2.4 Представление виброакустического сигнала полигармонической моделью

Колебательные процессы, сопровождающие функционирование машин и механизмов, непосредственный результат взаимодействия деталей. Свойства или изменение свойств деталей проявляются в их взаимодействии, именно поэтому виброакустический сигнал - побочный результат взаимодействия - является носителем информации о техническом состоянии элементов механизма, образующих кинематические пары: пару колес в зубчатом зацеплении; обоймы, тела качения, сепаратор - в подшипнике качения; цилиндр и поршне в двигателе внутреннего сгорания и т. п. Одновременно с этими явлениями в механизмах имеет место взаимодействие движущихся или вращающихся элементов с внешней средой: вращение лопаток турбины или лопастей винта в потоке газа, вихреобразование в потоке на границе сред, кавитация в жидкости, явление гидравлического удара и др.

Все разнообразие колебательных процессов в механизме можно представить виде вынужденных и собственных колебаний. В качестве носителя информации о техническом состоянии могут служить оба вида колебаний, но характер и объем информации, содержащейся в них, различный. Если амплитуды вынужденных колебаний являются энергетическими характеристиками, содержат информацию о качестве изготовления (сборке, ремонта) и о грубых изменениях параметров технического состояния, граничащих с аварийной ситуацией в процессе эксплуатации и механизма, то окраска (модуляции вынужденных колебаний и колебаний в зоне собственных частот узлов механизма) - это источники информации о наличии дефектов на ранней стадии их развития.

Рассмотрим несколько моделей виброакустических процессов, позволяющих установить взаимнооднозначное соответствие между характеристиками виброакустического сигнала и параметрами технического состояния роторных механизмов. Существует огромное число механизмов циклического действия, в которых характер взаимодействия элементов подчинен периодическому закону, связанному с вращательным движением.

Рис. 2.7 Пример гармонического вибрационного сигнала с указанием пикового, среднего квадратичного и среднего абсолютного значений

В роторных механизмах в низкочастотном диапазоне (до 200-300 Гц) одной из основных частот возбуждения является частота вращения ротора (роторная частота) f=wвр/2π, где WBp - угловая частота вращения ротора.

Колебания механизма в этом диапазоне частот гармонического вида, x(t) =acos(wвpt), и обусловлены, в основном, неуравновешенностью вращающихся масс. Энергия таких колебаний очень велика, затухание в системе мало, поэтому они распространяются на большие расстояния. Именно эти колебания определяют динамическую прочность конструкции механизма. Механизм при этом рассматривается как единая упругая система с сосредоточенными параметрами. Амплитуда колебаний ak < на роторной частоте определяется в основном значением дисбаланса и отношением критической частоты вращения ротора к рабочей. Информативным параметром в такой модели может служить значение амплитуды (или приращение амплитуды) колебаний на роторной частоте.

Периодическая вибрация обычно рассматривается как колебательное движение всего тела относительно положения равновесия (рис. 2.3), и для ее описания достаточно двух параметров: периода осцилляции (или частоты колебаний f=1/T и амплитуды колебаний а).

В практике виброизмерений и вибродиагностики при описании колебаний наиболее употребительны пиковое значение амплитуды Хn=а, характеризующее максимальный размах колебаний относительно положения

равновесия, среднее абсолютное значение (математическое ожидание):

X cp = 1/T ∫ |x|dt = ‹|x|› (2.7)

и среднее квадратическое значение (дисперсия):

X скз = √(1/T) ∫ |x| dt = √‹x²› (2.8)

Таблица 2.2

Диагностическая карта неисправностей

Дефект	Основные частоты	Направление измерений	Примечание
Неуравнове шенность ротора	f вр.	Радиальное	Наиболее вероятная причина увеличения виброакустического сигнала
Зазор в подшипнике скольжения	Субгармоники f вр., особенно ½ или 1/3 f вр.	Преимущественно радиальное	Дефект проявляется на рабочей скорости и рабочей температуре
Механический люфт	2f вр.	Радиальное и осевое	А так же суб- и комбинарные гармоники
Неуравнове шенности в механизмах и машинах возвратно-поступательного принципа действия	f вр., и (или) Кf вр., К- число несбалансированных деталей	Преимущественно радиальное	Возрастает с ростом частоты вращения

В настоящее время методы виброакустической диагностики и прогнозирования остаточного ресурса широко используются в судостроении, авиастроении, энергетике. Данный метод расширил возможности существующих методов неразрушающего контроля, позволил решать практические задачи долгосрочного прогноза состояния агрегатов и механизмов и, как следствие, переходить на их обслуживание и ремонт по фактическому состоянию.