3 Методы и средства безразборного диагностирования
3.1 Диагностика по виброакустическим параметрам
Судовая дизельная установка представляет собой сложную активную колебательную систему, поскольку почти все протекающие в ней во время работы физические процессы сопровождаются колебаниями. Возможны различные причины, вызывающие колебания. По происхождению их делят на механические, аэродинамические, гидродинамические и др.
Механические колебания возникают под действием неуравновешенных сил и моментов, сил прения скольжения и качения, переменных сил, соударений твердых тел. Аэродинамические и гидродинамические колебания обусловлены возмущениями среды при всасывании и нагнетании, пульсацией турбулентного потока, гидродинамическими ударами, химическими превращениями среды, местными завихрениями и кавитацией. Электромагнитные колебания вызваны пульсацией магнитных полей.
Наличие неуравновешенных сил и моментов связано с кинематической схемой, например, в поршневых машинах. Другие причины их появления — недостаточная центрировка (расценрировка) совместно работающих агрегатов, неравномерность распределения масс относительно оси вращения.
Колебания, обусловленные силами трения, связаны с отклонениями геометрических параметров сопрягаемых поверхностей, например, в подшипниках, от номинальных значений вследствие технологических и эксплуатационных дефектов, а также с изменениями условий смазки.
Характерным примером колебаний вследствие действия переменных сил являются крутильные и поперечные изгибные колебания валопроводов.
Переменность действия сил при наличии зазора в сочленении деталей приводит к соударению их, вследствие чего возникают собственные (свободные) колебания деталей и машины в целом. Зоны контакта деталей в момент соударения играют роль центров возбуждения волн, распространяющихся в упругой среде — материале деталей и окружающем воздухе. Аналогичный эффект происходит при гидравлическом ударе в трубопроводах. Удар наблюдается при работе топливных форсунок, воспламенении рабочей смеси в цилиндре дизеля. В этих случаях в машине также возникают свободные колебания.
Рассмотренные примеры позволяют установить, что в спектре колебаний судовых машин наблюдаются: 1) составляющие, по частоте равные или кратные частоте вращения вала, называемые вынужденными колебаниями или вибрациями машины; 2) составляющие, соответствующие частоте свободных колебаний машины и ее деталей. Свободные колебания не являются гармониками основного тона — частоты ударов. Назовем свободные колебания, распространяющиеся в упругой среде, акустическими колебаниями машины. Частоты вынужденных колебаний (Гц) могут быть заранее рассчитаны по формуле
fв
где i — суммарное передаточное отношение;
k — число, определяющее кратность действия возмущающей силы по отношению к основной частоте (число к может выражать количество зубьев, лопастей, кривошипов, расположенных равномерно по окружности);
m= 1,2,3... — числа натурального ряда, определяющие номер гармоники;
n — частота вращения вала, с-1.
С изменением скоростного режима машины частота колебаний соответственно изменяется. При этом амплитуда колебаний, создаваемых неуравновешенностью движущихся частей, пропорциональна квадрату частоты вращения вала.
Рассмотрим характеристики интенсивности вибрации. Простейшим показателем является вибрационное перемещение s, выражающее размах колебаний и измеряющееся обычно в микронах. Перемещение лишь отчасти характеризует вибрацию, поскольку не учитывает частоты ω = 2π/Т процесса. Как характеристика вибрации перемещение используется при низких частотах (не более 1 тыс. Гц). С увеличением частоты те же амплитуды для вибрации становятся опасными, поэтому допустимые для энергетических установок перемещения вибрации задаются в функции частоты. Частота вибрации часто указывает на источник ее возникновения. Хотя вибрационное перемещение (размах или амплитуда) является обычным и обязательным показателем вибрации, без указания частоты оно практически ничего не выражает.
Произведение вибрационного перемещения s на частоту ω называется скоростью вибрации υв:
υв = sω
Частота свободных колебаний, вызываемых ударами, не зависит от скоростного режима машины. Она определяется формой и размерами деталей, а также упругостью и внутренним трением материала. Амплитуда таких колебаний пропорциональна скорости сталкивающихся деталей. Датчик, регистрирующий акустические колебания, обычно устанавливается непосредственно на корпусе машины или отдельных ее деталям, однако в принципе (в отличие от вибрационного датчика) может быть использован микрофон, реагирующий на колебания воздуха в районе расположения машины.
Применение микрофона в акустической диагностике судовых машин затруднено в связи с тем, что результаты измерений существенно зависят от внешних условий (работы аналогичных машин, открытия иллюминаторов и дверей в машинном отделении, влажности воздуха).
Для получения зависимостей, позволяющих расчетным путем определить частоты свободных колебаний деталей, последние обычно уподобляют эквивалентным простым деталям (стержням, пластинам, дискам и т. п.).
Сравнивая вынужденные и свободные колебания машин, можно отметить, что вибрации характеризуются относительно низкими частотами, большими амплитудами перемещений и малыми ускорениями. Вместе с тем современная акустическая аппаратура позволяет производить измерения не только акустических, но и вибрационных смещений с высокой точностью. Можно сказать, что акустическая диагностика решает более широкий круг задач, чем диагностика вибрационная. В связи с этим использование вибрационных датчиков для целей диагностирования в процессе применения судовых машин по назначению весьма ограничено. Наиболее эффективно использование методов вибрационного диагностирования для определения причин вибраций новых машин и разработки мероприятий по снижению их виброактивности.
Общая схема системы акустической диагностики судовых машин представлена на рисунке 3.1. Пусть машина содержит q источников возмущающих сил ИБС, например кинематических пар. В моменты ударов действуют возмущающие силы Рj (j=1, 2, ..., q), вызывающие сигналы хj в форме упругих колебаний. Эти сигналы содержат информацию о состоянии источников возмущающих сил, например о техническом состоянии кинематических пар, поскольку скорость столкновения и, соответственно, интенсивность сигналов зависят от величины, зазоров в парах.
Рисунок 3.1 – Общая схема системы акустической диагностики
Упругие волны проходят через среду С (тело машины) и в виде совокупности X воспринимаются датчиком Д (пьезоэлектрическим), установленным на корпусе машины. Датчик, кроме полезных сигналов, воспринимает также помехи xпом, создаваемые источником помех ИП.
Рисунок 3.2 – Фрагмент записи акустического сигнала
На рисунке 3.2 в качестве примера показана запись сигнала Y на выходе датчика, установленного на двигателе внутреннего сгорания. Здесь же показаны: 1 — кривая изменения давления в цилиндре; 2 — отметки угла поворота коленчатого вала. Импульсы, порождаемые отдельными ударами (возмущающими силами) в процессе работы двигателя, следуют один за другим в определенной последовательности. Высокочастотное заполнение импульсов соответствует затухающим свободным колебаниям машины. В результате амплитуда колебаний машины к моменту очередного удара уменьшается, а непосредственно после удара вновь увеличивается. Таким образом, положение импульса на временной оси относительно опорной метки определяется вызвавшей его возмущающей силой (например, ударом в конкретной кинематической паре), а амплитуда импульса — значением этой силы, связанной для кинематической пары с величиной зазора.
При диагностировании машины в процессе работы необходимо с помощью блока разделения сигналов БРС (рисунок 3.1) общий сигнал Y после датчика разделить на составляющие сигналы таким образом, чтобы каждый из них соответствовал только одной возмущающей силе. Затем по каждому составляющему сигналу нужно дать оценку соответствующей возмущающей силы Рq с помощью блока оценки параметров БОП.
Как уже указывалось, зная оценку возмущающей силы, можно оценить состояние источника ее, например зазора в кинематической паре. Для этого необходимо измерить амплитуду сигнала Y и его фазу (положение на оси времени), сравнить их с эталонными значениями. На общей схеме системы акустической диагностики (рисунок 3.1) блоки эталонных сигналов (памяти), индикации и управления не показаны.