1.3 Об`єкт діагностування
Вібрації – коливання твердого тіла навколо положення рівноваги (при цьому все тіло коливається як одне ціле, не змінюючи своєї форми), або коливання частинок, з яких складається тіло.
Коливальний рух твердого тіла може бути повністю описаний у вигляді комбінації шести найпростіших типів руху: поступального в трьох взаємно перпендикулярних напрямках (х, в, z у декартовых координатах) і обертального щодо трьох взаємно перпендикулярних осей (Ох, Оу, Оz). Будь-яке складне переміщення тіла можна розкласти на ці шість складових. Тому про такі тіла говорять, що вони мають шість ступенів волі.
Вібрація тіла завжди викликається якимись силами порушення. Ці сили можуть бути прикладені до об'єкта ззовні або виникати всередині нього самого. Далі ми побачимо, що вібрація конкретного об'єкта повністю визначається силою порушення, її напрямком і частотою. Саме із цієї причини вібраційний аналіз дозволяє виявити сили порушення при роботі машини. Ці сили залежать від стану машини, і знання їхніх характеристик і законів взаємодії дозволяє діагностувати дефекти останньої.
Вібрації, як будь-який коливальний процес, можна охарактеризувати такими основними параметрами: 1) частотою коливань; 2) амплітудою, амплітудою швидкості і амплітудою прискорення; 3) енергією коливань.
Для опису й вимірювання механічних вібрацій використаються наступні поняття:
Частота коливань - величина зворотна періоду, визначає кількість циклів коливання за період, вона виміряється в герцах (1Гц= 1/секунду). Вимірювання амплітуди вібрації
Максимальна Амплітуда (Пік) - це максимальне відхилення від нульової точки, або від положення рівноваги.
Розмах (Пік-Пік) - це різниця між позитивним і негативним піками. Для синусоїдального коливання розмах у точності дорівнює подвійній піковій амплітуді. На рисунку 1.4 наведено графічну інтерпретацію визначення амплітуди вібрацій.
Рисунок 1.4 – Графічна інтерпретація визначення амплітуди вібрацій
Середньоквадратичне значення амплітуди (СКЗ) дорівнює квадратному кореню із середнього квадрату амплітуди коливання. СКЗ є важливою характеристикою амплітуди вібрації. Для її розрахунку необхідно звести у квадрат миттєві значення амплітуди коливань і усереднити величини, що вийшли, за часом. Для одержання правильного значення, інтервал усереднення повинен бути не менше одного періоду коливання. Після цього виносять квадратний корінь і виходить СКЗ. СКЗ повинне застосовуватися у всіх розрахунках, що ставляться до потужності й енергії коливання.
Мірою амплітуди вібрації є вібропереміщення.
Вібропереміщення дорівнює відстані від точки відліку, або від положення рівноваги. Крім коливань по координаті (зсув), що вібрує об'єкт випробовує також коливання швидкості й прискорення. Швидкість являє собою швидкість зміни координати й звичайно виміряється в м/с. Прискорення є швидкість зміни швидкості й звичайно виміряється в м/с2 або в одиницях g (прискорення вільного падіння).
Існує ще один вібраційний параметр, а саме, швидкість зміни прискорення, що називається різкістю (раптове припинення зміни прискорення у момент зупинки).
На рисунку 1.5 наведено вібраційний сигнал представлений у вигляді вібропереміщення, віброшвидкості й віброприскорення.
Рисунок 1.5 – Представлення вібраційного сигналу у вигляді вібропереміщення, віброшвидкості й віброприскорення.
Графік зсуву дуже важко аналізувати на високих частотах, зате високі частоти добре видні на графіку прискорення. Крива швидкості найбільше рівномірно по частоті серед цих трьох. Це типово для більшості роторних машин, однак у деяких ситуаціях самими рівномірними є криві зсуви або прискорення. Найкраще вибирати такі одиниці виміру, для яких частотна крива виглядає найбільш плоскої: тим самим забезпечується максимум візуальної інформації для спостерігача. Для діагностики машин найбільше часто застосовує віброшвидкість.[10]
Дотепер ми розглядали вібропереміщення як міру амплітуди вібрації. Вібропереміщення дорівнює відстані від точки відліку, або від положення рівноваги. Швидкість являє собою швидкість зміни координати й звичайно виміряється в м/с. Прискорення є швидкість зміни швидкості й звичайно виміряється в м/с2 або в одиницях g (прискорення вільного падіння).
Графіком зсуву тіла, що випробовує гармонійні коливання, є синусоїда. Ми показали також, що й віброшвидкість у цьому випадку підкорюється синусоїдальному закону. Електричні двигуни перетворюють електричну енергію в механічну, широко використовуються в промисловості (верстати і механізми), на транспорті (електровози, трамваї, тролейбуси, метро), у будівництві (піднімальні крани), у сільському господарстві і т.д .
Електродвигун складається з двох основних частин: статора і ротора.
Статор — нерухома частина електродвигуна. В електродвигуні статором служить електромагніт.
Ротор — обертова частина двигуна. Він складається з якоря з обмоткою з ізольованого проводу і колектора, що забезпечує проходження по обмотці електричного струму від джерела. Коли по обмотці якоря йде електричний струм, ротор під дією електромагніта обертається і внаслідок обертання виникають вібрації. Виводи обмотки якоря з'єднані з колектором. Сердечник якоря зібраний зі сталевих пластин.
Для охолодження обмоток служить вентилятор, що встановлюється на валові ротора.
Електродвигуни мають великі переваги в порівнянні з іншими видами двигунів (паровими, внутрішнього згоряння): вони екологічно чисті — при роботі не виділяють шкідливих газів, диму або пари; економічні — для них не потрібний запас палива і води їх легко установити в будь-якому доступному місці (на стіні, під підлогою трамвая, тролейбуса, у корпусі магнітофона і т.д.).
Електродвигуни розрізняються не тільки розмірами, але і призначенням, конструкцією, частотою обертання ротора.
1.3.1 Методи контролю і вимірювання параметрів вібрації
Існує дві групи методів вимірювання параметрів вібрації: контактні, що припускають механічний зв'язок датчика з досліджуваним об'єктом, і безконтактні, тобто не пов'язані з об'єктом механічним зв'язком.
Контактні методи:
- метод реєстрації вібрацій за допомогою п`єзоелектричних датчиків;
- метод відкритого резонатора;
- амплітудний метод;
- використання сферичних дзеркал;
Безконтактні методи:
1. Засновані на зондуванні об`єкта звуковими і електромагнітними хвилями:
- метод ультразвукової фазометрії;
2. Засновані на зондуванні об`акта видимим світлом (оптичні методи):
- гомодинний метод;
- гетеродинні методи;
- голографічні методи;
3. Засновані на використанні СВЧ випромінювання.
- інтерференційні методи;
- резонаторні методи.
Для вимірювання вібрацій широко використовуються електричні вібровимірювальні прилади, принцип дії яких базується на перетворенні кінематичних параметрів коливного руху в електричні величини, котрі вимірюються та реєструються за допомогою електричних приладів.[7]
Основні елементи цих приладів — датчики. В якості первинних вимірювальних перетворювачів використовують ємнісні, індукційні, п'єзоелектричні перетворювачі, котрі сприймають коливальні зміщення, швидкість та прискорення.
Найчастіше використовуються п'єзоелектричні перетворювачі віброприскорення — акселерометри.
Вібровимірювальними приладами з давачами можна вимірювати вібрації в багатьох точках, їх перевага — дистанційність вимірювання параметрів вібрації, проста будова, відсутність інерційності.
Кількість вимірювань параметрів вібрації повинна бути не менше трьох для кожної октавної смуги частот. Вимірювальними параметрами вібрації є пікові аби середньоквадратичні значення віброзміщення, віброшвидкості або віброприскорення в октавних або 1/3-октавних смугах частот .[8]
Об'єктами вібраційних вимірювань і досліджень є насамперед, корпуса підшипників. Розглядаючи вібрацію точки в трьох ортогональних напрямках, ми виявляємо, що точка в процесі коливань рухається по траєкторії, що має вид складної, майже завжди замкнутій кривій, форма якої міняється в часі.
Теоретичним фундаментом технічної діагностики вважається загальна теорія розпізнавання образів. [5]
Діагностичні алгоритми, або алгоритми розпізнавання використають діагностичні моделі й моделі відмов. Діагностичні моделі встановлюють зв'язок між станом системи і їхнє відображення в просторі діагностичних параметрів. Моделі відмов досліджувані теорією надійності, дозволяють завчасно пророчити час можливої відмови.
Теорія розпізнавання образів пропонує два основних методи: імовірнісний і детерміністський. Імовірнісний метод використає статистичні зв'язки між станом об'єкта й діагностичних параметрів, у результаті реалізації деякого алгоритму при цьому перебуває найбільш імовірний діагноз і по можливості визначається ступінь його вірогідності.
Детерміністський метод встановлює зв'язок стану об'єкта з координатами в просторі діагностичних параметрів на основі вивчених закономірностей, зокрема з використанням теорії коливань.
Скористаємося принципом віртуального моделювання, як складовій частини детерміністського методу.
Вимірювання рівня вібрації виконані одним типом датчиків, в однаковому частотному діапазоні (як правило), у єдиних одиницях виміру, а точка , як ми знаємо, рухається в просторі по певній траєкторії - орбіті, отже, взаємне розташування точок контролю відбиває реальне положення в просторі об'єкта, у даний момент часу.