Исследование вибрационных характеристик редукторов

Рис. 28. Октавный спектр

Частотное разрешение при октавном анализе слишком низкое для исследования вибрации машин. Однако можно определить более узкие полосы с постоянной относительной шириной. Наиболее общим примером этого является третьоктавный спектр, где ширина полос составляет примерно 27% от центральных частот. Три третьоктавные полосы укладываются в одну октаву, поэтому разрешение в таком спектре в три раза выше, чем при октавном анализе. Третьоктавные спектры часто применяются при нормировании вибрации и шума машин. Важным преимуществом анализа в полосах частот с постоянной относительной шириной является возможность представления на едином графике очень широкого частотного диапазона с достаточно узким разрешением на низких частотах. При этом страдает разрешение на высоких частотах, однако это не вызывает проблем в некоторых приложениях, например, при отыскании неисправностей в машинах. Для диагностики машин узкополосные спектры (с постоянной абсолютной шириной полосы) очень полезны при обнаружении высокочастотных гармоник и боковых полос, однако для обнаружения многих простых неисправностей машин такое высокое разрешение часто не требуется.

Оказывается, что спектры виброскорости большинства машин спадают на высоких частотах, и поэтому спектры с постоянной относительной шириной полосы являются, обычно, более однородными в широком частотном диапазоне. Это означает, что подобные спектры позволяют лучше использовать динамический диапазон приборов. Третьоктавные спектры достаточно узки при низких частотах, что позволяет выявить первые несколько гармоник оборотной частоты.

1.20 Линейный и логарифмический амплитудные масштабы

При использовании линейной амплитудной шкалы очень легко выявить и оценить наивысшую компоненту в спектре, зато меньшие компоненты можно совершенно упустить или возникают большие трудности при оценке их величины. Человеческий глаз способен различить в спектре компоненты, которые приблизительно в 50 раз ниже максимальной, но все, что меньше этого будет упущено. Линейный масштаб может применяться, если все существенные компоненты имеют примерно одинаковую высоту.

Однако в случае вибрации машин, зарождающиеся неисправности в таких деталях, как, подшипники, порождают сигналы с очень малой амплитудой. Для того, чтобы надежно отследить развитие спектральных компонент, следует откладывать на графике логарифм амплитуды, а не ее саму. При таком подходе легко можно изобразить на графике и визуально интерпретировать сигналы, отличающиеся по амплитуде в 5000, т.е. иметь динамический диапазон в 100 раз больший, чем позволяет линейный масштаб.

Различные типы амплитудного представления для одной и той же вибрационной характеристики представлены на рис. 29.

Рис. 29. Линейный и логарифмический масштабы амплитуды

На линейном спектре (линейная амплитудная шкала) большие пики читаются очень хорошо, но пики с низким уровнем трудно разглядеть. При анализе вибрации машин часто интересны именно малыми компонентами в спектре (например, при диагностике подшипников качения). При мониторинге вибрации интересен рост уровней конкретных спектральных компонент, указывающий на развитие зародившейся неисправности. В шариковом подшипнике двигателя может развиваться небольшой дефект на одном из колец или на шарике, а уровень вибрации на соответствующей частоте поначалу будет очень низким. Но это не означает, что им можно пренебречь, т.к. преимущество обслуживания по состоянию в том и заключается, что оно позволяет обнаружить неисправность в начальной стадии развития. Необходимо следить за уровнем этого небольшого дефекта, чтобы предсказать, когда он превратится в существенную проблему, требующую вмешательства.

Очевидно, что, если уровень вибрационной компоненты, соответствующей какому-то дефекту, удваивается, то значит, с этим дефектом произошли большие изменения. Мощность и энергия вибрационного сигнала пропорциональны квадрату амплитуды, поэтому ее удвоение означает, что в четыре раза больше энергии диссипирует в вибрацию.

На втором из приведенных спектров (рис. 29) представлена не сама амплитуда вибрации, а ее логарифм. Поскольку в этом спектре используется логарифмическая амплитудная шкала, умножение сигнала на любую константу означает простой сдвиг спектра вверх без изменения его формы и соотношений между компонентами. Как известно, логарифм произведения равен сумме логарифмов множителей. Это означает, что изменение коэффициента усиления сигнала не влияет на форму его спектра в логарифмическом масштабе. Этот факт значительно упрощает визуальную интерпретацию спектров, измеренных при различных коэффициентах усиления - кривые просто смещаются на графике вверх или вниз. В случае использования линейной шкалы форма спектра резко изменяется при изменении коэффициента усиления прибора. По вертикальной оси используется логарифмическая шкала, единицы измерения амплитуды остаются линейными (мм/с), что соответствует увеличению количества нулей после запятой. В данном случае визуальная оценка спектра улучшается, так как вся совокупность пиков и их соотношения теперь стали видимыми. Если теперь сравнивать логарифмические спектры вибраций машины, у которой подшипники испытывают износ, то можно увидеть рост уровней только у подшипниковых тонов, тогда как уровни других компонент будут оставаться неизменными. Форма спектра сразу изменится, что можно будет обнаружить невооруженным глазом.

1.21 Децибел

На рис. 30 приведен спектр, где по вертикальной оси отложены децибелы. Это особый тип логарифмической шкалы, который очень важен для вибрационного анализа.

Рис. 30. Амплитуда, выраженная в децибелах

Децибел (дБ) является удобной разновидностью логарифмического представления. По существу, он представляет собой относительную единицу измерения, в которой используется отношение амплитуды к некоторому опорному уровню. Децибел определяется по следующей формуле [2, с. 46]:

(9)

где L - уровень сигнала в дБ; U - уровень вибрации в обычных единицах ускорения, скорости или смещения; U_о - опорный уровень, соответствующий 0 дБ.

Понятие децибела было впервые введено в практику компанией Bell Telephone Labs еще в 20-е годы XX века. Первоначально оно применялось для измерений относительных потерь мощности и отношения сигнал-шум в телефонных сетях. Вскоре децибел стал использоваться в качестве меры уровня звукового давления.

Опорный уровень в 10^-9 м/с² достаточен для того, чтобы все измерения вибраций машины в децибелах были бы положительными. Указанный стандартизованный опорный уровень соответствует международной системе СИ, однако он не признается в качестве стандарта в США и других странах. Например, в ВМС США и многих американских отраслях промышленности в качестве опорного берется значение 10^-8 м/с. Это приводит к тому, что американские показания для той же виброскорости будут на 20 дБ ниже, чем в СИ. В российском стандарте используется опорный уровень виброскорости 5х10^-8 м/с, поэтому российские показания виброскорости еще на 14 дБ ниже американских. Децибел - это логарифмическая относительная единица амплитуды колебаний, которая позволяет легко проводить сравнительные измерения. Любое увеличение уровня на 6 дБ соответствует удвоению амплитуды, независимо от исходного значения. Аналогично, любое изменение уровня на 20 дБ означает рост амплитуды в десять раз. То есть при постоянном соотношении амплитуд их уровни в децибелах будут различаться на постоянное число, независимо от их абсолютных значений. Такое свойство очень удобно при отслеживании развития вибрации (трендов): рост на 6 дБ всегда указывает на удвоение ее величины.

1.22 Децибел и соотношения амплитуд. Преобразование единиц измерений

В табл. 1 показана взаимосвязь между изменениями уровня в дБ и соответствующими отношениями амплитуд. Рекомендуется использовать в качестве единиц измерения амплитуды вибрации именно децибелы, так как в этом случае становится доступно гораздо больше информации по сравнению с линейными единицами. Кроме того, логарифмическая шкала в дБ значительно нагляднее, чем логарифмическая шкала с линейными единицами.

Различают виброускорение (АдБ), виброскорость (VдБ) и вибросмещение (DдБ), которые выражаются в децибелах. Шкала АдБ является одной из наиболее употребительных; в качестве опорного уровня ускорения обычно используют значение 1 мкg (в России стандартный опорный уровень виброускорения - 1мкм/с², то есть почти в 10 раз ниже). При частоте, равной 3,16 Гц уровни виброскорости в Vд Б и виброускорения в АдБ совпадают. Приведенные ниже формулы [1] определяют взаимосвязи между уровнями виброускорения, виброскорости и вибросмещения в АдБ, VдБ и DдБ соответственно:

L_V = L_A - 20 lg(f) + 10, (10) L_V = L_D + 20 lg(f) - 60, (11) L_D = L_A - 20 lg(f²) + 70, (12)

где L_A - уровень сигнала виброускорения;

L_V - уровень сигнала виброскорости;

L_D - уровень сигнала вибросмещения.

Виброускорение и виброскорость в линейных единицах могут быть получены из децибелов по формулам [1]:

, (13)

. (14)

Для временных реализаций во временной области всегда используются линейные единицы измерения амплитуды, так как мгновенное значение сигнала может быть и отрицательным, и поэтому его невозможно логарифмировать.



2. Виды датчиков для измерения вибрации

2.1 Классификация датчиков вибрации

Датчиком вибрации (измерительным преобразователем) называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем [5, c. 37].

Измерительные преобразователи (ИП) характеризуются чувствительностью, динамическим диапазоном, пределом и погрешностями преобразований.

Под чувствительностью преобразователя понимают отношение изменения сигнала на выходе к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность.

Абсолютная чувствительность [5, c. 37]

. (15)

Относительная чувствительность [5, c. 37]

, (16)

где - изменение сигнала на выходе;

x - измеряемая величина;

- изменение измеряемой величины

Предел преобразования - наибольшее значение входной величины, которое воспринимается ИП без искажений и повреждений.

Динамический диапазон измерений характеризуется наибольшим и наименьшим значениями входных величин, измерения которых производится без искажений.

Под погрешностью измерений в общем случае понимают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

ИП определяются также динамическими характеристиками, которые описывают их поведение при быстрых изменениях измеряемых величин.

К динамическим характеристикам, в частности, относят амплитудно-частотные и фазовые характеристики ИП. Частотная характеристика определяет зависимость чувствительности ИП от частоты изменения входного сигнала, а фазовая характеристика - зависимость сдвига фаз между векторами входной и выходной измеряемых величин от частоты синусоидального изменения входной измеряемой величины.

При измерении параметров вибрации используют два принципа измерения. Кинематический принцип заключается в том, что измеряют координаты точек исследуемого объекта относительно выбранной неподвижной системы координат, например неподвижных элементов измерительного прибора или неподвижных объектов вне прибора.

Приборы, действие которых основано на кинематическом принципе измерения, называют приборами измерения параметров вибрации относительно неподвижных координат.

Динамический принцип заключается в том, что параметры исследуемого вибрационного процесса измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, сочленяемого с вибрирующим объектом через упругий подвес.

ИП инерционного действия, реализующие динамический принцип измерения, являются измерителями абсолютных значений параметров вибраций исследуемых объектов. Абсолютные измерения вибраций обеспечиваются за счет использования инерционной массы, вывешенной на упругом подвесе, который при достаточно высоких частотах вибрации сохраняет инерционный элемент практически в состоянии покоя.

По принципу работы ИП абсолютной вибрации разделяют на генераторные и параметрические (рис. 31).

Рис. 31. Классификация преобразователей абсолютной вибрации

Генераторные ИП осуществляют прямое преобразование механической энергии в электрический сигнал. К ним относят ИП, действие которых основано на эффекте Холла, пьезоэлектрические, индукционные и др.

Параметрические ИП представляют собой устройства, в которых под действием измеряемых входных механических величин изменяются электрические параметры схем: сопротивление, емкость, частота и т.д. Особенностью параметрических ИП является наличие внешних источников питания и демодуляторов, фиксирующих изменение электрических параметров схем.

К параметрическим ИП относят резистивные, реостатные, тензорезисторные, емкостные, индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие, вихретоковые, вибрационно-частотные, электронно-механические и др.

Из всего многообразия существующих ИП наибольшее распространение получили преобразователи с пьезоэлектрическим, тензорезистивным, электромагнитным (индуктивным), емкостным и струнным чувствительными элементами. Каждый из перечисленных ИП имеет свою область рационального применения. Так, пьезоэлектрические ИП наиболее целесообразно использовать при наличии в динамическом процессе широкого спектра частот (до нескольких десятков тысяч герц) и больших значений ускорений. Тензорезистивными, индуктивными, емкостными и вибрационно-частотными ИП целесообразно одновременно измерять переменную и постоянную составляющие динамического процесса.

Рассматриваемые датчики являются контактными, их закрепляют на исследуемом объекте и кабелем соединяют с контрольно-измерительной аппаратурой. Они просты в реализации, имеют точное положение на исследуемом объекте. Небольшая стоимость и приемлемая точность широко распространили их в промышленности, однако необходимость установки контактного датчика непосредственно на динамическом объекте резко снижает область их применения.

К основным недостаткам контактных датчиков можно отнести: подверженность датчиков и линий связи вредным с точки зрения надежности механическим и температурным воздействиям, что приводит к частым и дорогостоящим сбоям и отказам в системах контроля состояния оборудования; наличие линий связи, которые могут помешать вращающимся или движущимся узлам; применимость только, когда их масса принципиально меньше массы исследуемого объекта; относительно слабый уровень электрического сигнала, по сравнению с микрофонным эффектом подводящих проводов, собственными шумами и другими помехами; изменение чувствительности со временем, требующей периодической калибровки; существенный разброс характеристик от образца к образцу; невозможность производить измерения, начиная с 0 Гц; малая механическая прочность.

Существует много ситуаций, в которых необходимо измерить параметры вибрации объекта, не имея физического контакта с ним, или такой контакт просто невозможен, например, вращающиеся объекты (валы, цилиндры и т.п.), когда вследствие их эксцентриситета имеют место биения.

Таким образом, для случаев, в которых невозможен или недопустим контакт с исследуемым динамическим объектом, необходимо использование бесконтактных ИП, что, в свою очередь, не исключает их применимость наряду с контактными датчиками. Общим достоинством бесконтактных ИП является отсутствие механического воздействия на исследуемый объект и пренебрежительно малая инерционность, что позволяет избежать основных недостатков, присущих контактным методам. В частности, это возможность получения необходимой информации на малых и больших расстояниях, в любых режимах работы, в условиях низких и высоких температур, давлений, от герметичных объектов, от элементов находящихся в агрессивных и взрывоопасных средах, из замкнутых объемов. Отсутствие влияния на работу механических систем позволяет бесконтактным датчикам исследовать вибрацию легких поверхностей, стенок баков, лопастей турбин и прочих объектов, к которым невозможно крепление обычных датчиков.

Бесконтактные датчики основаны на принципе зондирования объекта звуковыми или электромагнитными волнами. Используются оптические, радиоволновые, акустические, радиационные, электромагнитные и магнитные методы [7]. Рассмотрим некоторые из них.

Датчики, используемые в методе ультразвуковой фазометрии, измеряют разности фаз опорного сигнала ультразвуковой частоты и сигнала, отраженного от исследуемого объекта. В качестве чувствительных элементов используется пьезоэлектрическая керамика. К достоинствам этого метода можно отнести дешевизну и компактность аппаратуры, малое время измерения, отсутствие ограничения на нижнюю границу частотного диапазона, высокую точность измерения низкочастотных вибраций. Использование ультразвуковых методов ограничивают невысокая разрешающая способность, сильное затухание ультразвука в воздухе, зависимость от состояния атмосферы, уменьшение точности измерения с ростом частоты вибрации [8].

Широкое распространение получили оптические ИП, зондирующие объект видимым светом. Все они подразделяются на две группы. К первой относятся датчики на эффекте Допплера. Простейшими из них являются датчики, основанные на гомодинном методе, который позволяет измерять амплитуды и фазы гармонических вибраций, но с их помощью невозможно исследовать негармонические и большие по амплитуде вибрации. Датчики, основанные на гетеродинном методе, лишены этого недостатка, однако требуют калибровки и очень сложной аппаратуры. Существенным недостатком оптических датчиков первой группы являются высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта и среде. Требования к качеству поверхности для датчиков второй группы намного ниже и они обладают высокой разрешающей способностью. Однако они требуют сложного и дорогостоящего оборудования, а также сравнительно большего времени измерения [9].

Общими недостатками оптических ИП являются: сложность, громоздкость и высокая стоимость оборудования; большое энергопотребление; высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта и к состоянию атмосферы (определенная влажность, отсутствие запыленности и т.п.). Кроме того, лазерное излучение оказывает вредное влияние на зрение обслуживающего персонала и требует дополнительных мер предосторожности и защиты [8].

Частотную нишу между ультразвуковыми и оптическими датчиками занимают радиоволновые. Особенности носителя информации - электромагнитного поля - придают ряд замечательных свойств радиоволновым методам измерения, контроля и технической диагностики. Радиоволновые датчики являются безинерционными и допускают бесконтактные измерения не только вибрации, но и перемещения, а также линейной скорости объектов. Контролируемые объекты могут быть как проводниками, так и диэлектриками с потерями или без потерь. Они могут быть использованы на расстоянии от сантиметров до нескольких метров, в условиях отсутствия или плохой оптической видимости, высоких температур и для объектов с большим многообразием форм и материалов поверхностей. Становится возможным измерить вибрацию динамических узлов, не нарушая конструкции или через герметичные стенки приборов. Например, измерить параметры движения второй крыльчатки турбины самолета, зондируя сигналом через первую в процессе их работы [10].

Радиоволновые методы измерения основаны на использовании зависимостей от контролируемой величины различных параметров электромагнитных систем, применяемых в качестве первичных измерительных преобразователей. К таким параметрам относятся: амплитуда и фаза отраженного сигнала; частота электромагнитных колебаний системы, ее добротность; число возбуждаемых типов колебаний; время прохождения электромагнитной волны от источника излучения до контролируемого объекта и др.

Из всего разнообразия радиоволновых методов измерения вибраций можно выделить две основные группы: резонаторные и интерференционные.

Резонаторные методы основаны на размещении вибрирующего объекта в поле ВЧ или СВЧ резонатора (вне или, хотя бы частично, внутри него), при котором под влиянием вибраций изменяются характеристики резонатора. Они могут быть реализованы на объемных резонаторах и отрезках длинных линий. С применением СВЧ резонаторов возможно достижение большой чувствительности при соответствующем построении измерительной цепи и выборе ее параметров, в частности по двухканальной схеме с опорным каналом [10].

Однако сложность конструкции, низкая чувствительность, малая удаленность от объекта измерения, необходимость создания дополнительных гармонических колебаний, а также сложный механизм оценки уровня вибрации не позволяют им найти широкое применение.

В основе интерференционных методов лежит зондирование вибрирующего объекта электромагнитными волнами ВЧ и СВЧ диапазонов, прием и анализ отраженных (рассеянных) объектом волн. Между излучающим устройством и объектом в результате интерференции образуется стоячая волна. Вибрация объекта приводит к амплитудной и фазовой модуляции отраженной волны и к образованию сигнала биений. У выделенного сигнала переменного тока амплитуда пропорциональна амплитуде вибраций, а частота соответствует частоте вибраций контролируемого объекта. Однако прямое измерение абсолютных значений параметров вибрации, проводимое по амплитуде выходного сигнала биений, требует выполнения сложных процедур калибровки (градуировки) при смене и/или изменении расстояния до исследуемого объекта, что затрудняет разработку на их основе вибродатчиков с нормированными метрологическими характеристиками. Эти сложности в реализации ограничивают широкое использование и внедрение радиоволновых датчиков на базе существующих амплитудных методов [10].

Этого недостатка лишен фазовый интерференционный радиоволновой метод, в котором амплитуда отраженного сигнала непосредственно не участвует в расчете параметров.

Сравнительные характеристики бесконтактных методов приведены в таблице 3 [7].

Характеристики	Вибрация
	ультразвуковая	радиоволновая	оптическая
Длины волн зондируемого сигнала	1-15 мм	3-8 мм	400-760 нм
Диапазон перемещений	10-50 мкм	от 1 мкм до 5 м	от 1 пм до 1м
Диапазон измеряемых частот	0-3000 Гц	0-250 кГц	0-20 МГц
Разрешение	10-30 мкм	?1 мкм	?1 пм
Рабочие расстояния до объекта	Не более 1,5-2 м	0,2-10 м	0,1-10 м
Недостатки	Низкая разрешающая способность, малый динамический диапазон, невозможность измерения перемещений	Сложность калибровки (для амплитудных методов)	Сложность и высокая стоимость аппаратуры, высокие требования к поверхности объекта и среде
Достоинства	Дешевизна и компактность аппаратуры	Широкий динамический диапазон, измерение в условиях отсутствия прямой видимости, комплексные измерения вибрации поверхностей, работают для любых сред и поверхностей	Высокая точность и разрешающая способность, возможность точечных измерений

2.2 Преобразователи инерционного действия

Преобразователь инерционного действия, предназначенный для измерения абсолютных параметров вибрации, состоит из упругого подвеса с элементом демпфирования и инерционного элемента (рис. 32).

Рис. 32. Схема преобразователя инерционного действия

Инерционный элемент с массой М подвешен на пружине, второй конец которой закреплен в неподвижной точке. Уравнение движения инерционной массы М в системе с коэффициентом упругости k и коэффициентом демпфирования h в случае одной степени свободы записывается в следующем виде [5, c. 40]:

, (17)

где s (t) - вибрационное перемещение точки подвеса в направлении оси у.

В комплексной форме уравнение имеет вид [5, c. 40]

, (18)

где . При этом измерение вибрационного процесса ведется в диапазоне от низкой до высокой частоты [5, c. 40]:

(19)

Чтобы при одинаковом масштабе времени сигнал и отклик были идентичны, их амплитудные спектры должны быть одинаковыми, а фазовые спектры отличающимися на величину, пропорциональную частоте.

Эти требования могут быть записаны в виде [5, c. 42]:

Ф = (20)

где >0; n = 0, 1, 2 ...

При измерении вибрации сигналом может быть вибрационное перемещение s(t), вибрационная скорость (t) или ускорение (t).

При проведении измерений перемещений, скорости или ускорения необходимо учитывать оптимальные соотношения между величинами и k, т. е. параметры колебательной системы М, h и k должны удовлетворять определенным требованиям.

Рационально выбранные значения М, h и k определяют режим работы преобразователей.

В режиме виброметра измеряется перемещение s(t) колебательного процесса.

Для неискаженного измерения перемещения в диапазоне частот амплитудно-частотная характеристика должна быть плоской, а фазочастотная - пропорциональной или нулевой (рис. 33, 34). Эти требования в режиме виброметра удовлетворяются в случаях (рис. 35, а -в), указанных в табл. 4.

Рис. 33. Амплитудно-частотная характеристика инерционного преобразователя при неискаженном измерении смещения



Рис. 34. Фазочастотная характеристика преобразователя инерционного действия при неискаженном измерении смещения: 1, 2, 3, 4 - пропорциональные характеристики; 5, 6, 7 - пулевые характеристики

Рис. 35. Амплитудно и фазочастотные характеристики преобразователей в режиме виброметра



Рис. 36. Амплитудно и фазочастотная характеристики преобразователя в режиме велосиметра

В режиме акселерометра измеряется ускорение колебательного процесса.

Для получения неискаженного отклика требования к амплитудно- и фазочастотной характеристикам в режиме акселерометра удовлетворяются в случаях (рис. 37, а, б), приведенных в табл. 6.



Рис. 37. Амплитудно и фазочастотные характеристики преобразователей в режиме акселерометра

В качестве инерционного элемента обычно используют металлическую массу из материала с большой плотностью. Иногда роль инерционного элемента играет масса упругого подвеса. В качестве упругого подвеса, как правило, применяют пружину или маятник, создающий квазиупругую силу. По конструкции пружинные подвесы разделяют на подвесы с направленным ходом инерционного элемента и без направленного хода.

Подвесы с направленным ходом инерционного элемента могут содержать детали и приспособления, которые обеспечивают ход инерционного элемента в необходимом направлении (например пазы, шпонки, втулки и т.д.). Иногда подвесы с направленным ходом инерционного элемента выполняют таким образом, что направляющие элементы являются составной частью подвеса (например, плоские пружины, которые обеспечивают ход инерционного элемента в одном направлении).

Типовые конструкции пружинного подвеса с дополнительными деталями и приспособлениями показаны на рис. 38.



Рис. 38. Типовые конструкции пружинного подвеса с дополнительными направляющими

Недостатком этих конструкций является наличие трущихся поверхностей, что ухудшает характеристики преобразователя. К преимуществам приведенных конструкций пружинного подвеса относятся их простота и надежность работы.

Схемы пружинных подвесов с плоскими пружинами приведены на рис. 39.

Рис. 39. Схемы подвесов с плоскими пружинами

Основным их недостатком является возможный наклон оси инерционного элемента, что исключает однонаправленность движения инерционного элемента (рис. 39, а, 6). Поэтому конструкции пружинных подвесов с плоскими пружинами должны быть выполнены таким образом, чтобы по возможности уменьшить или исключить наклон оси инерционного элемента. В пружинном подвесе, изображенном на рис. 39, в, применен крест плоских пружин, обеспечивающий большую равномерность деформации. На рис. 39, г, показано направленное закрепление концов плоских пружин.

Для повышения устойчивости конструкции к боковым смещениям и закручиванию пружины разделяют на две части и разносят их в стороны (рис. 39, д). На этом рисунке показана подпятниковая пружина, используемая для измерения вибрации в вертикальном положении.

Более совершенными являются конструкции с двусторонним и односторонним промежуточным подвижным скреплением (рис. 39,е - з). В этих конструкциях использованы дополнительные стойки, рамки и пружины, позволяющие исключить наклон оси инерционного элемента.

На рис. 39, и показан подвес с серьгами, который применяют в качестве дополнительного крепления инерционных элементов с большими массами. Для исключения чувствительности подвеса с плоскими пружинами к угловым колебаниям можно рекомендовать конструкции, приведенные на рис. 40, а и б. При этом плоские пружины подвесов должны быть широкими и короткими. Применяют также плоские круглые пружины (рис. 41, а, б). Подвижно-шарнирный подвес показан на рис. 42.



Рис. 40. Подвес с промежуточным подвижным скреплением плоских пружин

Рис. 41. Подвес с круглыми плоскими пружинами: а - спиральные пружины; б - пружины «паук»

Рис. 42. Подвижно-шарнирный подвес



Кроме пружин, в качестве упругих подвесов применяют маятниковые (или рычажные) и пружинно-маятниковые подвесы (рис. 43).

Рис. 43. Маятниковый и пружинно-маятниковый подвесы

Их используют только в преобразователях, предназначенных для измерения малых вибраций, при которых вращением инерционного элемента, закрепленного на упругом подвесе, можно пренебречь. Собственная частота таких колебательных систем составляет десятые доли герца.

Маятниковые и пружинно-маятниковые подвесы целесообразно использовать в приборах инерционного действия, работающих в режиме виброметра с очень низкой собственной частотой при малых амплитудах вибрации.

На рис. 44 приведена конструкция подвеса с магнитной пружиной, в котором в качестве инерционного элемента применен подвижный магнит, расположенный между неподвижными магнитами.

Рис. 44. Подвес с магнитной пружиной



Поля магнитов направлены навстречу друг другу, поэтому между парами I и II взаимодействующих полюсов возникает квазиупругая сила. К преимуществам подмесов с магнитной пружиной относятся отсутствие массы упругого элемента и возможность регулировки в широком диапазоне собственной частоты колебательной системы путем изменения зазоров между магнитами.

Для улучшения амплитудно и фазочастотных характеристик преобразователей применяют демпфирование системы упругого подвеса. Демпфирование может осуществляться пневматическими, гидравлическими, электромагнитными и другими методами. Тип демпфирования выбирают в зависимости от температуры окружающей среды, давления, а также частотного рабочего диапазона преобразователя, в котором применено демпфирование.

Виброизмерительные преобразователи инерционного действия, работающие в режиме виброметра, имеют достаточно низкую частоту собственных колебаний (от 5 - 6 до 20 Гц). В некоторых случаях их рабочий диапазон лежит в области частот выше частоты собственных колебаний.

Рабочий диапазон частот преобразователей этого типа с подвесом инерционного элемента на двух плоских пружинах при произвольном относительно рабочей оси направлении вектора вибрации сверху ограничивается, как правило, не частотой вторичных резонансов пружин подвеса, а значением вибрационного ускорения и частоты поперечных составляющих вибрации, при которых происходит потеря устойчивости сейсмического подвеса.

Под действием продольной знакопеременной силы, вызываемой поперечной составляющей вибрации, в плоских пружинах возникают продольные колебания до тех пор, пока амплитуда остается меньше силы Эйлера. При определенных соотношениях между частотой возмущающей силы и частотой собственных поперечных колебаний пружин подвеса пружины теряют устойчивость. В результате этого возникают поперечные колебания, амплитуда которых быстро увеличивается до больших значений.

Соотношение частот, при котором наступает резонанс, в силу зависимости от амплитуды колебания, называемый параметрическим, отличается от соотношения частот при обычном резонансе. Существует ряд областей неустойчивости, которые при малых значениях амплитуд силы лежат вблизи частот, определяемых выражением [5, c. 48]:

(21)

Наиболее опасна первая область неустойчивости, границы которой могут быть определены по приближенной формуле [5, c. 48]:

(22)

М - масса инерционного элемента; а - амплитуда поперечной составляющей вибрации; - круговая частота вибрации.

Остальные области являются менее опасными, так как вследствие наличия внутреннего трения в пружинах подвеса они проявляются лишь при больших амплитудах вибрации, несвойственных объектам, для измерения вибрации которых используют вибропреобразователи рассматриваемого типа.

В случае контроля одноосной (направленной) вибрации рабочий диапазон сверху ограничивают частотами вторичных резонансов пружин подвеса.



2.3 Индукционные преобразователи

Принцип действия индукционных ИП основан на явлении электромагнитной индукции, т. е. на возникновении электродвижущей силы в электрической катушке при изменении магнитного поля. Возникающая ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока и, соответственно, скорости движения катушки в магнитном поле [5, c. 74]:

(23)

где В - магнитная индукция в зазоре, Т; п - число витков; d - средний диаметр катушки, м; - скорость движения катушки в магнитном поле, м/с.

Для увеличения чувствительности и уменьшения габаритов используют индукционные ИП с сердечниками из магнитомягкого железа или феррита.

Принцип работы индукционного ИП позволяет применять его для измерения любых высокочастотных вибраций с широким диапазоном амплитуд. Индукционные ИП отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации. Основной их недостаток связан с принципом работы, практически ограничивающим нижний диапазон измеряемых частот пределом 8 - 10 Гц.

Индукционный ИП состоит из корпуса, инерционной массы (сейсмомассы) и индукционного элемента, включенного между сейсмомассой и корпусом прибора. Индукционный элемент содержит постоянный магнит и электрическую катушку, установленные таким образом, что при движении сейсмомассы относительно корпуса прибора изменяется магнитный поток через катушку, в результате чего появляется выходной сигнал преобразователя. Используют различные способы изменения магнитного потока через катушку. Наибольшее распространение получили электродинамические способы, основанные на перемещении катушки в магнитном поле, образованном постоянным магнитом специальной формы. Основные схемы подвески сейсмомассы в индукционных преобразователях показаны на рис. 45.

Различают индукционные преобразователи с маятниковой и осевой подвеской сейсмомассы.

Маятниковая подвеска характеризуется тем, что сейсмомасса совершает колебания - вращения вокруг оси подвески, причем кратчайшая линия, соединяющая центр тяжести массы с осью подвески, перпендикулярна направлению колебательного движения.

Рис. 45. Схемы подвески сейсмомассы в индукционных ИП: а - маятниковая подвеска; б - маятниковая подвеска двухмассовая; в и г - осевая подвеска; 0П - ось подвески; ЦТ - центр тяжести; ЦЖ - центр жесткости

Маятниковая подвеска дает возможность добиться сравнительно низких собственных частот при относительно малых габаритах и массе индукционного преобразователя. Ее недостатком является необходимость сравнительно частой регулировки понижения маятника и собственной частоты преобразователя, так как при колебаниях температуры длина пружины изменяется. Недостатком также является повышенная чувствительность индукционных преобразователей с маятниковой подвеской к поворотам корпуса прибора.

Осевая подвеска сейсмомассы характеризуется тем, что центры тяжести и жесткости лежат на одной линии, имеющей направление измеряемого колебательного движения, или совпадают. Преобразователи с осевой подвеской менее чувствительны к поворотам корпуса и в большинстве случаев не требуют регулировки. Однако они имеют достаточно высокую собственную частоту (>6 Гц).

Во многих случаях мощность сигналов индукционных ИП достаточна для непосредственного измерения или регистрации без предварительного усиления. Для повышения их чувствительности применяют катушки с возможно большим числом витков, так как индуктированная ЭДС прямо пропорциональна числу витков. Однако выходная мощность индукционного ИП возрастает только до тех пор, пока активное сопротивление катушки не достигнет определенного значения. Увеличить число витков при заданном сечении обмотки катушки можно только за счет уменьшения диаметра провода и соответственно за счет резкого увеличения (пропорционально квадрату числа витков) ее активного сопротивления. Дальнейшее увеличение числа витков и сопротивления катушки приводит к уменьшению чувствительности индукционного ИП.

Если увеличить число витков катушки при неизменном диаметре провода, то увеличится толщина катушки, что требует соответствующего увеличения воздушного зазора и приводит к падению величины индукции.

Важное значение имеет линейная зависимость индуктированной ЭДС от амплитуды перемещения катушки. При оптимальном выборе конфигурации магнитной цепи, размеров и положения катушки погрешности по линейности могут быть уменьшены до 0,02 - 0,1%. Чувствительность индукционных ИП к неконтролируемым вибрациям другого направления (горизонтального) не превышает 5%.



3. Радиальные передачи с промежуточными телами качения

3.1 Радиальные цилиндрические передачи

Радиальные цилиндрические передачи с промежуточными телами качения появились в США в тридцатых годах прошлого века, и практически ничем не отличаются от современных аналогичных схем [11]. Передающий узел состоит из трех охватывающих друг друга звеньев (рис. 46 и 47). Наружное 1 и внутреннее 2 звенья имеют на обращенных друг к другу цилиндрических поверхностях кулачковые периодические поверхности 3 и 4 с радиальным направлением кулачка (зуба). Между ними расположен сепаратор 5 с телами качения 6 в прорезях. Телами качения служат ролики или шарики. В некоторых случаях для увеличения площади контакта тел качения с прорезями, в последних, расположены сухари, в которых установлены цапфы роликов.

Рис. 46. Радиальная цилиндрическая передача

На рис. 47 [12] показана разделенная схема, в которой для уменьшения трения эксцентрик взаимодействует с телами качения 6 через плавающую шайбу 8.



Рис. 47. Радиальная цилиндрическая передача

Радиальные цилиндрические передачи с однопериодным генератором - эксцентриком получили своё дальнейшее развитие в восьмидесятых годах прошлого столетия. В СССР это работы Томской организации «Технотрон», МВТУ им. Баумана. Аналогичные изобретения появились в США, Германии, Японии. Передачи «Технотрона», в основном, усовершенствуют простую трехзвенную схему (рис.48).

Входным звеном служит эксцентриковый кулачок 1. Цилиндрический сепаратор 2, в продольных прорезях которого расположены тела качения 3, служит выходным звеном. Третьим звеном передачи является центральное неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления 4, соединенное с корпусом передачи. Полный оборот эксцентрика 1 вызывает поворот сепаратора 2 на один шаг зубчатого колеса 4. Передаточное число определяется числом зубьев колеса 4, которое на единицу отличается от числа тел качения 3.



Рис. 48. Передача с промежуточными телами качения организации «Технотрон»

Передача, построенная по такой схеме, обладает всеми преимуществами традиционной волновой зубчатой передачи. Кроме того, она лишена её основного недостатка - потерь энергии на деформацию гибкого колеса и на трение между зубьями. Однако у неё имеется и существенный недостаток, особенно проявляющий себя в высоко моментных передачах с телами качения и эксцентриками больших размеров, а именно - неуравновешенность масс, и связанные с этим шум, биения и повышенный износ.

Для повышения передаваемого момента передачу выполняют многорядной [13], при этом для улучшения балансировки эксцентрики в рядах сдвигают по фазе (рис.49), для увеличения передаточного отношения - двухступенчатой.



Рис. 49. Многорядная передача

Недостатком простых передач с промежуточными телами качения является наличие трения скольжения между телами качения и поверхностями взаимодействующих с ними трех звеньев.

Особенно важно уменьшить трение о стенки сепаратора, т.к. он является наиболее слабым

по прочности звеном. Известно несколько приемов такого уменьшения.

В одних из них изменяют конструкцию сепаратора, а в других видоизменяют тела качения. В передаче изображенной на рис. 50 сепаратор представляет собой два кольца 5, между которыми на шарнирах 6 смонтированы роликовые тела качения 1.



Рис. 50. Сепаратор

Здесь же описана конструкция, в которой на одном шарнире расположено два ролика. Один из них взаимодействует с эксцентриком волнового генератора, а другой - с периодической дорожкой качения, за счет чего уменьшается трение тел качения с каждым из трех взаимодействующих звеньев.

Для уменьшения трения тел качения о сепаратор они выполнены в виде роликов 1, показанных на рис. 50,б. На роликах 1 через тела качения 2 посажены кольца 3. Крайние кольца взаимодействуют с пазами 4 двух дисков 5, образующих водило - сепаратор, а среднее кольцо 3 - с зубчатым венцом неподвижного центрального колеса (на рис не показано).

Аналогично уменьшено трение скольжения в одном из последних изобретений Американской фирмы Synkinetics Inc., схема которого приведена на рис. 51 [14].



Рис. 51. Редуктор фирмы Synkinetics Inc.

Ролики представляют собой оси 1, на которых свободно вращаются кольца 2, 3 и 4. Ролики размещены в прорезях обоймы сепаратора 5. Крайние кольца 2 и 4 роликов взаимодействуют с периодическими поверхностями волнового генератора 6 и радиальными прорезями в сепараторе 5, а среднее кольцо 3 взаимодействует с зубчатым колесом 7 внутреннего зацепления. Все звенья передачи выполнены в виде охватывающих друг друга обойм, связанных подшипниками 8, образуя единый узел, наподобие подшипникового узла. Любая из обойм 5, 6 или 7 может служить корпусом, входным или выходным валом. Подшипниковое оформление передающего узла с промежуточными телами качения совершенно независимо.

В одноволновом генераторе, наиболее распространенный из которых представляет собой эксцентрик, только часть тел качения одновременно участвует в передаче момента вращения. Увеличение числа периодов дорожки волнового генератора, увеличивает число тел качения, находящихся в зацеплении и уменьшает дисбаланс передающего узла. Многоволновой генератор используется как в простых схемах, так и в двухзвенных схемах с плавающей шайбой.



3.2 Передача, имеющая волновой генератор с плавающей шайбой

Трение тел качения об эксцентрик волнового генератора уменьшают, вынося дорожку качения на отдельное, свободно вращающееся на эксцентрике, звено. Схема передачи показана на рис 52 [15].

Рис. 52. Передача с промежуточными телами качения с плавающей шайбой

На эксцентрике 1 на подшипниках 2 установлено кольцо 3. Кольцо воздействует на тела качения 4, размещенные в прорезях сепаратора 5, и является плавающей шайбой. Выходным элементом и неподвижным звеном являются либо сепаратор 5, либо колесо 6 с зубчатым венцом 7 внутреннего зацепления. Такая схема, уменьшая трение тел качения о кулачковую поверхность волнового генератора, увеличивает дисбаланс масс.

Кинематическая схема передаточного механизма с промежуточными звеньями изображена на рис. 53.



Рис. 53. Передача с промежуточными телами качения с плавающей шайбой

Волновой генератор представляет собой три эксцентричных ролика 1, эксцентрично смещенных относительно оси передачи (точки О). Ролики 1 взаимодействуют с наружной поверхностью нажимного кольца 2, являющегося плавающей шайбой. Внутренняя поверхность нажимного кольца 2 взаимодействует с цепочкой тел качения 3, размещенных в прорезях неподвижного сепаратора 4. С другой стороны тела качения 3 взаимодействуют с зубчатым колесом 5 внешнего зацепления, являющимся выходным валом. Схема передачи является обращенной, волновой генератор расположен снаружи, а зубчатый профиль - внутри.

3.3 Двухзвенная передача с плавающей шайбой

Следующим шагом в направлении уменьшения трения и увеличения диапазона передаточных отношений являются передачи c двухзвенным передающим узлом (рис 54) [16].



Рис. 54. Передача c двухзвенным передающим узлом

Многоволновой генератор представляет собой плавающую шайбу 4, на боковой поверхности которой выполнена периодическая поверхность 3. Планетарное движение шайбы 4обеспечивают эксцентрик 7 и подшипник 8. Цепочка тел качения 1 взаимодействует с зубчатым венцом 3 плавающей шайбы 4 и с зубчатым венцом 5 центрального колеса 6. В результате этого взаимодействия плавающая шайба 4 кроме орбитального движения начинает вращаться вокруг собственной оси вращения. Таким образом, основная особенность передачи состоит в том, что промежуточные тела качения взаимодействуют лишь с двумя звеньями, причем одно из них - плавающая шайба имеет возможность совершать два независимых движения: планетарное и вращение вокруг собственной оси.

В отличие от простых преобразователей скорости в данной схеме отпадает необходимость в силовом сепараторе, т.к. плавающая шайба выполняет одновременно функцию двух звеньев: её плоскопараллельное (планетарное) движение вызывается быстроходным валом, а во вращательном движении она связана с корпусом или выходным валом механизмом передачи вращения между параллельными валами. Если сепаратор и присутствует в некоторых конструкциях (как он показан на рис. 54), то он не несет существенных нагрузок.

Функция сепаратора сводится к позиционированию углового положения тел качения и предотвращению их смещения друг относительно друга при совпадении вершин обеих периодических дорожек. Однако, в схемах с плавающей шайбой необходим дополнительный механизм, приводящий вращение плавающей шайбы к общей оси преобразователя. На рис. 54 это механизм параллельных кривошипов, который представляет собой закрепленные в корпусе 9 пальцы 10, по которым обкатываются отверстия 11 в плавающей шайбе 4. Благодаря этому механизму шайба 4 не может вращаться, т.е. выполняет одновременно роль волнового генератора и опорного звена. С тихоходным валом 12 связано центральное колесо 6 с периодической кулачковой поверхностью 5. Сепаратором 2 является гибкая связь между телами качения (аналогично передаче, в которой связь роликов шарнирная).

В двухзвенных передачах отпадает необходимость в силовом сепараторе. Если сепаратор и присутствует в некоторых конструкциях, то он не несет существенных нагрузок. Его функция сводится к угловому позиционированию тел качения при прохождении ими вершин обеих периодических дорожек.

вибрация редуктор инерционный осциллограф



4. Исследования редуктора МР55-1500-21

4.1 Оборудование для исследований

В ходе проведения опыта было использовано следующее оборудование: сейсмоприемник горизонтальный СГ-10, сейсмоприемник вертикальный СВ-20-П, осциллограф двухканальный С1-117/1, фотокамера.

4.2 Вибродатчики

В данной работе в качестве вибродатчиков были применены сейсмоприемники, так как их уровень выходного сигнала, при минимальном уровне вибрации, пригоден для подачи на осциллограф.

Сейсмоприемник вертикальный типа СВ-20-П (рис. 55) предназначен для преобразования вертикальных составляющих механических колебаний окружающей среды в электрические сигналы при проведении наземных сейсморазведочных работ. Напряжение с выхода сейсмоприемника подается на вход сейсмической станции.

Сейсмоприемник СВ-20-П состоит из преобразовательного блока, системы вывода и герметизации, штыря.

Сейсмоприемник полевой электродинамический горизонтальный СГ-10 (рис. 56) предназначен для преобразования горизонтальной составляющей механических колебаний окружающей среды в электрические сигналы при проведении наземных сейсморазведочных работ. Горизонтальные составляющие колебаний вызывают относительные перемещения инертной массы сейсмоприемника по отношению к корпусу, в результате чего в обмотке катушки наводится ЭДС индукции, пропорциональная скорости смещения. Напряжение с выхода сейсмоприемника подается на выход сейсмической станции.

В нашем случае сейсмоприемники использовались в качестве велосиметров - приборов, измеряющих виброскорость.

Основные характеристики сейсмоприемников указаны в табл.

Наименование параметра	Тип сейсмоприемника
	СГ-10	СВ-20-П
Собственная частота, Гц	10±0,6	20±0,8
Частота второго электромеханического резонанса, Гц	70	120
Величина затухания, не менее	0,5	0,5
Фазовая неидентичность, град, не менее	±3	±3
Диапазон рабочих температур, °С	-30 ... +50	-30 ... +50
Габаритные размеры, мм	52х95	042х102
Масса, кг, не более	0,2	0,15
Средняя наработка на отказ, ч	2500	2500
Коэффициент преобразования, В·с/м, не менее	10	20
Угол наклона, при котором сохраняется работоспособность сейсмоприемника, град, не более	5
Входное сопротивление вторичного прибора должно быть, МОм, не менее	1



Заключение

В данной магистерской диссертации были проведены вибрационные исследования редуктора МР55-1500-21 на предприятии.

Особенность проведения эксперимента заключалась в снятии вибрационных характеристик с корпуса редуктора при помощи вибродатчиков, преобразовании вибрационного сигнала с использованием осциллографа и применении фотокамеры в качестве регистрирующего и оцифровывающего элемента. Был применен необычный способ очистки полученных вибрационных сигналов от помех в программе Adobe Photoshop. Также была разработана программа Spectrum в языке программирования Pascal, которая позволила провести спектральный анализ полученных вибрационных сигналов. Полученные спектрограммы в последующем позволят определить причины вибраций редукторов как при введении в эксплуатацию, так и во время срока службы.



Список использованных источников

1. Иориш Ю.И. Виброметрия. - М.: Машгиз, 1963

2. Левитский Н.И. Колебания в механизмах. - М.: Наука, 1988

...