книги из ГПНТБ / Колесник Н.В. Устранение вибрации машин

Показатели виброскопа сравнивались с показаниями других прибо­

ров (сейсмического типа) при измерении негармонических колебаний.

Получаемое при этом естественное расхождение результатов изме­ рения, обусловливаемое тем, что одним прибором измеряли суммар­

прибора. Поэтому остановимся на этом вопросе несколько подробнее.

В п. 6 было рассмотрено вынужденное колебание упругих систем

под действием периодической силы гармонического характера. При измерении вибрации возбудителем колебаний индикатора

виброскопа является колебание корпуса прибора, установленного

где п — частота измеряемой вибрации;

nQ — частота собственных колебаний индикатора; 7— величина, зависящая от сил сопрртивления.

Показания виброскопа определяются при его настройке в резо­

нанс, т. е. когда — == 1. В этих условиях числитель правой части

«О

уравнения имеет значение единицы, а знаменатель равен 7. Тогда

т. е. амплитуда колебания индикатора во столько, раз больше ампли­

Какие же; силы сопротивления в данном случае имеют место?

Это прежде всего силы внутреннего трения в материале упругого

элемента и силы сопротивления внешней среды.

Силы внутреннего трения зависят от состава материала, физи­

ческих свойств., структуры и формы упругого элемента и, как уста­

новлено исследованиями, пропорциональны скорости колеблющегося

тела.

Силы сопротивления внешней среды зависят от формы колеблю­ щегося тела, ’ вязкости, плотности среды и также пропорциональны

скорости.

39

Для данного конкретного примера состав материала, физические

свойства, структура и форма индикатора остаются неизменными.

Достаточно постоянной остается и плотность атмосферы на уровне

земной поверхности — среды, в которой происходит колебание инди­

катора.

Что касается вопроса о пропорциональности сопротивления ско­ рости, то в большинстве математических исследований в первом при­

ближении принимается линейная зависимость указанного сопротив­

ления от скорости.

Если эта зависимость окажется не вполне линейной, то это ни в коей мере не будет отражаться на точности и стабильности показа­

ний прибора, так как его показания определяются паспортной харак­

теристикой, составленной на основе экспериментальных данных —

тарирования прибора на стенде в пределах его рабочего диапазона.

Экспериментальные данные показывают (см. п. 13), что колебание

температуры внешней среды в пределах условий нормальной эксплуа­

тации прибора (+10 -=—Н30°) практически не оказывает влияния

на частотно-амплитудную характеристику прибора.

Практика показывает, что за время длительной эксплуатации

физические свойства виброскопа, определяющие собою величину сопротивления а следовательно, и стабильность показаний при­

бора, не претерпевают заметных изменений.

Рассмотрим теперь частотную характеристику прибора.

Частота собственных колебаний индикатора виброскопа при допущении невесомости пружины определяется по формуле (9):

/г0 = 300 ]/А .

Непосредственное использование этой формулы для определе­

ния частоты собственных колебаний упругих систем возможно лишь

в тех случаях, когда масса сосредоточенного груза значительно превышает массу упругого элемента, которой при расчетах можно

пренебречь.

Применительно к индикатору виброскопа этого сделать нельзя,

так как вес плоской пружины превышает вес сосредоточенного на конце груза —■ пластинчатого указателя.

В таком случае задачу решают применяя принцип сохранения

энергии.

Если полагать, что сопротивление колебанию отсутствует, то энер­

гия колебания в системе сохраняется и только переходит из одного

вида в другой.

В момент крайнего отклонения массы скорость движения равна

нулю, и вся энергия переходит в' потенциальную:

Епот^~. (26)

40

При прохождении массой центра колебания (х = 0) сила упру­

гости отсутствует, а скорость движения массы получает максималь­

Сумма кинетической и потенциальной энергии при колебании

Очевидно, для того чтобы учесть влияние массы упругого эле­

мента на частоту собственного колебания, достаточно рассмотреть

влияние ее только на кинетическую энергию.

форма изгиба пружины при колебании соответствует форме изгиба

при приложении к концу пружины статической нагрузки, опреде­

«о = 300 1 /------- -------

G + Т40 Gn

41

Выразив жесткость k через параметры пружины, получим при­

ближенную формулу для определения частоты собственных коле­

частоты собственных колебаний прибора и его настройка в резонанс

измеряемым колебаниям. Следовательно, положение стрелки на гайке

ползуна относительно шкалы частот вполне определяет частоту

исследуемой вибрации.

Принципиально, способ определения частоты колебания с помощью

виброскопа такой же, как и при использовании вибротахометра

(фиг. 25), однако он имеет преимущество, которое заключается в бес­ ступенчатое™ регулирования частоты собственных колебаний при настройке прибора.

Измерение фазы производится путем установки контакта, ограни­

чивающего резонансные колебания индикатора. Сдвиг фазы вынужден­

в резонанс влечет за собой значительное изменение величины сдвига фазы колебания индикатора <ра.

Естественно возникает вопрос: как измерить фазу колебания путем установки контакта, ограничивающего резонансные колебания индикатора, если сдвиг фазы колебания резонирующего индикатора не является достаточно определенным вследствие необходимости

большой остроты настройки?

Однако оказывается, что установкой контакта мы не только не вводим дополнительную погрешность, но и исправляем возможную

ошибку от неточной настройки в резонанс. При этом разумеется, что установка контакта производится по определенному правилу.

42

которую назовем коэффициентом ограничения, создает постоянные условия ограничения.

Исследованием вынужденных резонансных колебаний в условиях

ограничения установлено, что:

1)сдвиг фазы прибора ®8 зависит не только от точности настройки

врезонанс, но и от величины коэффициента ограничения 8;

2)с уменьшением величины 8 снижается погрешность при изме­

рении фазы, могущая возникнуть вследствие неточной настройки

врезонанс и неточной установки контакта (ограничения);

3)фазовый показатель виброскопа <р8 определяется

Условимся устанавливать контакт таким образом, чтобы ограни­

чивать амплитуду резонансного колебания в пять раз (8 = 0,2).

Допустим, что настройка в резонанс и установка контакта произ­

ведены совершенно точно. Тогда, согласно формуле (33), фазовый показатель прибора <р8 выразится углом

®8 = 90° —78° = 12°.

Если в этих же условиях при установке контакта допущена гру­ бая ошибка и амплитуда резонансного колебания ограничена не в пять

а, например, в четыре раза (3 = 0,25), то тогда фазовый показатель прибора получит значение <р8 = 90° — 75° = 15°.

Помимо ошибки в установке контакта, может быть допущена еще и неточность в настройке в резонанс. Например, при настройке,

приводящей к сдвигу фазы индикатора всего лишь на 45° (при точной

настройке 90°), фазовый показатель прибора составит

?в = 90° — 80°= 10°.

Как видно, даже при грубой неточности как в настройке прибора,

так и в установке ограничивающего контакта погрешность в изме­

рении фазы не выходит за пределы 5°.

Экспериментальными исследованиями (п. 13), правительственными

испытаниями комиссии МЭС (Министерства электростанций), а также

опытом промышленной эксплуатации приборов установлено, что

нестабильность при измерении вибрации машин с помощью виб­

Причем эта погрешность образуется в основном не за счет каче­ ства прибора, а за счет ошибок оператора, вызванных некоторым

несовершенством шкалы показателей.

На фиг. 28, b показан общий вид виброскопа. Весь комплект

прибора состоит из вибратора 1, электрической части 2 и газосветной

лампы 3, помещаемых в специальном футляре. На внутренней стороне

43

крышки футляра имеется графический паспорт для определения зна­

Приборы, выпускаемые Ленинградским инструментальным заво­

дом, имеют следующую характеристику:

идля более низких и высоких частот.

11.Электрические приборы

Вэлектрических виброизмерительных приборах механические

колебания преобразуются в колебания электрических параметров,

а)

Фиг. 29. Блок схемы электровиброизмерительных приборов.

которые после соответствующего преобразования измеряются или регистрируются с помощью указывающих или самопишущих прибо­

стрелочного индикатора либо катодно-лучевой трубки 77. На фиг. 29, б изображена схема электровибрографа. Здесь сигналы от одного или

44

Фиг. 30. Принципиальное устройство вибродатчиков.

В настоящее время имеется весьма много разнообразных по кон­

45

Отсюда видно, что изменение емкости С конденсатора обратно

пропорционально изменению зазора между пластинами конденсатора.

Следовательно, такой датчик, включенный по специальной схеме,

после соответствующего усиления сигналов в указывающем или реги­

стрирующем приборе может служить виброметром или вибрографом,

с помощью которого можно измерять амплитуду смещения или раз­

мах колебания.

На фиг. 30, б представлено принципиальное устройство так

называемого индукционного датчика. Здесь упруго подвешенная масса представляет собой постоянный магнит, в межполюсном зазоре

/— рабочая длина проводника катушки, см;

х— скорость движения катушки, см/сек.

Величины В и / являются для каждого датчика постоянными,

поэтому генерируемая э. д. с. пропорциональна скорости при коле­

бании х. Таким образом, датчик этого типа является велосиметром,

т. е. прибором для измерения скорости колеблющегося тела.

На фиг. 30, в изображено устройство датчика — акселерометра,

предназначенного для измерения ускорения тела при его колебании.

К основанию датчика, совершающего вертикальные колебания, посредством груза т и пружины прижата пластинка П, обладающая

пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрическим эффектом называется свойство некоторых

кристаллов (кварца, сегнетовой соли) образовывать электрические

заряды при приложении к ним сдавливающих или растягивающих q

Выделяемые на плоскостях пластины равные по величине и проти­

воположные по знаку заряды, пропорциональные ускорению, уси­

ливаются и подаются на записывающий или указывающий прибор.

Приведенные устройства далеко не в полной мере характеризуют все виды имеющихся в настоящее время вибродатчиков. Кроме

указанных, существуют также электромагнитные, или индуктивные,

датчики, основанные на явлении перераспределения магнитного

46

потока цепи вследствие вызываемого вибрацией изменения положе­

ния ферромагнитного тела (якоря); датчики сопротивления, в которых

используется эффект изменения сопротивления проводников под

влиянием вызываемых вибрацией деформаций; фотоэлектрические

системы и т. п.

Из всех видов вибродатчиков наибольшее практическое приме­ нение получили пьезоэлектрические, обладающие минимальными раз­

мерами, и весом используемые главным

зуются силы сопротивления, способствующие затуханию собственных

колебаний. Для устранения влияния внешних переменных магнит­

ных полей в корпусе датчика помещается компенсационная обмотка,

витки которой включаются навстречу виткам рабочей катушки.

Получаемые от такого датчика сигналы подаются на усилитель.

В комплекте электровиброизмерительной аппаратуры обыкно­ венно применяются ламповые усилители. Конструкция этих уси­ лителей усложняется тем, что к ним предъявляются значительно

более жесткие требования, чем к усилителям, применяемым в обыч­

ной радиоаппаратуре. Это вызывается как необходимостью полу­

чения высокой точности измерений, так и введением ряда устройств для преобразования сигнала с целью измерения желательных пара­ метров вибрации. Для этого блок усиления снабжается устройствами,

стабилизирующими источник питания, обеспечивающими контроль

и регулировку величины усиления сигнала, компенсирующими тем­

пературные погрешности и др. В блок усиления обычно включают

контуры, с помощью которых представляется возможным преобра­ зовать сигнал, например, индукционного датчика (велосиметра),

47

пропорциональный вибрационной скорости, а поэтому зависимого от частоты колебаний, в сигнал, пропорциональный только вибра­ ционному смещению (виброметр). Если в цепь сетки усилительной лампы, получающей сигнал от индукционного датчика, ввести инте­

от частоты измеряемого колебания. Это обусловливается тем, что

падение напряжения на конденсаторе обратно пропорционально

частоте. При ином включении сопротивления и емкости могут быть

получены показания, пропорциональные квадрату частоты (диф­

метры).

Такие преобразования связаны со значительной потерей мощности сигнала (в несколько десятков раз), что вызывает необходимость

увеличения числа каскадов усиления. Поскольку виброизмеритель-

ная аппаратура обыкновенно располагается вблизи вибрирующей

машины, а в некоторых случаях и непосредственно на вибрирующем объекте, к ней предъявляются повышенные требования в отношении виброустойчивости, что следует отнести к числу трудно выполни­ мых задач.

Поэтому попытки кустарного изготовления электровиброизме-

рительных приборов не дают положительных результатов. Успешная

разработка и изготовление таких приборов может быть произведена лишь при наличии соответствующей лабораторной и производствен­ ной базы.

В качестве примера усилителя сигналов индукционного датчика на фиг. 32 приведена принципиальная схема одноканального уси­ лителя УВ-6-56 (ЦНИИТМАШ).

Сигнал датчика через переключатель ГЦ подается на интегрирую­ щую ячейку ЛдС1. Проинтегрированный сигнал с конденсатора Сг

поступает на вход двухкаскадного усилителя, собранного на двой­

ном триоде 6Н9С (<Z7i). Коэффициент увеличения 800—1000.

Между первым и вторым триодами усилителя напряжения вклю­ чен делитель напряжения Т?7Т?8 для расширения пределов измерения

аппаратуры. Переключение диапазонов производится переключа­ телем П2. Усиленный сигнал детектируется .амплитудным детекто­

ром Л2 и подается на выходной каскад Л3, собранный на двух трио­

дах по балансной схеме. Стрелочный указатель включен через доба­

вочные сопротивления Т?17 и R1S между катодами ламп выходного

каскада. Балансировка выходного каскада производится потенцио­

метром 7?16 путем изменения напряжения смещения на сетке второго

триода выходного каскада.

Второй диод Л2, включенный в сетку второго триода выходного каскада, служит для компенсации тока рабочего диода при отсут­ ствии сигнала.

Напряжение на вход катодного осциллографа подается с анода

первого триода усилителя напряжения.

■ 48