Тестова вібродіагностика Імпульсний (ударний) метод

Ви можете прочитати інші статті блогу, скориставшись Картою Сайту.

Бажаєте отримувати нові статті прямо на Вашу поштову скриньку?

Будь-яка механічна система може робити коливання щодо положення рівноваги. Властивості коливальної системи визначається набором власних коливань, кожне з яких називають модою та характеризуються трьома основними параметрами – власною частотою, формою та коефіцієнтом втрат. Повний аналіз коливальних властивостей механічної системи часто називають модальним аналізом. Модальний аналіз є одним із важливих розділів вібродіагностики обладнання.

Щоб вивчити власні коливання, їх потрібно порушити. Існує два основні способи порушення таких коливань.

Імпульсний – полягає у штучному виведенні системи із положення рівноваги з подальшим аналізом її вільних загасаючих коливань.
У збудженні коливань постійно діючої коливальної силою, наприклад, гармонійною або стаціонарною випадковою. І тут аналізуються вимушені коливання на резонансних частотах, тобто. резонансні коливання механічної системи

При розробці нових машин та обладнання використовують обидва види збудження та аналізу власних коливань.

При експлуатації устаткування найчастіше використовується найпростіший імпульсний метод збудження вільних коливань, причому визначається, переважно, власні частоти і коефіцієнти згасання вільних коливань цих частотах, а формі коливань приділяється значно менше уваги.

Насправді для аналізу вимушених коливань необхідне джерело коливальних сил. Якщо закріпити таке джерело (вібратор, рис.1) на досліджувану механічну систему (опору, ротор, корпус тощо), він можеістотно змінити коливальні властивості системи. Облік цих змін складний, тому набагато частіше використовується імпульсне (ударне) збудження коливальної системи та аналізуються її вільні загасаючі коливання.

Деформовані тіла можна розглядати як коливальну систему з розподіленими параметрами. Як приклад можна розглянути коливання стрижня, закріпленого в одній нерухомій точці (рис.2). Основними видами власних коливань стрижня є поперечні, поздовжні та крутильні коливання.

Форма коливань деформованих тіл характеризується додатковими термінами – «вузол» та «пучність». Вузлами є точки, в яких амплітуда коливань певної моди близька до нуля. Пучностями є точки між вузлами чи вільних кінцях, де амплітуда коливань максимальна.

Максимальні власні частоти мають коливання простої форми (низька мода). Вони ж, як правило, характеризуються і мінімальними втратами, тобто загасають набагато повільніше. Тому аналіз власних коливань систем з розподіленими параметрами полягають насамперед у визначенні основних характеристик найпростіших форм коливань.

Ефективність аналізу власних коливань при імпульсному (ударному) збудженні залежить від особливостей ударного збудження, тобто від форми і точки дії ударного імпульсу. Найкращим місцем і напрямом удару при аналізі власних коливань обраної дослідником форми є точка в зоні пучностей коливань і напрямок, у якому ці коливання матимуть максимум.

Коливання, що створюються при ударі, є перехідним, короткочасним процесом передачі енергії. Спектр ударної сили є безперервним, з максимальною амплітудою при 0Гцподальшим її зменшенням із зростанням частоти. Тривалість удару, а, отже, і форма спектра при ударному збудженні визначається масою і жорсткістю ударного молотка, так і конструкцією механічної системи.

Для удару використовуються спеціальні молотки зі змінними насадками різної жорсткості (зі сталі, алюмінію, дерева, гуми тощо). Чим жорсткіше насадка, тим коротший і різкіший удар і в механічній системі збуджуються високочастотні вільні коливання (рис.3). Досить часто молоток має вбудований датчик сили (рис.4), що дозволяє вимірювати передатну функцію механічної системи за будь-яких заздалегідь невідомих характеристик ударного імпульсу.

У практичних завданнях вібраційної діагностики машин і механізмів найчастіше досліджуються власні коливання найпростіших форм, у яких вузли та пучності визначаються конструкцією машини (вузла) та точками її кріплення до фундаменту, тому практично не змінюють своїх координат у разі дефектів. Власна частота таких коливань може змінюватись у невеликих межах при зміні жорсткості коливальної системи через дефекти вузлів кріплення, появи тріщин тощо. найбільші відносні зміни при погіршенні стані обладнання мають місце у коефіцієнта втрат при коливаннях найпростіших форм елементів обладнання, які виконані з металу або інших твердих матеріалів.

Зокрема, за швидкістю згасання вільних коливань можна контролювати стан валів, робочих коліс, окремих лопаток, різних литих деталей і т.п., що мають у бездефектному стані дуже малі втрати.

На ефективність вібраційної діагностики, на швидкість загасання вільних коливань впливає вибір способу кріплення випробуваної конструкції та напрямокзбудження коливань. При вихідному контролі найпростішої деталі чи конструкції з твердих матеріалів кріпити їх слід у точках, віддалених від пучностей коливань, тобто наскільки можна у вузлах коливань. Елементи кріплення повинні бути жорсткими, без матеріалів, що добре поглинають вібрацію. Порушувати коливання слід у точках, де є вузли інших форм коливань системи, що ускладнюють визначення швидкості загасання досліджуваної форми коливань. Оскільки вищі форми коливань згасають швидше коливань найпростіших форм, при аналізі останніх доцільно вводити затримку під час згасання високочастотних коливань. На малюнку 5 для прикладу показано форму коливань корпусу машини при ударному збудженні в момент часуt= 0, яка через невеликий час зберігає тільки найпростіші форми коливання.

Для діагностики роторів багатьох машин за їхніми формами коливань досить часто використовується природний режим збудження вимушених коливань на власних частотах - режим пуску (вибігу) машини. У цьому режимі коливальні сили на частоті обертання, що змінюється (або його гармоніках), збуджують резонансні коливання ротора та інших вузлів машини. Вузькосмуговий синхронний аналіз вібрації на частоті обертання ротора (або його гармоніках) дозволяє визначити основні характеристики резонансних коливань, такі як власна частота та добротність резонансу (рис.6). У деяких випадках ці характеристики безпосередньо пов'язані зі станом ротора або опор обертання.

Рис.6 Графік частотного спектру вібрації до 200Гц опори генератора у вертикальному напрямку на режимах пуску, холостого ходу та зупинки ГТУ

Таким чином, аналіз мод коливань є ефективним.експериментальним методом визначення динамічних характеристик конструкцій на основі результатів вимірювань та аналізу вимушених механічних коливань. Сполучені з аналізатором датчик сили і акселерометр дозволяють проводити одночасні вимірювання динамічної сили, що змушує, і результуючих механічних коливань досліджуваної конструкції. В результаті обробки даних, що здійснюється аналізатором, виходить інформація, необхідна визначення динамічних характеристик досліджуваної конструкції. Ця інформація може бути використана для внесення змін до конструкції машини. Також цей метод може бути використаний під час моніторингу конструкцій. В результаті експлуатації в машині можуть відбуватися втомні деформації, мікротріщини в сполучних швах, які не призводять до змін геометричних розмірів виробу, але призводять до зміни динамічних характеристик конструкції. Аналіз цих змін дозволяє прогнозувати проведення регламентних робіт із технічного обслуговування. Цей метод ефективний у широкій області та використовується при дослідженні різноманітних машин та конструкцій від лопаток турбін до літаків.