Частоты применения датчиков вибрации.

Основы вибродиагностики

Природа колебательного характера вибрации. Динамическое оборудование подвержено действию различных сил приложенных в характерных точках (в узлах крепления, подшипниковых узлах, полумуфтах, роторах , рабочих колесах , редукторах и пр.) в виде свободных колебаний, действующих на различных частотах. Например у подшипника качения принимаются во внимание четыре частоты колебания тел (внутреннее, наружное кольцо, сепаратор , тела качения). Частоты колебаний рассчитываются по простой формуле в виде дроби, через справочные данные диаметров этих тел. При диагностике рассматривают вычисленные частоты и частоты кратные им например через диаметр полумуфты вычислена частота 5,3 кГц, значит надо принимать во внимание эту частоту при анализе вибрации полумуфты и частоты кратные ей.

Колебания возникают там где есть соединение узлов у ротора слева два подшипниковых узла имеют свободу в радиальном ( поперечном) направлении. Ротор справа имеет одну степень свободы (вертикальную) от крепления к фундаменту. Количество степеней свободы теоретически не ограничено, но все они укладываются в три координаты (осевое, радиальное и вертикальное перемещение), поэтому для любого узла достаточно контролировать три координаты, это максимум три датчика. Это утверждение не совсем верно, так как есть датчики работающие одновременно по двум и даже трем координатам.

Спектр возмущающих сил вызывающий вынужденные колебания технически ограничен мы можем рассматривать реальные системы как системы с ограниченными степенями свободы, для каждой из которых достаточно выбрать одну характерную точку.

Амплитуда и частота колебаний могут длительное время сохраняться на одном уровне, поэтому колебания носят гармонический характер и подобны колебаниям идеального маятника. Слагаемые хотя бы двух гармонических колебаний будут называться полигармонические колебания.

Основные понятия и связи виброперемещения виброскорости и виброускорения

Сигнал датчика виброперемещения равен 0 при проходе шариком нулевой точки, будет максимальным при остановке в крайних положениях, измеряется в микронах (мкм). Датчики имеют второе название проксиметры. Виброскорость можно рассматривать как вертикальное изменение скорости перемещения шарика, ее максимальное значение будет иметь место при подходе шарика к 0 точке с снизу или сверху. По времени максимум виброскорости опережает на 90⁰от максимума виброперемещения. Измеряется в мм/сек. Виброускорение это скорость изменения скорости как видим из графика опережает от скоростб на 90⁰, принимает максимальное значение когда скорость равна 0, а перемещение максимально но противоположно по знаку. Виброускорение опережает виброперемещение на 180⁰ . измеряется в мм/сек². На практике в м/сек²

Виброперемещение можно рассматривать как вертикальное перемещение шарика, с постоянной амплитудой относительно нулевой точки, подвешенного на упругой пружине. Условно шарик первоначально оттянули вниз на расстояние А (амплитуда), тогда размах его колебаний составит 2А.

Это объясняется тем, что реальное виброускорение измеряется кратно ускорению свободного падения. Второе название этих датчиков акселерометры.

Из графика и таблицы видим: 1. Виброперемещение вычисляет величину размаха 2А так как главная задача проксиметра остановить оборудование, если в нем что то ползет; 2. Из виброскорости вычисляют среднеквадратичное (действующее) значение скорости СКЗ, а не амплитудное потому, что скорость связана с потенциальной энергией а она практически вся переходит в тепло.

Потенциальная энергия уходит на нагрев подшипников усугубляя их техническое состояние, чем больше виброскорость тем больше тепла выделилось в подшипниках. Датчик виброскорости служит предвестником конца жизненного цикла подшипника, позволяет сделать расчет когда вовремя его заменить на новый-главное сберегает оборудование от износа. 3. Виброускорение дает оценку пикового значения действующих сил, так как в конечном итоге характеризует накопление кинетической энергии разрушения в оборудовании и проявляет себя только в динамике.

Математически виброскорость есть первая производная от виброперемещения, а виброускорение вторая производная от виброперемещения. Это теория, на практике все иначе нельзя например по виброскорости вычислять виброускорение через производную, так как вследствии шумов результат будет нередсказуем. Совсем другое дело если интегрировать виброускорение чтобы узнать виброскорость и этим пользуются на практике.

Преобразование датчиков вибрации.

Мы рассмотрели простейшие колебания называемые гармоническими. На практике чисто гармонические колебания встречаются очень редко. Обычно колебания машины носят очень сложный характер (рис.1) , анализ которых несколько затруднен. Однако любую повторяющуюся кривую колебаний можно получить путем сложения подходящего набора синусоидальных кривых, каждую из которых можно описать основными параметрами колебательного процесса. Рисунок 1.

На рисунке 1 пример полигармонического периодического движения.

Почти периодические колебания чаще всего встречаются при суммировании двух и более гармонических процессов (рис.2), возбуждаемые различными источниками при этом частоты возбуждаемых колебаний не кратны. Для полигармонической вибрации измеряемыми величинами, так же как и для гармонических колебаний являются пиковые, среднеквадратичные значения виброскорости, вибросмещения и виброускорения.

Рисунок 2. Описание полигармонического сигнала во временной и частотных областях (сверху вниз) по горизонтальной оси координат относительно скорости.

На рисунке 3. Показаны три гармонических синусоидальных сигнала. Справа их периодическая проекция амплитуд виброскорости во времени с характерными зашумлениями сигнала. Слева показаны проэкции искомых амплитуд трех синусоид виброскоростей (виброускорений) на соответствующих им частотах с характерными зашумлениями.

Однако пересчет виброскорости, вибросмещения и виброускорения должен производиться с учетом сложения всех гармонических составляющих (синусоид) в данном случае: гармоническое синусоидальное колебание sin(x)-с амплитудой скорости (1.5) и гармоническое синусоидальное колебание sin(2x)-c амплитудой скорости (1,0). Такая обработка результата позволяет находить параметры (размах, пик, СКЗ), по размеру их амплитуд, чтобы принять решение о возможности дальнейшей эксплуатации.

Частоты применения датчиков вибрации.

На рисунке 4. Показаны частотные характеристики датчиков вибросмещения, виброскорости и виброускорения.

Большинство стандартов по вибрации и нормативных документов в качестве нормируемого параметра вибрации для контроля за техническим состоянием машины или механизма устанавливаютСКЗ виброскорости в диапазоне частот от 10 до 1000Гц. Однако следует сказать, что применение только одного параметра виброскорости сужает частотный диапазон для предварительной оценки состояния оборудования. Обратите внимание на кривую вибросмещения, у которой с ростом частоты снижается амплитуда . Это говорит о том, что на низких частотах возбуждаются высокие уровни вибросмещения, а на высоких частотах возбуждаются низкие уровни вибросмещения. Поэтому контролировать вибрацию по параметру вибросмещение наиболее эффективно в низкочастотном диапазоне от 0 до 300 — 500Гц. Частотная характеристика виброскорости имеет относительно плоский участок от 10 до 1000—2000Гц. Поэтому в частотном диапазоне от 10 до 1000Гц рекомендуется контролировать вибрацию по параметру виброскорости.

Кривая виброускорения выгнута наружу и стремиться вверх, это означает, что с ростом частоты возбуждаются высокие уровни виброускорения. Поэтому контролировать вибрацию по параметру виброускорение наиболее эффективно в высокочастотном диапазоне частот свыше 1000—2000 Гц. Использование виброускорения на частотах 100Гц и ниже не эффективно много шумов и низкая амплитуда. На высоких частотах близки резонансные частоты и увеличивается погрешность датчика.

На основании выше сказанного, следует, что для оценки технического состояния машин и механизмов обязательно нужно использовать виброскорость в частотном диапазоне от 10 до 2000 Гц. Если частота источника вибрации (например, масляная вибрация подшипника скольжения) находится в низкочастотном диапазоне от 0.5 до 500Гц, то дополнительно к параметру виброскорости необходимо контролировать вибрацию по вибросмещению. Если частота источника вибрации (например, подшипник качения) находится в высокочастотном диапазоне свыше 1000Гц, то дополнительно к параметру виброскорость необходимо контролировать вибрацию по виброускорению. В отдельных случаях, когда требуется долгосрочный прогноз по состоянию подшипника пользуются датчиком виброускорения вместо виброскорости.

Измерение виброперемещения вихретоковым датчиком Вихретоковые преобразователи (вихретоковые датчики) предназначены для бесконтактного измерения вибрации перемещения и частоты вращения электропроводящих объектов. Они применяются для диагностики состояния промышленных турбин, компрессоров, электромоторов. Наиболее часто объектом контроля является осевое смещение и радиальная вибрация вала ротора относительно корпуса.

Вихретоковый преобразователь состоит из бесконтактного вихревого пробника, удлинительного кабеля и электронного блока. Преобразователь часто называют вихретоковой датчиковой системой. Вихревой пробник представляет собой металлический зонд с диэлектрическим наконечником (в который заключена катушка) на одном конце и отрезком коаксиального кабеля на другом. С помощью коаксиального удлинительного кабеля пробник подключается к электронному блоку (трансмиттеру). Электронный блок вырабатывает сигнал возбуждения пробника и осуществляет выделение информативного параметра. Выходным сигналом является электрический сигнал 4-20мА,датчик настраивают на начальный выход12мА. Максимальный диапазон измерения от± 0,5мм до ±2,5мм.(например±50мкм)

При замене удлиннительного коаксиального кабеля нужно брать кабель той же длины из запасного комплекта, иначе не совпадет волновое сопротивление.

Электронный блок обеспечивает возбуждение электромагнитных колебаний в катушке, в результате чего возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с металлом контролируемого объекта. Если металл обладает магнитными свойствами, на его поверхности наводятся вихревые токи, которые, в свою очередь, изменяют параметры катушки – ее активное и индуктивное сопротивление. Параметры меняются при изменении зазора между контролируемым объектом и торцом датчика.

Пъезоэлектрический датчик вибрации виброскорость/виброускорение

Измерение вибраций означает измерение вибрационной характеристика объекта, подверженного воздействию низких или высоких частот. Следует также учесть и другие факторы, в том числе специальные требования: например, особые условия проведения измерений, окружающую среду, нормы и стандарты, которым должен соответствовать датчик скорости или акселерометр. Для правильного выбора акселерометра важно выбрать акселерометр с более широким диапазоном измерений, чем имеет исследуемый параметр. Это обеспечит оптимальное функционирование акселерометра и наиболее надежные измерения. Если требуются измерения вибрации на частотах близким к виброперемещению выбирают датчик виброскорости. На практике небольшая группа акселерометров «общего назначения» удовлетворяет требованиям большинства нормальных областей измерения и анализа механических колебаний. Принцип работы датчиков основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте: когда пьезоэлектрический кварцевый кристалл или поляризованный пьезокерамический образец (далее — пьезоэлемент) подвергается действию внешней силы F, вследствие смещения кристаллической решетки на противоположных поверхностях материала аккумулируется электрический заряд, прямо пропорциональный величине приложенного воздействия.

Пьезоэлектрический эффект линейный, но направление поляризации пьезоэлемента зависит от направления воздействующей силы. Различают продольные, поперечные и работающие на сдвиг пьезо электрические элементы

Иллюстрации физических принципов пьезоэлектрических акселерометров: а–в — иллюстрации зависимости поляризации пьезоэлемента от направления действующей силы F: а -продольная поляризация; F1, F2 -поперечные воздействующие силы; б — поперечная поляризация; F1, F2 — вертикальные силы; в — поляризация при сдвиге; F1, F2 — силы сдвига одной поляризуемой поверхности пьезоэлемента относительно другой;

г — типичная рабочая частотная характеристика пьезоэлектрического акселерометра низкие частоты ограничивают по чувствительности, высокие по резонансу, тем не менее рабочий диапазон достаточно широк ; д — эквивалентная схема пьезоэлектрического акселерометра с высоким импедансом, требует предусилитель на расстоянии до 10 метров; е — схема устройства с низким импедансом: Q — пьезоэлектрический (кварцевый) элемент; C_Q — емкость ПЕ-элемента; C_К — емкость соединений и кабеля; RИ — сопротивление изоляции (выходное); U — выходное напряжение, но появились варианты датчиков беспроводной передачи, и за ними будущее вибродиагностики; ж — акселерометр, работающий на сдвиг: 1 — корпус датчика (верхняя часть условно не показана); 2 — пьезоэлектрические элементы; 3 — инерционная масса; 4 — компрессионное кольцо; 5, 6 — физически изолированные электроды для снятия положительного и отрицательного заряда, соответственно; 7, 8 — условное изображение проводных выводов зарядового сигнала.

Типичные ошибки при подключении датчиков вибродиагностики

Поскольку пьезоэлектрические акселерометры являются высокоимпедансными вибродатчиками, шум используемых вместе с ними соединительных кабелей может быть причиной серьезных затруднений. Источниками таких помех могут быть контуры заземления, трибоэлектрический шум и помехи электромагнитного происхождения.
Контуры заземления, образуемые при заземлении акселерометра и измерительной аппаратуры на разные точки, способствуют прохождению паразитных токов через экраны соединительных кабелей и являются серьезным источником шума и помех. Трибоэлектрический шум возникает при механическом движении соединительных кабелей. Непосредственной причиной этого шума являются местные изменения емкости и заряда, вызываемые динамическими изгибом, растяжением и сжатием отдельных элементов соединительного кабеля. Хотя трибоэлектрический шум соединительных кабелей сведен к минимуму, кабели всегда целесообразно прочно и надежно закреплять липкой лентой или клеем на возможно малом расстоянии от акселеромеров. Электромагнитный шум является шумом, воспринимаемым соединительными кабелями в присутствии сильных электромагнитных полей, например, вблизи работающих электродвигателей, машин и т. д. Минимально чувствительными к шумам электромагнитного происхождения являются соединительные кабели с двойным экраном. Акселерометр следует закреплять так, чтобы его ось максимальной чувствительности совпадала с нужным при измерении направлением. Отметим, что акселерометры также чувствительны к колебаниям в поперечных направлениях. Однако, этой поперечной чувствительностью можно в большинстве практических случаев пренебречь, так как она нормально меньше 1 % максимальной чувствительности акселерометра. Монтаж акселерометра, в частности его надежность, на поверхности исследуемого или испытуемого объекта является одним из самых важных условий достижения точных и надежных результатов в виброизмерительной практике. Ненадежное крепление акселерометра влечет за собой уменьшение его резонансной частоты после крепления и, следовательно, значительно уменьшает его рабочий частотный диапазон. Поэтому для точного измерения вибраций необходимо следить за тем, чтобы полезный частотный и динамический диапазон не были ограничены вследствие неправильного монтажа акселерометра. Одним из основных требований правильного монтажа акселерометра является жесткий механический контакт между основанием акселерометра и поверхностью, на которой он крепится. Тонкий слой консистентной смазки на поверхности в месте крепления обычно увеличивает общую жесткость механического соединения акселерометра и объекта. Глубина резьбового отверстия должна быть достаточной с тем, чтобы шпилька не упиралась до дна отверстия в основании акселерометра.

Резонансная частота закрепленного акселерометра почти равна резонансной частоте при заводской калибровке в ходе которой акселерометр закреплен на совершенно гладкой и плоской поверхности.

Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 35; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!