книги из ГПНТБ / Попков, В. И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов

обеспечивает высокие входные сопротивления и оптимальные харак­ теристики. Так, низкочастотные усилители серии 226 вполне удо­ влетворяют требованиям, предъявляемым к согласующим и раз­ вязывающим усилителям, связанным с вибродатчиками [9].

На рис. 36 приведены гистограммы распределения наиболее важных параметров (Свх, RBX, RBUX и £/ш) интегральных гибридно-

Рис. 36. Гистограммы распределений напряжения шума (а), входного со

противления (б), входной емкости (в) и выходного сопротивления (г) инте тральных гибридно-пленочных усилителей.

пленочных усилителей серии 226 (2УС261). При отборе возможно, чтобы Свх — 2 пФ; RBax = 1 Ом; RBX = 500 МОм; Um = 1— 2 мкВ.

Потребляемая мощность от источника отрицательной полярности 20—50 мВт, источника положительной полярности 10—60 мВт.

Если измерения не очень продолжительны (минуты—часы), то возможно осуществить питание гибридно-пленочных усилителей от малогабаритных таблеточных аккумуляторных элементов. Это позволит убрать из подводящих кабелей шины питания и избежать соответствующих наводок.

Конструктивно усилитель серии 226 выполнен в металлостеклян­ ном корпусе типа 252МС15—2, максимальный габарит которого 19,5 X X 14,5x4 мм. Усилитель серии 226 требует двух навесных емкостей

100

и одного сопротивления и может быть выполнен в кабельном разъеме. Простой заменой катодных повторителей может служить состав­ ной истоковый повторитель из полевого и биполярного транзисто­ ров [15], при этом величина выходного напряжения достигает 10 В. Усилители с низким уровнем шумов, высоким входным и низким выходным сопротивлением можно реализовать по схеме операционого усилителя с модуляцией — демодуляцией (МДМ). Для построе­

ламп созданы полупроводниковые фетроны. Параметры согласующих усилителей при использовании их в многоканальной аппаратуре передачи информации с вибродатчиков должны быть по возмож­ ности идентичны. Этого можно достичь, применяя жесткий отбор интегральных схем. Если специально использовать дискретные бескорпусные транзисторы в гибридно-пленочных схемах одной системы

и возможности для замены катодных повторителей и согласующих ламповых усилителей на интегральные усилители.

Многоканальные аналоговые коммутаторы (МАК) для вибр'о- акустических измерений в настоящее время строят на электромагнит­ ных реле, а также электромеханических шаговых искателях. Умень­ шение размера, веса, потребляемой мощности, а также повышение надежности коммутаторов возможно при построении их не на кон­ тактных (релейных) элементах, а на бесконтактных полупровод­ никовых схемах. В табл. 2 приведены сравнительные характеристики контактных и электронных полупроводниковых коммутаторов. Видно, что характеристики бесконтактных полупроводниковых переклю­ чателей значительно лучше. Из всего многообразия полупроводни­ ковых коммутаторов наиболее ощутимый эффект можно получить при использовании коммутатора, построенного на интегральных схемах.

Основными элементами, на которых строятся различные типы многоканальных аналоговых коммутаторов, являются аналоговые ключи, логические элементы и усилители. Перечисленные элементы реализуются в виде твердых схем на биполярных транзисторах

идиодах, а также на униполярных структурах.

Внастоящее время достаточно хорошо систематизированы све­ дения по логическим интегральным элементам и составленным на них комплексам. Отметим лишь, что логическое распределитель­ ное устройство МАК можно построить практически на любых типах интегральных твердых схем.

Из ключей на полупроводниковых элементах особый интерес представляют ключи на биполярных и униполярных транзисторах, так как они обладают наилучшими техническими характеристиками. Биполярные транзисторные ключевые схемы подразделяют на раз­

ки

Таблица 2

Сравнительные характеристики контактных и полупроводниковых коммутаторов

личные классы в зависимости от способа управления, величины оста­ точных параметров, наличия и способа компенсации остаточных па­ раметров и т. д.

По способу управления (одном из важнейших признаков ключе­ вого элемента на биполярном транзисторе) все ключевые схемы можно разделить на имеющие изолированные или потенциально связанные с каналом коммутации цепи управления. Наиболее рас­ пространенными вариантами изолированных схем управления яв­ ляются схемы с трансформаторами, изолированными источниками питания и их аналогами.

Одним из относительно новых высококачественных приборов, ко­ торый можно использовать во многих рассматриваемых схемах МАК, является униполярный транзистор, на основе - которого создаются большие интегральные схемы, содержащие как транзисторы и диоды, так и сопротивления. Степень интеграции в одной микросхеме, оформленной в корпусе типа 101СТ12 (1,2x14x6 мм), может дости­ гать тысячи элементов [61.

Интерес к униполярным структурам для использования их в коммутаторных устройствах объясняется также еще и техническими характеристиками, выгодно отличающимися от обычных транзисто­ ров. Основные преимущества униполярных структур следующие:

— высокое входное сопротивление (до 1014 Ом) со стороны цепи управления (следовательно, не требуется трансформаторов в цепи управления);

102

—отсутствие в эквивалентной схеме открытого ключа на уни­ полярном транзисторе генератора напряжения;

—высокое сопротивление закрытого ключа (до Ю10Ом);

—управляемость сопротивления канала;

— хорошая совместимость и конструктивная сочленяемость

ствердыми схемами на обычных транзисторах;

—малые токи утечки (10~10— Ю~14 А);

—простота построения интегральных схем с высоким уровнем интеграции БИС только на МОП структурах, так как на них легко реализуются диоды, сопротивления, емкости и транзисторы.

Таким образом, эти приборы сочетают достоинства полупровод­ ников с рядом ценных свойств ламп и позволяют выполнять пассив­ ные радиокомпоненты. Разработке униполярных структур и их анализу посвящено немало работ [6].

Для акустических систем большое практическое значение имеют метрологические характеристики ключевых схем многоканальных коммутаторов. При реализации миниатюрных коммутаторов наи­ более просто получить приемлемые метрологические характеристики, используя полевые транзисторы типа МОП или с /ш-переходом.

Ввиду малых размеров МАК на интегральных схемах типа МОП открывается возможность построения многоступенчатых структур коммутаторов без существенного увеличения габаритов. Такие струк­ туры позволят уменьшить влияние входных сигналов от различных вибродатчиков друг на друга, что равнозначно увеличению динами­ ческого диапазона развязки различных трактов передачи.

Многоступенчатая структура МАК на п входов приведена на рис. 37. Числе} ключей многоступенчатого коммутатора с М ступе­

Такая структура на ключах с трансформаторным управлением, реле, лампах требует существенных габаритов. Многоступенчатый МАК позволяет увеличить полосу пропускания входного сигнала, уменьшить влияние помех от цепей управления и осуществить де­ шифрацию внутри самой структуры без специального дешифратора. Последнее пояснено на рис. 38, где приведена блок-схема двухсту­ пенчатого 50-канального коммутатора. В первой ступени каждой группы замкнут второй ключ, а во второй ступени — первый. Таким образом, на выход попадает сигнал от второго датчика. Управление ключами осуществляется непосредственно от делителей. В этой схеме влияние соседних каналов уменьшается в 11 раз в сравнении с одноступенчатой структурой. Благодаря высоким входным сопро­ тивлениям и малым токам затворов МОП-ключей (например, клю­ чей интегральных схем 1КТ901) делитель 1 можно нагрузить сразу на 10 ключей десяти групп первой ступени. Если делители 1 я 2 поместить непосредственно в одной конструкции с ключами, то, кроме входных концов и шин питания, понадобится всего два конца; для начальной установки делителей и для импульсов управления.

103

Поэтому МАК на интегральных МОП схемах просты, надежны, пот­ ребляют малые мощности и малогабаритны. У существующих вариан­ тов коммутаторов число проводов управления превышает число вход­ ных сигнальных проводов, а размеры — габариты коммутатора на МОП интегральных схемах (в 20—30 раз).

Использование комбинаций МОПТ с р и п каналами позволяет уменьшить статическую ошибку МАК на 50 входов от токов затво­ ров и подложек приблизительно в 5—10 раз в сравнении с МАК

получил преобразователь, рабо­ тающий по принципу поразрядного уравновешивания с цепью обрат­

ной связи (рис. 39). Преобразователи поразрядного уравновешива­ ния с обратной связью состоят обычно из узла сравнения эталон­ ного и входного напряжений, преобразователя код—напряжение (для выработки эталонного напряжения) и регистра запоминания кода. Преобразователь код—напряжение состоит из сетки преци­ зионных сопротивлений с ключами и регистра переключений раз­ рядов. Все упомянутые узлы реализуются в виде интегральных мик­ росхем [10, 74]. Логические регистры можно построить на твердых схемах («Логика», «Посол», «Таран» и т. д.), в том числе и в виде од­ ной БИС [6].

Для запоминания входной информации на время кодирования используют устройства с МОП-транзисторами. Это важно при двухканальной обработке информации с вибродатчиков, чтобы за время кодирования не изменилась разность фаз в двух отсчетах ПН К. В преобразователе код—напряжение (ПКН) используют оте-

135

чественные интегральные прерыватели 1КТ011 на 1КТ621 и 1КТ901. При этом для 12-разрядного ПКН можно использовать микросхемы 1КТО 11 А, а для 16-разрядного — микросхемы 1КТ621, позволяю­ щие уменьшить роль дрейфа, так как их допустимое рабочее напря­ жение значительно больше (30 В), чем у 1КТ011А (6,5 В). В преоб­ разователе используют логические отечественные микросхемы се­ рии 216, 2ЛБ172, 2ЛБ173, 2ЛР171, 2ТК171 и сетку типа R — 2R.

Постоянная времени ПКН не более 2 мкс. При реализации много­ канальных систем обработки информации с вибродатчиков очень важно получать идентичные характеристики всех трактов. Сделать это практически нелегко, так как вибродатчики, усилители, согласую­ щие каскады, ключи коммутаторов и кабели, имеют разбросы тех­ нических параметров, что приводит к различным ошибкам. Исполь­

цессом обработки нуль информации (максимум или среднее) и вво­ дить эти поправки в итоговый результат простым сложением кодов.

Так как изменение составляющих ошибок каждого тракта обычно представляет собой медленный временной процесс, то такое попра­ вочное кодирование можно осуществлять один раз на несколько циклов обработки. Данный метод позволяет снизить требования к отдельным узлам в трактах многоканальной системы обработки информации с вибродатчиков. При построении ПН К в виде БИС или на основе отдельных интегральных микросхем возможно исполь­ зовать такие преобразователи непосредственно после предвари­ тельных усилителей в каждом канале вибродатчика. Передачу сиг­ налов по кабелям можно осуществлять в виде кодоимпульсной модуляции и тем самым снизить влияние наводок. Использование телеметрической передачи кодов, характеризующих величину си­ гнала вибродатчика, даст возможность полностью устранить сое­ динительные кабели, позволит создать мобильные переносные изме- рительно-анализирующие устройства и автоматизировать соответ­ ствующие процессы обработки. Для обработки акустических си­ гналов в реальном масштабе времени по алгоритму быстрого пре­ образования Фурье требуется снимать отсчеты не реже 10—20 fDb,CIU спектра сигнала, т. е. не реже 20—400 кГц.

Таким преобразователем может служить буферное устройство выборки или следящий преобразователь. Устройство выборки вы­ полняют на микросхемах и полевых транзисторах.

Следовательно, использование интегральных твердых схем и БИС открывает новые возможности повышения мобильности, надежности, уменьшения веса и габаритов устройств и систем из­ мерения, усовершенствования анализа акустической информации, автоматизации соответствующих процессов обработки и реали­ зации качественно новых технических решений и алгоритмов ана­ лиза.

Кб

§ 15 Диагностика вибрации подшипников

Вибрация подшипников является вибра­ цией кинематического происхождения. Подшипникам качения свой­ ственны разностенность, волнистость колец, овальность их шаров, неравномерность во времени радиального зазора, обусловленная различным положением шаров, подшипникам скольжения — от­ клонение формы шейки вала от формы круга и т. д. В связи с этим в процессе вращения ротор вынужден отклоняться от правильной траектории движения для преодоления указанных дефектов, что

Рис. 40. Установка для измерения пространственного спектра волни­ стости.

приводит к возникновению реактивных сил и моментов и, след­ ственно, к вибрации корпуса и опор механизма. Спектр вибрации подшипников содержит как дискретные составляющие, так и сплош­ ную часть. Сплошной спектр возникает от ударов. Дискретные ча­ стоты вибрации связаны с размерами и техническими данными под­ шипников качения (см. приложение II). Наиболее интенсивно на уровни вибрации подшипников качения влияет волнистость дорожек качения колец.

Б. Т. Шефтель показал, что диагностику вибрации от волнистости дорожек можно значительно облегчить, если использовать в каче­ стве характеристики волнистости пространственный спектр откло­ нений формы дорожки от формы круга. В полярной системе коорди­ нат эти отклонения представляют собой периодическую функ­ цию р (ср) с периодом 2л. Разложение ее в ряд Фурье имеет следую­ щий вид: со

a ia — начальная фаза i-й гармоники волнистости.

107

Одна из возможных установок для определения пространствен­

конусом Морзе для насаживания оправки с испытуемыми кольцами подшипников 1. Вращение шпинделя осуществляется с любой ско­ ростью двигателем постоянного тока, питающимся от системы мотор— генератор. Спектр волнистости измеряется с помощью тракта, включающего датчик 3, предварительный усилитель 4, измеритель­ ный усилитель 5 и узкополосный анализатор 6. Пространственный спектр волнистости фиксируется на ленте самописца 7.

На рис. 41 приведены полученные на установке пространствен­ ные спектры волнистости колец одного из подшипников качения типа 504/33. Профиль дорожек качения определяется особенностями технологии изготовления колец данного размера и характеристи­ ками станочного оборудования. В результате статистических иссле­ дований профиля для определенного типоразмера подшипников качения можно выявить наиболее вероятный пространственный спектр волнистости дорожек качения. По картине пространственного спектра волнистости легко найти в спектре вибрации механизма частотные составляющие, обусловленные волнистостью дорожек качения подшипников. По составляющим пространственного спектра волнистости дорожек качения подшипника определяют частоты составляющих в спектре его вибрации.

На рис. 42 приведены спектры вибрации подшипника типа 504/33 в области высоких частот при различной частоте вращения ротора. Отмеченная составляющая вибрации соответствует 120-й гармонике волнистости внутреннего кольца этого подшипника (см. рис. 41).

Виброакустическую диагностику подшипников можно также

реляции вибрации исправного подшипника и подшипника с дефек­ том. Если подшипник исправен, функция корреляции В (т) изобра­ жается некоторой экспоненциально-затухающей кривой, область кор­ реляции которой может представлять сумму нескольких колебаний.

При дефекте на кольцах в функции корреляции проявляется некоторая периодическая часть с периодом следования шариков. Периодичность вызвана тем, что пакеты вибрации от дефекта, обра­ зованные различными шариками, коррелируются между собой. Поэтому при сдвиге процесса на время следования шариков друг за другом Т 0, проявляются области корреляции, не равные нулю. На рис. 43, а представлена коррелограмма В (т) вибрации исправ­ ного подшипника (зависимость В (т) от скорости вращения не обна­ ружена), на рис. 43, б — коррелограмма вибрации подшипника с дефектом на беговой дорожке внешнего кольца. На коррелограмме четко видны области корреляции. Расчет показал, что время задер­ жек т между областями корреляции равно периоду следования шари­

108

а,мкм

0,15

0,117

0,085

Рис. 43. Коррелограммы вибрации подшипни­ ков: исправного (а), с дефектом на внешнем (б)

и на внутреннем (в) кольце.