книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

автоматизировать измерения, а также организовать предупредительную аварийную сигнализацию, когда какие-либо параметры вибрации дости­

гают недопустимых величин.

Процесс измерения вибраций обязательно содержит в себе три

операции:

1. Преобразование измеряемой физической величины в другую фи зическую величину, более удобную для измерения и называемую вто­

ричной.

В механических приборах, например, изучаемое перемещение тела преобразуется в относительное перемещение двух элементов прибора, скажем, стрелки и шкалы, пера и ленты. В электрических приборах измеряемая механическая величина преобразуется в электрическую. Прибор или часть прибора, осуществляющие это преобразование, на­ зывают д а т ч и к о м , с е й с м о п р и е м н и к о м [188], в и б р о д а т -

[^>ГТ>ГЛ

ч и к о м и л и п е р в и ч н ы м и з м е р и т е л ь н ы м в и б р о п р е ­ о б р а з о в а т е л е м . Последний термин, хотя и рекомендуется ГОСТом [65], но не получил широкого распространения, по-видимому, из-за своей громоздкости.

2.Измерение вторичной физической величины.

3.Регистрация результатов измерения.

Последние две операции могут производиться либо раздельно с участием человека, например отсчет оператором показания стрелоч­ ного прибора с последующей регистрацией этого показания в журнале наблюдений, либо одновременно без непосредственного участия чело­ века, например автоматическим записывающим прибором. В механиче­ ских приборах для одноточечных измерений все три операции бывают объединены.

В некоторых случаях оказывается необходимым предусмотреть еще операцию согласования между собой приборов, производящих три опе­ рации, указанные выше. Прибор, осуществляющий согласование, имеет на входе и выходе сигналы одинаковой физической природы, изме­

10

§ 1.1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ СЕИСМОМАССЫ

пружину и демпфирующий элемент. Корпус прибора совершает коле­ бания вместе с поверхностью конструкции, закон движения которой должен быть определен. Сейсмомасса при этом перемещается еще и

чтобы найти закон движения изучаемого объекта Z(f), зная перемещения сейсмомассы относительно корпуса прибора z(t) и имея необходимые данные о характеристиках прибора. Возможные пути решения этой за­ дачи могут быть выявлены на основе рассмотрения дифференциального уравнения движения сейсмомассы:

Здесь первый член соответствует силе инерциисейсмомассы М, вто­ рой — силе трения, а третий — упругой силе пружины жесткостью К. Необходимо отметить, что трение в систему вносится не только демпфирующим элементом, но и внутренним неупругим сопротивле­ нием материала пружины, трением движущихся частей о воздух, тре­ нием пера и рядом других факторов. В уравнении суммарная сила трения принята пропорциональной скорости движения сейсмомассы (это практически реализуется в большинстве приборов), причем соответ­ ствующий коэффициент пропорциональности R называют коэффициен­ том сопротивления.

Уравнение (1.1) можно записать в виде

12

с амплитудой А и частотой f, то вынужденные колебания сейсмомассы

K( l - 4 2)2+(2DiC)3

иотставанием по фазе или сдвигом фаз

Зависимость отношения амплитуды перемещения массы а к ам­ плитуде перемещения основания А от £ называется амплитудно-частот­ ной, или, для краткости, просто частотной характеристикой (АЧХ) по перемещению (рис. 1.2, а). Зависимость сдвига фаз от £ называют фазочастотной, или просто фазовой (рис. 1.2, б) характеристикой (ФЧХ).

Зная АЧХ и ФЧХ прибора, можно с его помощью измерить ампли­ туду и фазу гармонических колебаний в весьма широком диапазоне частот. Разделив амплитуду зарегистрированных колебаний на соот­ ветствующую ординату АЧХ, получают амплитуду колебаний объекта, а прибавив к фазе зарегистрированных колебаний ординату ФЧХ,— фазу колебаний объекта.

Если корпус прибора совершает негармонические колебания, то возможны два случая. Первый случай — когда спектр частот изучае­ мого колебания лежит в пределах горизонтальных участков частотной и фазовой характеристик прибора. В этом случае все составляющие спектра будут зарегистрированы в одинаковом масштабе и с одина­ ковым сдвигом фазы, так что кривая, записанная прибором, без иска­ жения изобразит график зависимости перемещения от времени. Прак­ тически горизонтальными можно считать участки характеристик, на которых различие в их ординатах оказывается менее некоторой, на­ перед заданной величины. Для большинства динамических исследова­ ний сооружений считается допустимым отклонение ординат в пределах 10% от среднего значения. Такая точность достигается при частотах £>3 для любых величин затухания £>і<1. Специальным подбором за­ тухания D ,«0,55 можно сдвинуть нижнюю границу регистрируемых с указанной точностью частот до £=2. Дальнейшего снижения нижней границы частот можно добиться только лишь за счет отказа от точ­ ности воспроизведения закона перемещения, но амплитуды могут быть зарегистрированы с точностью до 10% при частотах £ ^1 .2, если за­ тухание будет находиться в пределах 0,55—0,63. При конструировании

13

Рис. 1.2. Частотные

а, б — соответственно АЧХ и ФЧХ по перемещению; в, г — АЧХ и ФЧХ соответтеристик на них приведены безразмерные

приборов стремятся достигнуть такого затухания не только для улуч­ шения характеристик, но и для подавления паразитических собствен­ ных колебаний сейсмомассы, вызванных случайными толчками.

Работа прибора с сейсмомассой при использовании практически

14

характеристики прибора

ственно по скорости и ускорению (для универсальности двух последних харакординаты а /£ А и а/ £ 2Л соответственно)

горизонтального участка частотной характеристики по перемещению называется работой в р е ж и м е в и б р о г р а ф а и л и в и б р о ­ м е т р а (в литературе также встречается равнозначный, но реже употребляемый термин «в режиме сейсмографа или сейсмометра»).

15

Для того чтобы иметь возможность измерять колебания как можно более низкой частоты, стремятся снизить собственную частоту коле­ баний сейсмомассы. Практически нижний предел собственной частоты ограничивается габаритами прибора и весом сейсмомассы и редко опускается ниже 0,2—1 гц.

Верхний предел частотного диапазона вибрографов ограничен по­ явлением резонансов в отдельных деталях прибора и в большинстве современных низкочастотных приборов не менее чем в 100 раз превы­ шает собственную частоту.

Возможен второй случай, когда спектр частот изучаемого колеба­ ния шире диапазона частот, в пределах которых частотная и фазовая характеристики горизонтальны. Обычно столь широкие спектры соот­ ветствуют колебаниям при ударных или иных аналогичных воздей­ ствиях. Необходимость в измерениях таких колебаний возникает в строительной практике сравнительно редко. Закономерности движе­ ния сейсмомассы при таких измерениях изложены в работе [182]. Однако ввиду большой трудоемкости расшифровки записи перемеще­ ний, а также в связи с тем, что колебания при ударном воздействии нормируются чаще всего по скорости или ускорению, обычно стремятся использовать прибор, в котором перемещение сейсмомассы было бы пропорционально соответственно скорости или ускорению.

от £, т. е. а м п л и т у д н о - ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а по

участок только в резонансной зоне и только при очень высоком зату­ хании, причем длина этого участка тем больше, а чувствительность прибора тем меньше, чем больше затухание. Режим, при котором ис­

(1.7), обратно пропорциональна не только затуханию, но и собствен­

чтобы расширить диапазон частот, измеряемых акселерометром, следо­ вало бы стремиться повысить собственную частоту колебаний сейсмо­ массы, в то время как для повышения чувствительности, которая, как видно из (1.8), обратно пропорциональна квадрату собственной часто­ ты, следовало бы стремиться эту частоту снизить. Нахождение разум-

16

ного компромисса между отмеченными противоречивыми требованиями обычно составляет одну из основных трудностей при выборе парамет­ ров акселерометра.

Фазовая характеристика акселерометра не имеет горизонтального участка, но при затухании 0,7—0,8 сдвиг фаз практически пропорцио­ нален частоте во всем диапазоне 0 ^ £ sg :l. При этом запись ускорений, спектр которых лежит в пределах указанного диапазона, также полу­ чается неискаженной. Учитывая, что максимальная длина горизонталь­ ного участка частотной характеристики по ускорению достигается при затухании 0,6—0,7, стремятся так выбрать параметры прибора, чтобы обеспечить затухание около 0,7.

Рассмотренные выше режимы работы прибора можно дополнить следующим определением, основанным на рассмотрении уравнения (1.2).

кколеблющейся поверхности,

рого упирается в основание. При установке амплитудомера на по­ верхность, совершающую вертикальные гармонические колебания с ча­ стотой от 2,5 до 25—30 гц, стрелка индикатора колеблется по шкале с размахом 2А. Аналогичный принцип работы у так называемого «стациарного виброметра ХЭМЗ» и «стационар» го вйЗромётрТ'" 'TJfrra

Шатурской ГРЭС» [25]. Естественно, что эти приборы имеют те же ограничения по ускорению, что и индикатор часового типа. ■

Многоязычковый частотомер Фрама (рис. 1.4, а) содержит большое число металлических пластинок (язычков) 1 различной длины, при­ крепленных к основанию 2. На свободном конце язычка может быть укреплен небольшой груз. Варьируя длиной пластинок и величиной грузов, подбирают собственные частоты язычков так, чтобы они состав­ ляли ряд с достаточно малым шагом (обычно — не более одной два­ дцатой собственной частоты язычка). Располагая частотомер на вибри-

а — многоязычковый; б — одноязычковый

рующей конструкции так, чтобы плоскость пластинок 'была перпенди­ кулярна направлению вибраций, замечают, какая из пластинок колеб­ лется с наибольшей амплитудой, и считают, что частота колебаний кон­ струкции соответствует собственной частоте этой пластинки. Точность измерения частоты гармонических колебаний определяется величинами интервалов между собственными частотами отдельных пластинок.

Одноязычковый частотомер Фуляртона (рис. 1.4,6) имеет одну стальную пластинку 1 с грузом 2 на конце. Меняя длину свободной части пластинки с помощью роликов 3 и зажима 4, находят положение, при котором пластинка в приборе, прижатом к колеблющейся поверх­ ности, приобретает наибольшую амплитуду колебаний. Соответствую­ щую частоту считывают по шкале 5. Измерения с помощью одноязыч­ кового частотомера позволяют достигнуть большей точности, но тре­ буют и больших затрат времени, чем при работе с многоязычковым

18

ванием сейсмомассы, и относительно неподвижной точки.

Тастограф (рис. 1.5) и аналогичные ему, но имеющие несколько худшие характеристики, приборы ВР-1, ВР-2, ВР-3 и прибор фирмы «Аскания» [3, 56] относятся к приборам первой группы и предназна­ чены для работы в качестве регистрирующих виброщупов с использо­ ванием неподвижного штатива или рук оператора вместо штатива. Прибор имеет пружинный лентопротяжный механизм с ручным заво­ дом и плавной регулировкой скорости ленты от 3,5 до 12 см/сек, ры­ чажную систему, передающую к перу движение от наконечника, при-

жимаемого к вибрирующей поверхности, и две системы отметок вре­ мени — от внешнего и от внутреннего токопрерывателей. Передача дви­ жения от наконечника к перу может осуществляться с увеличением от 2 до 20 раз и с уменьшением от 1 до 5 раз. Измеряемые частоты лежат в пределах от 0 до 300 гц при работе со штатива и от 5 до 300 гц при работе с рук. Выпускается два вида ленты и соответственно перьев — для записи чернилами на белой бумаге и для царапанья иглой на красной восковой бумаге. Каждый вид перьев имеет два подвида — для низких и для высоких частот. Ширина ленты 25 мм. Имеется ряд приспособлений, позволяющих регулировать режимы работы прибора и создающих дополнительные удобства.

Измерительный прибор Гейгера (рис. 1.6) является наиболее уни­ версальным среди приборов второй группы; он состоит из регистра­ тора, позволяющего проводить измерения относительно неподвижной точки, и набора сейсмомасс, пружин и других приспособлений, позво­ ляющих использовать его для работы в качестве вибрографа и аксе­ лерографа при линейных и угловых вибрационных перемещениях, а также для измерения и регистрации скорости вращения вала ма­