживаются на ранней стадии развития, за насколько месяцев до появления аварийного состояния. Современные системы автоматического диагностирования позволяют по измерениям, проводимым достаточно редко, определить дефектный подшипник, вид дефекта, степень его развития и выдают рекомендации по необходимому обслуживанию или замене подшипника, а также дату следующего измерения, если подшипник не подлежит замене. Это позволяет перейти от обслуживания по регламенту и плановых ремонтов к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию. При этом количество измерений составляет порядка 10-15 за весь жизненный цикл подшипника, причём каждый интервал времени до следующего измерения задаётся системой в зависимости от результатов диагноза, т.е. от реального состояния подшипника.

Статистическая обработка материалов вибрационных исследований машин позволяет составить карты распознавания дефектов, по которым можно выбрать частотный диапазон аппаратуры, необходимый для обнаружения характерных неисправностей машины. Таким образом современные полностью автоматизированные системы, в которых ЭВМ включена в цепь обратной связи, используют для обработки, анализа и управления всем режимом работы по программе виброисследований.

Вибрация элементов машин, происходящая в результате рабочего процесса, собственных колебаний, соударений и т.п., вызывает колебания окружающей среды (воздуха), т.е. служит источником акустических колебаний.

Акустический шум представляет собой случайный процесс, и поэтому при его измерении используют такие же энергетические величины, как при измерении случайных вибраций.

Основные величины, которые определяют при акустических исследованиях – это звуковое давление, интенсивность и мощность звука, коэффициент направленности.

Максимальное изменение давления в среде при распространении звуковых волн по сравнению с давлением в среде при отсутствии волн называют звуковым давлением.

Энергию, переносимую волной за секунду через единицу поверхности, называют интенсивностью волн.

Интенсивность звуковых волн называют ещё силой звука.

Интенсивность I звуковой волны в точке, находящейся на расстоянии R от источника звука, излучающего звуковую энергию E, определяется из выражения:

I=E/(4πR²),

а звуковое давление будет:

р=const(1/R).

Интенсивность акустической волны характеризует мощность звука.

Для измерения акустического шума машин применяют так называемые измерительные микрофоны, с помощью которых акустические колебания в воздушной среде преобразуются в электрический сигнал.

Наибольшее распространение получили измерительные микрофоны конденсаторной системы (здесь происходит преобразование звукового давления в изменение ёмкости конденсатора), пьезоэлектрической, основанной на возникновении переменного электрического потенциала на пьезоэлектрической пластине при воздействии на неё звукового давления, и электродинамической системы, где при воздействии звукового давления в звуковой катушке индуцируется ЭДС и напряжение с катушки подаётся на вход усилителя.

Уровень шума, производимого машиной или механизмом, зависит от многих причин, поэтому рекомендуется измерять шум в акустически заданных (определённых) условиях, т.е. необходимо выделить из общего уровня акустического шума частотный диапазон, характеризующий возникшую неисправность.

Основными диагностическими параметрами, характеризующими ударный процесс, являются: ускорение, скорость, перемещение (при поступательном движении возмущения) и деформация рассматриваемой точки тела (при ударном воздействии).

При измерении параметров удара в качестве измерительных преобразователей наибольшее распространение находят преобразователи следующих типов: индуктивные, тензорезистивные и пьезоэлектрические.

Запатентованный специалистами Швеции в 1968 г. метод, получивший название технологии ударных импульсов, дал начало многим поколениям систем диагностики подшипников качения. Принцип действия метода ударных импульсов иллюстрируется сигналом, приведённым на рисунке.

Именно в подшипниках качения при плохой смазке или появления раковин на поверхности качения возникают такие отдельные короткие импульсы.

К сожалению, метод ударных импульсов не позволяет увеличивать интервал измерений выше 5-10 дней, так как именно на такой минимальный срок в начале развития дефектов возрастает величина мгновенной (пиковой) амплитуды сигнала, что снижает эффективность и несколько ограничивает возможности данной технологии в плане расширения номенклатура обнаруживаемых дефектов и прогнозирования изменения технического состояния машины (т.е. узкая область применения).

Дефектоскопия

Дефектоскопия (Д) – совокупность методов и средств неразрушающего контроля, предназначенных для обнаружения дефектов типа обнаружения сплошности и неоднородности материалов (раковины, поры, зоны рыхлости, включения, трещины, расслоения, непровар и т.д.) и изделий, резко снижающих их прочность.

Из всего многообразия методов Д практический интерес для диагностирования пищевого оборудования представляют радиационный, акустический, проникающими веществами и течеисканием.

Радиационная Д (основанная на регистрации и анализе ионизирующего излучения – рентгеновского, нейтронного гамма-излучения и т.д., после взаимодействия с контролируемым объектом) и акустическая Д (т.е. выявление дефектов под воздействием упругих колебаний в диапазоне частот от 50 Гц до 50МГц) широко применяются для контроля качества сварных швов, клеевых, паяных и других соединений (т.е. анализируется качество сборки), а также применяются для обнаружения зон нарушения соединений между элементами в многослойных конструкциях различной толщины (пример, обшивка с теплоизоляционным покрытием).

Д проникающими веществами основана на проникновении веществ полости дефектов объекта контроля. Эффект обнаружения дефектов усиливается с помощью люминесцирующего в ультрафиолетовом излучении (УФ) вещества (люминесцентный метод) или контрастирующего цветного вещества (цветной метод). Широкое использование нашло при контроле герметичности холодоиспользующего оборудования (при утечке хладонов), а также для обнаружения мельчайших поверхностных дефектов глубиной около 10 мкм и шириной около 1 мкм.

Д течением основана на проникновении газообразных и жидких веществ через сквозные дефекты с целью определения степени герметичности изделий, характеризуется падением давления за единицу времени. При создании внутри изделия повышенного давления газа с последующим погружением его в жидкость или обмыливанием мест течи определяется по пузырькам газа степень герметичности аппарата. Д течеисканием широко применяют для контроля герметичности сосудов высокого давления, сварных швов, многослойных изделий и др. объектов.

Структуроскопия

Структура материалов (Ме) определяет во многих случаях прочностные характеристики изделий.

Для исследования состояния структуры материалов, т.е. величины зерна, модулей упругости, твёрдости, текстуры, прочности и т.д., применяют в основном акустические, электромагнитные и радиационные методы измерения.

Создание конструкционных материалов с заданными механическими свойствами, прогнозирование их прочностных характеристик, определение исходного и остаточного ресурсов конструкций и причин их разрушения невозможно без глубокого изучения структуры материалов на макро- и микро уровнях, без исследования распределения состава микровключений, динамики изменения структурных параметров в процессе нагружения материалов. Между структурой и механическими свойствами материалов имеется определённая взаимосвязь. Это позволяет судить об их прочностных характеристиках по результатам структурного анализа. С его помощью (структуроскопии) можно выявлять неоднородные по структуре зоны, например мягкие пятна, оценивать глубину и качество механической, термической и химико-термической обработки на разных стадиях технологического процесса производства, а также определять степень механических напряжений, выявлять зоны усталости, и в конечном итоге контролировать качество поверхностных слоёв изделия.

Контроль основных параметров ( мониторинг) пищевого оборудования

Измерение температуры и давления

Приборы для измерения температуры разделяют на 2 класса – контактного и неконтактного действия.

К первым относятся жидкостные манометрические, ртутные термометры; хромель-копелевые соединённые с потенциометром термопары; полупроводниковые термометры сопротивления; термоиндикаторы, изменяющие цвет при нагреве. К приборам неконтактного действия относятся пирометры различных типов (принцип действия основан на зависимости спектральной яркости или излучаемой энергии нагретых тел от температуры).

Для измерения разности давлений и преобразования абсолютного давления в стандартный электрический сигнал наибольшее распространение получили измерительные преобразователи, основанные на методе силовой компенсации, тензометрическом и ёмкостном методах.

Наиболее распространены тензорезисторные измерительные преобразователи, обладающие высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Их принцип действия основан на преобразовании деформации упругих элементов в изменение сопротивления тензорезисторов.

Кроме того, основными измеряемыми параметрами диагностируемого пищевого оборудования являются:

• измерение уровня (поплавковый, ёмкостной, ультразвуковой, лазерный методы) и расхода (различного типа расходомеры);

• измерение влажности (важнейший показатель качества продукта, определяемый термогравиметрическим методом, т.е. высушивание пробы материала до постоянной массы в сушильных шкафах; могут применяться также и косвенные методы – пикнометрический, основанный на зависимости плотности продукта от содержания влаги; существует и ряд других прямых и косвенных методов. Для количественной оценки влажности газов используются гигрометры);

• измерение плотности (отношение массы m тела к его объёму V, т.е. масса единицы данного вещества ρ= m/ V. Для жидкости, в основном, используют весовые и гидростатические плотномеры.);

• измерение времени. По функциональному признаку применяют следующие приборы для измерения времени:

1. измерители текущего времени (в часах, минутах и секундах);

2. измерители интервалов времени (секундомеры, реле времени);

3. измерители физических характеристик (часовые тахометры, счётчики оборотов);

4. программно-временные задатчики интервалов времени и временных программ (таймеры);

5. мощные комплексные средства – хронометрические системы;

• измерение электрических параметров является самым распространённым видом измерения. К электроизмерительным приборам относятся вольтметры, амперметры для постоянного и переменного токов, различного типа омметры, осциллографы, комбинированные приборы для измерения двух и более параметров как на постоянном, так и на переменном токе и др. В настоящее время применяются измерительные информационные системы и измерительные комплексы, представляющие собой высший уровень интеграции электроизмерительной техники, средств автоматики и ЭВМ.