Вибродиагностика машин и механизмов. Учебное пособие

Такие представления вибрации дают возможность количественной оценки необратимых изменений.

3.4.2. БИСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

При статическом описании случайных величин на практике ограничиваются первыми четырьмя моментами распределения.

При описании случайных процессов, как правило, используют лишь корреляционные функции (моментные функции второго порядка). Однако при некоторых исследованиях используются моментные функции более высокого порядка.

Наиболее характерной из них является функция третьего порядка, которая может быть применено для анализа стационарных вибраций, включающих случайные и периодические составляющие

ґdx(t)dx(t + 1)dx(t + 2 )

Здесь p {x(t)...} – трехмерная плотность вероятности.

Функция M3x ( 1, 2 ) – определяется на интервале T > 3 0 , где 0 – интервал корреляции, которая для случайных процессов стремится к нулю быстрее, чем для Rx ( ) .

Если в сигнале присутствуют гармонические составляющие, на-

Биспектр является комплексной величиной. В диагностике чаще применяют модуль этой величины Bx ( 1, 2 ) . При необходимости

нахождения слабых гармонических составляющих проводят большое количество независимых измерений.

Биспектральный анализ не нашел широкого применения, но он может использоваться для диагностики зубчатых соединений, лопаток, турбин и т.д.

52

4. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ

Существует два принципа измерения вибрации:

1)кинематический;

2)динамический.

Кинематический принцип. В этом случае датчик измеряет вибрацию одного объекта относительно другого, на котором он установлен. Датчики относительной вибрации – бесконтактные.

Пример применения датчика: измерение вибрации вала относительно подшипника с помощью бесконтактного датчика.

Динамический принцип. В этом случае в датчике создается искусственно неподвижная точка, относительно которой измеряются параметры абсолютной вибрации объекта. Такие датчики называются датчиками инерционного типа.

4.1.ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ

1.Число измеряемых компонентов вибрации. Известно, что твердое тело имеет шесть степеней свободы и для определения его колебаний применяют три линейные составляющие и три угловые.

В практике обычно число измеряемых составляющих ограничено. Для измерений обычно используют однокомпонентные датчики инерционного действия или датчики относительной вибрации.

При необходимости применяют двух- и трехкомпонентные датчики, причем каждый компонент выполнен по однонаправленной схеме. Но бывают датчики с использованием одного инерционного элемента.

Поскольку требования к вибродатчикам весьма разнообразны (число направлений измерений, частотный и динамический диапазоны, условия окружающей среды, размеры и масса), на практике применяют датчики с различными принципами действия.

2.Параметры сигнала вибрации, подлежащие измерению. В прак-

тике встречается необходимость измерять (перемещение, скорость, ускорение):

53

мгновенные значения; пиковые значения;

среднеквадратические значения; корреляционные функции; распределения вероятности; частоты основного тона и ее гармоник;

крутизну фронта нарастания и длительность импульса; спектр сигнала.

3. Требования к характеристикам виброизмерительной аппара-

туры. Пусть выходной сигнал датчика, возбуждаемого колебаниями x(t) , поступает на вход первичной аппаратуры и выходит из нее в виде

сигнала A(t) .

Чтобы выходной сигнал правильно отображал вибрацию x(t) , необходимо соблюдать следующее требование.

Отношение A(t) , называемое коэффициентом преобразования, x(t)

должно быть постоянным и не зависеть от величины и частоты сигнала в всем рабочем диапазоне. Эта величина называется чувствиитель-

ностью системы.

Это требование выполняется, когда: амплитудная характеристика – линейная;

амплитудно-частотная характеристика ρ(ω) – равномерная; фазочастотная характеристика – нулевая; поперечная чувствительность датчика – мала.

Надо иметь в виду:

амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики сигнала связаны друг с другом;

всякое отклонение амплитудной характеристики от линейной вызывает нелинейные искажения (в выходном сигнале могут появиться составляющие с частотами, которых нет в исходном сигнале).

4.2.ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

4.2.1.ДАТЧИКИ ИНЕРЦИОННОГО ТИПА

54

My hy Ky Ms ,

где K – жесткость подвески; h – демпфирование подвески.

Рассмотрим режимы работы такого датчика. Относительное перемещение yотн инерционного элемента и массы пропорционально либо виброперемещению, либо виброскорости, либо виброускорению. В зависимости от того, какую величину надо измерить (смещение, скорость, ускорение), параметры системы M, h, y или ω0, ε должны удовлетворять определенным требованиям.

Если требуется измерять перемещение, то датчик работает в режиме виброметра, если скорость – в режиме велосиметра, если ускорение – в режиме акселерометра.

Рассмотрим работу датчика в режиме виброметра. В этом случае амплитудно-частотная характеристика имеет вид:

а фазочастотная

Фs, y = arctg K - h2 M .

55

При работе датчика в режиме велосиметра эти параметры записываются в виде

а при работа в режиме акселерометра:

Одной из основных характеристик вибродатчика является его

поперечная чувствительность:

n= Un . .

U p

Здесь Un – сигнал от воздействия на датчик поперечной вибрации той же величины, что и в рабочем положении. Поперечная чувствительность обычно выражается в процентах

n= Un 100 %.

U p

Имеется очень большое количество электромеханических датчиков, преобразующих механические колебания в электрический сигнал. Однако в настоящее время широко применяются только некоторые из них: это индуктивные (электромеханические) и пьезокерамические датчики.

4.2.2. ДАТЧИКИ ИНДУКТИВНОГО ТИПА (ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ)

56

Электродинамические датчики нашли широкое применение для исследования вибраций электрических машин, строительных конструкций, машиностроительных конструкций, для контроля сейсмических колебаний.

Механическая система датчика (рис. 4.2) работает в режиме виброметра, но вследствие использования в ней

индуктивного преобразователя сигнал на

выходе пропорционален виброскорости.

Конструкция этого датчика включает в

себя катушку, связанную с инерционной массой, подвешенной на двух плоских ленточных пружинах. Катушка входит в кольцевой зазор.

Напряжение на выходе датчика

U = –BVl,

где В – магнитная индукция в зазоре; l – длина проводника; V – скорость вибрации.

Поэтому напряжение на выходе будет пропорционально скорости перемещения проводника в зазоре.

Частотный диапазон таких датчиков: 7…300 Гц; Рабочий температурный диапазон –30 + 400 °С (чаще до + 100 °С).

Эти датчики в настоящее время вытесняются из практики пьезоке-

рамическими датчиками.

4.2.3.ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Вотличие от других типов датчиков пьезокерамические датчики более эффективны, чем другие типы датчиков, и применяются в широком частотном и динамическом диапазонах.

Для получения достоверных результатов частотные, динамические диапазоны датчика должны соответствовать частотному и динамическому диапазонам измерений.

Существует очень широкий ассортимент таких датчиков, поэтому практически можно подобрать датчик для любых требуемых целей.

Основными преимуществами пьезокерамических датчиков являются:

57

Верхний частотный предел работы датчика определяется по заданному отклонению АЧХ от прямой линии (рис. 4.4).

58

А

Нижнее значение рабочей частоты зависит от усилительной аппаратуры, работающей совместно с датчиком.

Конструктивные схемы датчиков показаны на рис. 4.5.

Рис. 4.5

По схеме 1 работает большинство датчиков. Они имеют высокий температурный диапазон, небольшие размеры.

По схеме 2 работают датчики фирмы Брюль и Къер (Дания).

Коэффициент преобразования вибродатчика. Пьезоэлектричес-

кий датчик можно рассмотреть как источник электрозаряда и напряжений. Так как вибродатчики имеют очень высокоомные выходы, то в этих случаях необходимо применять предусилители.

Динамический диапазон измерений. Амплитудная характерис-

тика таких датчиков линейна в широком диапазоне частот. За пределами линейности могут возникнуть искажения.

Поперечная чувствительность датчиков. Поперечная чувствии-

тельность датчика может внести в результаты измерений значительную погрешность. Количественно она выражается в процентах. Необходимо учитывать, что поперечная чувствительность в различных направлениях различна.

Некоторые фирмы, например фирма Брюль и Къер, на корпусе датчиков красной точкой отмечают направление минимальной чувствительности.

59

Влияние крепления. Неправильное крепление датчика может стать источником больших погрешностей.

При креплении датчика надо соблюдать следующие условия:

момент затяжки крепящих винтов должен соответствовать техническим условиям;

масса вибродатчика не должна изменять динамические характеристики объекта;

место крепления вибродатчика должно быть тщательно обработано.

Место крепления датчика надо выбирать таким образом, чтобы путь от источника вибрации до датчика был минимальным. Например, для замера вибрации на подшипнике датчик устанавливается на крышке подшипника (над ним). Совершенно недопустимо крепление датчика на торце крышки.

Датчик обычно крепится на шпильке, на винтах, на магните.

Недопустимо крепление датчиков с помощью струбцин.

Крепление датчика на шпильке, на винтах – это идеальный случай. Поверхность места крепления должна быть тщательно обработана.

Качество механической связки датчика с поверхностью изделия значительно повысится, если поверхность датчика смазать силиконовой смазкой.

При креплении датчика с помощью шпилек необходимо строго соблюдать усилие затяжки, которое составляет 2 Н·м. При кратковременных измерениях допустим момент 0,3 Н·м.

Миниатюрные датчики можно устанавливать на поверхности с помощью воска или клея. Крепление с помощью клея рекомендуется при проведении длительных измерений.

Для оперативной установки датчиков на стальных поверхностях рекомендуется применять магнит.

В случаях широкого диапазона частот возбуждения поверхности должны быть тщательно обработаны.

Для измерения низкочастотных колебаний с малой амплитудой устанавливают специальные механические фильтры.

4.2.4. ВИХРЕТОКОВЫЕ ДАТЧИКИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВИБРАЦИИ

В промышленных условиях для контроля относительной вибрации элементов оборудования, например вала относительно подшипника, используют бесконтактные вихретоковые датчики.

60