Ремонт судового электрооборудования

На рис. 2.1 приведен спектр огибающей случайного амплитудно-модулированного сигнала с модуляцией mi = 10% и Дfэd=0,5%, равной одной октаве со среднегеометрической частотой 10 кГц и Дfэ=0,5Гц.

Рис. 2.1. Спектр огибающей амплитудно-модулированного сигнала

Следует отметить, что полосу фильтра Дfэd нельзя выбирать слишком большой, чтобы в нее не попадали интенсивные гармонические составляющие или на результаты измерения не оказывали сильное влияние резонансы на пути распространения вибрации и шума. Оптимальные значения Дfэd лежат в области от одной третьоктавы до одной октавы.

Алгоритмы анализа виброакустических сигналов, создаваемых периодическими ударными импульсами, зависят от способа их выделения на фоне виброакустических сигналов другого происхождения. Вклад ударных импульсов, определяющий пороговые методы выделения сигналов, алгоритмы их анализа заключаются в определении амплитуды виброакустического ударного сигнала, частоты следования, длительности и формы, а основным прибором для анализа служит осциллограф.

Существует еще один вид анализа сигналов, предназначенный для обнаружения одной или одновременно нескольких групп гармоник, частоты которых отличаются на одну и ту же величину. Этот вид анализа может применяться при исследовании сигналов вибрации и шума, содержащих составляющие ударного вида, или амплитудно-модулированных сигналов, в которых модулируемая или модулирующая периодические функции имеет сложную форму. Он основан на выявлении периодично повторяющихся по частоте составляющих в спектре сигнала и включает в себя две последовательные операции спектрального анализа (свертки) сигнала. На первом этапе определяется обычный спектр установившегося сигнала вибрации или шума. Спектры таких сигналов приведены на рис.2.2а, б. Визуально невозможно количественно оценить вклад периодически повторяющихся по частоте составляющих в спектре таких сигналов, поэтому на втором этапе ось частот заменяется на ось времени, т.е. формируется новый сигнал, амплитуда которого зависит от времени так же, как на рис.2.2а, б амплитуда зависит от частоты. После формирования такого сигнала исследуется его спектр. На рис. 2.2в, г приведены спектры сформированных сигналов, из которых видно, что во втором сигнале большое число периодических составляющих, т.е. заметный вклад в его происхождение вносят ударные импульсы или сложная амплитудная модуляция. Частота гармонических составляющих на рис.2.2в, г имеет необычную размерность (с), поэтому спектр сформированного сигнала носит название кепстр (перестановка букв в слове спектр), частота носит название сачтота, амплитуда - маплитуда. Для упрощения описания данного вида анализа сигнала была опущена одна его особенность, заключающаяся в том, что математически строгое описание кепстрального преобразования включает в себя операцию логарифмирования амплитуд составляющих спектра после первого этапа преобразования перед заменой оси частот на ось времени.

Выражение свертки сигнала имеет вид

Где X (t) - сигнал вибрации в точке измерения; X () - сигнал вибрации в точке возбуждения; g(t- ) - импульсный отклик системы.

Pиc.2.2. Спектры и кепстры сложных сигналов

Для разделения таких сложных сигналов и выделения из них составляющей, создаваемой непосредственно источником вибрации, применяется кепстральное преобразование.

Кепстр есть квадрат преобразования Фурье от логарифмического спектра мощности сигнала.

Ранее были рассмотрены различные виды анализа сложных сигналов, в которых параметры, характеризующие поведение сигналов во времени, имели за время измерения и анализа постоянные значения. Физическая природа вибрации и шума такова, что эти параметры могут изменяться при изменении широкого класса внешних условий, например, режима работы СЭУ, температуры охлаждающей среды, температуры окружающего воздуха и многих других, т.е. параметры сигналов вибрации и шума - случайные величины при многократных измерениях за большой промежуток времени. Возникает задача статистического анализа параметров сигналов по множеству измерений. Этот вид анализа можно рассматривать как метод обработки результатов измерений, не требующий специальной аппаратуры и выполняемый либо вручную, либо с применением вычислительной техники обычного назначения.

2.3 Методы неразрушающего контроля

Наиболее перспективными методами контроля технического состояния электрооборудования являются методы, основанные на неразрушающем контроле, в которых используются проникающие поля излучения и вещества для получения информации о качестве исследуемых объектов.

Классификация методов неразрушающего контроля по ГОСТ 18.353-79.

Таблица 2.1.

Вид контроля	По характеру взаимодействия	По первичному информ. параметру	По способу получения первичной информации
1	2	3	4
Магнитный	Магнитный	Коэрцитивной силы Намагниченности Остаточной индукции Магнитной проницаемости Напряженности Эффекта Баркгаузена (ступенчатый харак- тер намагничивания)	Магнитопорошковый Индукционный Феррозондовый Эффект Холла Магнитографический Пондеромоторный (двигательный) Магниторезисторный
1	2	3	4
Электрический	Электрический Трибоэлектрический (эдс при трении) Термоэлектрический	Электропотенциальный Электроемкостный	Электростатический порошковый Электропараметрический Электроискровой Рекомбинац. излучения Экзоэлектронной эмиссии Шумовой Конт. разности потенциалов
Вихретоковый	Прошедшего излучения Отраженного излучения	Амплитудный Фазовый Частотный Спектральный Многочастотный	Трансформаторный Параметрический
Радиоволновый	Прошедшего излучения Отраженного излучения Рассеянного излучения Резонансный	Амплитудный Фазовый Временной Поляризационный Геометрический	Детекторный (диодный) Болометрический Интерференционный Голографический Жидких кристаллов Термобумаг Термолюминофоров Фотоуправляемый Полупроводниковых пластин Калориметрический
Тепловой	Тепловой контактный Конвекционный Собственного излучения	Термометрический Теплометрический	Пирометрический Жидких кристаллов Термокрасок Термобумаг Термолюминофоров Термозависимых параметров Оптический интерференционный Калориметрический
Оптический	Прошедшего излучения Отраженного излучения Рассеянного излучения Индуцированного излучения	Амплитудный Фазовый Частотный Поляризационный Геометрический Спектральный	Интерференционный Нефелометрический (мутности) Голографический Рефрактометрический Рефлексометрический Визуально-оптический
Радиационный	Прошедшего излучения Рассеянного излучения Активационного анализа Характеристического излучения Автоэмиссионный	Плотности потока энергии Спектральный	Сцинтилляционный Ионизационный Вторичных электронов Радиографический Радиоскопический
Акустический	Прошедшего излучения Отраженного излучения (эхо метод) Резонансный Импедансный Свободных колебаний Акустико-эмиссионный	Амплитудный Фазовый Временной Частотный Спектральный	Пьезоэлектрический Электролмагнитоакустический Микрофонный Порошковый
Молекулярный	Молекулярный	Жидкий Газовый	Яркостной (ахроматический) Цветной (хроматический) Люминесцентный Люминесцентно-цветной Фильтрующихся частиц Масс- спектрометрический Пузырьковый Манометрический Галогенный Радиоактивный Катарометрический Высокочастотного разряда Химический Остаточных устойчивых деформаций Акустический

Однако имеющаяся огромная гамма СНК используется при диагностике электрооборудования явно не достаточно.

Ниже остановился на некоторых СНК, применяемых при определении технического состояния электрооборудования.

2.4 Виброакустические методы неразрушающего контроля

2.4.1 Некоторые сведения из акустики

Слуховой аппарат человека является совершенным и сложным органом. Колебания, воспринимаемые ухом как слышимые имеют частоты от 16-20 Гц до 16-20кГц. Эти границы у разных людей не одинаковы и зависят от возраста и от состояния его слухового аппарата. При длительном воздействии интенсивных шумов верхняя частотная граница чувствительности слуха может снижаться до5-6 кГц.

Колебания с частотами ниже 16-20 Гц, не воспринимаемые ухом как слышимые звуки, называются инфразвуками, а колебания с частотами более 16-20 кГц, которые ухо также не слышит - ультразвуками.

Область слышимости звуков ограничивается не только определенными частотами, но и определенными значениями звукового давления или силы звука. Нижнее значение звукового давления, начиная с которого ухо не воспринимает звук, называется порогом слышимости или слуховым порогом. Величина порогового давления различна для звуков различной частоты.

В области частот 1000 - 5000 Гц среднее значение порогового давления для людей с хорошим слухом равно 2.10дин/см2 (2.10Па).

По мере удаления от этой области вниз и вверх по частотной шкале чувствительность уха уменьшается, что отражается повышением значений звукового давления, при которых ухо еще реагирует на звук.

Верхнее значение звукового давления, которое может вызвать повреждение или разрушение слухового аппарата представляет собой порог болевого ощущения. На частоте 1000 Гц, которая принята в качестве стандартной частоты для сравнения в акустике. Отношение звуковых давлений на пороге болевого ощущения и на пороге слышимости равно примерно 106, а отношение соответствующих интенсивностей звука достигает 1012. Интенсивностью или силой звука J, называется поток звуковой энергии, проходящей в единицу времени, через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения звуковой волны.

J = P/S = pv, где

Р - мощность звука, S - площадь поверхности, р - звуковое давление, v -звуковая скорость.

Столь большой диапазон, воспринимаемый ухом интенсивностей звука обусловлен тем, что для слухового восприятия играют роль не интенсивность звука, а их логарифмы.

Величина L = A lg J называется уровнем интенсивности или уровнем силы звука. Где А - коэффициент пропорциональности. Пусть имеются два звука с интенсивностями J1 и J2 уровни интенсивностей этих звуков равны соответственно L1=Alg J1, L2 = Alg J2.

Разность уровней интенсивности двух звуков L определяется

L = L1 - L2 = A(lg J1 - lg J2)= Аlg J1/J2 .

Полагая А = 1, уровень интенсивности выражается в белах, в честь А.Г. Бела - изобретателя телефона. Более удобно выражать L в децилогарифмических единицах, для чего следует взять А = 10, тогда уровень интенсивности будет выражаться в децибелах.

С физиологической точки зрения 1дБ соответствует едва заметному на слух приросту ощущения громкости звука.

Интенсивность звука в децибелах равна

L=10 lg J1/J2, дБ

Учитывая соотношение между интенсивностью и давлением звука, получим следующее выражение разности уровней интенсивности двух звуков, имеющих давление и :

L=10 lg J1/J2 = 10 lg =201g, дБ.

За нуль децибелов в акустических расчетах условно принято звуковое давление = 2.дин/см2, соответствующему порогу слышимости на частоте 1000 Гц. Это давление соответствует пороговой интенсивности звука

J=эрг/с см = вт/см.

Тогда сила какого-либо звука над порогом равна:

L = 20 lg/2.= 101g J/ дБ,

где - эффективное значение давления звука, дин/см, J - его интенсивность, вт/см.

Весьма часто слова над «порогом» опускаются, но следует иметь в виду, что когда говорится об уровне звука, подразумевается выражение его уровня над порогом.

Величину звукового уровня можно также выражать через значения колебательной скорости частиц среды V =S', отнесенных к нулевому порогу скорости V0 = S0 L=201g V/V0; дБ.

Учитывая основное соотношение между звуковым давлением и колебательной скоростью, в плоской волне ро = cvo находим значение нулевого порога колебательной скорости

/2.= V/V0 =cv,

где - плотность среды, с = 41 - удельное акустическое сопротивление среды.

V0 = 2./41 = 5.см/с.

Это же значение нулевого порога колебательной скорости принято при определении уровней вибрации колебательных систем.

Зная значение нулевого порога колебательной скорости легко определить значения нулевых порогов колебательного смещения и колебательного ускорения. Расчет ведется на частоте 1000 Гц.

V0 = щS0 =2fS0 , S0 = V0/2f = 5./2.3,14 1000 = 8.см;

а0 = V0 =2fVo =2.3,14.1000.5.=3.см/с2.

Зная значения нулевых порогов и значения колебательного смещения, колебательной скорости и ускорения можно определить значения уровней колебательного смещения, скорости и ускорения относительно их нулевых порогов.

L = 20 lg S/S0 = 20 lg V/V0 = 20 lg a/а0;

Для определения суммарного уровня шума двух источников с различными уровнями можно воспользоваться графиком или рассчитать аналитически

Если уровни отдельных составляющих шума или вибрации в рассматриваемой полосе частот выражены в децибелах, то общий уровень может быть найден по формуле:

, дБ

где Li (i = l,2,3,....n) - значения уровней спектральных составляющих шума или вибрации.

В частном случае при одинаковых уровнях N отдельных составляющих вибрации или N источников их общий уровень будет:

L = 10 lg N = L + 10 lg N.

При равенстве уровней шума обеих источников получается суммарный уровень шума на 3 дБ больше уровня каждого из источников. Если уровень одного из источников на 6 дБ меньше уровня другого источника, суммарный уровень превышает наиболее шумного на 1 дБ. Если разность уровней отдельных источников превышает 10 дБ, то общий уровень шума практически определяется уровнем более шумного источника.

Оценка звука по уровню его силы над порогом справедлива лишь для частоты 1000 Гц, который соответствует принятый стандартный порог давления или силы звука. На других частотах меняется величина нулевого порога и чувствительность уха к изменению силы звука. На частоте 1000 Гц уровни равной громкости приняты равными соответствующим уровням силы звука; на других частотах они в большей или меньшей степени отличаются от уровней силы звука. Уровень громкости звука той или иной частоты представляет собой уровень силы звука частоты 1000 Гц, равногромкого с данным звуком.

Уровни громкости обозначаются в специальных единицах - фонах. Если, например, звук произвольной частоты производит впечатление одинаковой громкости с тысячепериодным звуком, уровень силы которого над порогом равен 50 дБ, то говорят, что уровень громкости этого звука равен 50 фонам.

Чаще всего шум представляет собой сплошной спектр частот.

Если шум имеет сплошной спектр и амплитуды всех составляющих в широкой области частот равны друг другу, то такой шум называется «белым». Если амплитуды сплошного спектра падают на 3 дБ на октаву, такой шум называют «розовым».

Ощущение громкости звука не совпадает по величине с раздражающим действием звука.

Для продуктивной работы человека, как известно, необходимо периодическое расслабление его нервной системы. В условиях шума требуемого расслабления не происходит. Многочисленные работы показывают, что при этом может наблюдаться как уменьшение производительности труда, так и преждевременный износ организма.

Ниже приведен критерий риска повреждения слуха при полной ежедневной дозе облучения.

Таблица 2

Продолжительность действия	8ч	4ч	2ч	1ч	0,5ч	0,25ч	7 мин	4 мин	2 мин	1 мин	30 сек
Предельно допустимые дозы, дБА	90	93	96	99	102	105	108	111	114	117	120

Как видно из таблицы, увеличение длительности воздействия в два раза следует снизить предельно допустимые дозы на 3 дБА.

При больших уровнях шума (более 120 дБА) не только снижается продуктивность работы человека, но и появляется возможность поражения нервной системы и слухового аппарата.

Слуховое восприятие ухом шума соответствует шкалам А, В, С.

Шкалы А, В, С введены для характеристики восприятия ухом человека звукового давления.

А - завал на низких частотах, характеризует восприятие ухом человека звукового давления уровней до 60 дБ.

В - более пологая на низких частотах, характеризует восприятие ухом человека звукового давления уровней от 60 дБ до 130 дБ.

С - почти линейная, характеризует восприятие ухом человека звукового давления уровней более 130 дБ, то есть человеческое ухо воспринимает давление уровней более 130 дБ одинаково как на низких, так и на высоких частотах.

2.4.2 Колебания

Всякая механическая система, в которой происходит изменение положения тел (перемещение, вращение) подвержена колебательным процессам.

Колебательным процессом, колебательным движением или просто колебаниями называется такой процесс, при котором какой-нибудь физической величине, его характеризующей, свойственны переходы от возрастания к убыванию, чередующиеся с переходами от убывания к возрастанию (или обратные чередования).

Физическая система, в которой возможны колебательные процессы, называется колебательной системой. Такие системы, в зависимости от происходящих в них явлениях, могут быть механическими, акустическими, электрическими, электромагнитными, электромеханическими.

Многие колебательные процессы, происходящие в механических системах, называют вибрацией.

Непрерывная последовательность, выражающая совокупность всех частот от нижней граничной частоты fн до верхней граничной частоты fв называется частотным диапазоном. Если разделить рассматриваемый диапазон на участки, то их называют поддиапазонами или полосами частот.

Ширина диапазона (полосы) выражается в интервалах. Интервал, для которого fв =2fH называется октавой. Диапазон имеет ширину (или охватывает) к - октав fв = fH . Эту закономерность удобно сохранить и при дроблении одной октавы на более мелкие интервалы. В акустике это дробление осуществляется через к=1/12, 2/12, 3/12,…..11/12.

Например, интервал, для которого к =6/12=1/2 считается полуоктавой или уменьшенной квинтой.

При делении октавы на два таких интервала fн,f1; и f1,fв граничная частота f1 = fH= 1,41 fH. Аналогично, интервал, для которого к =1/3=4/12, считается третьей частью октавы и называется третьоктавой или большой терцией. При делении октавы на три интервала, для которых к=1/3, к=2/3 и частоты fн,f1; f1,f2; f2,fв, граничные частоты f1= fн = 1,26fн, f2 = fн = 1,587fн.

Иногда ширину измеряют в процентах 10, 6, 3, 1, 0,5% и др. к частоте середины диапазона.

При контроле вибрации и шума в частотных полосах, осуществляемом с помощью полосовых фильтров, возникает затруднение, связанное с установлением, к какой конкретной частоте в данной полосе следует относить замеренный уровень вибрации и шума. Поэтому приходится оперировать со среднегеометрической (центральной) частотой.

,

где f1,f2- соответственно нижняя и верхняя границы полосы. При измерениях вибрации и шума машин принят диапазон частот в пределах 5-11200 Гц по вибрации и 45 - 11200 Гц по шуму.

2.4.3 Разложение колебаний

Различные физические процессы могут быть представлены как результат одновременного протекания нескольких процессов (в общем случае бесконечно большого числа) гармонических колебательных процессов. Наибольшее распространение имеет такое представление через гармонические колебание функции на отрезке 2 чаще всего с помощью преобразователя Фурье. Составляющие ряда Фурье, изображающие сложный колебательный процесс, можно графически изображать либо в функции времени t, либо в функции частоты f.

Изображение колебательного процесса или отдельных его составляющих в функции времени, называется осциллограммой процесса (рис. 2.3. а, в).



Рис.2.3 Осцилограммы и спектрограммы некоторых колебательных процессов

Недостатком такого способа записи является известная громоздкость процесса расшифровки записей, требующего специального гармонического анализа. Поэтому в акустике чаще используется другой метод изображения колебательных процессов - изображение их составляющих в функции частоты. Такая запись называется спектрограммой процесса (рис. 2.3 б, г).

Совокупность амплитуд гармонических составляющих колебаний называется амплитудным спектром, а совокупность начальных фазовых углов гармонических составляющих - фазовым спектром.

Спектр называется линейным или дискретным (рис.2.4а) если представляемые или гармонические составляющие обладают частотами с дискретными значениями, в отличие от сплошного (рис. 2.4. г), обладающего непрерывной последовательностью частот. В случае, когда на участки сплошного спектра накладываются отдельные дискретные составляющие, такой спектр называется смешанным (рис. 2.4в).



Рис. 2.4. Типы спектров

При решении задач желательно выражать частоты гармонических колебаний, составляющих в сумме рассматриваемое колебание через отношение к некоторому значению частоты, заданному условием или физическим свойством колебательной системы. Такую частоту и соответствующую ей составляющую называют базисными.

Гармонические составляющие, обладающие частотами выше базисной, называются высшими составляющими.

При наличии физической связи между базисной частотой и высшими составляющими, высшие составляющие называются обертонами.

При наличии физической связи между базисной частотой и низшими составляющими, последние называются унтертонами.

2.4.4 Электромеханические аналоги колебаний

Механические и электрические колебания описываются аналогичными формулами. Составление аналогии является сильным вспомогательным средством отображение систем их расчета и исследования.



Рис. 2.5. Системы колебаний с демпфированием

Здесь: y - смещение, М - масса, к - жесткость, h - коэффициент демпфирования, q - электрический заряд, R - сопротивление, L - индуктивность, C - емкость.

2.4.5 Виброакустические методы контроля

Виброакустические методы контроля технического состояния судового электрооборудования выполняются поэтапно: при входной контроле (поступлении нового оборудования для установки на судно); при поступлении в ремонт (после эксплуатации, при условии достаточного ресурса и срока службы); при выходе из ремонта.

Данные методы основаны на анализе причин возникновения вибрации.

Вибрация представляет собой сумму детерминированных и случайных составляющих, каждая из которых несет реальную диагностическую информацию. Проблемам вибрационной диагностики посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов. Время анализа технического состояния электрооборудования с помощью вибрационной диагностики можно разделить на три основных группы при: изготовлении нового электрооборудования, стыковке его с механизмами, эксплуатации. При исследовании технического состояния электрооборудования выбор вида диагностического сигнала является одним из важнейших вопросов создания системы технического диагностирования.

Например, показателями, характеризующими состояние электрических машин (ЭМ) как источник вибрации и шума, являются: общий уровень звукового давления и вибрации, спектр уровней звукового давления и вибрации, уровень звука, звуковая мощность, характеристика направленности излучения. В качестве моделей сигнала вибрации используются способы проявления вибрации в виде ударных импульсов, спектров огибающих, кепстральных преобразований, экспресс-параметра.

Вибрация - движение точки или механической системы, при которой происходят колебания, характеризующие его скалярные величины. Термины и определения, связанные с вибрацией, отражены в ГОСТ 24346-80.

В настоящей работе более подробно остановимся на моделях сигнала вибрации.

Ударные импульсы - это импульсы соударения деталей в разноименных кинематических парах электрооборудования характеризуются различной длительностью и различными спектрами. Под действием удара или кратковременного толчка упругая система совершает колебания, которые называются свободными или собственными, так как они совершаются после толчка или удара без участия внешних сил. В работающих ЭМ все время действуют внешние силы, называемые также возбуждающими силами, следовательно, имеют место вынужденные колебания. Свободные колебания являются их частным случаем. Если на оборудование действуют ударные или кратковременные толчки с периодической силой ,а между массой m и системой существует коэффициент ослабления r, то закон некоторой точки тела определяется формулой.



где r - коэффициент демпфирования, k - коэффициент жесткости (упругости).

Общее решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

(2.2)

где и - постоянные интегрирования определяются из начальных условий, а параметры колебаний , 1 и определяются по формулам:

(2.4),

Каждый из двух членов уравнения может рассматриваться как отражающий некоторое вибрационное движение, а именно: первое свободную затухающую вибрацию, а второе - вынужденную. Амплитуду вынужденных вибраций выражают формулой:

где называется частотой собственных колебаний,

Xcт = F0/k - статическим прогибом

- критическим затуханием

Из формулы (2.8) следует, что амплитуда вибросмещения принимает максимальное значение, равное , когда , т.е. в случае резонанса.

Спектр огибающей в качестве диагностического сигнала используется при анализе сигнала огибающей случайных высокочастотных колебаний ее сплошным спектром, модулированные периодическими сигналами, который позволяет из высокочастотного участка сплошного спектра выделать сравнительно узкую полосу, где нет дискретных составляющих, например, 1/3 октавную полосу со средней частотой 10 кГц.

Данная модель сигнала вибрации применяется для анализа основных частот информативных составляющих спектра низкочастотной вибрации ЭМ и спектра огибающей высокочастотной случайной составляющей вибрации определяются следующими формулами:

1. Частота вращения ротора

fвр= n/60 ,Гц

где n - частота вращения об/мин.

2. Частота вращения сепаратора подшипника:

fc=1/2 fвр(1-dтк /dс .cosб), Гц

где dтк - диаметр тел качения, dс - диаметр сепаратора,

б - угол контакта тела качения в градусах.

3. Частота контакта дефекта тела качения с кольцом подшипника:

fтк=fс (dс /dтк .cosб), Гц

4. Частота перекатывания тел качения по наружному кольцу:

fн=fс.Z =1/2 fвр (1-dтк /dс .cosб)Z, Гц

где Z - число тел качения.

5.Частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу:

fв= (fвр + fс) Z =1/2 fвр (1 + dтк /dс .cosб)Z, Гц

Особого внимания заслуживает экспериментальные работы по определению парциальных глубин амплитудных модуляций высокочастотных случайных вибраций на основе модели спектра огибающих, выполненные под руководством А.В.Баркова.

Кепстральные преобразования сигнала математически описываются выражением:

где: S(t) - исходный сигнал вибраций;

Т - длительность реализации сигнала в анализаторе спектра;

F - диапазон частот, исследуемых для получения кепстра;

ф - сачтота кепстра, имеющая размерность 1/f; k(ф) - маплитуда кепстральных составляющих;

f,t - переменные интегрирования.

Логически кепстр сигнала представляет собой спектр логарифма спектра прямого сигнала. Амплитуда кепстра к называется мапллтудой, а частота ф-сачтотой.

Маплитуда кепстра представляет собой уровень модуляции колебаний, которые происходят на частоте, присущей какому-либо дефекту ЭМ. Маплитуды менее подвержены загрязнениям различными помехами и лучше отражают величину дефекта.

Для измерения кепстра, воспроизводимого магнитофоном, сигнал вибрации подают на узкополосный анализатор спектра, в котором происходит выявление спектра сигнала и его логарифмирование. Затем логарифм спектра сигнала вибрации в аналоговом виде вводят в промежуточное запоминающее устройство - другой измерительный магнитофон. Затем вторично производился спектральный анализ сигнала вибраций. На выходе анализатора, таким образом, теперь получим, спектр логарифма спектра прямого сигнала, т.е. кепстр сигнала.



Рис. 2.6. Частотные спектры

а) осциллограмма процесса; б) спектрограмма процесса; в) спектр огибающей высокочастотной части спектра; г) кепстр.

Экспресс-параметр - это метод, позволяющий поднять относительный вклад слабых составляющих спектра вибрации ЭМ в единый диагностический сигнал, разбивая спектр сигнала на отдельные, преимущественно третьоктавные полосы частоты, логарифмируя сигнал в каждой полосе, усредняя его по точкам контроля и суммируя полученные результаты во всех полосах частот. Такой приём, является неотъемлемой частью таких видов обработки сигналов, как свертка, существенно повышает эффективность диагностирования электрических машин с помощью типовой виброакустической измерительной и анализирующей аппаратуры, широко используемой на судах при контроле виброакустических характеристик оборудования.

Рассмотренные выше модели сигналов вибрации, нашли практическое применение в технической диагностике судового электрооборудования и реализованы с помощью средств измерения высокоточной анализирующей виброакустической аппаратуры фирмы “Брюль и Къер” (Дания); портативных виброакустических средств типа виброанализатор «Кварц» (Россия), “SVAN” (Польша), SPM-43А, BEА-52 (Швеция), MCV-021 (Япония) и других.

2.5 Оптические методы и средства контроля

Приборы для контроля внутренних поверхностей и обнаружения дефектов в труднодоступных местах называют эндоскопами или бароскопами.

Принцип действия эндоскопов заключается в осмотре объекта с помощью специальной оптической системы позволяющей передавать изображение на значительное расстояние. Существуют линзовые, волоконно-оптические и комбинированные эндоскопы.

Волоконные световоды (ВС) представляют собой набор тонких стеклянных светопроводящих нитей диаметром (10-20) мкм, собранных в жгут. Каждый элементарный световод покрыт снаружи тонким слоем (1-2)мкм стекла с более низким показателем преломления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.7. Cxeмa оптического световода

Максимальный угол , под которым свет может войти в световод без нарушения условий полного внутреннего отражения, определяется по формуле: ,

где - апертурный угол, n - показатель преломления.

В соответствии с законом Синеллиуса угол падения связан с углом отражения и преломления следующими соотношениями:

=; ,

где - показатель преломления первой среды, в которой распространяется падающая волна;

- показатель преломления второй (смежной) среды.

, - диэлектрическая постоянная, - магнитная постоянная.

Если световая волна из оптически более плотной среды падет на границу раздела с оптически менее плотной средой (n1>n2), то всегда существует критический (предельный) угол падения цкр = arcsin n1/n2, при котором прошедшая волна распространяется вдоль границы раздела сред (цкр =).

При всех углах падения цкр преломленная волна отсутствует, и свет полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды. Это явление называется полным внутренним отражением. При полном внутреннем отражении электромагнитное поле световой волны частично заходит во вторую среду, где экспоненциально убывает.

Глубина проникновения, т.е. расстояние, на котором это поле убывает в е раз (е=2,71828), определяется при > цкр выражением:

Поток энергии из первой среды во вторую в среднем равен нулю, так что энергия падающей электромагнитной волны полностью возвращается в первую среду.

Основными физико-механическими свойствами волоконных световодов (ВС) являются механическая прочность и минимальный радиус изгиба.

Физико-механические свойства оптических волокон (ОВ) существенно отличаются от свойств исходного материала, из которого они изготовляются. Особенно это относится к механической прочности, которая у ОВ больше. Так, если предел прочности при растяжении для стекла составляет (3,9 - 9,8) Н/, то ОВ диаметром (З - 9) мкм, изготовленное из того же стекла, имеет .

Механическая прочность 0В зависит от химического состава материалов сердцевины и оболочки, отношения их площадей в поперечном сечении, диаметра волокна и окружающих условий. На гибкость ОВ существенно оказывает влияние окружающая среда и диаметр ОВ. С повышением влажности воздуха сопротивление изгиба резко снижается.

Световоды изготовляют главным образом из кварцевого стекла (волокна, кварц-кварц) и многокомпонентных стекол соответствующего состава (волокна, "стекло-стекло"). В некоторых случаях применяют полимерные ОВ.

Полимерные ВС имеют значительно более высокие потери, чем стеклянные. Например, затухание составляет около 20 дБ/ км.

Основные причины развития волоконной оптики:

1. Переход из радиодиапазона в световой диапазон электромагнитных волн позволяет увеличить несущую частоту в () раз и соответственно увеличить объём передаваемой информации. Скорости передачи у современных волоконно-оптических систем постигает 1-10 Гбит/с, что позволяет в принципе по одному каналу связи передавать такие гигантские массивы информации, как 2 млн. телефонных разговоров или 2 тыс. телевизионных программ одновременно.

2. Использование кварца и пластмасс в качестве основного сырья для производства волоконно-оптического кабеля взамен меди и свинца.

3. Доступные в настоящее время скорости модуляции светового излучения полупроводниковых лазеров и светоизлучающих диодов, чувствительность и быстродействие фотоприёмников для связи, полупроводниковых фотодиодов - позволяет стыковать оптоэлектронные приемные и передающие модули со стандартными системами импульсно-кодовой модуляции на 8, 34, 140, 560 Мбит/с.

4. Достигнутые на практике снижение потерь в оптических волокнах до теоретически минимального уровня (~0,2 дБ/км при длине волны измерения =1,3 мкм) позволяет увеличить расстояние между ретрансляционными пунктами до 30-50 км и тем самым ещё более снизить затраты на строительство линии связи.

5. Высокое удельное сопротивление материалов, из которых изготавливается оптическое волокно, позволяет сделать линии связи и передачи информации пассивными, т.е. не требующими специальных электрических развязок при расположении различных частей системы или линии в зонах с различным потенциалом.

6. Поскольку электромагнитные поля радиодиапазона не воздействуют на световые сигналы, возможна передача в условиях сильных электромагнитных помех. В значительной степени это относится и к фону различных радиоактивных источников.

7.Сам принцип волоконно-оптической связи, а также малые мощности, используемые в оптических излучателях, повышают скрытность передачи по оптическим волокнам и кабелям.

8.При переходе на волоконно-оптическую базу резко (в 10-100 раз) уменьшается масса прокладываемых кабелей и трудоемкость работ по их прокладке. При технической диагностике судового электрооборудования волоконно-оптические системы используются при контроле дефектов внутренних полостей электрических машин и аппаратов.

2.6 Тепловые методы контроля

2.6.1 Основные положения

Увидеть невидимые инфракрасные (ИК) лучи и использовать их в производственной деятельности и в научных исследованиях помогает человеку - тепловидение.

Устройства, создающие и преобразующие ИК изображение нагретых тел в видимое, называют тепловизорами.

На специальном индикаторе тепловизора (телевизионном экране, фото- или электрохимической бумаге, фотопленке и т.п.) можно получить изображение нагретых тел, видимое невооруженным глазом.

Тепловизор - сложный прибор, создание его базируется на успехах в области исследования физики ИК лучей и развитие ИК техники.

Так, измерение суммарной интенсивности излучения нагретых тел в зависимости от их температуры и теоретические расчеты позволили в 1884 году сформулировать закон Стефана Больцмана. Согласно этому закону мощность W (в ваттах), излучаемая в полусферу абсолютно черным телом (т.е. телом, поглощающим всю падающую на него энергию) с единицы площади, пропорциональна четвертой степени его температуры Т (в градусах Кельвина):

, - величина, называемая постоянной Стефана-Больцмана.

Попытки описать спектральное распределение энергии теплового излучения с помощью классической электромагнитной и кинетической теории, не привели к положительным результатам, хотя В.Вину и удалось связать температуру Т с длиной волны , на которой излучается максимальная энергия (закон смещения Вина):, где к= 2897 мкм/град.

Только гипотеза Планка о квантовании энергии, утверждающая, что излучение носит не непрерывный, а дискретный характер, позволила в 1900г. полностью описать зависимость мощности излучения испускаемой черным телом в полусферу с единицы поверхности, от длины волны . , ; ,(температура в градусах Кельвина).

Формула Планка носит фундаментальный характер и, исходя из неё можно получать законы Стефана-Больцмана и Вина. Рассмотрим обобщенную схему работы тепловизора (рис.2.8.):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.8. Устройство тепловизора и принцип построения

Излучение от объекта 1, пройдёт через окружающую среду 2, попадет на оптическую систему 3 тепловизионого устройства, которая фокусирует это изображение на преобразователь излучения. В общем случае преобразователь излучения 4-6 состоит из трех элементов: приёмника излучения 5, осуществляющего непосредственно преобразование ИК-излучения в электрический сигнал, величина которого зависит от интенсивности излучения, сканирующей системы 4 (сканирование-поле зрения) и коммутатора электрических сигналов 6. Электрический сигнал подаётся на какой-либо индикатор 7, дающий видимое изображение или запись сигнала в условном виде. Различие возможных принципов приёма излучения и методов съёма информации об объекте привозит к широкому многообразию тепловизионных приборов.

Можно выделить три группы приборов, использующих разные типы приемников:

1. Фотоэмиссионные устройства, чувствительные в видимой и ближней ИК-области. В настоящее время их применяют для получения изображения сильно нагретых тел. Ведётся работа по созданию длинноволновых фотоэмиссионных устройств.

2. Полупроводниковые фотоприёмники, у которых длинноволновая граница чувствительности может находиться в средне- и длинноволновой области.

3. Тепловые приемники излучения (болометры, термопары), чувствительные в широком диапазоне длин волн, однако значительно уступающие в быстродействии и чувствительности фотоэлектрическим приёмникам.

Тепловизионные приборы можно разделить на три класса в зависимости от того, как поступает информация на приёмное устройство: одновременно, последовательно или комбинированным образом.

В первом случае размер приёмного устройства соответствует размеру изображения объекта.

Во втором случае с помощью сканирующей системы "просматривается" по элементам весь объект.

В комбинированной системе информация от части объекта (например, вдоль одной линии) поступает одновременно, а от каждой из таких линеек - последовательно.

Приборы, использующее сканирование, можно также классифицировать по типу развертки. Это может быть качающееся зеркало, призма, пропускающая или отражающая излучение и т.д.

2.6.2 Основные параметры тепловизионных приборов

Угловые размеры мгновенного поля зрения тепловизора, измеренные в угловых единицах, определяют размер элемента расположения на объекте и, следовательно, угловое разрешение прибора.

Углы, горизонтальный и вертикальный, в пределах которых происходит сканирование, называются соответственно горизонтальным и вертикальным углами зрения прибора.

Отношение вертикального угла зрения к мгновенному дает число строк разложения объекта, которое укладывается в одном кадре.

Число строк - один из важнейших параметров тепловизора, определяющий качество изображения.

Пределы фокусировки оптической системы, определяющие предельные расстояния до объекта, тоже имеют важное значение в практике эксплуатации тепловизора.

Чем меньше рассеяние между приёмником излучения и объектом, тем лучше будет линейное разрешение прибора (при постоянном угловом разрешении). Это значит, что с помощью тепловизора можно рассматривать более мелкие детали объекта.

Максимальное расстояние до объекта обычно не ограничивается и так же, как у фотоаппаратов, может быть бесконечно большим. Естественно, что линейное разрешение при этом будет уменьшаться.

Частота кадров, или число кадров в секунду, характеризует быстродействие тепловизора. В зависимости от того, достаточна ли частота кадров, чтобы человеческий глаз перестал замечать смену кадров на экран (как, например, в кино или на экране телевизора), тепловизры условно можно разделять на быстродействующие и с медленным сканированием.

Быстродействующие тепловизоры более удобны в работе и во многих случаях позволяют регистрировать динамику нестационарных тепловых процессов.

Тепловизор можно охарактеризовать интервалом температур объекта, в пределах которого можно получить его тепловое изображение.

Он может работать с определенного минимального значения температуры, которая в большинстве случаев не ниже комнатной (20-25°C) и ограничивается влиянием теплового изучения фона объекта, деталей тепловизора и т.п.

Верхний предел исследуемой температуры ограничивается суммарной спектральной характеристикой оптической системы, приемника излучения, а также другими факторами и может составлять 500-10000°C. Важнейшая характеристика тепловизора - температурная чувствительность (или температурное разрешение) - минимальный температурный перепад, регистрируемый тепловизором. В современном тепловизоре температурное разрешение составляет десятые, и даже сотые доли градуса. Тепловидение - как средство диагностики судового электрооборудования находит всё более широкое применение. Тепловизоры используются для исследования динамических процессов нагрева подшипниковых узлов, для обнаружения скрытых и вредных источников тепла в контактных соединениях, для диагностики схем электроники.

3. Pемонт электрооборудования

3.1 Особенности дефектации

Дефектация электрооборудования проводится в два этапа:

- дефектация на судне;

-дефектация на предприятии, производящем ремонт.Процесс дефектации оборудования, состоит в определении дефектов. Дефект - каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям.

Следует подразделять:

- явный дефект, для выявления которого в нормативной документации обязательной для данного вида контроля, предусмотрены соответствующие правила, методы и средства;

скрытый дефект, для выявления которого в нормативной документации, обязательной для данного вида контроля, не предусмотрены соответствующие правила, методы и средства;

критический дефект, при наличии которого использование продукции по назначению практически невозможно или недопустимо;

значительный дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению и на её долговечность, но не является критическим;

малозначительный дефект, который существенно не влияет на использование продукции по назначению и на её долговечность.

Дефекты также могут быть:

устранимыми, устранение которых технически возможно и экономически целесообразно;

неустранимыми, устранение которых технически не возможно или экономически нецелесообразно.

Исходя из наличия дефектов, идет оценка технического состояния оборудования. Необходимо помнить, что бракованная продукция не должна поступать из ремонта. Брак - продукция, передача которой потребителю не допускается из-за наличия дефектов.

В соответствии с ГОСТ 15467-79 существуют следующие методы определения качества продукции:

- измерительный;

- регистрационный;

расчётный;

органолептический;

экспертный;

социологический.

Измерительный - осуществляется на основе технических средств измерений.

Регистрационный - осуществляется на основе наблюдений и подсчета числа определенных событий, предметов или затрат.

Расчетный - осуществляется на основе использования теоретических и эмпирических зависимостей показателей качества продукции от её параметров.

Органолептический - осуществляется на основе анализа восприятий органов чувств.

Экспертный - осуществляется на основе решения принимаемого экспертами.

Социологический - осуществляется на основе сбора и анализа мнений её фактических или возможных потребителей.

Дефектация на судне производится при подготовке судна к постановке в ремонт, с целью получения в короткий срок общего, но достаточно точного представления о состоянии электрооборудования без разборки, с учетом замечаний при эксплуатации и осмотрах.

Дефектация производится на действующем оборудовании, в процессе которой проверяется:

сопротивление изоляции;

проверка пуска электрических машин;

коммутация на коллекторах и контактных кольцах;

частота вращения;

напряжение;

выходная частота;

проверка работы с номинальной нагрузкой при напряжениях питающей сети в пределах 190-320В;

температура подшипников.

Замеры параметров, характеризующих работу и состояние электрооборудования, производится штатными приборами и инструментами в обычных эксплуатационных режимах.

Результаты дефектации заносятся в дефектовочный акт.

Рабочая дефектация электрооборудования производится после постановки судна в ремонт и предусматривает, при необходимости, разборку и обследование электрооборудования в условиях цеха или специально оборудованного производственного помещения.

Перед дефектацией производится проверка укомплектованности электрооборудования всеми штатными узлами и деталями согласно формуляру (паспорту).

Рабочая дефектация электрооборудования производится в два этапа:

дефектация в собранном виде;

дефектация узлов и деталей после разборки.

Рабочая дефектация в собранном виде включает следующие проверки:

- проверка комплектности;

внешний осмотр;

- осмотр наружных эмалевых покрытий;

измерение сопротивления изоляции;

- осмотр монтажа, надежности токоведущих соединений и проверка маркировки.

- в ЭМ и электрических преобразователях (осмотр щеток, проверка, нажатая пружин, измерение биений коллектора и контактных колец).

Рабочая дефектация в разобранном виде деталей и узлов производятся на основании ведомости дефектации деталей и узлов.

По результатам предварительной и рабочей дефектации составляется дефектовочный акт и окончательно уточняется объём, методы ремонта и необходимое количество запасных частей и материалов.

3.2 Погрешности измерения

Учитывая конструктивные особенности судовых электрических машин и жесткие требования, предъявляемые к ним по вибрации, необходимо в процессе рабочей дефектации особое внимание уделять погрешностям измерений, температурным деформациям, методам измерения линейных размеров, контролю шероховатости поверхностей и отклонению формы и расположения поверхностей деталей электрооборудования.

Погрешности в измерительной технике принято разделять на три основные группы:

- погрешности грубые, называемые иногда промахами;

- погрешности систематические;

- погрешности случайные.

Грубыми погрешностями принято называть погрешности, далеко выходящие за пределы, установленные для данного метода, и явно искажающие результат измерения. Подобного рода погрешности могут быть вызваны резким изменением режима измерений (толчки, удары, смещение прибора и т.л.), неправильной настройкой прибора, ошибочным отсчетом или даже обычной опиской или ошибкой в подсчетах.

Подобные погрешности возникают у неопытных наблюдателей, а также при работе на приборах, установленных на недостаточно устойчивых постаментах или имеющих существенные дефекты.

Указные погрешности легко могут быть обнаружены посредством повторного измерения, приведенного с соблюдением необходимых условий (опытности наблюдателя, температурного режима, исправности прибора и т.п.) и подлежат безусловному исключению из результата измерения. Таким образом, грубые погрешности (при их обнаружении и исключении) практически не влияют на точность измерения.

Под систематическими погрешностями принято понимать погрешности, входящие в результат измерения постоянной величиной с постоянным знаком или изменяющиеся по определенному закону.

Систематические погрешности, в зависимости от характера причин, вызывающих их появление, могут быть разделены на четыре группы:

- приборные, т.е. погрешности, вызываемые конструктивным несовершенством прибора, недостаточной тщательностью его изготовления, неправильной градуировкой или установкой;

- температурные, т.е. погрешности, вызываемые изменением температуры за период между началом и окончанием измерения;

- субъективные, зависящие от индивидуальных особенностей наблюдателя;

- погрешности метода.

Случайными погрешностями принято называть погрешности, не определенные по своей величине (в некоторых пределах) и природе возникновения.

К таким погрешностям могут быть отнесены: несовершенство конструкции прибора, колебания измерительного усилия, деформациями и трения деталей измерительных приборов, погрешность аттестации мер, с которыми производится сравнение измеряемого объекта, и т.п.

3.3 Линейные измерения

3.3.1 Температурный режим

Учитывая высокие требования к точности обработки деталей электрооборудования, особое внимание необходимо уделять погрешностям, связанным с температурными режимами.

Выявление суммы влияния температурных деформаций на погрешности измерения сложно и связано с необходимостью иметь данные о физических свойствах материалов деталей приборов и объекта измерения и температурных полях в этих деталях. В связи с ограниченными данными, которыми чаще всего располагают при проведении измерений, с использованием указанного выше принципа о необходимости определить предельные значения ожидаемой погрешности измерения, используется понятие «температурный режим». Температурный режим - есть условная, выраженная в градусах Цельсия разность температур объекта измерения и измерительного средства, которая при определённых "идеальных” условиях вызовет ту же температурную погрешность, как и весь комплекс реально существующих причин. Эти условия сводятся к тому, что прибор и деталь имеют постоянную по объёму температуру. Коэффициент линейного расширения материалов, из которого они изготовлены, равен . В частном случае, если соблюдены указанные выше идеальные условия, то температурный режим означает, что допускается такая же разность температуры измерительного средства и объекта измерения.

Если же "идеальные" условия не соблюдены, то разность температур может быть меньше на такое значение, которое бы компенсировало дополнительный источник погрешности. Таким образам, температурный режим не должен пониматься как допустимое отклонение температуры среды от 20оС или колебания её в процессе измерения.

В соответствии с данным определением, погрешность, зависящую от температурных деформаций, при известном температурном режиме определяют по формуле:

где: - погрешность, зависящая от температурных деформаций;

- измеряемый размер;

- температурный режим.

Если известна составляющая погрешность измерения, зависящая от температурных деформаций, то температурный режим в градусах можно определить по формуле:

Часто воспользоваться этими формулами невозможно из-за отсутствия необходимых данных. Тогда температурный режим приходится определять приближенно, исходя из оценки вероятного предельного влияния отклонения и колебаний температурной среды.

Существуют два основных источника, обуславливающих погрешность от температурных деформаций:

отклонение температуры воздуха от 20оС;

кратковременные колебания температуры среды в процессе измерения.

Максимальное влияние отклонений температуры на погрешность измерения можно рассчитать по формуле:



где отклонение температуры среды от 20оС; - максимально возможная разность значений коэффициентов линейного расширения материала прибора и детали.

...