Основные положения

Вибродиагностика как метод технической диагностики получила широкое распространение в последнее время. Это связано с разработкой высокочувствительных датчиков регистрации механических колебаний, а также с развитием систем измерения, где нашли применения современные вычислительные средства. Совокупность данных факторов позволила наработать большой статистический материал в этой области, выделить причинно-следственные связи между зарождающимися дефектами и результатами измерений для большого числа оборудования, разработать комплекс рекомендаций и нормативных документов.

Основу аппаратной части вибродиагностики составляют:
датчики измерения ускорений – акселерометры,
датчики измерения скорости – велосиметры,
датчики измерения перемещения – проксиметры.

В датчиках измерения скорости и ускорения чувствительный элемент обладает определенной инертной массой, относительно которой происходят перемещения. При измерении скорости используется эффект электромагнитной индукции, когда перемещения корпуса относительно инерционного элемента приводят к изменению магнитного потока. Скорость изменения магнитного потока пропорциональна изменению напряжения на выходе датчика. В акселерометрах изменение ускорения инертной массы приводит к возникновению силового воздействия на пъезоэлемент и индуцированию в нем электрического заряда пропорционального ускорению. Измерения скорости и ускорения производятся в геоцентрической инерциальной системе координат, где регистрируется вся совокупность колебаний, возникающая в оборудовании и составляющих его частях.

В основе возникновения механических колебаний лежат силы, которые
взаимодействуют между отдельными механизмами и его частями, прямое измерение
данных сил позволяет непосредственно судить насколько их действие критично для
данного механизма, узла. Используемая система регистрации посредством инерциальных элементов не дает однозначного ответа на уровень силового воздействия и только методами последовательных приближений (что не всегда возможно), где меняя условия воздействия и отслеживая изменения параметров вибрации, позволяет косвенно оценить уровень силового воздействия в механизме.

В наших работах осуществляются измерения непосредственно величины силового
воздействия в звеньях механизма путем измерения деформации на несущих элементах
конструкции.

Механические колебания, возникающие в узлах и элементах конструкции, рассматриваются как следствие и возможная первопричина разрушения механических конструкций.

Возникающие в системе механические колебания, обусловленные действием переменных внешних сил, различными переходными процессами, могут быть описаны в рамках модели простейшего механического осциллятора дифференциальным уравнением второго порядка:

где m - масса осциллятора;
h – коэффициент, характеризующий внутреннее трение;
k – параметр, определяющий жесткость системы.

Если предположить отсутствие внутреннего трения (h=0), а осциллятор осуществляет механические колебания под действием вынужденной силы вида:

Решение такого уравнения при установившемся режиме будет иметь вид:

Скорость перемещения точки определяется как первая производная перемещения

Ускорение в данной точке

где ω₀ - характеризует резонансную частоту колебания и численно равна:

Величина деформации ΔL, измеряемая на конечном отрезке L, являющийся базой тензометра, связана с силовым воздействием соотношениеF(t):

где E – модуль упругости (модуль Юнга)

Измерения механических деформаций, возникающих вследствие приложенных нагрузок, проводятся с использованием оптического датчика, в основе работы которого заложен пьезооптический эффект (фотоупругость). Пьезооптический эффект широко применяется в экспериментальной механике при изучении на моделях деформационных полей, возникающих в сложных элементах конструкций и инженерных сооружениях. Высокая чувствительность датчика к линейным перемещениям достигаются за счет концентрации суммарных механических напряжений, возникающих на базе датчика в малом объеме с последующим оптическим считыванием. Чувствительность к изменению
величины относительного растяжения (либо сжатия):

На Рис.1 представлена схема измерения деформаций, когда чувствительный элемент наклеивается на металлическую конструкцию, съемный оптический измерительный блок на магнитном основании устанавливается на конструкцию.

На Рис.2 представлена схема, где чувствительный элемент и оптическая схема
регистрации совмещены в одном блоке. Крепление осуществляется с помощью винтов
(при стационарном монтаже ) или магнитов (при проведении оперативных измерений).

В качестве демонстрации работы датчика ниже приведены некоторые примеры его
применения.


1. Измерения разбалансировки микродвигателя

На Рис. 3 представлены схема установки датчика деформации и крепление
микродвигателя постоянного тока. На валу микродвигателя установлена
несбалансированная крепежная муфта массой 0.8г.

В процессе вращения двигателя возникающие центробежные силы зависящие от
частоты вращения ω, определяются соотношением:

где J – момент инерции крепежной муфты.
Изменения деформации несущей пластины, вызванные действием центробежных сил
ΔL(ω) можно представить в виде соотношения (8):

На Рис. 4 представлена осциллограмма измерения деформации несущей пластины при
различных оборотах микродвигателя (вариация частоты вращения производилась путем
изменения питающего напряжения Un)

На Рис. 5.1 - 5.7 представлены результаты частотного анализа спектра механических
деформаций, возникающие в несущей пластине.

Результаты измерения показывают наличие резонансной частоты в интервале 160 -
170Гц. Величины измеренных деформаций и их функциональная зависимость от частоты
находятся в удовлетворительном согласии с уравнением (8).

Изучая вопрос применения датчика деформации для решения задач технической
диагностики, одним из существенных преимуществ является способность датчика
регистрировать медленно протекающие процессы, период которых составляет десятки -
сотни секунд. Такие процессы характерны, как правило, для силового многотонажного
оборудования на энергозатратных технологических операциях (производство и
переработка твердых продуктов, силовые агрегаты конвейерных линий и лифтовых
конструкций и многое др.).


2. В качестве такого примера ниже приведены результаты измерения деформации несущей опоры шаровой мельницы вследствие нарушения балансировки.

3. Техническая диагностика редукторов

Основными признаками появления неполадок в редукторе являются посторонние
шумы. Вовремя обнаруженные и локализованные места проявления дефекта позволяют
сократить время и затраты на проведение ремонтных работ. К числу основных дефектов,
возникающих в процессе эксплуатации, относятся проблемы в подшипниках,
повреждения зубьев, несоосность валов, недостаточная жесткость фундаментов,
увеличения зазоров в зацеплении, износ зубьев и другие факторы.
Ниже приведен пример определения несоосности зацепления в цилиндрической паре
редуктора токарного. Дефект зацепления, обнаруженный в редукторе токарного станка
1В62Г.836.
Вследствие различных погрешностей (изготовления шестерней редуктора, погрешности
сборки, деформация осей в процессе эксплуатации - искривления осей), при их
зацеплении и вращении в корпусе редуктора в их опорах могут возникать переменные
нагрузки F1(ω1) и F2(ω2), где ω1 и ω2 – частоты вращения шестерней Рис.7.

Возникающие переменные нагрузки, имеющие точечный характер, формируют в корпусе
редуктора определенное напряженное состояние, условно поле напряжений представлено
на Рис. 8

На Рис. 10 представлена осциллограмма измерения деформаций. Выделены участки с
нулевой скоростью вращения ω1=ω2=0, участки с вращающим шпинделем ω1=180 об/мин, участок торможения и остановки. Периодические изменения сигнала
характеризуют величину деформаций, происходящих в корпусе в результате зацепления шестерней. Гармонический анализ показывает наличие двух гармоник, которые
соотносятся между собой в отношении ω1/ω2 =0,5. Наибольший уровень деформации
вносит шестерня с высокой частотой вращения.


4. Состав и характеристики комплекта датчика деформаций