2013-12-29
1022
Вибродиагностика
Диагностирование состояния машин и оценка степени опасности повреждения на основе данных контроля вибрации — один из наиболее эффективных методов повышения надежности оборудования.
Вибрационное диагностирование объектов проводится в три этапа: первичное описание вибрационного состояния объекта, выделение признаков и принятие решения.
На этапе поиска информативных признаков ограничивают число измеряемых параметров вибрации, шума и ударов. При этом из множества параметров, характеризующих вибрационный процесс, выделяют только те, которые прямо или косвенно характеризуют состояние объекта. По этим параметрам формулируют информативную систему признаков, используемых при диагностировании.
Выбор диагностических параметров вибрации зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частотного диапазона измеряемых колебаний.
В низкочастотном диапазоне чаще измеряют параметры виброперемещения, в среднечастотном — виброскорости, а в высокочастотном — виброускорения.
Виброперемещение представляет интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение объекта или деформацию. Если исследуют эффективность вибрационных машин, а также воздействие вибраций на организм человека, то изучают скорость вибрации, поскольку именно она определяет импульс силы и кинетическую энергию. При оценке надежности объектов основным измеряемым параметром является виброускорение.
В зависимости от спектрального состава, распределения уровней вибрации в диапазоне частот и во времени, а также от нормирования допустимого уровня измеряют амплитудные, средние или средние квадратические значения. Основным преимуществом измерения, средних квадратических значений является независимость этих значений от сдвигов фаз между отдельными составляющими спектров измеряемой вибрации.
При измерении параметров вибрации используют два метода измерения: кинематический и динамический.
Кинематический метод заключается в том, что измеряют координаты точек объекта относительно выбранной неподвижной системы координат. Измерительные преобразователи, основанные на этом методе измерения, называют преобразователями относительной вибрации.
Динамический метод основан на том, что параметры вибрации измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, связанного с объектом через упругий подвес. Такие приборы называют преобразователями абсолютной вибрации, чаще сейсмическими системами.
Измерительные преобразователи вибрации основаны на различных физических принципах преобразования механических колебаний в электрический сигнал.
Типы измерительных преобразователей:
- Преобразователи абсолютной вибрации:
генераторные:
· пьезоэлектрические;
· индукционные;
· на основе эффекта Холла;
параметрические:
· резисторные;
· пьезорезисторные;
· индуктивные;
· трансформаторные;
· магнитоупругие;
· емкостные;
· электронно-механические;
· вибрационно-частотные;
· предельно контактные;
· импедансные.
Бесконтактные измерители относительной вибрации:
· магнитные;
· радиоволновые;
· электромагнитные;
· акустические;
· радиационные;
· оптические.
В бесконтактных измерителях реализуют кинематический метод измерения параметров относительной вибрации на основе использования оптических радиоволновых и др. электромагнитных полей. Наибольшее применение в бесконтактной вибродиагностике нашли оптические методы и средства измерения параметров вибрации, которые по способу выделения информации об измеряемом параметре делят на амплитудные и частотные. К амплитудным методам измерений относят фотоэлектронные, дифракционные и интерференционные методы измерения, а также методы с использованием пространственной модуляции светового потока.
Измерение параметров вибрации, основанное на измерении частоты излучения оптического квантового генератора, отраженного от объекта, проводят измерительными устройствами, действие которых основано на использовании эффекта Допплера.
Преобразователи значений вибрации в электрический сигнал делят на два класса: генераторные, преобразующие энергию механических колебаний в электрическую; параметрические, преобразующие механические колебания в изменение параметров электрических цепей, например, индуктивности, емкости, активного сопротивления, частоты или сдвига фаз и т.д.
Для вибродиагностики машин и механизмов используют в основном пьезоэлектрические и электродинамические преобразователи, относящиеся к генераторным, а также индуктивные, вихретоковые и емкостные, относящиеся к параметрическим.
Пьезоэлектрические преобразователи применяют для измерения параметров абсолютных колебаний невращающихся частей механизмов. Пьезоэлектрические преобразователи обладают высокими метрологическими свойствами, широким амплитудным и частотным диапазоном, высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью. Основными их недостатками являются высокое выходное сопротивление и низкая помехозащищенность. В меньшей степени эти недостатки свойственны пьезорезистивным преобразователям, относящимся к классу параметрических преобразователей.
Простейший пьезоэлектрический преобразователь можно представить в виде пластины, изготовленной из кварца или искусственной пьезокерамики. Для изготовления пьезокерамики применяют цирконат титанат свинца (ЦТС), титанат висмута (ТВ) и др. Пластину прикрепляют к воспринимающему внешние колебания основанию, на другой стороне пластины располагают груз массой m. Собственная частота сейсмической системы такого преобразователя
f 0 = (1/(2 π))(c 1/ m)1/2
где с 1 — коэффициент упругости пьезоэлемента в направлении приложения силы инерции груза массой m.
В частотном диапазоне fi «f 0 на выходе преобразователя образуется заряд q (t), пропорциональный воспринимаемому виброускорению а (t):
q (t) = d 11 kа(t),
где d 11 и k — пьезомодуль и коэффициент преобразования соответственно.
Величина заряда q (t) преобразуется в электрическое напряжение или ток.
При выборе пьезоэлектрических преобразователей для конкретных испытаний необходимо учитывать их температурный, амплитудный и частотный диапазоны, коэффициенты преобразования, частоту установочного резонанса и т.д.
Электродинамические преобразователи применяют для измерения параметров вибрации в частотном диапазоне 1 Гц — 2 кГц.
Электродинамический преобразователь содержит магнитную систему, в зазоре которой расположена катушка с проводом. Обычно магнитная система закреплена на основании, а катушка жестко соединена с сейсмической массой.
При воздействии внешней вибрации e (t) и относительных колебаниях x (t) в катушке наводится ЭДС
e (t) = B W l ср(d x(t) / dt),
где В, W, l ср — магнитная индукция в зазоре, число витков и средний диаметр витка подвижной катушки соответственно.
Электродинамические преобразователи работают на частотах, значительно превышающих собственную частоту сейсмической системы, т.е. при у» 1.
ЭДС на выходе катушки пропорциональна виброскорости гармонических колебаний:
e (t) = k ω е аcos ω t, где k = B W l cp.
При работе электродинамических преобразователей в первом частотном диапазоне и у «1 ЭДС на его выходе будет пропорциональна резкости, т.е.
e (t) = k (d 3 e(t) / dt 3)
К преимуществам электродинамических вибродатчиков следует отнести широкий амплитудный диапазон, низкое выходное сопротивление и возможность передачи сигналов по длинной линии связи.
Действие большинства параметрических преобразователей основано на изменении комплексных сопротивлений или проводимости электрических цепей.
Наибольшее распространение получили преобразователи индуктивные, трансформаторные, вихретоковые, магнитоупругие, механотронные и емкостные.
