Файл: Попков, В. И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов.pdf

Таблица 1

Параметры распределения вибрации насосов

В табл. 1 приведены полученные А. М. Ополченцевым параметры распределения вибрации насосов, выпускавшихся в 1964 и 1965 гг., из которых видно, что параметры распределения в 1965 г. улучшены: при неизменной величине среднего дисперсия существенно уменьшилась. Постоянство средней величины от времени свидетельствует о выбранных технологических возможностях изготовления насосов данной конструкции на существующем оборудовании, а уменьшение дисперсии—об улучшении качества продукции за счет снижения количества случайных технологических погрешностей.

На практике зачастую не удается найти соответствие между некоторыми частотами спектра вибрации и возмущениями в рабочих узлах механизмов. Нередки также случаи превышения уровней второй и других гармоник над уровнем первой гармоники основных дискретных составляющих. Причем эти соотношения между ампли­ тудами гармоник зависят от режимов работы механизма, параметров кинематических пар и условий их эксплуатации. В некоторых слу­ чаях мероприятия, направленные на снижение низкочастотных составляющих, например частоты вращения ротора, приводят к рез­ кому уменьшению высокочастотных вибраций. Эти и ряд других явлений обусловлены тем, что конструкциям механизмов и его вибра­ ционным процессам присущи нелинейные связи—изменение на раз­ личных режимах характера возбуждения (по виду и спектру) и ха­ рактеристик колебательной системы (параметров масляного слоя, жесткостей элементов из-за различных способов и площадей кон­ такта и др.). Известно, что взаимная корреляционная функция двух случайных процессов характеризует не всякую зависимость между ними, а только линейную вероятностную связь. В этих слу­ чаях при изменении одной величины наблюдается тенденция изме­ нения второй величины по линейному закону. При нелинейных связях корреляционный анализ становится неэффективным и может привести к ошибочным выводам. Более общим, чем корреляционный, является регрессионный анализ, оперирующий с условными вероят­ ностными характеристиками [11, 53]. Использование такого ана­ лиза. открывает - дополнительную возможность при расшифровке спектров вибрации, установлении связи между различными частот­ ными составляющими, а также понимании физики законов возбужде­ ния и особенностей свойств колебательной системы судовых механиз­ мов и агрегатов, . .

91

Применению регрессионного анализа к задачам диагностики посвя­ щена работа [67 ], в которой, в частности, приведены результаты построения регрессионных кривых между вибрационными процессами на первой и второй гармониках зубцовой частоты редуктора. В силу свойств ортогональности коэффициент корреляции между вибраци­ ями на этих частотах равен нулю. Регрессионный же анализ поз-

Рис. 30. Регрессионные зависимости уровней вибрации на пер­ вой и второй зубцовых частотах.

волил установить зависимость второй гармоники от первой и неза­ висимость процесса на первой гармонике от вибрационного про­ цесса на второй (рис. 30). Регрессионные линии построены для нескольких значений нагрузки редуктора. Видно, что характер линий регрессии существенно зависит от величины нагрузки. На основе этой информации становится очевидно, что для зубцовой передачи характерны нелинейный режим работы элементов зацепле­ ния, зависимость жесткости зацепления от скорости и положения колес. По виду кривых регрессии и значениям условных вероят­ ностных характеристик можно также судить о динамическом состоя­ нии редуктора.

§13 Использование ЭВМ и специальной

цифровой измерительной техники для определения причин вибрации механизмов

Применение ЭВМ и специализирован­ ных цифровых устройств позволяет оперативно и без пропусков накапливать и обрабатывать информацию о состоянии механизмов при выявлении причин вибрации и предотвращать катастрофиче­ ские отказы.

Обработку информации, поступающей с вибродатчиков, выпол­ няют несколькими способами: во-первых, с помощью универсальной вычислительной машины, имеющейся на заводе или судне и обслу­ живающей ряд других объектов (в этом случае ЭВМ решает в опре­ деленной последовательности ряд разнородных задач, как по физи­

92

ческим источникам информации, так и по алгоритмам решения; такие ЭВМ крупногабаритны, нетранспортабельны и нуждаются в специальном помещании); во-вторых, с помощью специализиро­ ванной малой ЭВМ-процессора, обслуживающего одну группу объектов (в этом случае ЭВМ-процессор можно выполнить на основе интегральных схем в транспортабельном варианте).

Специализированные малые ЭВМ-процессоры целесообразно строить и использовать также для определения статистических ха­ рактеристик вибрационных процессов механизмов: математического ожидания, дисперсии, коэффициентов корреляции и регрессии, а также специфических параметров (максимальные значения спек­ тральных составляющих, превышение над допустимыми значениями уровней вибрации в отдельных полосах частот, сдвиг основных частотных составляющих по определенной закономерности с изме­ нением режима работы механизма и т. д.).

Перед загрузкой универсальной ЭВМ целесообразно произво­ дить предварительную обработку сигналов с вибродатчиков на аналого-цифровых вычислителях, обеспечивающих сжатие инфор­ мации и разгрузку ЭВМ.

В ряде случаев для решения задач оперативной диагностики, кроме упомянутых двух типов ЭВМ, можно применять специализи­ рованные цифровые измерительно-обрабатывающие устройства. Та­ кие устройства с успехом используют при профилактических много­ точечных измерениях, сдаточных испытаниях для определения превышения граничных значений и ресурсных испытаниях. Эти специализированные цифровые измерительные устройства диагно­ стики вибропроцессов в механизмах могут быть сравнительно просто выполнены на интегральных микросхемах малогабаритными и транс­ портабельными. Комплекс таких устройств позволит обслуживать ряд механизмов в процессе испытаний и служить датчиком инфор­ мации для ЭВМ.

Рассмотрим некоторые из универсальных и специализированных устройств виброакустической диагностики механизмов.

На рис. 31 приведена функциональная схема универсального устройства для многоточечной спектральной обработки информации с вибродатчиков и определения причин повышенной вибрации судовых механизмов. Информация с вибродатчиков 1—N, уста­ новленных на исследуемых механизмах в соответствующих контроль­ ных точках, через согласующие усилители Ух — y N по кабелям поступает на первый коммутатор (коммутатор номера контролируе­ мой точки) и далее на входы избирательных фильтров Фх—Фп. В ка­ ждом канале сигнал с фильтров через квадратичные детекторыД г—Д п

Программа управления может быть различной и набираться вручную на пульте набора программы опроса датчиков. Режим работы можно установить от универсальной вычислительной машины (УВМ), ло­ гического устройства или генераторов l u l l .

93

Данная схема позволяет опросить все датчики и в каждой точке снять спектр вибрации, максимальный пространственный частот­ ный спектр, распределение мгновенных значений напряжений свибродатчиков (замыкается ключ КАВ) и произвести статистический анализ этих величин. При диагностике состояний механизмов наи­ более вероятно использование:

— усредненного по точкам частотного спектра;

Рис. 31. Функциональная схема универсального устройства для обработки многоточечной информации и определения причин вибрации.

—максимальных значений спектральных составляющих и спек­ тров в каждой контролируемой точке;

—дисперсии разброса уровней в частотном канале по точкам (датчикам);

. — закономерностей изменения и роста перечисленных характе­

ристик на различных режимах и при приближении К экстремальным нагрузкам;

— корреляционных и регрессионных характеристик случайных вибропроцессов.

На выходе (точка В) системы опроса, коммутации и частотного анализа можно использовать различные устройства обработки, запоминания и индикации: универсальную машину и магнитное оперативное запоминающее устройство (МОЗУ) с преобразователем напряжение—код (ПНК); регистратор (буквопечатающий, экстре­ мальных значений, совпадения законов распределения, признаков и др.), а также электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) с размеченным

94

экраном для наблюдения за информацией с вибродатчиков и инди­ кационное табло диагноза или тревоги.

Универсальная вычислительная машина выполняет всю логи­ ческую и вычислительную обработку информации и выявляет при­ чины вибрации. При этом для уточнения диагноза УВМ определяет

изадает программу работы первого и второго коммутаторов кодом, поступающим от нее на пульт набора программы опроса датчиков

ина регистр II. В МОЗУ могут быть записаны как характеристики процессов так и результаты анализа. Кроме того, в МОЗУ целе­ сообразно хранить образцовые ситуации для быстрого определения

причины повышенной вибрации. Большинство узлов и блоков уни­ версального устройства анализа, обработки и выявления причин повышенной вибрации можно выполнить на отечественных инте­ гральных микросхемах. На любом интегральном логическом оте­ чественном комплексе (Логика I, Логика 2 и др.) можно выполнить регистры I и II, логическое устройство, логические, арифмети­ ческие части УВМ, а также МОЗУ. Эти блоки можно реализовать в виде больших интегральных схем (БИС) [49]. Так, фирма Фэарчайлд Семикондактор выпускает в виде БИС схемы марки № 9034 — постоянную память на 256 бит, № 3800 — восьмиразрядное арифме­ тическое устройство, фирма Дженерал Инструменте — 128-раз- рядный регистр, который можно использовать в малых ОЗУ (МЕМ 3128), ПНК на 10 разрядов (МЕМ 5014) [49]. Лишь фильтры плохо поддаются реализации на интегральных схемах, так как спектры вибраций лежат в области низких частот. Одним из возможных решений по микроминиатюризации фильтров является построение их на основе интегральных операционных усилителей (ОУ) типов 1УТ401, 1УТ402 по схеме рис. 32. В этом случае значения емкостей Сг и С2 могут не превышать 1000—10 000 пФ и реализуются по пленочной технологии. Однако избирательность по соседнему частот­ ному каналу фильтров на ОУ не превышает 30—40 дБ, В качестве

96

УВМ используют отечественные электронные цифровые машины БЭСМ-4, М-20, М-220, «Раздан» и др. В работе [36] приведены алго­ ритмы статистических вычислений на языке АЛГОЛА для трансля­ тора ТА-1, которые можно использовать для выявления причин вибрации судовых механизмов.

Логические алгоритмы диагностики причин повышенной вибра­ ции основаны на связи особенностей рабочих процессов и состояния деталей механизмов с составляющими частотных спектров колеба­ ний. В памяти УВМ хранятся образцы записанных сигналов, являю­ щихся эталоном динамического состояния машины и служащих для сравнения с реальными вибрационными процессами. Например,

*

>

5 <3

сэ

**

Рис. 33. Функциональная схема специализированного устройства для обработки информации по алгоритму быстрого преобразования Фурье.

если максимальный уровень вибрации редуктора на зубцовой частоте превышает норму для данного типа редуктора, следует сделать вывод (и при необходимости высветить на световом табло) о недоста­ точной чистоте обработки зубьев колес редуктора. Если при изме­ нении частоты вращения механизма в спектре наблюдают интенсив­ ные составляющие с постоянной частотой, то может быть дан сигнал о наличии в системе резонансных колебаний.

При испытании на критические нагрузки по скорости нараста­ ния уровней составляющих спектра судят о приближении катастро­ фической ситуации.

Применение избирательных фильтров при диагностике меха­ низмов, увеличивающее время анализа и число комплектующих изделий, связано с трудоемким поочередным опросом и запомина­ нием энергий спектра. Поэтому, в настоящее время при измерениях широко используют анализ информации на основе быстрого преобра­ зования Фурье. Устройство для обработки многоточечной информа­ ции (см. рис. 31) позволяет реализовать этот алгоритм (ключ КАВ замкнут, ключи Кп разомкнуты), но с большой избыточностью. На рис. 33 приведена схема специализированного устройства с не­ сколькими преобразователями ПНК и многовходовым процессором БПФ, специально предназначенным для реализации алгоритма БПФ

96

и логики диагностики судовых механизмов по информации с вибро­ датчиков 1—N, снимаемой через коммутатор. Такая система не со­ держит фильтров и почти полностью изготавливается на отечествен­ ных интегральных микросхемах. Три преобразователя TIHKi— ПНК3 позволяют вести обработку одновременно по трем алгорит­ мам: аварийному, поисковому и эталоному. Подобные системы можно выполнить на основе БИС.

Вряде случаев для диагностики судового механизма в динамике

вреальных условиях работы невозможно воспользоваться много­ канальными системами, содержащими соединительные кабели. Однако только при подобных условиях можно получить окончательное заключение о требуемых доработках, максимальных и предельных возможностях судового механизма, а также о вибрационных харак­ теристиках. В таких случаях для передачи данных можно исполь­ зовать микроминиатюрные телеметрические устройства. На рис. 34 приведена блок-схема одного из возможных вариантов такого устрой­

ства. В соответствующих точках 1—N устанавливают датчики с буферными усилителями, выполненными на интегральных микро­ схемах. Напряжение с выхода буферных усилителей Б У Х—БУН поступает на соответствующий микроминиатюрный передатчик и модулируетчастоту его излучения пропорционально величине сигнала с вибродатчика. Сигнал'с передатчиков регистрируется приемной телеметрической установкой, состоящей из приемника, логического программного устройства и обрабатывающего процес­ сора. Система приема обрабатывает сигнал, определяет номер дат-

чина, уровень вибрации, индицирует на табло или фиксирует в па­ мяти эти величины и проводит диагноз состояния механизмов. Установка приемной системы на микросхемах малогабаритна и легко переносится. Передатчики должны иметь дальность действия 50— 200 м и поэтому большая мощность излучения не требуется. Для определения превышения определенного уровня вибраций или фик­ сации его максимума в труднодоступных местах и в динамике работы механизма можно использовать лишь часть устройства рис. 34 (обозначено пунктиром). Узлы памяти УП1—УПЫ, выполненные на МОП структурах, обеспечивают хорошее запоминание (практи­ чески десятки минут без разрушения) максимального уровня сиг­ нала с вибродатчиков.

дования виброакустических процессов судовых механизмов требуют информации о вибрации многих точек системы. Количество точек измерения колеблется от единиц до нескольких сотен. Учитывая потребность в разнообразной предварительной обработке вибрацион­ ной информации с помощью аналоговых и цифровых устройств еще до ввода ее в вычислительные машины, наиболее целесообразно использовать многоканальную и автоматическую аппаратуру пере­ дачи сигналов, что позволит резко повысить производительность труда и одновременно уменьшить измерительные погрешности. На рис. 35 изображена блок-схема тракта передачи информации от вибродатчиков, наиболее полно удовлетворяющая упомянутым тре­ бованиям. Согласно этой схеме у каждого датчика сигнала 1 имеется свой катодный повторитель 2. Затем производится коммутация датчиков. После предварительной обработки сигналы преобразуются в цифровой код с помощью преобразователя напряжение—код для дальнейшей подачи в ЭЦВМ с целью осуществления конечных вы­ числений.

Использование после датчиков катодных повторителей объяс­ няется тем, что передача сигналов от объекта (механизма) до изме­ рительного и анализирующего устройства зачастую производится на расстояние более 100 м. Емкость пьезоэлектрических вибродат­ чиков и датчиков сил — от 10 до 1000 пФ. Поэтому, если подсоеди­ нять датчик непосредственно к измерительному или коммутирую­ щему устройству через длинный кабель, то ввиду большой емкости кабеля произойдет слишком резкое (до шумов) уменьшение величины полезного сигнала. Передача таких напряжений из-за наводок и утечек на кабеле длиной в десятки и сотни метров без предвари­ тельного усиления сигнала и развязывающих каскадов практически неосуществима. В настоящее время для усиления сигналов с датчика

98