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

чественные интегральные прерыватели 1КТ011 на 1КТ621 и 1КТ901. При этом для 12-разрядного ПКН можно использовать микросхемы 1КТО 11 А, а для 16-разрядного — микросхемы 1КТ621, позволяю­ щие уменьшить роль дрейфа, так как их допустимое рабочее напря­ жение значительно больше (30 В), чем у 1КТ011А (6,5 В). В преоб­ разователе используют логические отечественные микросхемы се­ рии 216, 2ЛБ172, 2ЛБ173, 2ЛР171, 2ТК171 и сетку типа R — 2R.

Постоянная времени ПКН не более 2 мкс. При реализации много­ канальных систем обработки информации с вибродатчиков очень важно получать идентичные характеристики всех трактов. Сделать это практически нелегко, так как вибродатчики, усилители, согласую­ щие каскады, ключи коммутаторов и кабели, имеют разбросы тех­ нических параметров, что приводит к различным ошибкам. Исполь­

цессом обработки нуль информации (максимум или среднее) и вво­ дить эти поправки в итоговый результат простым сложением кодов.

Так как изменение составляющих ошибок каждого тракта обычно представляет собой медленный временной процесс, то такое попра­ вочное кодирование можно осуществлять один раз на несколько циклов обработки. Данный метод позволяет снизить требования к отдельным узлам в трактах многоканальной системы обработки информации с вибродатчиков. При построении ПН К в виде БИС или на основе отдельных интегральных микросхем возможно исполь­ зовать такие преобразователи непосредственно после предвари­ тельных усилителей в каждом канале вибродатчика. Передачу сиг­ налов по кабелям можно осуществлять в виде кодоимпульсной модуляции и тем самым снизить влияние наводок. Использование телеметрической передачи кодов, характеризующих величину си­ гнала вибродатчика, даст возможность полностью устранить сое­ динительные кабели, позволит создать мобильные переносные изме- рительно-анализирующие устройства и автоматизировать соответ­ ствующие процессы обработки. Для обработки акустических си­ гналов в реальном масштабе времени по алгоритму быстрого пре­ образования Фурье требуется снимать отсчеты не реже 10—20 fDb,CIU спектра сигнала, т. е. не реже 20—400 кГц.

Таким преобразователем может служить буферное устройство выборки или следящий преобразователь. Устройство выборки вы­ полняют на микросхемах и полевых транзисторах.

Следовательно, использование интегральных твердых схем и БИС открывает новые возможности повышения мобильности, надежности, уменьшения веса и габаритов устройств и систем из­ мерения, усовершенствования анализа акустической информации, автоматизации соответствующих процессов обработки и реали­ зации качественно новых технических решений и алгоритмов ана­ лиза.

Кб

§ 15 Диагностика вибрации подшипников

Вибрация подшипников является вибра­ цией кинематического происхождения. Подшипникам качения свой­ ственны разностенность, волнистость колец, овальность их шаров, неравномерность во времени радиального зазора, обусловленная различным положением шаров, подшипникам скольжения — от­ клонение формы шейки вала от формы круга и т. д. В связи с этим в процессе вращения ротор вынужден отклоняться от правильной траектории движения для преодоления указанных дефектов, что

Рис. 40. Установка для измерения пространственного спектра волни­ стости.

приводит к возникновению реактивных сил и моментов и, след­ ственно, к вибрации корпуса и опор механизма. Спектр вибрации подшипников содержит как дискретные составляющие, так и сплош­ ную часть. Сплошной спектр возникает от ударов. Дискретные ча­ стоты вибрации связаны с размерами и техническими данными под­ шипников качения (см. приложение II). Наиболее интенсивно на уровни вибрации подшипников качения влияет волнистость дорожек качения колец.

Б. Т. Шефтель показал, что диагностику вибрации от волнистости дорожек можно значительно облегчить, если использовать в каче­ стве характеристики волнистости пространственный спектр откло­ нений формы дорожки от формы круга. В полярной системе коорди­ нат эти отклонения представляют собой периодическую функ­ цию р (ср) с периодом 2л. Разложение ее в ряд Фурье имеет следую­ щий вид: со

a ia — начальная фаза i-й гармоники волнистости.

107

Одна из возможных установок для определения пространствен­

конусом Морзе для насаживания оправки с испытуемыми кольцами подшипников 1. Вращение шпинделя осуществляется с любой ско­ ростью двигателем постоянного тока, питающимся от системы мотор— генератор. Спектр волнистости измеряется с помощью тракта, включающего датчик 3, предварительный усилитель 4, измеритель­ ный усилитель 5 и узкополосный анализатор 6. Пространственный спектр волнистости фиксируется на ленте самописца 7.

На рис. 41 приведены полученные на установке пространствен­ ные спектры волнистости колец одного из подшипников качения типа 504/33. Профиль дорожек качения определяется особенностями технологии изготовления колец данного размера и характеристи­ ками станочного оборудования. В результате статистических иссле­ дований профиля для определенного типоразмера подшипников качения можно выявить наиболее вероятный пространственный спектр волнистости дорожек качения. По картине пространственного спектра волнистости легко найти в спектре вибрации механизма частотные составляющие, обусловленные волнистостью дорожек качения подшипников. По составляющим пространственного спектра волнистости дорожек качения подшипника определяют частоты составляющих в спектре его вибрации.

На рис. 42 приведены спектры вибрации подшипника типа 504/33 в области высоких частот при различной частоте вращения ротора. Отмеченная составляющая вибрации соответствует 120-й гармонике волнистости внутреннего кольца этого подшипника (см. рис. 41).

Виброакустическую диагностику подшипников можно также

реляции вибрации исправного подшипника и подшипника с дефек­ том. Если подшипник исправен, функция корреляции В (т) изобра­ жается некоторой экспоненциально-затухающей кривой, область кор­ реляции которой может представлять сумму нескольких колебаний.

При дефекте на кольцах в функции корреляции проявляется некоторая периодическая часть с периодом следования шариков. Периодичность вызвана тем, что пакеты вибрации от дефекта, обра­ зованные различными шариками, коррелируются между собой. Поэтому при сдвиге процесса на время следования шариков друг за другом Т 0, проявляются области корреляции, не равные нулю. На рис. 43, а представлена коррелограмма В (т) вибрации исправ­ ного подшипника (зависимость В (т) от скорости вращения не обна­ ружена), на рис. 43, б — коррелограмма вибрации подшипника с дефектом на беговой дорожке внешнего кольца. На коррелограмме четко видны области корреляции. Расчет показал, что время задер­ жек т между областями корреляции равно периоду следования шари­

108

а,мкм

0,15

0,117

0,085

Рис. 43. Коррелограммы вибрации подшипни­ ков: исправного (а), с дефектом на внешнем (б)

и на внутреннем (в) кольце.

фекту каждый раз возникают идентичные вибрационные процессы. На рис. 43, в приведена коррелограмма вибрации подшипника с де­ фектом на внутреннем кольце. Четко видны периодические области корреляции, но они уже не столь периодичны и одинаковы по форме, как в случае дефекта на внешнем кольце. Дефекты на шарике не всегда удается выявить с помощью коррелограмм. Шарик при вращении может повернуться так, что, не касаясь дефектным местом колец, будет работать как исправный. Вибрационный процесс при этом носит нестационарный характер, что приводит к нестационарности функции корреляции. Автокорреляционный метод дает хорошие

Один оборот

Рис. 44. Переменная составляющая момента сопротивле­ ния вращению.

I — д е ф о р м и р о в а н о н а р у ж н о е к о л ь ц о п о д ш и п н и к а ; 2 — д е ф о р ­ м и р о в а н о в н у т р е н н е е к о л ь ц о ; 3 — ц а р а п и н ы н а б е г о в о А д о р о ж к е н а р у ж н о г о к о л ь ц а .

результаты по выявлению дефектов, когда в исправном подшипнике возбуждаются вибрации в широком диапазоне частот. Тогда коррело­

вибрации из-за неисправности наглядно проявляются вне основного интервала корреляции.

При большом зазоре в шарикоподшипнике цапфа подшипника опрокидывается, когда поворот ее, связанный с поворотом сепара­ тора, приводит к неустойчивости из-за опоры на один шарик вместо двух. В момент опрокидывания происходит удар. Частота следования ударных импульсов связана с частотой вращения цапфы, конструк­ тивными особенностями и размерами деталей подшипника. В. А. Змановский и А. И. Гильберт показали, что при сохранении постоянного режима работы в корреляционной функции появляются составляю­ щие с периодом опрокидывания цапфы, причем сила удара зависит только от величины зазора.

Приближенный диагноз погрешностей подшипников и их узлов производят также по характеристикам моментов сопротивления вра­ щению [28]. На рис. 44 построены кривые реализации момента со­

110

противления вращению, характеризующие влияние геометрических отклонений, дефектов беговых дорожек и деформации колец на пере­ менную составляющую момента. При биении, овальности или де­ формации колец подшипников явно выражена периодичность во вре­ мени момента сопротивления, кратная оборотам. Влияние на-момент сопротивления вращения оказывают также дефекты сепаратора (вогнутость, застревания и т. д.).

На рис. 45 видны особенности напряжений в сепараторе и воз­ растание амплитуд вибрации с увеличением углового перекоса.

При загрязненном подшипнике в реализации момента имеются обычно острые выбросы. Смазка вызывает увеличение постоянной составляющей момента и снижение амплитуды пульсаций.

Ввиду кинематического характера вибрации подшипников пере­ мещение ротора qp механизма находится в таком соотношении по амплитуде и фазе с перемещением статора qc, что силы их реакции при выборе дефекта подшипника равны по величине и противоположны по направлению

(3.1)

где Zc и Zp — сопротивление статора и ротора.

На низких частотах Zc и Zp определяют с учетом фаз кинемати­

соотношение вибрации ротора и статора в первом приближении за­

висит только от точечных сопротивлений Zpn и Z

При учете конечных значений контактных жесткостей подшип­

ZP+ V /m

111

§16 Методы и средства исследований механических сопротивлений и резонансных характеристик механизмов

Точечное механическое сопротивление по отношению к усилию ZF определяют как комплексное отношение гармонической силы F, приложенной к линейной системе, к соста­

вляющей скорости точки приложения по направлению этой силы qF. Для автоматического измерения частотных характеристик \ZF\,

ReZyr, lm Z F необходимо:

— воздействовать на исследуемые конструкции гармонической

—определить модуль отношения сигнала, пропорционального силе, к сигналу, пропорциональному скорости, с записью частотной характеристики этого отношения;

—произвести умножение на каждой частоте сигнала, пропорцио­

нального модулю, на косинус и синус угла сдвига фаз между силой и скоростью и зафиксировать частотные характеристики этих про­ изведений.

Схема устройства, позволяющего выполнить эти операции, пред­ ставлена на рис. 46. Электрический сигнал с генератора звуковой частоты 1 через блок компрессии 2 и усилитель мощности 3 посту­ пает на вибратор 8. Частота сигнала изменяется плавно, а напря­ жение регулируется блоком компрессии таким образом, что уровень скорости возбуждаемых колебаний поддерживается постоянным во всем частотном диапазоне. В таком случае силовое воздействие про­ порционально модулю сопротивления исследуемых конструкций и записанная на ленту самописца 17 частотная характеристика дей­ ствующего усилия соответствует частотной характеристике модуля сопротивления. Произведение сигналов силы UF и скорости U •

с учетом косинуса угла а сдвига фаз .между ними пропорционально действительной части сопротивления ReZF, а произведение сигна­ лов силы и скорости с учетом синуса угла сдвига фаз — мнимой части сопротивления Im ZF. Сигнал ускорения в дальнейшем