5. Первичные источники информации

Практика экспериментальных исследований виброакустических характеристик с целью диагностики деталей и узлов ГТД показала, что успешное решение этой задачи в значительной степени определяется выбором типа первичного источника информации (преобразователя) и местом его установки на объекте. Особенно важное значение имеет выбор места установки преобразователя, поскольку от этого существенно зависит информативность, его выходного сигнала и, как следствие, сложность схемы диагностического прибора или системы, а также достоверность и надежность оценки состояния объекта.

При диагностике двигателей часто измеряют акустический шум, пульсации давлений в газовоздушном тракте, динамические деформации и вибрации деталей и корпусов ГТД. В качестве первичного преобразователя акустического шума используют широкодиапазонные микрофоны с различной диаграммой направленности.

Наиболее подходящими для измерений акустических шумов ГТД следует считать конденсаторные микрофоны, обладающие высокой термостойкостью и длительной стабильностью чувствительности. Акустический шум можно зарегистрировать с помощью микрофона без непосредственного контакта его с исследуемым механизмом. Однако результат измерений шума существенно зависит от внешних условий и ориентации микрофона.

Пульсации давления и динамические деформации измеряют, как правило, при исследовании вибрационных процессов ГТД с целью выявления диагностических признаков в сигнале, полученном от внешнего или внутреннего вибропреобразователя. Иногда по уровню пульсаций давления в газовоздушном тракте отбраковывают серийные двигатели при стендовых испытаниях. Установка специальных преобразователей пульсаций давлений для контроля работы двигателей в эксплуатации на объектах не всегда возможна, поскольку требует доработки корпуса двигателя или съема штатных измерительных устройств.

Динамические деформации диагностируемых деталей измеряют с помощью проволочных, фольговых или полупроводниковых тензорезисторов. Специальные проволочные тензорезисторы на цементной основе можно использовать для измерений динамических деформаций при температурах до 900° С. В этом случае требуется предварительная термообработка тензорезистора.

Наибольшее применение в диагностике ГТД нашли измерители механических колебаний — вибропреобразователи различных конструкций и различного принципа действия. Целесообразность применения вибропреобразователей для диагностики объясняется тем, что вибрационный процесс имеет большую информационную ем­кость; что установка внешних вибропреобразователей на объект не представляет особых трудностей; что вибропреобразователи можно длительно эксплуатировать в условиях повышенных температур и вибраций; а также тем, что на большинстве эксплуатируемых ГТД установлены штатные вибропреобразователи для контроля уровня вибраций на роторных гармониках, которые можно использовать для вибродиагностики деталей и узлов.

При измерении параметров вибраций ГТД используют пьезоэлектрические, индукционные, индуктивные и емкостные вибропреобразователи. Среди них для решения диагностических задач наиболее широко используют пьезоэлектрические вибропреобразователи, которые по своим техническим характеристикам превосходят другие типы вибропреобразователей, так как имеют достаточно высокий коэффициент преобразования, широкий частотный и динамический диапазоны измерений, относительно простую и надежную конструкцию, небольшие размеры и массу. Главный недостаток пьезоэлектри-ческих преобразователей — их высокое выходное сопротивление, из-за которого предъявляют повышенные требования к помехоустойчивости и изоляционным характеристикам соединительного кабеля и входных цепей усилительно-преобразующей аппаратуры. Попадание влаги или масла в вибропреобразователь, соединительный кабель или разъем может привести к потере чувствительности и к искажениям частотной характеристики измерительной системы в области низких частот.

Часто вибропреобразователи, устанавливаемые внутри двигателя или на его корпусе, подвержены воздействию повышенных вибраций и температур, влажности и помех механического, акустического и электрического происхождений. Все перечисленные факторы оказывают большое влияние на результаты измерений. Поэтому вибропреобразователи, используемые для диагностики ГТД, должны обеспечивать заданную линейную зависимость между выходным сигналом и уровнем измеряемого параметра вибраций; работать в заданном диапазоне частот; иметь малую зависимость выходного сигнала от изменения окружающих условий; иметь малую чувствительность к помехам механического, акустического и электрического происхождений, а также малые размеры и массу; не оказывать влияния на надежность и долговечность диагностируемых деталей и узлов.

Индукционные вибропреобразователи имеют высокий коэффициент преобразования и низкое выходное сопротивление. Однако индукционные вибропреобразователи имеют ограниченный частотный диапазон измерений, низкую вибропрочность, большие габариты и массу. Поэтому их используют в основном для измерения вибраций двигателей в диапазоне роторных гармоник до 500 Гц.

В пьезоэлектрических вибропреобразователях используют пьезоэффект, возникающий при деформации сжатия — растяжения пьезоэлемента (рис. 10, а и б) и при деформации сдвига (рис. 10, в). Преимущества конструкции вибропреобразователя (рис. 10, а) — высокая вибропрочность, наилучшее отношение массы к коэффициенту преобразования и широкий частотный диапазон измерений ускорений. Однако этот вариант конструкции имеет повышенную чувствительность к акустическим шумам, изменениям температуры окружающей среды и деформации поверхности объекта из-за того, что пружина 1 прикреплена к тонкостенной крышке 5. Конструкция вибропреобразователя, приведенная на рис. 10, б, менее подвержена воздействию акустических шумов, температуры и деформаций поверхности объекта, поскольку пружина 1, инерционная масса 2 и пьезоэлементы 3 закреплены на центральной оси 6, которая соединена с жестким основанием 4.

В конструкции вибропреобразователя (рис. 10, в) с цилиндрическим пьезоэлементом 3 использован пьезоэффект, возникающий при деформации сдвига. Такие вибропреобразователи имеют широкий частотный диапазон, высокую вибропрочность, низкий коэффициент поперечного преобразования, мало подвержены влияниям окружающей среды, имеют небольшие размеры и массу.

Все вибропреобразователи с прижатой инерционной массой имеют широкий температурный диапазон. Вибропреобразователи с приклеенной инерционной массой (рис. 10, в), а также с защемленно-клеевой массой допускают измерение вибраций при температуре не выше +180° С. Для измерений небольших ускорений () используют высокочувствительные пьезоэлектрические вибропреобразователи (), в которых пьезоэлемент испытывает действие изгибающих деформаций. Такие вибропреобразователи имеют низкую вибропрочность и высокий коэффициент поперечного преобразования. Благодаря высокому коэффициенту преобразования этих вибропреобразователей при их использовании отпадает необходимость в использовании мощных возбудителей колебаний.

Рис. 10. Пьезоэлектрические вибропреобразователи

В табл. 1 приведены характеристики отечественных и зарубежных пьезоэлектрических вибропреобразователей. Приведенные в табл. 1 пьезоэлектрические вибропреобразователи разделены на четыре группы.

В общем виде пьезоэлектрический вибропреобразователь представляет собой колебательную систему с одной степенью свободы (рис. 11), которая описывается уравнением

. (41)

Рис. 11 Схемы входных цепей:

а- полная схема; б- эквивалентная схема вибропреобразователя, работающего в режиме холостого хода; ПЭ- пьезоэлемент; - инерционная масса;- ЭДС вибропреобразователя;- сопротивление кабеля;- емкость кабеля;- входное напряжение усилителя;,- входная емкость и сопротивление усилителя;,- собственная емкость и сопротивление вибропреобразователя.

Таблица 1

Характеристики отечественных и зарубежных пьезоэлектрических вибропреобразователей.

Тип преобразователя	Коэффициент преобразова-ния		Верхняя рабочая частота, кГц	Максимальное измеренное ускорение, м/с2	Емкость, пФ	Коэффициент поперечного преобразования, %	Диапазон рабочих температур, оС	Размер, мм	Масса, г
	мВ*с2/м	пКл*с2/м
Общего назначения
ИС-312	0,4	0,6	20	104	1500600	10	От -50 до +50	19х35	40
ИС-318	1,3	2,0		104	1500600	7–15	От -50 до +50	36х25	40
Д-10	2,8	3,0	20	103	1100200	10–20	От -10 до +40	16х27	30
Д-14	2,5	3,5	10	1200	1400300	5-20	От -10 до +70	10х30	27
КД-12, КД-13	4	4	7	104	1000*	5	От -20 до +80	17х21	21
КД-14, КД-15	1	1	10	5 104	1000*	5	От -20 до +80	17х16	18
КД-16, КД-17	1	1	10	3 104	1000*	5	От -20 до +80	17х16	10
4335	2	2	10	7 103	1000*	4	До +260	14х20	13
4339, 4343	1	1	12	105	1000*	4	До +260	14х17	16
8302	1	1	8	105	1000*	4	До +260	14х25	21
Для измерения вибрации малогабаритных деталей
Д-23	0,1	0,6	50		600	15	От -10 до +60
4344	0,25	0,25	21	105	1000*	4	До +260	7х10	2
8303	0,25	0,25	14	105	1000*	4	До +260	7,8х15	3,3
8307	0,25	0,07	25	105	300	5	До +200	5х7	0,4
6230М8		0,2	2				До +260
6234		0,7	3				До +260
Для измерения низких уровней вибрации
1ПА-9	20	40	0,8	2 103	2000	2	От -40 до +80	34х23	45
1ПА-10В	12	24	1	2 103	2000	1	От -40 до +80	32х18	32
Д-25	10	15	2	120	1500	5	От -40 до +80		42
Д-25	20	24	0,7	500	1200	2	От -40 до +80		28
4338	10	10	3,6	104	1000	3	До +260	31х21	60
Для измерения вибрации нагретных деталей
4345	0,5	0,5	9	3 104	1000*	3	До +400	21х14	27
2285А	0,5	0,25	5	5 103	515100*	2–5	До +760	13х13	16
2276	1,2	1	5	5 103	660100	1–3	До +482	16х25	30
6233	1,9	1	5	2 104	550	5	До +480	30х37	85
6237	10	1	5	5 103	100	5	До +650	12х25	30
6237М9	10	1	5	5 103	100	5	До +650	12х25	35

Коэффициенты затухания и собственная частотаопределяются массой, коэффициентом упругостии коэффициентом демпфирования:

и . (42)

Из уравнения (41) можно найти амплитудно-частотную характеристику:

(43)

и фазочастотную характеристику:

. (44)

При , где– верхняя граница частотного диапазона спектра вибраций, и небольшом коэффициенте затухания АЧХ становится плоской;, а фазочастотная характеристика. Следовательно, с увеличением собственной частотыповышается верхняя граница () частотного диапазона спектра вибрации, правильно отражаемого вибропреобразователем, но при этом коэффициент преобразования становится меньше.

Как видно из рис. 12, наиболее благоприятны с точки зрения равномерности частотные характеристики механической системы вибропреобразователя при степени успокоения . Однако применяемые для вибродиагностики ГТД широкодиапазонные пьезоэлектрические вибропреобразователи имеют степень успокоения. Поэтому на собственной частоте они имеют более высокий коэффициент преобразования и к усилительно-преобразующей аппаратуре, особенно к входным каскадам, предъявляют более жесткие требования линейности амплитудной характеристики не только в рабочей полосе частот, но и при частотах выше. Переходные режимы работы двигателя, а также ударные явления могут приводить к возбуждению вибропреобразователя на собственной частоте. Это, в свою очередь, может привести к перегрузке входных каскадов аппаратуры и искажениям регистрируемого сигнала. Эффективный способ уменьшения возбуждений на частоте– фильтрация сигнала на входе аппаратуры с помощью фильтра нижних частот.

Рис. 12. Частотные характеристики механической системы вибропреобразователя.

Анализ АЧХ пьезоэлектрических вибропреобразователей в области верхних частот показал, что их коэффициент преобразования на частоте выше, чем в рабочей полосе (до), на. Выборобычно производится из условия. Неравномерность частотной характеристики на частоте:

, (45)

где.

Обычно неравномерность частотной характеристики вибропреобразователя в области верхних частот выбирают в пределах %. Подъем АЧХ вибропреобразователя вблизи частоты можно скорректировать соответствующим завалом частотной характеристики усилительно-преобразующей аппаратуры. Приифазовые искажения вибропреобразователя на частотене превышают. Если неравномерность АЧХ в области верхних частот определяется механическими параметрами колебательной системы вибропреобразователя, то в области нижних частот она определяется электрическими параметрами чувствительного пьезоэлемента, соединительного кабеля и схемой входной цепи виброаппаратуры (рис. 11). При колебании объекта с ускорением пьезоэлектрический вибропреобразователь генерирует ЭДС , пропорциональную амплитуде ускорения .

В режиме холостого хода (рис. 11, б) сопротивление с учетом сопротивления изоляции выводов вибропреобразователя достаточно велико и, как правило, превышает. Поэтому для частот, где– граничная частота, можно принять, что ЭДС вибропреобразователя

(46)

где - коэффициент преобразования- амплитуда ускорения, м/с².

При подключенном усилителе (рис. 11, а) напряжение на его входе

(47)

где – эквивалентное сопротивление,; — коэффициент передачи входной цепи; — собственная емкость вибропреобразователя,;— емкость кабеля,;— сопротивление изоляции кабеля,;— емкость входной цепи,;— сопротивление входной цепи,.

Для обеспечения равномерности частотной характеристики в области низких частот необходимо выполнить условие: . Поэтому коэффициент передачи входной цепи по напряжению в области частот

, (48)

т. е. входная цепь представляет собой емкостной делитель напряжения. Из выражений (47) и (48) видно, что увеличение иприводит к расширению частотной характеристики в области низких частот и ослаблению напряжения. Входная емкостьдля усилителя напряжения находится в пределах, и при расчетах ею пренебрегают.

С целью уменьшения влияния используют выносной согласующий усилитель, который располагается на расстоянииот вибропреобразователя. При этом используют антивибрационный кабель с минимальной погонной емкостью. Для расширения частотного диапазона в область низких частот при заданном значении, нормирования коэффициента преобразования по напряжению, расширения динамического диапазона и выравни­вания температурной характеристики параллельноуста­навливают дополнительную емкость. Таким образом, для изме­рения вибраций при нормальной температуре нижнюю граничную частотупри неравномерности не более 2% можно определять по формуле:

. (49)

Нагрев вибропреобразователя и кабеля вызывает изменение , и , поэтому может изменяться частота, которая была определена для заданной неравномерности при нормальной температуре.

Для оценки работы пьезоэлектрического вибропреобразователя в целом следует рассмотреть его результирующую частотную характеристику, которая определяется механическими параметрами вибропреобразователя, электрическими параметрами пьезоэлемента и входной цепи. Результирующая частотная характеристика с учетом емкости (рис.44)

. (50)

Практически определяется параметрами схемы входной цепи усилительно-преобразующей аппаратуры, а— собственной ча­стотой вибропреобразователя, установленного на исследуемом объекте. Повышение установочного резонанса достигается увели­чением площади и улучшением качества контактирующих поверх­ностей вибропреобразователя с корпусом объекта.

Рис. 13. Типичная частотная характе­ристика вибропреобразователя с учетом параметров входной цепи

Среди многочисленных факторов, влияющих на результат измерений параметров вибраций ГТД, особое значение имеет изме­нение окружающей температуры в месте размещения вибропреобразователя. Коэффициент преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя может изменяться как из-за влияния температуры на параметры чувствительного пьезоэлемента, так и из-за различных температурных коэффициентов расширения материалов, используемых в вибропреобразователе. Различные градиенты температуры по объему вибропреобразователя приводят к появлению пироэлектрических зарядов. При изотермическом режиме воздействия, в котором температура по объему вибропреобразователя одинакова и постоянна во времени, пироэлектрический эффект не проявляется, а изменение коэффициента преобразования с нагревом или охлаждением происходит из-за изменения пьезомодуля и диэлектрической проницаемостичувствительного пьезоэлемента.

Коэффициент преобразования пьезоэлектрического вибропреобразователя по напряжению в режиме холостого хода имеет вид:

, (51)

где - ЭДС вибропреобразователя,;- амплитуда ускорения,;- пьезомодуль, используемый в данной конструкции вибропреобразователя,;- толщина пьезоэлемента,;- число пластин;- масса инерционного груза,;- площадь пьезоэлемента,;- диэлектрическая проницаемость,;- емкость одного пьезоэлемента,.

Из выражения (51) видно, что изменение происходит из-за изменения отношения, т.е. чувствительности пьезоэлемента.

Из выражения (51) видно, что изменение происходит из-за изменения отношения, т.е. чувствительности пьезоэлемента.