Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н., Тарасов Е.В. Основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

граммы направленности, либо указанием максимального значения поперечной

чувствительности, определенного по диаграмме направленности. Поперечную

чувствительность датчика рекомендуется определять на базовой частоте или

одной из частот, лежащей в рабочем диапазоне частот датчика, с учетом

характеристик вибростенда.

Кроме того, датчик обладает деформационной чувствительностью, кото-

рая возникает из-за изгибных деформаций объекта в месте крепления акселеро-

метра, что вызывает деформацию пьезопластин и возникновение на выходе

датчика паразитного сигнала.

Для коэффициента преобразования по напряжению пьезоэлектрического

датчика вибрации справедлива следующая формула:

= ,

а для коэффициента преобразования по заряду:

KdQ

где

- пьезомодуль,

- заряд,

- емкость чувствительного элемента.

На коэффициент преобразования пьезоэлектрического датчика,

включенного на вход усилителя напряжения, влияет длина соединительного

кабеля. Сдвиговые и изгибные конструкции пьезодатчиков принципиально обла-

дают наибольшей чувствительностью и наименьшей поперечной чувствитель-

ностью.

Пьезоэлемент может быть выполнен из кварца или синтетических кера-

мических пьезоматериалов, которые работают достаточно надежно, причем да-

же при более высоких температурах, чем позволяет кварц. Если температура

пьезоэлемента повышается и достигает так называемой температуры Кюри, то

его пьезоэлектрические свойства утрачиваются. В этом случае датчик считается

неисправным и не подлежащим ремонту.

Среди других конструкций одной из наиболее популярных является так

называемый бендер (от английского bend - изгиб), в котором используется кон-

сольно закрепленный пьезоэлемент с расположенным на нем небольшим гру-

зом.

Пьезоакселерометры обладают чрезвычайно большой линейностью по

амплитуде, поэтому у них очень большой динамический диапазон. Нижний

предел ускорения, который они могут воспринимать, определяется только элек-

трическим шумом электроники, а высшие уровни ограничены только пределом

разрушения самого пьезоэлемента. Диапазон допустимых амплитуд может ох-

ватывать восемь порядков, или 160 дБ!

При правильном обслуживании, пьезоакселерометр сохраняет стабиль-

ность и калибровку в течение длительного времени. Акселерометр можно по-

вредить двумя способами: подвергнуть его воздействию избыточной темпера-

туры или уронить его на твердую поверхность. Общим правилом является еже-

годная поверка акселерометров.

Частотный диапазон акселерометров очень широк и может простираться

от очень низких частот до десятков килогерц. Высокочастотная характеристика

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

ограничена резонансной частотой системы сейсмическая масса - пьезоэлемент.

Ориентировочно, акселерометр считается применимым для измерений на час-

тотах, не превышающих 1/3 его собственной частоты (при более жестких тре-

бованиях к линейности верхнюю границу устанавливают равной около 1/5 соб-

ственной частоты). Выше этой величины сигнал будет усиливаться, однако его

можно использовать, если сделать соответствующую поправку на изменение

чувствительности.

Некоторые из применяемых сегодня в промышленности акселерометров

принадлежат к типу ICP, то есть имеют встроенный микропредусилитель. Этот

предусилитель питается постоянным током по сигнальному проводу, и поэтому

для него не требуются дополнительные кабели. Устройство, к которому под-

ключается такой акселерометр, должно обеспечивать соответствующее питание

датчика. Из-за наличия предусилителя, ICP-акселерометры имеют спад частот-

ной характеристики в области низких частот. Обычно, у большинства распро-

страненных акселерометров общего назначения этот спад начинается прибли-

зительно с 1 Гц. Для измерений в области очень низких частот используют спе-

циальные модели, допускающие измерения вплоть до 0.1 Гц.

Для усиления сигнала пьезоэлектрического датчика часто применяют

дифференциальные усилители. Преимущество дифференциального согласую-

щего усилителя перед недифференциальным заключается в том, что он компен-

сирует синфазные помехи.

Помимо пьезоэлектрических производятся также так называемые пьезо-

резистивные датчики, использующие эффект пьезорезистивности - изменения

электрического сопротивления некоторых кристаллов под действием прило-

женных механических сил. Пьезорезистивные датчики позволяют производить

измерения вплоть до 0 Гц.

Для получения сигнала, пропорционального смещению, скорости или ус-

корению, вводят операции интегрирования сигнала с акселерометра. При одно-

кратном интегрировании сигнал пропорционален скорости, при двойном интег-

рировании - смещению. Вид преобразования и, соответственно, частотный диа-

пазон определяются характером исследуемых процессов. В низкочастотном

диапазоне (0 - 500 Гц) колебательные процессы целесообразно измерять в ре-

жиме измерения перемещения, в диапазоне средних частот (500 - 2000 Гц) - в

режиме измерения скорости, а в высокочастотном диапазоне (2 - 20 кГц и вы-

ше) - в режиме измерения ускорения.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

5.4.3. Датчик скорости

Датчик скорости (велосиметр) был од-

ним из первых вибропреобразователей. Он со-

стоит из проволочной катушки, внутри кото-

рой находится магнит на пружинах (

Рисунок

5-12). Когда корпус датчика приходит в дви-

жение, магнит по инерции стремит

ся остаться

в покое. Вследствие относительного переме-

щения катушки и магнита, в пер

вой возникает

индукционный ток, который пропорциона

лен

скорости.

Напряжение на выходе датчика пропор-

ционально не только скорости

относи-

Рисунок 5-12 - Датчик скорости

(велосиметр)

тельного перемещения катушки и магнита, но и длине проводника в катушке:

)(

txlBvlBU

ВЫХ

××-=××-= ,

где

– магнитная индукция, Тл;

– общая длина проводника, находящегося в поле, м.

Таким образом, это устройство вырабатывает электрический сигнал, пря-

мо пропорциональный виброскорости. Он является самогенерирующим и не

требует дополнительной согласующей электроники, а также обладает сравни-

тельно невысоким выходным электрическим импедансом, что делает его слабо

чувствительным к наводкам. Наряду с перечисленными достоинствами, датчик

скорости обладает и большим количеством недостатков. Он достаточно тяжел,

сложен и дорогостоящ. Кроме того, его частотная характеристика охватывает

диапазон от 10 Гц до 1000 Гц. Пружина и магнит образуют систему с собствен-

ной частотой порядка 10 Гц. Этот резонанс демпфируют. На практике демпфи-

рование чувствительно к температуре из-за чего амплитудно-фазочастотная ха-

рактеристика датчика также зависит от температуры.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

5.4.4. Датчик относительной вибрации

Датчик относительной вибрации

(Рисунок 5-13), который также называют то-

ковихревым датчиком или датчиком смеще-

ния, или датчиком зазора, представляет со

бой

стационарно устанавливаемое устройст

во.

Для него необходим усилитель для согласова-

ния сигнала, чтобы сформировать на выход

напряжение, пропорциональное рас

стоянию

между торцом датчика и ва

лом. Принцип его

действия основан на магнетиз

ме, и поэтому он

чувствителен к разного рода магнитным ано-

малиям вала. Во избежание зашумления вы-

ходного сигнала датчика необходимо тща-

тельно следить, чтобы вал не был намагничен.

Важно понимать, что этот датчик изме-

ряет относительное смещение подшипни

ка и

цапфы, а не общий уровень вибрации вала или

корпуса. Обычно датчики зазора устанавли-

вают на больших машинах с под

шипниками

скольжения. В этом случае они используются

Рисунок 5-13 - Датчик

относительной вибрации

для своевременного обнаружения неисправностей подшипников и аварийного

отключения оборудования.

Эти датчики часто устанавливают попарно и ориентируют под 90 друг к

другу. Их сигналы могут подаваться на вертикальную и горизонтальную оси

осциллографа для получения орбиты, то есть траектории движения цапфы

внутри подшипника. Амплитудно-частотная характеристика датчиков смеще-

ния простирается от 0 Гц до 10 000 Гц.

5.4.5. Способы установки датчиков

Существует, по крайней мере, три основных способа установки виброа-

кустических датчиков для проведения измерений:

§ жесткое крепление с помощью шпильки, винтов, клея;

§ быстросъемное крепление с помощью магнита, воска, липкой ленты,

специального держателя и т.п.;

§ обеспечение контакта датчика с объектом путем прижатия и удержа-

ния его рукой к объекту. Виброакустический сигнал передается через

специальный щуп или элементы корпуса, контактирующие с объектом.

Такие измерения называют «измерениями с помощью щупа».

На рисунке. 5-14 приведены амплитудно-частотные характеристики

(АЧХ) акселерометров, закрепленных различными способами, которые получе-

ны с помощью одного акселерометра. На рисунке 5-15 приведены АЧХ акселе-

рометров типа АК3165, закрепленного на шпильке и на магните.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

Рисунок 5-14 - АЧХ акселерометра, закрепленного с применением различных

способов

Рисунок 5-15 - АЧХ акселерометра, закрепленного на шпильке и с помощью

магнита

Анализ этих характеристик показывает, что щупом можно проводить из-

мерения для выявления проблем с оборудованием, связанных с «низкочастот-

ными» дефектами, например, дисбалансом, расцентровкой, подшипниками

скольжения, электромагнитными проблемами электродвигателей и т.п. А выяв-

ление дефектов и неисправностей оборудования, связанных с подшипниками

качения, шестерен-ными передачами, кавитационными процессами и т.п., воз-

можно только при установке датчиков, в крайнем случае, на магнит, а наиболее

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

достоверные результаты можно получить при креплении датчика на шпильку.

Кроме того, определяющим в постановке диагноза является выбор места уста-

новки датчика.

Ограничение по диапазону измеряемых частот связано, прежде всего, с

тем, что, с одной стороны, для установки датчика на шпильку необходимо под-

готовить плоскую поверхность с достаточно высокими требованиями к шеро-

ховатости и произвести сверление на объекте с заданной перпендикулярностью

к подготовленной поверхности. Все это невозможно сделать ручными прибо-

рами, т.е. все эти работы можно произвести только с помощью стационарного

токарно-фрезерного оборудования. Магнитное крепление датчика позволяет

измерять частоты до 7 кГц, и то в идеале, при установке магнита на шлифован-

ную поверхность.

Реально все обстоит гораздо хуже, даже тонкий слой краски, небольшая

неровность, искажают мощность высоких частот в несколько раз. Реально, при

помощи магнитного крепления (про щуп даже не идет речь – измерять с помо-

щью щупа можно до 1 кГц) частоты выше 5 кГц с приемлемой точностью из-

мерить практически невозможно. Частоты до 10 кГц можно измерить только с

применением шпильки и акустопроводящего слоя (например, пчелиного воска,

специального геля) используемого в качестве заполнителя неровностей. Изме-

рить параметры сигнала на частоте 20 кГц - это вообще проблема.

При осуществляемых с помощью акселерометров измерениях необходи-

мо учитывать следующие факторы, влияющие на точность и достоверность из-

мерений и оценки технического состояния объекта:

1. Рабочие частотный и динамический диапазоны не должны быть огра-

ничены вследствие ненадежного крепления акселерометра.

2. Добавление присущей акселерометру массы не должно приводить к

изменению динамических характеристик вибрирующего объекта.

3. Места крепления акселерометра или акселерометров должны быть

точно определены и должны допускать многократное крепление ис-

пользуемых вибродатчиков.

Используемый способ крепления может существенно повлиять на опи-

санные выше условия. Известно, что рабочий частотный диапазон акселеро-

метра ограничен сверху указанной в его паспорте частотой резонанса, т.е. час-

тотой резонанса закрепленного акселерометра. Таким образом, способ крепле-

ния датчика к вибрирующему объекту определяет частоту установочного резо-

нанса, а, следовательно, и верхнюю границу рабочего диапазона частот датчи-

ка.

Частота установочного резонанса высокочастотных датчиков определяет-

ся на вибростенде на различных частотах путем сличения сигналов испытуемо-

го и образцового датчиков, и с использованием стального куба со стороной

25,4 мм и массой 180 г, возбуждаемого датчиком-возбудителем. Поверхности

этого бруска обработаны и доведены с учетом показанных на рисунке 5.16 до-

пусков и качества доводки.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

Рисунок 5-16 - Требования, предъявляемые к качеству обработки

и доводки монтажной поверхности и крепежной резьбе

Одним из важных условий сохранения большого значения частоты резо-

нанса закрепленного акселерометра и, следовательно, широкого рабочего час-

тотного диапазона последнего является как можно высокое качество (ровность,

гладкость и чистота) поверхности обследуемого или испытуемого объекта на и

вблизи места крепления акселерометра. С точки зрения чистовой обработки и

доводки эта поверхность должна как можно точно соответствовать показанным

на рис. 5-16 параметрам. Резьбовое отверстие для крепежной шпильки (или

винта) также должно соответствовать рис. 5-16. Необходимо отметить, что за-

грязненную поверхность необходимо тщательно очистить, возможно, с приме-

нением соответствующего промышленного растворителя, например, ацетона.

Для гарантии качества крепления датчика целесообразно устанавливать

датчикодержатель (Рисунок 5-17 а), б)) с подготовленной поверхностью непо-

средственно места установки датчика.

Рисунок 5-17 – Датчикодержатели и их защита

Для сохранения чистоты поверхности датчикодержателя необходимо

предусматривать его защиту от загрязнений (Рисунок 5-17 в)).

При креплении акселерометра на машину важно, чтобы путь от источни-

ка вибрации к датчику был непрерывным и минимально возможным, особенно

при измерении вибраций подшипников качения.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

5.4.6. Места крепления акселерометров

Расположение мест крепления акселерометров непосредственно связано с

целями соответствующих измерений. Нужно подчеркнуть, что при выборе мест

крепления следует учитывать необходимость совпадения оси максимальной

чувствительности (главной оси) закрепленного акселерометра с направлением,

соответствующим условиям осуществляемых измерений.

Рисунок 5-18 – Три направления

измерения вибрации

При измерениях механических коле-

баний часто нужна информация, относя-

щаяся к различным осям (вертикальной, го-

ризонтальной или осевой) оборудования

(Рисунок 5-18). Применение трехкомпо-

нентного акселерометра дает возможность

одновременных исследований механиче-

ских колебаний в направлениях трех вза-

имно перпендикулярных осей.

Однако при осуществлении монито-

ринга технического состояния машин и ме-

ханизмов чаще всего достаточно проводить

измерения в направлении оси вектора сум-

марных максимальных сил вибрации от де-

фектов (Рисунок 5-19).

Места крепления акселерометров нужно выбирать с учетом достижения

как можно коротких и хорошо определенных путей распространения механиче-

ских колебаний от их источников к используемым вибродатчикам (Рисунок

5-20).

Рисунок 5-19 – Направления измерения вибрации

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

Рисунок 5-20 – Места установки датчиков и пути распространения сигнала

Между источниками механических колебаний и местами крепления аксе-

лерометров должны находиться лишь жесткие элементы, в то время как упру-

гие и/или демпфирующие элементы (пружины, прокладки и др.) нужно по мере

возможности исключить. Например, при измерениях механических колебаний

оборудования вращательного действия оптимальными с точки зрения крепле-

ния акселерометра являются корпуса подшипников.

Исследуемые или испытуемые объекты могут обладать сложными дина-

мическими характеристиками, так что даже небольшие изменения положений

акселерометров могут существенно повлиять на получаемые результаты, в ча-

стности на относящиеся к области высоких частот данные. В качестве практи-

ческого правила можно принять, что акселерометры не рекомендуется закреп-

лять в местах, совпадающих с узловыми точками. Чтобы определить местопо-

ложения этих узловых точек, целесообразно осуществить быстрое предвари-

тельное (обзорное) исследование с помощью закрепленного на щупе акселеро-

метра.

Рисунок 5-21 – Разрез насоса

Обычно датчики

систем мониторинга и ди-

агностики устанавливают-

ся на подшипники агрега-

тов, например, на перед-

ний подшипник двигателя

и передний подшипник

консольного насоса (ри-

сунки 5-21 … 5-24).

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

100

Рисунок 5-22 - Места установки датчиков стационарной системы