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

Т а б л и ц а 9.12

Технические характеристики инфранизкочастотных анализаторов спектра последовательного действия с постоянной относительной полосой пропускания32*

*) Поддиапазоны: 1—2,15; 2,15—4,6; 4,6—10 гц, а также ХЮ и Х100.

2)Соответствуют полному отклонению стрелки измерительного прибора.

3)Для всех моделей индикаторами являются стрелочный прибор и само* писец уровня.

fi и f±. Чем меньше разность /г — /і, тем хуже будет выражен минимум между /1 и /г. Под статической разрешающей способностью анализа­ тора понимают такую разность fz — fi, при которой высота минимума

равна 1/^2 от значений максимальных ординат (рис. 9.19). При после­ довательном анализе большое значение имеет динамическая разрешаю­ щая способность анализатора, которая зависит от ширины полосы про­ пускания А/ и скорости перестройки частоты гетеродина или фильтра. Динамическая разрешающая способность всегда хуже статической. Пре­ небрежение этим обстоятельством и выбор чрезмерно большой скорости анализа могут привести к значительным ошибкам. Для приближенного определения времени Т, необходимого для выполнения последователь-

233

ного анализа в полосе обзора между частотами /і и /2, можно пользо­ ваться следующими соотношениями [99]:

в анализаторах с постоянной абсолютной полосой проп)скания Аf:

в анализаторах с постоянной относительной полосой пропускания у:

Определение спектральной плотности стационарного случайного пропредставляет достаточно сложную задачу аппаратурного ана-

где вычисление спектра по тому или иному алгоритму производится на основе дискретной цифровой техники.

Рассмотренные выше анализаторы спектра параллельного, последо­

реагируют на фазовые соотношения. Выявление фазочастотного состава иногда бывает важно при анализе периодических сигналов.

Гармонический анализ периодических колебаний может быть вы­ полнен по графику с помощью механического анализатора Мадера-Отта [56, 112, 137, 189, 256]. При обработке оператор обводит штифтом уве­ личенный график кривой, соответствующий одному периоду колебаний. Результаты вычислений регистрируются на механических счетчиках. Точ­ ность определения амплитуд гармонических составляющих ап и Ьп равна приблизительно 0,1 мм в масштабе анализируемого графика. Длина периода анализируемой кривой равна 2,4-^72 см. Количество пар коэф­ фициентов Фурье, вычисление которых допускает конструкция анализа­ тора, составляет 33. Однако при анализе обычных виброграмм надежно определяются только первые шесть пар коэффициентов.

Многоканальная многоточечная аппаратура для исследований вибра­ ций турбоагрегатов АКИВ-2, изготовляемая заводом' «Виброприбор» (Та­ ганрог), допускает проведение амплитудно-частотного и фазочастотного анализа вибраций, имеющих периодический характер [181]. Эта десяти­ канальная аппаратура рассчитана на диапазон частот 8—400 гц и имеет следующие пределы измерений: амплитуда колебаний 1 мкм— 1 мм, амплитуда скорости колебаний 0,1—100 мм/сек, амплитуда ускорения ко­ лебаний 0,1—30 м/сек2, эффективное значение скорости колебаний 0,1— 100 мм/сек.

234

Сведения о принципах работы аппаратуры для анализа нестацио­ нарных случайных процессов и об имеющихся конструктивных решениях можно найти в работах [110, 250, 267].

Наконец, следует упомянуть, что в некоторых организациях были созданы стационарные универсальные анализирующие комплексы, постро­ енные на основе цифровой или аналоговой техники и предназначенные для определения по одной реализации нескольких статистических характе­ ристик, например плотности вероятности, корреляционной функции, спектральной плотности и т. д, [31, 72]*.

Для динамических испытаний машиностроительных и транспортных конструкций разработаны автоматизированные анализирующие комплексы, использующие в качестве главного узла ЭЦВМ [5,68, 133].

§9.3. УСТРОЙСТВА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО

ИПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОГО СЧИТЫВАНИЯ ОРДИНАТ ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ КРИВЫХ

Разнообразные устройства для преобразования информации (рис. 9.21) находят все более широкое применение в различных направлениях изме­ рительной техники. Быстрое совершенствование относительно новой группы преобразователей типов 1 и 2 из числа показанных на рис. 9.21 связано

Рис. 9.20. Блок-схема анализатора спектральной плотности (по методу фильтрации)

/ — входное устройство; 2 —усилитель; 3 — частотно-избирательное устройство; 4 — квадратичный детектор; 5 — усреднитель; 6 — регистрирующее устройство

с многими обстоятельствами: большими темпами накопления измеритель­ ной информации, представляемой в виде многодорожечных осциллограмм; повышенными требованиями к точности вычислений характеристик случай­ ных процессов, что могло быть достигнуто лишь ценой значительного уве­ личения длины обрабатываемых осциллограмм; все более широкими воз­ можностями использования вычислительных машин для обработки изме­ рительной информации и др. В этом параграфе даются краткие сведения об устройствах для автоматического и полуавтоматического преобразова­ ния графического материала, точнее графиков однозначных функций одного аргумента и, в первую очередь, осциллограмм, в цифровой кодили

(рис. 9. 21) график квантуется (дискретизируется) по оси абцисс (по оси времени), и значение каждой ординаты, отсчитываемой от некоторого условного уровня, преобразуется в число, которое в определенном коде записывается соответствующими средствами на новом носителе информа­ ции: на бумаге с помощью цифропечатающих устройств, перфокартах или перфоленте с помощью соответствующих перфораторов, на магнитной ленте или магнитном барабане посредством цифровой записи. В устрой­

уровня, превращаются в пропорциональные им электрические напряжения, изменяющиеся во времени, причем масштаб, связывающий длину графика

См. также табл. 9.6.

•235

с длительностью существования электрического аналога, может быть в общем случае произвольным. Некоторые установки, предназначенные для амплитудного, корреляционного и спектрального анализа, имеют

вающее устройство осуществляет соответствующее преобразование зна­ чений ординат. Более просты полуавтоматические преобразователи, в ко­ торых оператор вручную, пользуясь приспособлением типа штурвала, руко­ ятки и пр., перемещает визир в направлении, перпендикулярном движению ленты, до совмещения его с

обрабатываемой кривой. Электромеханический

преобразователь, соединен­ ный с визиром, вырабаты­ вает сигнал, пропорциональ­ ный его перемещению.

В автоматических пре­ образователях для считыва­ ния значений ординат с дви­ жущейся ленты служит спе­ циальный оптико-электрон­ ный или оптико-механиче­ ский узел, принцип работы которого основан на резком отличии коэффициентов от­ ражения поверхности носи­ теля и дорожки записи. Для

снятия значений ординат применяются в основном два метода: сканиро­ вание и отслеживание. В первом _случае считывающее устройство «просматривает» осциллограмму в направлении, перпендикулярном ее движе­ нию, и фиксирует расстояния от базовой линии — начала отсчета до мес­ та нахождения элементов носителя с низким коэффициентом отражения, т. е. до дорожек записи. В следящих системах узел считывания, снабжен­ ный соответствующим приводом, непрерывно «отслеживает» дорожку записи и, таким образом, изменение положения узла считывания во вре­ мени повторяет форму обрабатываемой кривой. Следящие системы в рас­ сматриваемых устройствах применяются значительно реже, чем сканиру­ ющие.

Автоматические считывающие устройства предъявляют довольно жест­ кие требования к качеству обрабатываемых графиков. Дорожки записи не должны пересекаться (в некоторых моделях преобразователей, однако, удается преодолеть это требование ценой специальной подготовки осцил­ лограмм). Регламентируется минимальная контрастность, минимальная толщина дорожки записи, количество дорожек на ленте и расстояние между ними, предельный угол наклона касательной к линии записи, иногда цвет дорожки и т. д. Во многих моделях во избежание получения ложных сигналов не допускается присутствие на ленте, кроме установлен­ ного количества дорожек записи, других отметок, например марок времени.

Каждому классу считывающих устройств присущи определенные пре­ имущества и недостатки. Полуавтоматические приборы более просты по конструкции, более надежны в работе и не предъявляют особых требова­ ний к осциллограмме, т. е. на них могут быть обработаны практически все достаточно четкие осциллограммы независимо от количества дорожек, их взаимных пересечений, наличия марок времени и других специальных отметок и т. д. Однако труд оператора, работающего на полуавтомати­ ческом устройстве, довольно утомителен.

236

237

238

Они менее производительны, чем автоматические считывающие устрой­ ства, и менее точны, причем ошибка вычислений в значительной мере определяется неточностью совмещения оператором визира с обрабатывае­ мой кривой. Полуавтоматические и автоматические устройства получили к настоящему времени приблизительно одинаковое распространение. По-видимому, это обстоятельство свидетельствует о том, что затраты руч­ ного труда на полуавтомате компенсируются отсутствием необходимости

вспециальной подготовке осциллограммы для автомата.

Втабл. 9.13 даются характеристики серийно выпускаемых в СССР

устройств для считывания ординат графиков. Приведенные в таблице

автоматические устройства «Силуэт» и Ф009 используют при работе метод сканирования. Они требуют, чтобы обрабатываемые кривые не пересека­ лись и не касались друг друга. Более того, устройство «Силуэт» наклады­ вает ограничение на расстояние между дорожками записи, которое дол­ жно быть не менее 5% от ширины зоны считывания. Таблица с техничекими характеристиками несерийных моделей рассматриваемых устройств приводится в работе [148].

Контроль точности преобразования осциллограммы или графика в чис­ ловой код может быть выполнен с помощью преобразователей класса «числовой массив—графический аналог». Например, преобразователь-ре­ гистратор Н024, выпускаемый заводом «Виброприбор» (Кишинев), считы­ вает информацию, записанную на перфоленте прибором Ф001, преобра­ зует ее в электрический аналоговый сигнал и записывает на фотобумаге или фотокальке.

§ 9.4. ОБ ОЦЕНКЕ ДОПУСТИМОСТИ ВИБРАЦИИ СООРУЖЕНИЙ

Хотя вопросы нормирования вибраций строительных конструкций еще далеки от полного решения, тем не менее на основании имеющихся норма­ тивных документов и руководств можно в большинстве встречающихся на практике случаев дать ответ на вопрос о допустимости вибрации по тем или иным признакам. В данном параграфе дается краткий обзор нормативных и руководящих документов, в которых содержатся сведе­

ского расчета конструкции на прочность (см. введение). В этом случае оценка конструкции по условиям ее прочности и выносливости при дей­ ствии динамической нагрузки может быть сделана в соответствии с рас­ четными положениями инструкций [83, 84].

Если амплитуды колебаний конструкции невелики, то нет необходи­ мости в определении внутренних динамических усилий. Нижняя граница амплитуд колебаний, за пределами которой колебания можно считать безопасными, не прибегая к специальным расчетам, определяется отноше­ нием линейного размера конструктивного элемента к его динамическому перемещению—амплитуде колебаний [83]. Так, если наибольшее динами­ ческое гГеремещение балки, перекрытия и т. п. конструкции, совершающей колебания, связанные с изгибом, не превышает 1/50 000 длины пролета (за вычетом перемещений ее опор), то при проверке несущей способности конструкции можно не учитывать динамических нагрузок. Аналогично, если по результатам измерений выяснилось, что для колонн и стен здания, а также стоек площадок и этажерок разность горизонтальных динамиче­ ских перемещений нижнего и верхнего концов колонны (стены, стойки)

239

в пределах этажа не превышает 1/50 000 высоты этажа, то динамические нагрузки можно не учитывать при проверке несущей способности этих конструкций. Разумеется, колебания измеряются в той точке конструкции, где их амплитуда наибольшая, и при таком режиме источника вибрации, при котором возбуждаются наиболее интенсивные колебания этой конст­ рукции. В случае невозможности или трудности осуществления наиболее тяжелых режимов прибегают к измерениям колебаний при допустимых режимах с последующей экстраполяцией результатов измерения на край­ ние условия (см. гл. 7).

Колебания невиброизолированных фундаментов, опирающихся на грунт, под машины с динамическими нагрузками (трубоагрегаты, электри­ ческие машины, центрифуги, центробежные насосы, дымососы и вентиля­ торы, устанавливаемые на отдельных фундаментах, дизели, поршневые компрессоры, мотор-компрессоры, лесопильные рамы, локомобили, кузнеч­ ные молоты и другие машины), нормируются по допускаемой амплитуде колебаний [193]. При этом исходят из условий обеспечения нормальной работы самой машины, предотвращения чрезмерных осадок фундамента и ограничения неблагоприятного влияния колебаний фундамента на окру­ жающие здания и сооружения. Значения допускаемых амплитуд колеба­ ний виброизолированных машин приведены в руководстве [177].

Оценка допустимости вибраций рабочих мест в производственных помещениях промышленных предприятий (сидений, пола, рабочих пло­ щадок) производится на основе санитарных норм (185], в которых при­ менен принцип пооктавного нормирования вибраций. В соответствии с этим принципом, если вибрации рабочих мест имеют сплошной спектр или являются периодическими и в каждую октавную полосу попадает более одной гармонической составляющей, то нормируется среднеквад­ ратичная колебательная скорость для каждой из октавных полос. Если же вибрации рабочих мест являются гармоническими или периодическими, причем в пределах каждой октавной полосы находится не более одной гармонической составляющей, то нормируются амплитуды перемещения раздельно для каждой из октавных полос.

Следует особо отметить то обстоятельство, что указанные санитарные нормы [185] в части, касающейся допустимых вибраций, распространяются только на рабочие места в производственных помещениях. Что касается жилых помещений, больниц, помещений конторского типа и пр., то норм

ТК-108 Международной организации по стандартизации ISO в 1972 г., указывается, что допустимые уровни вибрации в жилых домах не должны намного превышать порог ощутимости (что соответствует среднеквадра­ тичному значению ускорения примерно 0,01 м/сек2), особенно в ночное время.

Вопрос о допустимости вибраций с точки зрения их влияния на различное технологическое оборудование (станки, приборы и цр.), чув­ ствительное к колебаниям основания, изучен еще слабо. Такие норма­ тивы должны устанавливаться организациями, ответственными за раз­ работку и выпуск соответствующего оборудования. Опыт свидетель­ ствует, однако, что технологи во многих случаях не имеют четкого представления о том, какие кинематические параметры колебаний ос­ нования являются критичными для работы оборудования и каковы предельно допустимые значения этих параметров. В руководстве [177]

240

приведена таблица, в которой машины и приборы разделены на классы по их чувствительности к гармоническим колебаниям основания. При отсутствии специальных указаний о допустимых вибрациях оборудова­ ния можно руководствоваться ориентировочными данными этой таб­ лицы. Отметим, однако, что в настоящее время быстрое совершенство­ вание точных производств вызывает резкое повышение требований к допустимому уровню колебаний многих прецезионных и точных ус­ тановок. Например, уже сейчас по технологическим условиям испыта­ ния некоторых навигационных приборов требуется, чтобы ускорение колебаний стенда (фундамента), на который эти приборы устанавли­ ваются для испытаний, не превышало 0,1 мм/сек2 [34]. Предложения по дифференцированному учету допустимых уровней вибрации гидро­ агрегатов гидроэлектрических станций содержатся в работе [50].

Для некоторых классов сооружений и строительных конструкций приходится оценивать их колебания и по другим критериям. Один из таких критериев — устойчивость сооружения. Условие устойчивости яв­ ляется одним из основных при оценке допустимости колебаний гидро­ технических сооружений. Мыслимы следующие виды вредных послед­ ствий динамического воздействия на гидротехнические сооружения: изменение физико-механических свойств грунтов и, как следствие, зна­ чительные осадки сооружений, недопустимые по эксплуатационным требованиям; снижение во время действия динамической нагрузки ко­ эффициента сдвига грунтов и уменьшение запаса устойчивости соору­ жений на сдвиг.

Если при оценке запаса прочности конструкции можно опереться на определенные нормативные данные, зависящие от свойств матери­ ала, особенностей конструкции и других факторов, то в отношении оценки предельно допустимых параметров колебаний плотин и других гидротехнических сооружений с точки зрения действия вибрации на грунт таких нормативов нет. Более того, до сих пор нет единого мне­ ния по вопросу о том, какой кинематический элемент колебательного движения является определяющим в оценке динамической устойчиво­ сти сооружения или грунта.

Большинство исследователей принимает в качестве такого крите­ рия ускорение колебаний. В связи с отсутствием нормативных и реко­ мендательных материалов оценка допустимости вибраций гидротехни­ ческих сооружений по условию устойчивости производится на основе результатов специальных исследовательских работ с учетом продолжи­ тельного опыта эксплуатации существующих сооружений.

К числу дополнительных критериев, которые необходимо учитывать при оценке вибраций конструкций, относится предельно допустимый динамический прогиб несущих конструкций покрытий промышленных

сооружений [85].

В случае, когда измеренные вибрации сооружения или строитель­ ной конструкции будут признаны недопустимыми по тем или иным условиям, принимают меры по снижению уровня вибраций. Рассмотре­ ние методов борьбы с вредными вибрациями выходит за рамки дан­ ного справочного пособия. Эти методы изложены, например, в моно­ графии [195], справочнике [197], а также в нормативных документах, инструкциях и рекомендациях [82—86, 174, 177].

9 Заказ № 2099

ЛИТЕРАТУРА

ций. В сб.: «Экспериментальные исследования инженерных сооружений». (Мате­ риалы к симпозиуму), вып. III. Изд. ЛОСНТО, 1964.

8.Анализ и воспроизведение вибрации (материалы к краткосрочному семи­ нару). Ч. 2. Л., изд. ЛДНТП, 1967.

9.Анализ и обработка результатов измерения вибраций (IV Всесоюзная конференция по виброметрии). Киев, изд. КДНТП, 1969 (четыре брошюры1 с оди­ наковым названием).

10. Анализаторы гармоник, методы и средства поверки. ГОСТ 11859—66.

II. Анализаторы многоканальные амплитудные. Общие технические требо­ вания. ГОСТ 16957—71.

12. А н д р е е в В. Н., В е с е л о в а Г. П., Г р и б а н о в Ю. И. Автоматиче­ ский цифровой коррелятор параллельно-последовательного действия с непосред­ ственным вводом. М., изд. ГОСИНТИ, ПНТПО, № 9-68-741/76, 1968.

242