ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.02.2020
Просмотров: 2915
Скачиваний: 4
ВВЕДЕНИЕ
Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров вибраций, ударов и шумов. Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействие вибрационных, ударных или акустических нагрузок. Исследования колебательных процессов представляют большой интерес для всех отраслей народного хозяйства — металлургии, энергетического машиностроения, ракетной техники и т. д. Тщательно контролируются вращающиеся или перемещающиеся в различных направлениях с большой скоростью узлы и механизмы крупных сооружений и агрегатов, такие, как электрогенераторы тепло и гидроэлектростанций, гребные винты кораблей, авиационные и ракетные двигатели и т. п., являющиеся источником возникновения интенсивных периодических и непериодических вибрационных процессов.
Особую опасность представляют известные умножения колебаний, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Возникающие при вибрациях и ударах инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающие предел прочности конструкции, или относительные перемещения деталей в недопустимых пределах. Под влиянием длительно действующих инерционных сил появляются усталостные разрушения материала: по данным США 60 — 80% поломок авиационной техники вызываются именно усталостными разрушениями материала конструкций. Из-за вибраций значительно снижается срок службы оборудования, ухудшается качество его работы. Например, вибрации металлорежущих станков не дают возможности получить высокое качество обрабатываемых поверхностей деталей, снижают точность их изготовления. Вредное воздействие на человека оказывает и шум, представляющий собой акустические колебания в воздушной среде. С другой стороны, хорошо известно и полезное использование вибраций в народном хозяйстве. Широко распространены вибромолоты, виброуплотнители и другие аналогичные механизмы в строительстве.
Вибрационные процессы могут служить также источником информации для диагностики машин и механизмов как средство раннего обнаружения их неисправности. Общеизвестны акустические приборы, определяющие дефекты, размеры и физико-механические свойства материалов и изделий без их разрушения. В медицине вибрации и акустические колебания используют для диагностики различных новообразований и болезней.
В последние годы все отчетливее проявляются основные различия между системами управления и контроля сложного энергетического оборудования, с одной стороны, и системами их диагностики, с другой стороны. Системы контроля, являющиеся прообразом и составной частью современных систем мониторинга, используют, как правило, простейшие способы измерения основных физических величин. Диагностические системы строятся с учетом необходимости получения наибольшего объема информации, содержащейся прежде всего в сигналах вибрации и шума. Именно поэтому для систем диагностики широко используются новые информационные технологии, часто основанные на более сложных методах измерения и анализа сигналов.
Методы и средства оценки технического состояния машин и энергетического оборудования развивались поэтапно. Сначала использовались средства контроля различных параметров, затем мониторинга, и, на последнем этапе, системы диагностики и прогноза технического состояния. Внедрение каждого последующего вида систем дает пользователю новые возможности для перехода на обслуживание машин и оборудования по фактическому состоянию.
Так, контроль дает информацию о величинах параметров и зонах их допустимого отклонения. При мониторинге появляется дополнительная информация о тенденциях изменения параметров во времени, которая может использоваться и для прогноза. Еще больший объем информации дает диагностирование, а именно, идентификацию места, вида и величины дефекта. Наиболее сложна задача прогноза развития дефекта, а не изменений контролируемых параметров, решение которой позволяет определить остаточный ресурс или прогнозируемый интервал безаварийной работы.
В настоящее время под термином мониторинг часто понимается решение всего комплекса процедур оценки состояния, но существующие системы, называемые системами мониторинга, далеко не всегда решают вопросы идентификации дефектов и прогноза их развития. Поэтому в дальнейшем под термином мониторинг следует понимать контроль основных параметров, выявление тенденций их изменений и прогноз развития контролируемых параметров, а под термином диагностика - идентификацию дефектов и прогноз их развития.
В основе всех средств измерения и анализа сигналов вибрации и шума лежат три типа устройств, выполняющих разные операции. Первый датчик вибрации или микрофон, преобразующий колебания в электрический сигнал. Второй фильтр, выделяющий компоненты сигнала в необходимой области частот. Третий детектор, служащий для оценки амплитуды (мощности) выделенных компонент.
Рисунок 1а)
Рисунок 1б)
Рисунок 1- Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума.
Далеко не всегда фильтр подключается к выходу датчика и выполняется в виде электронного устройства. Он может быть акустическим, как, например, резонатор или механическим, как, например, упругая прокладка, и устанавливаться перед датчиком. Различные приборы содержат разные комбинации этих трех типов устройств, в зависимости от того, с какой информационной технологией они используются. Структуры основных видов приборов для контроля и диагностики машин и оборудования по вибрации или шуму показаны на рисунке1.
Простейшими являются измеритель общего уровня вибрации (шума) и прибор для измерения пикфактора сигнала вибрации, т.е. регистратор ударных импульсов. Структура этих приборов показана на рисунок 1.а и рисунок 1.б соответственно. В измерителе общего уровня фильтр может отсутствовать, если нет специальных требований к полосе частот измеряемого сигнала. В измерителе пик фактора для простоты реализации обычно используется механический резонатор в виде металлического стержня с резонансом на частотах выше 25 кГц. Столь высокая частота резонанса, с одной стороны, снижает габариты резонатора, а с другой стороны, позволяет получить более высокую величину пик фактора за счет того, что на высоких частотах стабильная во времени вибрация, являющаяся помехой и возбуждаемая силами трения в контролируемых узлах машины, минимальна.
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1 Технические средства измерения вибрации и принципы их построения
Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров вибраций, ударов и шумов. Совокупность методов и средств для измерения величин, характеризующих колебания, называется виброметрией. Необходимость в проведении таких измерений на машиностроительном предприятии возникает по ряду причин, например, для определения виброактивности выпускаемых машин, режимов работы вибрационного технологического оборудования, при вибродиагностике машин и агрегатов, контроле их качества. Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействие вибрационных, ударных или акустических нагрузок. Уже длительное время разрабатываются способы борьбы с вредным воздействием вибраций, ударов и шумов в технике и природе.
1.1.1 Уровень техники
Современные виброизмерительные приборы это обычно электронные малогабаритные приборы с автономным питанием и калибровочным устройством для контроля электрической части, со встроенными фильтрами.
Специалисту, выполняющему измерения, необходимы знания основ теории колебаний, стандартных методов измерения и анализа вибрации, правил обращения с приборами и их эксплуатации.
Выбор методов и средств измерения определяется поставленными целями и программой экспериментальных исследований.
Средствами измерения параметров вибрации служат специальные приборы, в которых информация об измеряемой величине представляется в форме, удобной для восприятия человеком.
Виброизмерительный тракт обычно формируется из нескольких последовательно соединенных приборов. В зависимости от условий проведения измерений, способа регистрации получаемых результатов и других обстоятельств число приборов, входящих в измерительный тракт, может изменяться в широких пределах. На рисунке 2 приведена блок-схема, наиболее полно удовлетворяющая требованиям проведения измерения вибрации в гигиенических целях. Приборы, указанные в блок-схеме, позволяют преобразовывать энергию механического колебания в электрический сигнал и затем определять уровни вибрации, ее частотный спектр, регистрировать спектрограммы, а также записывать механические колебания на измерительный магнитофон.
Рисунок 2 Блок-схема универсального виброизмерительного тракта
Первичным элементом схемы является вибропреобразователь (вибродатчик), который входит в любой комплект виброизмерительной аппаратуры. Он выполняет роль преобразователя энергии вибрационных колебаний, получаемых от источника, в электрические сигналы. Широкое применение получили преобразователи пьезоэлектрические, емкостные, индукционные и т. п. В современной виброизмерительной аппаратуре (при динамических процессах) чаще используют пьезоэлектрические датчики. Их преобразующий элемент состоит, как правило, из двух пьезоэлектрических дисков, на которых закреплена инерционная масса, создающая при вибрации переменное давление на пьезоэлементы, пропорциональное виброускорению. Вследствие пьезоэффекта на обкладках дисков возникает переменное напряжение, пропорциональное прилагаемому усилию и, следовательно, виброускорению.
Основными преимуществами таких преобразователей являются: широкий диапазон рабочих частот, большая вибрационная и ударная прочность, простота конструкции, малая чувствительность к магнитным полям, возможность создания высокотемпературных преобразователей с малыми размерами и массой.
Основными параметрами вибропреобразователя являются его коэффициент преобразования, который зависит от свойств пьезоматериала и массы датчика, а также относительный коэффициент поперечного преобразования.
Емкостные преобразователи также находят применение для измерения параметров вибрации, но особенно широко они используются для акустических измерений (конденсаторные микрофоны).
Большое распространение имеют также индукционные вибродатчики, в которых массой является постоянный магнит, совершающий вынужденные колебания относительно соленоида, посаженного в корпус и неподвижно скреплённого с точкой измерения. Таким образом, в соленоиде наводится электродвижущая сила, пропорциональная относительной скорости движения магнита и соленоида.
Предусилители включают в измерительную блок-схему как для усиления слабого выходного сигнала акселерометра, так и для согласования высокоомного выхода акселерометра с низкоомными последующими каскадами.
В измерительных приборах осуществляются интегрирование и дифференцирование входных сигналов и, соответственно, определение значений виброскорости, виброускорения и их уровней.
Выделение требуемой полосы анализируемых частот колебаний производится фильтрами. Они, как правило, выполняются с постоянной относительной полосой пропускания, большей частью кратной долям октавы (октавные, третьоктавные). Использование фильтров дает возможность вести спектральный анализ вибрации путем измерения ее уровней в заданных диапазонах частот, в том числе и определяемых гигиеническими и техническими нормами, т. с. в октавных или третьоктавных диапазонах.
Индикаторы уровней дают возможность фиксировать результаты измерений с помощью цифровых или стрелочных указателей. Результаты экспериментальных исследований удобно фиксировать на бумажной ленте с помощью самопишущих приборов, включаемых в измерительный тракт, что упрощает процесс спектрального анализа, повышает надежность измерений.
В последнее время получает распространение метод анализа производственной вибрации, основанный на предварительной записи ее измерительным магнитофоном и последующей обработке в лабораторных условиях на стационарном измерительном тракте.
Виброизмерительные приборы делятся на две группы. В первую из них входят измерительные приборы, обеспечивающие измерение среднего квадратического значения виброскорости и виброускорения и их логарифмических уровней в октавных или третьоктавных полосах частот, а также корректированного значения виброскорости (виброускорения).
Измерительные приборы второй группы используют для измерения дозы вибрации, а также эквивалентного корректированного значения виброскорости (виброускорения). Их оснащают корректирующими фильтрами.
В последние годы получает развитие вибродозиметрия составная часть виброметрии, основанная на интегральной оценке вибрационного воздействия на объект виброзащиты путем накопления дозы колебательной энергии за длительный отрезок времени. Дозу можно либо рассчитать по данным спектрального анализа, либо измерить вибродозиметром прибором, определяющим усредненную вибрационную нагрузку на человека-оператора в течение, например, рабочей смены.
Перспективной можно считать разработку индивидуальных вибродозиметров, использующих неэлектронные принципы регистрации дозы вибрации (оптико-механический, электрохимический, эффект контактной электризации и др.). Известна конструкция вибродозиметра, в котором регистрация дозы вибрации происходит с помощью электрокинематического накопителя. Он содержит два регистрирующих узла, выполненных на основе капилляра с пористой перегородкой, заполненного полярной жидкостью, и размещенных по разные стороны от перегородки электродов.
1.1.2 Выбор прототипа:
Наиболее близким техническим решение является выпускаемый серийно прибора ВШВ003. Данный прибор является хорошей системой диагностирования с использованием новейших технологий. Достоинствами ВШВ003 является высокая точность измерения и обработки колебательных процессов, широкий диапазон измеряемых частот (от 10 до 2800 Гц.), питание прибора осуществляется как от сети, так и от батарей, и другие технические характеристики. Основными недостатками таких устройств является их высокая цена, которая является недоступной широкому кругу потребителей (мелким коммерческим и государственных фирмам), применение требующее специальных технических навыков, а также большие габаритные размеры (100280240 мм.) и масса (4 кг.).
1.2 Тема дипломного проекта
Целью дипломного проекта является рассмотрение первичных вибропреобразователей (таких как пьезоэлектрические датчики, в системе диагностирования механических колебаний), а также, разработка, конструирование и сборка физической модели, устройства измерения вибрации (виброметр).
1.3 Техническое задание
Область применения вибропреобразователя устройства измерения вибрации, а также устройства вибрационной диагностики технологического оборудования.
Область применения устройства измерения вибрации применяется для электрических машин и механизмов для раннего обнаружения их неисправности.
Состав изделия:
-
пьезоэлектрический датчик ДН4;
-
усилитель электрического заряда;
-
измерительный прибор.
Технические требования:
-
питание осуществить от источника постоянного тока