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

измерении в полосе частот — напряжение со спектром в виде узко­ полосного белого шума с шириной полосы, соответствующей полосе контроля вибраций агрегата. В точках приложения и по направле­ ниям сил, действующих на конструкцию корпуса при работе агре­ гата, располагаются датчики ускорений. Сигналы с этих датчиков поступают на предварительные усилители, коэффициенты усиле­ ния которых на каждой из частот регулируются для выполнения равенства

IkH __~k

= а я

где %*, Хо — чувствительности датчиков, установленных соответ­ ственно в точке й и в опорной точке агрегата; kk, k 0— коэффициенты усиления включенных с упомянутыми датчиками предварительных усилителей.

Мгновенные значения сигналов, поступающих с предваритель­ ных усилителей, при измерении действующей податливости на дискретных частотах складываются суммирующим устройством. При определении действующей податливости в полосе частот сигналы с предварительных усилителей поступают на суммирующее устрой­ ство через соответствующие каждому предварительному усилителю квадратичные детекторы. Далее, для получения частотной характе­ ристики Мд сигналы с датчика силы и суммарный сигнал ускорения обрабатывают с помощью трактов, блок-схемы которых изображены на рис. 46 (гармонические колебания) и рис. 52 (стационарные случайные колебания в полосе частот).

Преимущество способа определения Л4Д, основанного на принципе взаимности, заключается в возможности возбуждения конструкции в одной точке при измерении отклика в нескольких точках (а не наоборот, 4 7 0 гораздо сложнее).

Параметр Мд позволяет оценить влияние конструктивного испол­ нения корпуса на уровни вибрации одного района (точки) опорной поверхности корпуса с учетом • особенности действующей системы

сил (для п-го участка Мд). При значительной протяженности опор­ ной поверхности механизма или блочного агрегата для характери­ стики резонансных (вибропроводящих) свойств всего агрегата дан­ ных о М" зачастую недостаточно. Вибропроводящие свойства кон­

струкций с учетом особенностей действующей системы сил и инер- ционно-жесткостных характеристик по всему периметру опоры оценивают по величине колебательной энергии, излучаемой в опор­ ные связи и поглощаемой в конструкциях корпуса, или по средней действующей податливости

где т — число обследованных по периметру опоры участков меха­ низма;

М д— действующая податливость применительно к n-му участку опорной поверхности механизма.

130

Измерение поглощаемой в корпусе механизма колебательной энергии и ее потока в опорные связи производят при возбуждении конструкций корпуса вибраторами в районе действия сил при работе механизма. Для определения потока энергии в опорные связи заме­ ряют отклик в нескольких точках, равномерно расположенных по периметру опорной поверхности, затем [см. формулу (2.10) ] сум­ мируют квадраты эффективных значений скоростей вибрации точек опоры механизма с учетом активного сопротивления амортизации. В некоторых случаях частотные характеристики излучаемой в опор­ ные связи мощности получают автоматически. Это возможно, когда действующие на корпус силы достаточно легко имитируются вибра­ торами одновременно с учетом соотношения их амплитуд и фаз. Блок-схема измерительного устройства приведена на рис. 55. Если определяют характеристику корпуса механизма, установленного на однотипные амортизаторы, и учитывают только однонаправленные составляющие колебаний, то амплитудно- и фазорегулирующие усилители в тракте измерения вибрации вводят коррекцию только на разность чувствительности датчиков. При определении частот­ ной характеристики колебательной мощности, излучаемой несколь­ кими составляющими вибрации, коэффициенты усиления k этих усилителей дополнительно регулируются до выполнения равенства

ЩReZf/'a = kf Re Z/Д.

Для определения поглощаемой в конструкциях корпуса коле­ бательной энергии дополнительно измеряют мощность, излучае­ мую вибраторами. По разности мощностей, излучаемых вибраторами в конструкции корпуса и в опорные связи, вычисляют энергию, поглощаемую в механизме.

§18 Поток колебательной энергии

как критерий виброактивности механизмов

По колебательной мощности производят сравнение виброактивности механизмов различных принципов дей­ ствия, типа, весов, габарита и места установки. Это затруднительно сделать по данным о вибрации. Дело в том, что развиваемые в ра­ бочих узлах силы тратятся на преодоление механических сопро­ тивлений собственных конструкций и присоединенных амортизаторов, фундаментов. При значительных массах и габаритах механизма и фундамента даже большие силы возбуждают вблизи механизма вибрацию, не превышающую по уровням вибрацию малых механиз­ мов на податливых фундаментах [60].

На рис. 56 приведены спектрограммы вибрации электродвига­ теля и судового редуктора, а также дизеля и газовой турбины. Видно, что вибрация редуктора примерно равна вибрации электро­ двигателя. В то же время очевидно, что редуктор обладает гораздо большей виброактивностью. Сравнение спектрограмм на рис. 57

132

излучаемых колебательных мощностей подтверждает это. Редуктор излучает на два-три порядка большую колебательную мощность. Сопоставление колебательной мощности, излучаемой дизелем и газо­ вой турбиной (рис. 58), показывает предпочтительность использо-

\о

\к/ у

/>

/

Вибрационную целесообразность и оптимальность принципа дей­ ствия механизма наглядно оценивают с помощью коэффициента

механизмов роторного и шатунно-поршневого принципов действия. По спектру колебательной мощности, излучаемой механизмом, можно установить, какой источник (рабочий узел или процесс), является основным. Например, у электродвигателя и газовой тур­ бины (см. рис. 57 и 58) основное излучение происходит на частоте

вращения ротора от сил его неуравновешенности.

Работающие судовые механизмы возбуждают линейные и пово­ ротные вибрации. При разработке рекомендаций по снижению

133

виброактивности механизмов важно установить, какую из составляю­ щих необходимо снижать в первую очередь. Если учесть разноразмерность линейных и поворотных вибраций, а также различие сопротивлений опорных конструкций по отношению к силам раз­ личных направлений, становится очевидным, что ответ на этот вопрос удается дать только после измерения составляющих коле­ бательной мощности, излучаемой механизмом. Результаты измере­ ний колебательной мощности показывают, что применительно к су­ довым механизмам нет какого-то одного вида воздействия па опоры.

Wj / Wz , %

Рис. 59. Частотные характеристики отношения

1 — дизель-генератор; 2 — электродвигатель; 3 — генератор; 4 — газовая турбина; 5 — паровая турбина; 6 — редуктор; 7 — дизель.

определяющего излучение энергии. В каждом частном случае в зави­ симости от конструктивных особенностей механизма и системы действующих в рабочих узлах сил составляющие вибрации имеют различную значимость.

На рис. 59 для ряда судовых механизмов приведены частотные характеристики отношения колебательной мощности W3, излучае­

ния в долях от полной излучаемой мощности. В отдельных областях частот у судовых, механизмов возможны случаи, когда при интен­ сивном потоке энергии в опоры наблюдается практическое отсутствие излучения мощности от действия нормальных опорам сил.

На низких частотах излучение колебательной энергии происхо­ дит в основном при возбуждении линейных вибраций трех взаимно перпендикулярных направлений. На рис. 60 приведены получен­ ные экспериментально частотные характеристики отношения коле­ бательной мощности Wр, излучаемой при возбуждении линейных

13.4

составляющих вибрации, к полной излучаемой мощности. Видно, что до 1000—2000 Гц WF составляет примерно 80% полной мощности. На более высоких частотах излучение за счет сил перестает быть определяющим. Растет доля работы, производимой моментами. Объяснить это можно тем, что на низких частотах даже при чисто поворотных колебаниях механизма поступательное перемещение участков крепления амортизаторов равно произведению поворот-

WrlW.,%

ной составляющей на плечо h от мгновенного центра поворота до района крепления амортизатора. Тогда

WF . . R eZF

~ ReZM '

На низких частотах большие участки корпуса механизма коле­ блются как целое и h2 является величиной не менее второго порядка,

В связи с этим доля энергии, излучаемой при возбуждении пово­ ротных колебаний, возрастает с увеличением частоты.

На рис. 61 приведены спектрограммы колебательных мощностей, излучаемых электродвигателем при возбуждении различных соста­ вляющих вибрации.

Пример. Определим, при возбуждении какой составляющей вибрации на ча­ стоте 5000 Гц происходит основное излучение колебательной энергии электродвига­ телем. Электродвигатель установлен на шести (/и = 6 ) идентичных амортизаторах.

135

Уровни действительных частей входных сопротивлений на частоте 5000 Гц

Рис. 61. Спектрограммы колебательных мощностей, излучаемых электродви­ гателем.

Уровни вибрации механизма в районе амортизаторов

Опорная пластина амортизатора на частоте 5000 Гц совершает независимые колебания по всем шести обобщенным координатам.

136

Уровни колебательных мощностей, излучаемых механизмом при возбуждении отдельных составляющих вибрации [см. уравнение (2.13)],

Таким образом, основная энергия па частоте 5000 Гц излучается механизмом при возбуждении поворотной составляющей вибрации ср, направленной вдоль оси х.

Информацию об излучаемых колебательных мощностях можно с успехом использовать при определении механизмов—основных источников виброактивности блочных агрегатов. Важной особен­ ностью диагностики блочных агрегатов с помощью колебательной энергии является выявление причин вибрации не только на отдель­ ных частотах, но и в полосе частот. Определение механизма — основ­ ного источника производится двумя способами:

— по соотношению величин колебательных мощностей, излу­ чаемых отдельными механизмами в рамные конструкции; очевидно, если на одной частоте или в одной полосе частот два-три механизма блочного агрегата излучают энергию, то механизм, излучающий большую энергию, является основным источником;

— по направлению потока колебательной энергии (из механизма или в механизм).

Суммарный поток энергии может быть направлен внутрь меха­ низма (через сечение его контакта с рамными конструкциями), если этот механизм не излучает на данных частотах или его излуче­ ние гораздо меньше излучения соседнего механизма. Направление потока энергии можно определить по знаку среднего во времени произведения электрических сигналов датчиков силы и скорости, установленных в болтовых соединениях крепления механизма к раме, или по знаку косинуса угла сдвига фаз и действительной части коэффициента корреляции между сигналами с датчиков силы и ско­ рости. При действии силы со стороны механизма угол сдвига фаз между силой и скоростью лежит в пределах первой или четвертой четверти. Поэтому косинус угла сдвига фаз между ними и действи­ тельная часть коэффициента корреляции (а следовательно, и сред­ нее во времени произведение силы на скорость) имеют положитель­ ное значение. Установленный в болтовом соединении пьезоэлектри­ ческий датчик силы обладает той особенностью, что вырабатывае­ мый им электрический сигнал изменяет полярность при действии силы не со стороны механизма, а со стороны рамы. В результате

при действии силы со стороны рамы знак cos aQq,- R eR Q-q и Q?- изме­ няется на отрицательный. Измеритель колебательной мощности ИКМ позволяет фиксировать знак произведения сигналов с датчиков силы и скорости и тем самым определять направление потока энергии.

137

Пример. Блочный агрегат имеет турбину, редуктор и генератор (турборедукторный генератор). Определим, какой из этих трех механизмов является основным

источником в полосе частот от 1500 до 1750 Гц. Скорость вибрации турбины qT, эфф =

Таким образом, источниками излучения колебаний являются турбина и ре­ дуктор. Основную часть энергии излучает турбина. Проходящий через опорный фла­ нец генератора поток энергии направлен в механизм. Генератор в этом диапазоне частот только поглощает (как пассивный элемент) часть энергии, излучаемой тур­ биной и редуктором.

Большинство рассмотренных ранее мето­ дов позволяет при комплексном их использовании достаточно точно выявлять причины вибрации механизмов. Однако при иссле­ довании сложных по составу и протяженных механизмов или агре­ гатов все же не удается надежно выявить основные источники вибра­ ции. Затруднения возникают, когда рабочие узлы механизмов или агрегатов развивают гармонические усилия на одинаковых частотах (или стационарные случайные силовые возмущения в одинаковых полосах частот) при примерном равенстве переходных сопротивлений конструкций от мест возникновения сил до опорных поверхностей. В то же время без четкой конкретизации значимости многочислен­ ных источников таких механизмов и агрегатов трудно разработать эффективные мероприятия по снижению их шумности.

Количественную оценку влияния на уровни вибрации сложных механизмов каждой из сил, возникающих с одинаковыми частотами в различных рабочих узлах, можно производить методом взаимных спектров и механических сопротивлений [60], который основан на использовании связи между энергетическими спектрами колебатель­

138

механизма сил

in G

к= 1 р= 1 /=1 v = 1

/.•=£р /+V

где т — число возмущающих сил; s(Q*, Qf), s(Qf, QZ) — энерге­

тические и взаимные спектры возмущающих сил Qf (со) и Qv (со). Доля спектральной плотности вибрации cf (со), обусловленная

силой Qf (со),

порциоиальны вибрациям, обусловленным действием каждой из сил при отсутствиии между ними корреляционной связи. Коэффициенты

B/v (со) характеризуют степень влияния корреляционной связи между силами на уровень вибрации механизма.

Сравнительная оценка степени влияния возмущающих сил на вибрацию в заданной точке корпуса механизма или агрегата сво­ дится к определению соотношения отдельных произведений правой части уравнения (4.7) и их суммы. Энергетические и взаимные спектры позволяют количественно в относительных единицах или процентах оценить долю вибрации, обусловленной действием каждой из сил. При выводе уравнения (4.7) были получены зависимости во времени скорости вибрации от сил и переходных (импульсных) характеристик конструкций, затем определена функция корреляции и энергети­ ческой и взаимной спектральной плотности вибрации. По податли­ вости конструкций и взаимным спектрам возмущающих сил можно определить долю вибрации, обусловленную каждой силой без учета и с учетом их взаимной корреляции. Если исследователь не распо­ лагает всеми указанными характеристиками, задача решается при­

ближенно при допущении, что составляющие вибрации qf (со) в точ­ ках действия сил определяются соответствующими составляющими

139