10.7. Віброакустична діагностика
Робота усіх машин і механізмів, що мають частини, які рухаються, супроводжується вібрацією і шумом. Причинами віброакустичних коливань є зіткнення в кінематичних парах, неурівноваженість деталей, що переміщаються, гідромеханічні процеси та ін.
Наприклад, вібрація корпусу форсунки в процесі уприскування палива викликана коливаннями голки, що піднімається, і її ударом під час посадки після закінчення уприскування.
Найпотужнішим джерелом шуму двигунів є шум випуску, що виникає в результаті витікання відпрацьованих газів з великою швидкістю, через змінюваний в часі прохідний переріз випускного клапана. Звукова потужність шуму випуску значною мірою залежить від надмірного тиску в циліндрі і температури газів, які зростають зі збільшенням навантаження на двигун.
Робота аксіально-поршневих насосів супроводжується вібрацією корпуси і акустичним шумом, а також пульсацією тиску робочої рідини в напірній магістралі. Причини цих явищ розділяють на механічні і гідромеханічні.
Одна з причин механічних шумів — наявність сумарного проміжку поршень — шатун — вал, величина якого в значній мірі визначає технічний стан насоса.
Причиною гідродинамічних шумів в основному є різкий перепад тисків при перенесенні робочої рідини зі всосуючої порожнини насоса в ту, що нагнітає. При цьому частина гідравлічної потужності, що розвивається насосом, йде на створення вібрації і шуму. Шум і вібрація механізмів давно використовують для оцінки їх технічного стану. Досвідчені механіки навчились ставити діагноз на слух, будучи як би прообразом системи віброакустичної діагностики. Використання досягнень сучасної науки дозволяє проводити точніший і об'єктивніший аналіз віброакустичних сигналів, які можуть бути використані в якості непрямих діагностичних параметрів.
Для виміру вібрації застосовують спеціальні вібродатчики, для виміру шуму використовують мікрофони. Подальшу обробку електричних сигналів здійснюють за допомогою вибвібровимірної апаратури. При діагностуванні результат виміру параметрів вібрації і шуму представляють, як правило, в графічному виді на екрані електронно-променевих осцилографів. Для спостереження сигналів від декількох датчиків використовують двох- і багатопроменеві осцилографи.
При проведенні вимірів датчик сприймає не лише сигнал, що несе корисну інформацію, але і велику кількість сторонніх сигналів, викликаних високою віброактивністю працюючих машин. Це призводить до необхідності використовувати складнішу, ніж просте посилення, обробку сигналу. Для виділення корисної інформації із складного віброакустичного сигналу застосовують різні методи: вибір місця установки датчика, тимчасова і частотна селекція, детектування та ін. Застосування для реєстрації сигналу електронно-струменевого осцилографа дозволяє виділити корисний сигнал за допомогою тимчасової селекції. Зіткнення різних деталей в механізмах відбуваються в строго певні моменти часу або, якщо йдеться про обертальний рух, в певні кутові проміжки фазового стану механізму. Включаючи реєструючу апаратуру тільки в моменти виникнення корисного сигналу, можна значно зменшити дію заважаючих сигналів. Для цього необхідно, щоб горизонтальна розгортка променя на екрані електронно-променевої трубки (ЭЛТ) працювала в режимі очікування. В цьому випадку рух променя на екрані ЕПТ, а значить, і реєстрація процесу почнуться тільки після приходу зовнішнього синхроімпульса. Для отримання синхроімпульсу використовують механічні або електронні фазовибірні пристрої (фазоизбиратели).
Механічні фазовибірник встановлюють на машину так, щоб валик фазовибірника обертався синхронно з валом машини. При обертанні валика відбувається замикання і розмикання контактів, що викликає виникнення імпульсів, синхронних з обертанням валу машини. Змінюючи місце установки контактів, вибирають момент виникнення синхроімпульсів.
Електронні фазовибірні пристрої (ЭФУ) не вимагають наявності механічного зв'язку з частинами машин, що обертаються, що значно розширює сферу їх застосування. Принцип дії ЭФУ заснований на способі фіксації моменту подачі синхроімпульса підрахунком кутових відміток за певний кут повороту валу машини.
При
діагностуванні двигунів в якості кутових
відміток можуть бути використані
імпульси, що виникають в індуктивному
датчику, розташованому над зубами вінця
маховика. Для підрахунку кутових відміток
застосовують електронні лічильники зі
змінним коефіцієнтом перерахунку
(ділення) К. При поступанні на вхід такого
лічильника числа кутових відміток,
рівного К, на виході лічильника з'являється
імпульс, що запускає розгортку осцилографа.
Якщо К дорівнює числу зубів маховика
Z, то розгортка запускатиметься за кожен
оборот двигуна. Для того, щоб розгортка
запускалася один раз впродовж повного
робочого циклу двигуна, коефіцієнт
ділення К визначають по формулі 
де Z — число эубьев на вінці крутня двигуна; τ — число тактів за повний цикл роботи двигуна.
При дослідженні вібрації агрегатів, пов'язаних з валом двигуна через редуктор (наприклад гідронасоса), величина К визначається формулою
K=Z/i
де i — передаточне число редуктора.
При використанні ЭФУ початкова фаза включення розгортки осцилографа визначається випадковим чином. Пошук заданої фази роботи механізму здійснюється шляхом збільшення або зменшення величини К відносно розрахункового значення. При цьому осцилограма на екрані ЭЛТ зміщується відповідно вліво або вправо. Задана фаза роботи механізму визначається підрахунком кутових відміток між опорною відміткою і початком осцилограми, що реєструється на екрані ЭЛТ в даний момент часу. Для цього кутові відмітки і опорна відмітка виводяться на другий промінь ЭЛТ. При підрахунку робочої фази двигуна відносно відмітки ВМТ першого циліндра може бути використана формула
φ=360Zi/Z
де φ— робоча фаза двигуна, Zi — число відміток зубів, відлічених на екрані відносно ВМТ.
Нині спеціальне устаткування для віброакустичної діагностики серійно не випускається, проте для діагностики можуть бути використані віброакустичні прилади загального призначення : шумоміри, вимірники вібрації і так далі. На мал. 10.20 приведена схема вимірів, застосована в МАДИ для віброакустичної діагностики дизеля.
Для реєстрації сигналів був застосований двопроменевий осцилограф, на екран якого виводилися сигнали від датчиків віброакустичних сигналів, кутових відміток і ВМТ. Що чекає розгортка осцилографа запускається в заданий момент з допомогою ЭФУ, при цьому здійснюється тимчасова селекція сигналу.
Підсилення і частотну селекцію віброакустичного сигналу роблять за допомогою шумоміра. На мал. 10.21 показана осцилограма вібрації корпусу форсунки під час вприскування.
Мал. 10.20. Схема вимірів віброакустичних сигналів :
I — датчик віброакустичних сигналів; 2 — датчик ВМТ; 3 — датчик кутових відміток; 4 — електронний фазовибірний пристрій; 5 — двопроменевий осцилограф; 6 — шумомір
Сигнал віддавця віброприскорень, встановленого на корпусі форсунки, подається на нижній промінь осцилографа, сигнали кутових відміток і ВМТ виводяться на верхній промінь.
Визначення кута випередження уприскування палива робиться шляхом підрахунку кутових відміток між точкою 1 початку уприскування і відміткою ВМТ 4. Для визначення тривалості вприскування
Мал. 10.22. Осцилограми шуму вихлопу чотирициліндрового двигуна:
а — працюють усі циліндри; б — працюють три циліндри
визначають кут повороту колінчастого валу між точками 1 і 2, впродовж якого на осцилограмі відображаються коливання подпіднятої голки форсунки. Застосовуючи цю схему для діагностики паливної системи дизеля в експлуатаційних умовах можна оприділити кут випередження вприскування і нерівномірність подачі палива секціями ТНВД.
На мал. 10.22 показані осцилограми шуму вихлопу чотирициліндрового дизеля. В якості датчика був застосований мікрофон, встановлений збоку від вихлопної труби. Порівняння амплітуд звукових імпульсів від різних циліндрів дозволяє оприділити непрацюючий циліндр і нерівномірність розпреділення потужності по циліндрах.
Перспективою розвитку віброакустичної діагностики являється застосування сучасних аналого-цифрових перетворювачів для введення сигналів від датчиків в ЕОМ. Це дозволить опрацьовувати вібросигнали за допомогою спеціальних програм і вирішити різні завдання діагностики.