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

мнимой части

eim = I 1 — cos Да ± ctg а sin Да |,

где Да — различие фазовых характеристик каналов силы и скорости; значение Да не должно превышать 1,5°.

В процессе измерения сопротивлений воздействие на исследуе­ мые конструкции осуществляется с помощью электродинамических или пьезоэлектрических вибраторов. Пьезоэлектрические вибраторы позволяют осуществлять более направленное силовое воздействие,

Рис. 49. Блок-схема измерителя механических сопротивлений

сгетеродинным устройством.

/— измерительный усилитель силы; 2 —• блок компрессии; 3 — измери­ тельный интегрирующий усилитель; 4 — анализирующие гетеродинные

устройства типа 2020; 5 — генератор; 6 — самописцы; 7 — умножитель, или коррелятор.

особенно на высоких частотах, и имеют значительно меньший коэф­ фициент нелинейных искажений. В области низких и средних ча­ стот обычно используют электродинамические вибраторы, так как усилие, развиваемое пьезоэлектрическим вибратором (примерно до 500 Гц), как правило, недостаточно для возбуждения необходимых уровней вибрации в исследуемых конструкциях.

При использовании гетеродинных двухканальных фильтров ти­ пов 2020 или 2021 фирмы Брюль и Кьер измерение сопротивлений зачастую целесообразно производить с помощью тракта, блок-схема которого представлена на рис. 49. В этой схеме самописцы 6 фикси­ руют частотные характеристики модуля сопротивления или подат­ ливости в зависимости от того, какая величина поддерживается постоянной — скорость или сила. Одновременно самописцы выпол­ няют роль блоков компрессии — с их движков снимаются напря­ жения, постоянные по амплитуде и имеющие фазовые характеристики сигналов силы и скорости. Эти напряжения поступают на умножи­ тель 7 или коррелятор фирмы Диза, с помощью которых измеряют

120

действительную часть коэффициента карреляции между силой и ско­ ростью или косинус угла сдвига фаз. По \ ZF \ и R e R Fq (или cos сс^)

определяют ReZF. Для измерения мнимой части коэффициента корреляции в устройстве 2020 предусмотрен фазовращатель на 90° сигнала силы или скорости. При включении фазовращателя умно­ житель измеряет или sin aFq.

Механическое сопротивление конструкций по отношению к мо­ менту ZM определяется как комплексное отношение изгибающего

Рис. 50. К определению сопротивлений по отношению к моменту.

/ — вибраторы; 2 — датчики деформации; 3 — датчики ускорения; 4 — балка; 5 — исследуемые конструкции; 6 — предварительные усилители; 7 — измерительный уси­ литель поворотных колебаний.

момента М, приложенного к этой конструкции, к составляющей скорости поворота ср при нахождении исследуемой конструкции в состоянии гармонических колебаний. По информации о действую­ щем моменте и ускорении возбуждаемых крутильных колебаний величины \ZM\, ReZMи ImZMопределяют с помощью электронного устройства, используемого для измерения сопротивления по отно­ шению к силе ZF.

В процессе измерения ZH воздействие на исследуемую систему изгибающим моментом может быть осуществлено с помощью кон­ сольной, Т- или Г-образной балки (рис. 50). На свободный конец балки действуют поперечным усилием. При этом в месте закрепле­ ния балки возникает изгибающий момент. Считается, что участок балки, протяженность которого вдоль оси значительно меньше длины балки, подвергается чистому изгибу. В таком случае про­ дольная деформация пограничного слоя небольшого по протяжен­ ности участка пропорциональна действующему в его поперечном сечении моменту. Учитывая это, для получения информации о мо­ менте, действующем на исследуемые конструкции, при измерении ZM

121

достаточно определить деформацию пограничного слоя балки вблизи ее корневого сечения. Датчики деформации наклеиваются при этом с обеих сторон балки в плоскости действия момента электрически встречно для исключения влияния деформации сдвига и продоль­ ной волны на показания датчиков.

Электрический сигнал, пропорциональный возбуждаемым кру­ тильным колебаниям, получают с помощью двух пьезоэлектри­ ческих датчиков ускорения, устанавливаемых на исследуемые кон­ струкции симметрично относительно центра крепления балки на расстоянии / друг от друга и в плоскости измерений ZM.Можно исполь­ зовать и датчики скорости, но пьезоэлектрические датчики ускоре­ ния наиболее компактны и позволяют производить измерения в более широком диапазоне частот.

Симметричное расположение датчиков ускорения относительно точки приложения момента практически не ограничивает частот­ ный диапазон измерений |ZM|. Для уменьшения погрешности изме­ рения действительной и мнимой частей ZMпьезодатчики устанавли­ вают на исследуемой конструкции на расстоянии от пограничного слоя балки (месте установки датчиков деформации), значительно меньшем длины к возбуждаемых в изделии изгибных или сдвиговых

где q — амплитуда ускорения поперечных колебаний. Чувствительность датчиков деформации по отношению к дей­

ствующему на исследуемые конструкции моменту определяют двумя методами: по известному сопротивлению и резонансным способом. В первом случае осуществляют возбуждение изделия с известным сопротивлением (например, дисков). Два пьезоэлектрических дат­ чика фиксируют скорость возбуждаемых крутильных колебаний. Чувствительность датчиков деформации по отношению к моменту

%м — ДМ/2МФ> где UM— электрическое напряжение, поступающее с датчиков деформации. Этим способом удается производить калиб­ ровку в диапазоне 300—500 Гц.

При резонансном способе изгибающий момент в корневом сечении консольной балки рассчитывают для колебаний балки на частоте, равной или близкой резонансной, по формуле

М — /б

где vt- — корни уравнения chkHl cos kul = — 1;

qо — скорость поперечных колебаний свободного конца балки (определяют экспериментально).

122

Для стальных балок прямоугольного поперечного сечения на частоте четвертьволнового резонанса

M ~ 7 , \ W 6q0,

где W6— момент сопротивления поперечного сечения балки. При калибровке датчиков деформации резонансным способом

балку крепят к изделию с сопротивлением по отношению к моменту, гораздо большим сопротивления балки. Оба способа калибровки дают одинаковые результаты с погрешностью до 10%.

1М, динсм/с

Рис. 51. Частотная характеристика сопротивления амортизатора по отно­ шению к моменту.

В месте приложения момента исследуемые конструкции испы­ тывают деформации изгиба и скручивания в пределах толщины пластины конструкций. Деформация скручивания при определен­ ных участках приложения момента в значительной степени опре­ деляет реакцию пластины. Точечное сопротивление пластины за­ висит от величины точки [78]. Поэтому при экспериментальном определении ZMмомент прикладывают на участке, соответствующем размерам участка воздействия на конструкции вибрирующим объек­ том.

На рис. 51 приведена частотная характеристика входного сопро­ тивления двухпластинчатого амортизатора по отношению к моменту.

§17 Выявление резонирующих элементов

конструкций механизмов и блочных агрегатов при различном характере действующих сил

В сложных колебательных системах со многими степенями свободы (наБример, в блочных агрегатах с при­ соединенными опорными и неопорными связями) в диапазоне частот действия возмущающих сил всегда имеется большое количество частот собственных колебаний. Для уменьшения уровня вибрации конструкций необходимо выявить и исключить возможности совпа­ дения частот собственных колебаний с частотами сшц причем именно для тех форм собственных колебаний, которые, проявляются при

123

действии на конструкции данной системы сил. Поэтому при опре­ делении резонансных характеристик механизмов и блочных агре­ гатов важно учитывать характер действующих в механизме сил. Заметим, что вопрос об исключении вообще всех собственных частот

гармонической силы, их резонансные свойства характеризуют точеч­ ной или переходной механической податливостью М (со) в зависи­ мости от того, совпадает точка контроля вибрации с точкой действия силы или нет. На высоких частотах (выше 1000—2000 Гц для виб­ рации механического или электромагнитного происхождения и 400— 500 Гц — гидродинамического происхождения) вибрационные про­ цессы носят стационарный случайный характер. Тогда при действии на механическую систему одиночного усилия резонансные свойства оценивают податливостью в полосе частот М (Лео) или сопротивле­ нием [см. формулу (1.78)]

М% (Дсо) = [Mft (Дсо) | [Re R'qq (Да) + / Im RqQ(Дсо)] = ■

Измерение комплексных механических сопротивлений в полосе частот при стационарном случайном характере вибрационных про­ цессов можно производить с помощью устройства, блок-схема кото­ рого представлена на рис. 52. Сигнал на вибратор поступает с гене­ ратора шума через блок компрессии и усилитель мощности. В ка­ честве генератора используют либо магнитофонную запись вибра­ ционного силового процесса, воздействию которого подвергается конструкция при ее эксплуатации, либо генератор «белого» шума, если вибрационные процессы в исследуемой конструкции аналогичны по характеру «белому» шуму. Усилительную и анализирующую аппаратуру используют ту же, что и при измерении Z (со), учиты­ вают только дополнительную зависимость Z (Дсо) от характера вибрационного процесса и полосы прозрачности анализирующего тракта. Поэтому полоса прозрачности при измерениях Z (Дсо) должна соответствовать полосе, в которой осуществлялся анализ вибрации механизма при его эксплуатации (см. § 7). На блок компрессии 4 сигнал из тракта скорости (или силы при измерении податливости) поступает через детектор среднеквадратичных значений 9, который используют для получения синусоидального сигнала, величина которого пропорциональна среднеквадратичному значению ско­ рости (или силы) в полосе частот. С помощью этого сигнала происхо­ дит регулировка коэффициента пропускания блока компрессии для поддержания постоянства эффективного значения скорости (или силы) в процессе измерений Z (Дсо) или М (Дсо). В результате с выхода умножителя поступает сигнал, пропорциональный ReZ(Aco) = = | Z (Дсо) | Re.RqQ(Дсо). Вторично детектор среднеквадратичных зна­

чений используют при измерении ImZ (Дсо) без гетеродинных фильтров. Тогда сигнал скорости, сдвинутый на 90°, получают с помощью

124

сигнала ускорения и второго блока компрессии 4. Коэффициент пропускания этого блока компрессии регулируется синусоидаль­ ным сигналом, пропорциональным эффективному значению уско­ рения в полосе частот. Формируется синусоидальный сигнал с по'- мощыо детектора среднеквадратичных значений.

Конструкции судовых механизмов и агрегатов подвергаются воздействию сил, приложенных в различных точках и направлениях.

Рис. 52. Блок-схема измерителя сопротивлений в полосе частот.

1 — вибратор; 2 — усилитель мощности; 3 — фильтр; 4 — блок компрессии; 5 — генератор шума; 6 — предварительные усилители; 7 — измерительные усилители; 8 — двухканальные анализаторы; 9 — детекторы среднеквадратичных значений; 10 — интегрирующий усили­ тель; 11 — умножители; 12 — самописцы.

Когда вибрационные процессы имеют гармонический характер, вибрационная скорость контрольной точки является функцией всех действующих сил и, как уже упоминалось, определяется по формуле

т6

#И = 2 S ^ H Q f(c o ),

ft=l j = 1

где т — число точек действия сил.

Из уравнения видно, что при действии нескольких сил отдель­ ные переходные податливости не характеризуют вибропроводящие свойства конструкции. Эти свойства оцениваются суммой переход­ ных податливостей. Причем роль того или иного участка конструк­ ций определяется как податливостью участка, так и соответствую­ щей вибрационной силой. Для оценки вибропроводящих свойств конструкций, подвергающихся воздействию нескольких сил, целе-

125

сообразно использовать понятие действующей податливости кон­ струкции [60]

с учетом их «веса», определяемого значениями действующих сил. Частотная характеристика действующей податливости позволяет судить о резонансных свойствах конструкции судовых механиз­ мов, блочных агрегатов в целом и с учетом особенности силового воздействия. Максимумы в частотной характеристике действующей податливости характерны для областей частот повышенной вибро­ проводимости конструкций. Роль того или иного участка или эле­ мента конструкций в передаче колебаний к контрольной точке

колебательной энергии.

Если конструкции агрегата подвергаются воздействию несколь­ ких вибрационных сил стационарного случайного характера, то колебательная скорость контрольной точки, например на опорной

(4.5)

2

где R nhnk ( Да) — коэффициент корреляции между силами Qf(Aco)

4i 4i

и Q? (Да).

Первая сумма правой части уравнения (4.5) оценивает уровни вибрационной скорости контрольной точки, когда действующие силы не связаны между собой, вторая сумма — уровни вибрацион­ ной скорости, обусловленные связанностью действующих сил.

Действующая податливость, характеризующая вибропроводя­ щие свойства конструкций при воздействии на них нескольких

126

сил стационарного случайного характера,

(1)+Д ш

1

X — j" Af?,n(Л/Т,1л со) Ми л /7к п (, со) dco, (4.6)

Дсо Д(0

где

af (Дсо): Г ^ -Ф ф М ’ .

[Qh.эфф (Дсо)]"

Q'/эфф(Д(°) Qfэфф(Ам)

« ? / * ( Д ю ) = [Qh.эфф (Дсо)]"

Для приближенной оценки резонансных свойств конструкций агрегатов и опор взаимосвязью между действующими силами за­ частую можно пренебречь. Тогда уравнение (4.6) для действующей податливости примет вид

При определении влияния конструкций судовых агрегатов и опор на уровни линейных составляющих вибрации в ряде случаев до­ пустимо считать, что эти составляющие возбуждаются только силами трех взаимно перпендикулярных направлений. Следовательно, в урав­ нениях (4.4) и (4.6) для действующей податливости можно ограни­ читься значениями / = 1, 2, 3.

Целесообразность использования именно действующей подат­ ливости при оценке резонансных свойств конструкций, возбуждамых несколькими силами, видна из сравнения частотных характе­

агрегата.

Частотная характеристика действующей податливости (рис. 53, б) свидетельствует о наличии трех основных зон повышенной вибро­ проводимости данных конструкций: 60—80, 120 и 350 Гц. Сравнение

127