Измерение параметров вибрации, параметры вибрации, измерение скз виброскорости, измерение виброперемещения, измерение виброскорости, измерение виброускорения

Автор admin в 6 февраля, 2017. Опубликовано Pages

Любую работающую машину в первом приближении можно рассматривать как сложную колебательную систему с сосредоточенными параметрами вибрации, которые имеют сложную форму и  спектральный состав. Как правило, вибросигнал содержит в себе гармонические, квазигармонические и случайные составляющие. Периодически повторяющиеся (гармонические и квазигармонические) составляющие вибрации можно представить в виде совокупности простейших гармонических колебаний разной частоты и амплитуды, и точно определять  для них результирующую амплитуду, размах и другие параметры вибрации. А вот для случайной вибрации возможно определение только интегральных (усредненных) значений, по выборке за большой промежуток времени.

1. Простейшие гармонические колебания

Вибрация – это механические колебания твердых тел. Простейшим видом колебаний являются гармонические колебания, которые совершают простейшие колебательные системы – маятник или масса, закрепленная на пружине (рис.1)

Рис.1 Примеры простейших колебательных систем

Рис.2 График зависимости виброперемещения от времени при гармонических колебаниях.

 

Гармонические колебания описываются по синусоидальному закону:

x=A*sin(ωt+φ₀)

Где: x – текущая координата; A – амплитуда колебаний; ω– циклическая (угловая) частота; t– время;  φ₀  –начальная фаза.

Тогда мгновенная скорость v

v=ẋ=Aωcos(ωt+φ₀)

И мгновенное ускорение a
a=ẋ=-Aω²sin(ωt+φ₀)

Как можно видеть, параметры вибрации являются величинами взаимозависимыми, и переход между ними может быть осуществлен операциями дифференцирования или интегрирования. Физический смысл взаимосвязи параметров вибрации можно трактовать следующим образом: виброперемещение характеризует величину деформации объекта, виброскорость отражает степень усталостной прочности, а по виброускорению можно судить о величине колебательных сил, действующих на объект.

В связи с тем, что операция дифференцирования сигнала сопровождается большим уровнем шума, а интегрирование лишено этого неприятного обстоятельства, в практике мониторинга и вибродиагностики динамических машин наиболее часто используются акселерометры (датчики ускорения) в паре с интегрирующими устройствами.

2. Единицы измерения параметров вибрации

При изучении вибрации динамических машин контролируют виброперемещение, виброскорость и виброускорение, при этом  виброперемещение измеряют в микрометрах (мкм), виброскорость – в м/с и виброускорение – в м/с² или в единицах «g» – ускорения свободного падения (g =9,81 м/с²).

Рис.3 Характеристики амплитуды вибрации

При этом контроль параметров вибрации возможен по следующим характеристикам амплитуды вибрации (рис.3):

• Пику – максимальной амплитуде вибрации A;
• Размаху (Пик-Пик) – сумме положительного и отрицательного пиков. Для синусоидального сигнала размах в точности равен удвоенной пиковой амплитуде, а в общем случае это не так из-за несимметрии временной реализации. К измерению размаха виброперемещения прибегают, когда критично смещение деталей друг относительно друга с точки зрения допустимых механических напряжений и зазоров;
• Средне-квадратичному значению (СКЗ), равному квадратному корню из среднего квадрата амплитуды вибрации:

Величина СКЗ характеризует энергию колебаний и используется в тех случаях, когда необходимо оценить разрушительное влияние вибрации. В случае синусоидального сигнала СКЗ=A/√2=0,707А.

• Среднему значению амплитуды, которое достаточно редко сегодня используется. Здесь же просто отметим, что среднее значение для гармонического сигнала равняется 0,637 A и соответственно меньше величины СКЗ.

В связи с тем, что диапазон изменения любого параметра вибрации может быть очень значительным (от долей до нескольких тысяч единиц измерения), значительно более удобно анализировать результаты измерений не по абсолютной шкале, а в логарифмическом масштабе – в децибелах:

L_v=20lg(V/V₀)

Здесь: L_v – уровень виброскорости в дБ, V  – виброскорость в м/с,  V₀ – опорное значение виброскорости, равное 5*10^-8м/с (по российскому стандарту).

Аналогично определяются в децибелах и уровни виброускорения  и виброперемещения . Все параметры вибрации в децибелах связаны между собой соотношениями:

L_v=L_a-20lg(f)+10

L_v=L_d+20lg(f)-60

L_v=L_a-20lg(f²)+70

где f – частота вибрации.

Таблица 1 Уровень в дБ и соотношение амплитуд

 



 

Как можно видеть из таблицы 1, удвоению амплитуды измеряемого параметра, независимо от его начального значения, соответствует изменение уровня в 6 дБ, и в шкале от нуля до 100 дБ можно «уложить» пики, различающиеся между собой в 100 тысяч раз. Таким образом, использование логарифмической шкалы в дБ позволяет на едином графике наглядно исследовать как составляющие вибрации с большой амплитудой, так и не терять из виду составляющие с малой амплитудой, зачастую несущие полезную диагностическую информацию.

3. Измерение виброускорения, измерение виброскорости или измерение виброперемещения – что предпочтительней?

ГОСТ ИСО 10816 и другие нормативные документы по виброконтролю технического состояния вращающихся машин рекомендуют проводить измерение СКЗ виброскорости в частотном диапазоне от 10 до 1000 Гц. Данное требование становится очевидным, если мы обратимся к частотным характеристикам параметров вибрации (рис. 4):

Рис.4 Частотные характеристики виброскорости, вибросмещения (виброперемещения) и виброускорения

 

Как можно видеть, именно в этом частотном диапазоне виброскорость имеет наиболее равномерный характер. Но даже для решения некоторых задач виброконтроля необходимо проводить измерения в расширенном диапазоне частот. И в данном случае в области низких частот (от 0 до 300 Гц) проводят измерение виброперемещения, а в области высоких частот (более 1000 Гц) – измерения виброускорения.

Что касается вибродиагностики машин, то большинство дефектов проявляют себя возбуждением случайной высокочастотной (ВЧ) вибрации в диапазоне до 20-30 кГц, поэтому в вибродиагностике в добавление к измерению виброскорости в стандартном диапазоне частот (до 1000 Гц), проводят измерение виброускорения в расширенном частотном диапазоне (до 10-20 кГц).

4. Датчики параметров вибрации (дать ссылкой на стр. со статьей «Датчики вибрации»)

В виброконтроле и вибродиагностике вращающихся машин из всех известных видов датчиков вибрации используются пьезоэлектрические и вихретоковые датчики вибрации. Напрямую измеряемой величиной пьезоэлектрического датчика является виброускорение, которое с помощью интеграторов может быть преобразовано в виброскорость и виброперемещение. Таким образом, говоря «датчик виброускорения», «датчик виброскорости» и «датчик виброперемещения», в первую очередь, понимают пьезоэлектрический акселерометр с платой интегрирования или без нее.

Пьезоэлектрические датчики вибрации относятся к датчикам контактного типа и не применимы в случаях, когда требуется бесконтактное измерение параметров вибрации. И в этом случае на помощь приходят бесконтактные вихретоковые датчики, с помощью которых в основном измеряют виброперемещение (например, при контроле осевого сдвига валов).

5. Точки измерения параметров вибрации

Для получения достоверной информации о виброактивности узлов и машины в целом, а также для обнаружения, идентификации и локализации дефектов, необходим правильный выбор точек измерения параметров вибрации. Рекомендации по выбору точек измерений приводятся в ГОСТ ИСО 10816 и  нормативных отраслевых документах.

Для получения более подробных теоретических и практических навыков по измерению параметров вибрации мы рекомендуем всем специалистам пройти обучение на наших лицензированных учебных курсах «Основы вибродиагностики. Правила измерения вибрации».

Лекция 11. Параметры и характеристики механических колебаний

Параметры вибрационного процесса

1. Виброперемещение, S – это расстояние между крайними точками перемещения колеблющегося элемента вдоль оси измерения. Виброперемещение измеряется в линейных единицах: в микронах – мкм; в миллиметрах – мм, при больших значениях виброперемещения, например, грохотов (1 мм = 1000 мкм). Параметром, дополняющим виброперемещение является частота вращения. Например, допустимое значение виброперемещения 20 мкм при частоте вращения 1500 об/мин и 10 мкм при частоте вращения 3000 об/мин.
   Виброперемещение измеряется при возникновении низкочастотной вибрации, верхняя граница частотного спектра не более 200 Гц. Эти измерения актуальны в строительной виброакустике, при проведении балансировки роторов, при исследовании машин с малыми зазорами между узлами и деталями, при исследовании упругих деформаций и прогнозе усталостных разрушений.
2. Виброскорость, v – производная виброперемещения по времени. Этот параметр характеризует мощность колебательного (вибрационного) процесса, направленного на разрушение деталей и характеризует энергетическое воздействие на узлы объекта контроля (энергия колебания E = m × V² / 2). Виброскорость – это скорость перемещения контролируемой точки оборудования. Виброскорость одновременно учитывает перемещение контролируемой точки и частоту колебаний, вызвавших вибрацию. Виброскорость измеряется в миллиметрах на секунду, мм/с.
   Виброскорость измеряют в частотном диапазоне 10…1000 Гц. По уровню виброскорости определяют техническое состояние машин, их узлов и деталей.
3. Виброускорение, а – производная виброскорости по времени. Параметр характеризует силу инерции, которая воздействует на объект при вибрации:
   F = m × a, где F – сила инерции; m – масса объекта; а – виброускорение.
   Виброускорение – это ускорение перемещения контролируемой точки оборудования или это скорость изменения скорости. Виброускорение характеризует силовое динамическое взаимодействие элементов агрегата. Виброускорение измеряется в метрах на секунду в квадрате, м/с², иногда используется единица ускорения свободного падания – g, 1 g = 9,8 м/с².
   Виброускорение измеряется при наличии вибрации в широкой полосе частот, от 50 до 10000 Гц и более. Эти измерения актуальны при виброакустической диагностике для оценки силы ударов и раннего обнаружения повреждений в подшипниках качения и зубчатых передачах.
   Примечание: существует редко используемый параметр вибрации – резкость – третья производная перемещения по времени, размерность – км/с³.
4. Частота, f – характеристика периодического процесса, равная количеству повторений в единицу времени, обратно пропорциональна периоду колебаний:
   f = 1/T, где Т – период, время полного цикла колебаний (с).
   Единицей измерения частоты в Международной системе единиц (СИ) является герц (русское обозначение – Гц; международное – Hz), названный в честь немецкого физика Генриха Герца. Одно колебание в секунду соответствует 1 Гц.
   При частоте вращения 3000 об/мин, частота колебаний составляет:
   f = n / 60 = 3000 / 60 = 50 Гц.
   Частота колебаний позволяет идентифицировать источник колебаний.
   Гармонические колебания в разных точках машины, совпадающие по частоте, называются синхронными. Синхронные колебания отличаются друг от друга амплитудой и фазой.
5. Фаза колебаний, φ – определяет положение характерной точки колебаний (максимального, минимального значения или перехода от отрицательного к положительному значению) относительно зафиксированного положения метки. Измеряется в градусах. Используется при балансировке, обследовании металлоконструкций, диагностировании механизмов.
   Колебания в двух точках, совпадающие по фазе, называют синфазными, а отличающиеся на 180⁰ – противофазными. Сдвиг фаз синхронных гармонических колебаний – это разность фаз двух синхронных гармонических колебаний гармонических колебаний в заданный момент времени. Этот параметр часто используют при анализе вибрации.

Для гармонического колебательного процесса существует ряд особенностей, которые характеризуют связь между перемещением, скоростью и ускорением:

• перемещение, скорость и ускорение – гармонические функции одной частоты;
• связь между амплитудами перемещения, скоростью и ускорением – линейная, и определяется с помощью соотношений:
  v = 2 π × f× S = a × 10³ / (2 π × f),
  S = v / (2 π × f )= a × 10³ / (2 π × f)²,
  а = (2 π × f)² × S × 10^-3 = 2 π × f × v × 10^-3,
  формулы приведены для следующей размерности: S – мкм, v – мм/с; а – м/с²;
• между фазами перемещения, скорости и ускорения существует сдвиг на 90⁰, то есть скорость по фазе опережает перемещение на четверть периода, а ускорение опережает перемещение на полпериода – 180⁰ (рисунок 70).

Рисунок 70 – Сдвиг фаз между параметрами гармонических колебаний

Пример

Для роторного механизма, имеющего частоту вращения 3000 об/мин (50 Гц) зафиксировано значение виброперемещения – 20 мкм. Определить соответствующие значения виброскорости и виброускорения.

v = 2 π × f × S = 6,28 × 50 × 20 = 6,28 мм/с;
а = 2π × f × v = 6,28 × 50 × 6,28 = 1,97 м/с².

Исходя из данных соотношений, можно сделать вывод о том, что зависимости между перемещением, скоростью, ускорением и частотой будут различными. На графике перемещения будет преобладать низкочастотная область, а на графике ускорения ‑ высокочастотная при ослаблении низкочастотной (рисунок 71).

Рисунок 71 – Спектрограммы параметров вибрации, зафиксированных в одной точке

Числовые значения уровней ускорения, скорости и перемещения в логарифмических координатах (при пороговых значениях по ISO 1683) равны только в одной точке – при частоте 159 Гц (рисунок 72). На эту частоту настраиваются калибраторы вибрации. В этой точке значение виброперемещения составляют 10 мкм, значения виброскорости – 10 мм/с, а значения виброускорения – 10 м/с².

Рисунок 72 – Точка вибрационного контроля

Основные характеристики колебательных процессов

1. Размах колебаний – разность между наибольшим и наименьшим значениями колеблющейся величины в рассматриваемом интервале времени (рисунок 73). Для гармонических колебаний размах колебаний равен удвоенной пиковой амплитуде, так как временная реализация в этом случае симметрична.
   Размах колебаний является необходимым в тех случаях, когда смещение механических колебаний детали машины является критическим с точки зрения максимально допустимых механических напряжений и зазоров. Используется в основном при измерении виброперемещения.

Рисунок 73 – Характеристики колебательных процессов

2. Пиковое значение – определяется как наибольшее отклонение колеблющейся величины от среднего положения х_ПИК = Iх_МАХI.
   Используется как составляющая при измерении виброускорения. Пиковое значение эффективно при оценке кратковременных механических ударов и так далее. Однако пиковое значение отображает только максимальное значение исследуемых колебаний, а не их временное развитие.
3. Среднеарифметическое мгновенных значений вибрации – среднее значение измеренных данных, характеризует общую интенсивность вибрации:
   где τ – текущее значение временной координаты, Т – период измерения.
   Среднее значение отображает временное развитие исследуемых колебаний, но его практическое применение ограничено ввиду того, что оно не имеет непосредственной связи ни с какой физической величиной этих колебаний.
4. Среднее квадратичное значение (СКЗ) – квадратный корень из среднего арифметического или среднего интегрального значения квадрата колеблющейся величины в рассматриваемом периоде времени:
   Для получения правильного значения, интервал усреднения должен быть не меньше одного периода колебания. Используется при измерении виброскорости. Пересчёт значений виброускорения, виброскорости и виброперемещения, определённых в результате анализа спектра, как функции угловой частоты ω, в среднее квадратическое значение виброскорости проводится по следующим формулам:
   Возможно определение среднего квадратического значения виброскорости по максимальному и минимальному значению виброскорости в спектре:
   Среднеквадратическое значение учитывает временное развитие исследуемых колебаний и непосредственно отображает значение, связанное с энергией сигнала и, следовательно, разрушающей способностью этих колебаний.
5. Коэффициент амплитуды или пик-фактор – отношение пикового (x_ПИК) к среднеквадратичному (x_СКЗ) значению: K_ПФ = x_ПИК / x_СКЗ.
   Пик-фактор характеризует развитие повреждения. Значения пик-фактора в начальном периоде работы механизма составляют 3…4. При зарождении повреждений значения пик-фактора увеличиваются до 10…15. Увеличение степени повреждений снижает значения пик-фактора до 3…4 (рисунок 74).
   Для гармонических колебаний: K_ПФ = 1,41; x_ПИК = А; x_СРЕД = 0,637А; x_СКЗ = 0,707А.

Рисунок 74 – Изменения значения пик-фактора

6. Эксцесс – отношение момента четвёртого порядка к квадрату момента второго порядка. Эксцесс определяет степень отклонения параметра от нормального распределения: b = m₄ / (m₂)², где m₄ – момент четвёртого порядка; m₂ – момент второго порядка.
   При определении статистических моментов используются значения:
   – среднее арифметическое – сумма относительных отклонений;
   – дисперсия – сумма квадратов относительных отклонений;
   – асимметрия – сумма кубов относительных отклонений;
   – островершинность – сумма четвёртой степени относительных отклонений.
   Значения эксцесса используется для определения развития различных неисправностей элементов машин, так как отклонение от нормального распределения является однозначным признаком появления неисправности.

Относительные единицы вибрации – 20-ти кратные десятичные логарифмы отношения измеренного значения параметра вибрации (v_ИЗМ) к некоторому начальному уровню (v_НАЧ) и измеряются в децибелах (дБ). Для виброскорости:

L_v = 20 lg (v_ИЗМ / v_НАЧ).

Для виброускорения:

L_а = 20 lg (а_ИЗМ / а_НАЧ).

Увеличение уровня на 6 дБ соответствует удвоению амплитуды, независимо от исходного значения. Изменение уровня на 20 дБ означает рост амплитуды в десять раз. Для временных реализаций вибрации всегда используются линейные единицы измерения амплитуды: мгновенное значение сигнала может быть и отрицательным, и поэтому его невозможно логарифмировать.

При использовании логарифмических характеристик необходимо указывать стандартный пороговый уровень, принятый при обработке значений вибрации. По Правилам Российского Морского Регистра Судоходства и ГОСТ 12.1.034-81, пороговый уровень принят: v_НАЧ  = 5·10^-5 мм/с; а_НАЧ = 3·10^-4 м/с². По ГОСТ 30296-95: v_НАЧ  = 5·10^-8 м/с; а_НАЧ = 1·10^-6 м/с². По ISO 1683: v_НАЧ  = 1·10^-6 мм/с; а_НАЧ = 1·10^-6 м/с²; S_НАЧ = 1·10^-6 мкм.

Обычно, аналоговый вибрационный временной сигнал преобразуется в цифровой вид и используется для спектрального анализа в частотной области. Сложность формы временного сигнала, его интерпретация сильно затруднена, поэтому часто временная форма сигнала игнорируется. В то же время информацию, которую может дать временная форма, недоступна при рассмотрении спектра вибрации.

Например, случайный процесс (непрерывный шум) и переходный процесс, связанный с какими-то нерегулярными событиями, имеют схожие спектры, которые, тем не менее, соответствуют сигналам совершенной разной природы, что отчетливо видно по их временным реализациям. Во временной области легко различим стук деталей, приводящий к асимметрии формы сигнала, который может быть следствием ослабления механических соединений.

Обследование вибрационного состояния редуктора РМ-400 механизма передвижения мостового крана проведено при работе оборудования в режиме холостого хода при частоте вращения двигателя 720 об/мин. При работе редуктора наблюдаются глухие стуки. Значения общего уровня виброскорости – 3,0 мм/с, виброускорения – 1,8 м/с². В спектрограмме виброскорости подшипника тихоходного вала редуктора (рисунок 75а) зубцовая частота второй передачи представлена составляющей на частоте 31,5 Гц, с амплитудой 0,2 мм/с. Запись временного сигнала виброускорения (рисунок 75б) позволила установить возможную причину неисправности – повреждения (забоина) на зубчатом колесе тихоходного вала проявившуюся, как удары с частотой вращения тихоходного вала. Подтверждение диагноза получено при визуальном осмотре и устранено после механической обработки повреждённого зуба.

Рисунок 75 – Спектрограмма виброскорости (а) и временной сигнал (б) виброускорения подшипника тихоходного вала редуктора механизма передвижения мостового крана

Цикл измерений содержал 12 измерений, с учётом 800 линий в спектре – 9600 значений, дополнительно проведены измерения временной формы вибрационного сигнала ‑ 4×16000 значений. Из этих данных получено два информационных сообщения: об общем уровне вибрации (соответствующего удовлетворительному состоянию) и о возможной причине неисправности, устранённой при ремонте.

Работа электродвигателей часто сопровождается биениями, которые, хорошо воспринимаются на слух. Эти биения соответствуют частоте скольжения ротора или разности частоты вращения ротора и частоты возбуждения двигателя. Частота биений очень низка, иногда ниже 0,1 Гц. Биения могут также возникать, когда машины, близко расположенные друг к другу, работают на слегка различающихся частотах вращения. Наблюдать биения лучше во временной области вибрационного сигнала, поскольку для вычисления спектральных составляющих на столь низких частотах требуется очень большое время и высокое разрешение.

Трудность анализа заключается в отсутствии правил формализации и обработки временных реализаций параметров быстропротекающих процессов. Во многом данный процесс субъективен и зависит от опыта специалиста. Спектральные составляющие вибрационного сигнала часто остаются практически без изменений из-за усреднения вибрационного сигнала, необходимого для получения достоверной оценки. Анализ фактического сигнала несет дополнительную информацию о техническом состоянии механизма. Наиболее эффективно использование анализа временной формы вибрационного сигнала для диагностирования переходных, нестационарных, ударных процессов. Для этого используются периоды 30…400 мкс, количество измерений 10000…16000 и более, режим – без усреднений.

Правила анализа временного сигнала

1. Необходимо оценить повторяемость параметров колебательного процесса. Одинаковым воздействиям должны соответствовать одинаковые реализации параметров колебаний. Можно использовать сравнительный анализ однотипных процессов в различных точках при использовании двухканального анализатора вибрации.
2. Оценка симметричности сигнала относительно нулевого (начального) уровня колебаний. Наличие симметричного сигнала свидетельствует о хорошем состоянии (идеальным случаем является синусоидальная форма колебаний – абсолютно симметричная), отклонения – увеличивают степень асимметрии. Диагностические параметры для анализа — положительные и отрицательные значения амплитуд колебаний. Причины асимметрии — нелинейность характеристик системы, анизотропия деталей подшипникового узла.
3. Наиболее значимым является время успокоения системы после возмущающего воздействия. Системы с малой жесткостью и малыми демпфирующими свойствами будут иметь большее время затухания. Следует определить причины снижающие жесткость и демпфирующие свойства системы. Оценить стабильность демпфирующих свойств механической системы возможно при определении декремента колебаний как натурального логарифма отношения двух последующих амплитуд:

Характер вибрации при изменении частоты вращения механизма также является диагностическим признаком, требующим анализа временных реализаций:

1. Если при изменении частоты вращения происходит увеличение вибрации в линейной зависимости, причиной повреждений являются механические повреждения деталей.
2. Если при изменении частоты вращения происходит увеличение вибрации в квадратичной зависимости, причиной повреждений является дисбаланс ротора.
3. Если при изменении частоты вращения происходит увеличение вибрации в экспоненциальной зависимости, причиной повреждений является трещина в корпусной детали или в основании.
4. Резкое уменьшение вибрации электродвигателя при отключении питания – признак наличия повреждений, вызванных повреждениями в электрической части двигателя.
5. Постепенное снижение вибрации при остановке механизма – признак наличия повреждений в механической системе.

Примеры временной реализации виброускорения подшипников электродвигателя приведены на рисунке 76.

Рисунок 76 – Примеры временной реализации виброускорения подшипников электродвигателя

Рисунок 76а – размах колебаний около 14,0 м/с², чётко выделяются колебания с периодом 20 мс – частотой вращения вала двигателя. Рисунок 76б – размах колебаний около 30,0 м/с², на длинной выборке регистрируются отдельные удары до 63,0 м/с², пропускаемые спектральным анализом в результате усреднения. Анализ временной реализации позволяет обнаружить первые признаки отклонений на более ранних стадиях, чем спектральный анализ.

Различные временные интервалы при записи сигнала позволяют изменять анализируемую картину вибрации (рисунок 77).

Рисунок 77 – Примеры временной реализации виброускорения при различных временных интервалах

Рисунок 77а – интервал 5 секунд, сигнал стабильный, размах около 10,0 м/с². Рисунок 77б – интервал 1 секунда, различаются колебания с оборотной частотой вращения вала двигателя. Рисунок 77в – интервал 100 миллисекунд, различимы синусоидальные колебания с оборотной частотой модулированные примерно 12-й гармоникой – повреждения колец подшипника, размах модуляции около 2,6 м/с². Рисунок 77г – подшипник компрессора интервал 100 миллисекунд, различаются колебания первой и второй зубцовой частоты, амплитуда второй зубцовой частоты значительно ниже, чем первой.

Вопросы для самостоятельного контроля

1. В каких случаях измеряют виброперемещение?
2. Какой показатель характеризует виброскорость?
3. Зачем необходимо измерять виброускорение?
4. Что характеризует частота колебаний?
5. Что важнее значение сдвига фаз или его изменение?
6. Каким образом связаны параметры гармонических колебаний?
7. Что такое точка вибрационного контроля?
8. Какие характеристики определяют колебательные процессы?
9. Что такое относительные единицы вибрации?
10. Зачем необходим анализ временной реализации виброускорения?

Материал предоставил Сидоров Владимир Анатольевич.

3
4
голоса

Рейтинг статьи

Диапазон развертки и скорость развертки — испытание на синусоидальную вибрацию

Вернуться к: Испытание на синусоидальную вибрацию

При испытаниях на вибрацию испытание с синусоидальной разверткой помогает определить резонансные частоты продукта. Ниже мы описываем два параметра, которые инженеры используют для определения теста с разверткой по синусоиде: диапазон развертки и скорость развертки.

Диапазон развертки

Инженеры часто проводят тесты синусоиды, когда развертки синусоидальных тонов в определенном диапазоне частот. В этом случае диапазон развертки определяет профиль синусоидального теста, поскольку он определяет минимальную и максимальную частоты развертки.

Развертка может быть определена несколькими способами, в зависимости от программного обеспечения, используемого для управления синусоидальным тестом:

• Один проход от самого низкого до самого высокого значения (развертка вверх)
• Один проход от наибольшего к наименьшему значению (прогонка вниз)
• Прокрутка вперед и назад между минимальной и максимальной частотами
• Последовательные проходы в одном направлении (петля)

Например, рассмотрим диапазон развертки от 30 герц (Гц) до 1000 Гц. Контроллер начинал испытание, встряхивая продукт с частотой 30 Гц. Затем он будет увеличивать частоту с течением времени, пока контроллер не достигнет 1000 Гц.

Синусоидальная развертка от 30 до 1000 Гц.

Тест можно также определить так, чтобы развертка начиналась с высокой частоты и заканчивалась на низкой частоте.

Диапазон развертки в VibrationVIEW

Тест с разверткой по синусоиде можно запустить с помощью программного модуля VibrationVIEW Sine. Диапазон развертки по умолчанию составляет от 30 Гц до 100 Гц. Длительность 1 развертки запустит синусоидальный тон с частотой 30 Гц и развернет до 100 Гц. Продолжительность 2 разверток начинается с частоты 30 Гц, развертки доходят до 100 Гц, а затем возвращаются к 30 Гц.

Стандарт испытаний может определять количество разверток по принципу «переход от 30 Гц к 100 Гц и обратно к 30 Гц всего 7 раз». В VibrationVIEW вы должны установить продолжительность 14 разверток, чтобы соответствовать этому стандарту.

График синусоидальной развертки в VibrationVIEW.

Программное обеспечение использует эти значения как начальную и конечную частоты, и вы можете настроить их в профиле теста.

Скорость развертки

Скорость развертки определяет скорость, с которой контроллер увеличивает или уменьшает частоту. Он измеряется диапазоном частот, покрываемым в единицу времени. Скорость развертки может быть линейной или логарифмической.

Профиль теста ускорения с различными скоростями развертки.

Линейная скорость развертки

Когда скорость развертки является линейной, контроллер проводит одинаковое количество времени на каждой частоте. Ширина частоты измеряется в герцах (Гц) для линейной скорости развертки. Например, мы можем настроить контроллер на развертку более 1000 Гц за одну минуту (скорость развертки 1000 Гц/мин). Мы также можем определить количество времени, необходимое для завершения всей развертки.

Логарифмическая скорость развертки

Когда скорость развертки является логарифмической, контроллер выполняет одинаковое количество циклов на каждой частоте. При логарифмической скорости развертки на более высоких частотах тратится меньше времени, чем на более низких, потому что на более высоких частотах каждую секунду происходит больше циклов.

Для логарифмической скорости ширина частоты может быть измерена в декадах или в 10 раз. Между 10 Гц и 100 Гц есть одна декада, между 10 Гц и 1000 Гц — две, и так далее. Ширина частоты также может быть измерена в октавах с логарифмической скоростью. Две частоты находятся на расстоянии одной октавы друг от друга, когда одна частота в два раза превышает частоту другой. 10 Гц и 20 Гц — одна октава, 10 Гц и 40 Гц — две октавы и так далее.

Предположим, что наш диапазон развертки или частотный диапазон составляет от 10 Гц до 1000 Гц. Если мы установим скорость развертки на 2 декады в минуту (дек/мин), то для завершения развертки потребуется одна минута, так как между 10 Гц и 1000 Гц есть две декады:

• от 10 Гц до 100 Гц
• от 100 Гц до 1000 Гц

Опять же, предположим, что наш диапазон развертки или частотный диапазон составляет от 10 Гц до 640 Гц. Если мы установим скорость развертки на 2 октавы в минуту (октав/мин), то для завершения развертки потребуется три минуты, поскольку между 10 Гц и 640 Гц шесть октав:

• 10–20 Гц
• от 20 Гц до 40 Гц
• от 40 Гц до 80 Гц
• от 80 Гц до 160 Гц
• от 160 Гц до 320 Гц
• от 320 Гц до 640 Гц

Ошибка скорости развертки и частоты

Скорость развертки может вызвать ошибки, связанные с частотой, если она неверна. Если вы установите слишком высокую скорость развертки и зададите синусоидальную задержку, программа, скорее всего, задержится на частоте, отличной от резонансной. В следующем примере развертка 0,10 окт/мин кажется наиболее точной, учитывая ее кривую по отношению к более высокой скорости развертки.

Сравнение различных скоростей логарифмической развертки.

Если вы начали проверку на резонансной частоте, определяемой одним из более быстрых разверток, контроллер распознал бы, что значение не соответствует действительности 90-градусная фаза и поиск правильной частоты.

Что такое вибрация? | Мир технического обслуживания

DLI Engineering

Итак, приступим. Что такое вибрация?

В простейшей форме вибрацией можно считать колебание или повторяющееся движение объекта вокруг положения равновесия. Положение равновесия – это положение, которое займет тело, когда сила, действующая на него, равна нулю. Этот тип вибрации называется «движением всего тела», что означает, что все части тела движутся вместе в одном направлении в любой момент времени.

Вибрационное движение всего тела можно полностью описать как комбинацию отдельных движений шести различных типов. Это перемещение в трех ортогональных направлениях x, y и z и вращение вокруг осей x, y и z. Любое сложное движение тела можно разбить на комбинацию этих шести движений. Поэтому говорят, что такое тело обладает шестью степенями свободы. Например, судно может двигаться вперед-назад (волна), вверх-вниз (качка), влево-вправо (раскачивание), а также может вращаться в продольном направлении (крен), вращаться вокруг вертикальной оси (рыскание). ) и вращаться вокруг оси левый-правый борт (по тангажу).

Предположим, что объект остановлен от движения в любом направлении, кроме одного. Например, маятник часов ограничен в движении, кроме как в одной плоскости. Поэтому ее называют системой с одной степенью свободы. Другим примером системы с одной степенью свободы является лифт, движущийся вверх и вниз по шахте лифта.

Вибрация объекта всегда вызывается силой возбуждения. Эта сила может быть приложена к объекту извне или может возникать внутри объекта. Далее будет видно, что скорость (частота) и величина вибрации данного объекта полностью определяются силой, направлением и частотой возбуждения. По этой причине анализ вибрации может определить силы возбуждения, действующие в машине. Эти силы зависят от состояния машины, и знание их характеристик и взаимодействий позволяет диагностировать проблему машины.

Вопросы энергии и мощности

Энергия необходима для создания вибрации, и в случае вибрации машины эта энергия поступает от источника питания машины. Этим источником энергии может быть линия электропередач переменного тока, двигатель внутреннего сгорания или пар, приводящий в движение турбину и т. д. Энергия определяется как сила, умноженная на расстояние, на котором действует сила, а единицей энергии в системе СИ является джоуль. Один джоуль энергии эквивалентен силе в один ньютон, действующей на расстоянии одного метра. Физическая концепция работы аналогична концепции энергии, а единицы измерения работы те же, что и для измерения энергии.

Фактическое количество энергии, присутствующей в самой вибрации машины, обычно не очень велико по сравнению с энергией, необходимой для работы машины по ее прямому назначению.

Мощность определяется как скорость выполнения работы или скорость передачи энергии, и в соответствии с системой СИ она измеряется в джоулях в секунду или ваттах. Одна лошадиная сила эквивалентна 746 Вт. Мощность пропорциональна квадрату амплитуды вибрации, точно так же, как электрическая мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока в квадрате.

Согласно закону сохранения энергии, энергия не может быть создана или уничтожена, но может быть преобразована в различные формы. Вибрационная энергия в механической системе в конечном итоге рассеивается в виде тепла.

Линейные и нелинейные системы

Чтобы помочь понять передачу вибрации через машину, полезно исследовать концепцию линейности и то, что подразумевается под линейными и нелинейными системами. До сих пор мы обсуждали линейные и логарифмические масштабы амплитуды и частоты, но термин «линейный» также относится к характеристикам системы, которая может иметь входные и выходные сигналы. «Система» — это любое устройство или структура, которые могут принимать ввод или стимул в той или иной форме и производить соответствующий вывод или ответ. Примерами систем являются магнитофоны и усилители, работающие на электрических сигналах, и механические конструкции, входами которых являются вибрационные силы, а выходами — вибрационные смещения, скорости или ускорения.

Частотный анализ

Чтобы обойти ограничения в анализе самой формы волны, обычной практикой является выполнение частотного анализа, также называемого спектральным анализом сигнала вибрации. График во временной области называется формой волны, а график в частотной области называется спектром. Спектральный анализ эквивалентен преобразованию информации в сигнале из временной области в частотную область. Между временем и частотой выполняются следующие отношения:

Расписание поездов показывает эквивалентность информации во временной и частотной областях:

Частотное представление в этом случае намного короче, чем временное. Это «сокращение данных».

Обратите внимание, что информация одинакова в обеих областях, но гораздо более компактна в частотной области. Очень длинное по времени расписание было сжато до двух строк в частотной области. Общее правило характеристики преобразования заключается в том, что события, происходящие в течение длительного интервала времени, сжимаются до определенных местоположений в частотной области.

Логарифмическое масштабирование частоты

До сих пор единственным обсуждаемым типом частотного анализа был линейный частотный масштаб, т. е. ось частоты располагалась линейно. Это подходит для частотного анализа с разрешением по частоте, которое является постоянным во всем частотном диапазоне, обычно называемым «узкополосным» анализом. Анализатор FFT выполняет этот тип анализа.

Есть несколько ситуаций, когда частотный анализ желателен, но узкополосный анализ не представляет данные в наиболее полезной форме. Примером этого является анализ акустического шума, при котором изучается значение шума для человека-наблюдателя. Механизм человеческого слуха реагирует на соотношение частот, а не на фактические частоты. Частота звука определяет его высоту звука, воспринимаемую слушателем, а соотношение частот, равное двум, представляет собой воспринимаемое изменение высоты звука на одну октаву, независимо от того, каковы фактические частоты. Например, если звук с частотой 100 Гц повысить до 200 Гц, его высота повысится на одну октаву, а звук с частотой 1000 Гц при повышении до 2000 Гц также повысит высоту на одну октаву. Этот факт настолько верен в широком диапазоне частот, что удобно определить октаву как отношение частот двух, хотя сама октава на самом деле является субъективной мерой изменения высоты звука.

Это явление можно обобщить, сказав, что восприятие высоты звука ухом пропорционально логарифму частоты, а не самой частоте. Поэтому имеет смысл выражать ось частот акустических спектров на логарифмической оси частот, и это делается почти повсеместно. Например, частотные характеристики, публикуемые производителями звукового оборудования, всегда строятся в логарифмическом масштабе. Точно так же, когда выполняется частотный анализ звука, очень часто используются графики логарифмической частоты.

Вертикальная ось спектра октавной полосы обычно масштабируется в дБ.

Октава является настолько важным частотным интервалом для слуха, что так называемый анализ октавных полос был определен как стандарт для акустического анализа. На рисунке ниже показан типичный спектр октавных полос, где используются стандартные центральные частоты ISO октавных полос. Каждая октавная полоса имеет ширину полосы, равную примерно 70% ее центральной частоты. Этот тип спектра называется полосой с постоянным процентом, потому что каждая полоса частот имеет ширину, которая составляет постоянный процент от ее центральной частоты. Другими словами, полосы анализа становятся шире пропорционально их центральным частотам.

Можно возразить, что частотное разрешение при анализе октавных полос слишком плохое, чтобы его можно было использовать, особенно при анализе сигнатур вибрации машин, но можно определить постоянный процентный анализ полос с более узкими частотными полосами. Типичным примером этого является третьоктавный спектр, ширина полосы фильтра которого составляет около 27 % от их центральной частоты. Три третьоктавных полосы охватывают одну октаву, поэтому разрешение такого спектра в три раза лучше, чем спектр октавной полосы. Третьоктавные спектры часто используются в акустических измерениях.

Основным преимуществом анализа полос с постоянным процентным соотношением является то, что очень широкий частотный диапазон может быть отображен на одном графике, а разрешение по частоте на более низких частотах все еще может быть довольно узким. Конечно, частотное разрешение на самых высоких частотах страдает, но для некоторых приложений, таких как обнаружение неисправностей в машинах, это не проблема.

В главе, посвященной диагностике неисправностей машин, будет видно, что узкополосные спектры очень полезны для разрешения высокочастотных гармоник и боковых полос, но для обнаружения неисправности машин такое высокое разрешение не требуется. Будет обнаружено, что спектры скорости вибрации большинства машин имеют наклон вниз на самых высоких частотах, а спектр полосы постоянного процента (CPB) тех же данных обычно будет более однородным по уровню в широком диапазоне частот. Это означает, что спектр CPB лучше использует динамический диапазон приборов. Третьоктавные спектры достаточно узки на низких частотах, чтобы показать несколько первых гармоник скорости вращения, и могут эффективно использоваться для обнаружения неисправностей, если отслеживать их во времени.

Использование постоянных спектров CPB для мониторинга машин не очень хорошо известно в промышленности, за несколькими заметными исключениями, такими как подводный флот ВМС США.

Логарифмическое масштабирование амплитуды

Приведенный выше спектр представляет собой логарифм уровня вибрации, а не сам уровень.

Поскольку этот спектр имеет логарифмическую шкалу амплитуд, умножение на любое постоянное значение просто переводит спектр вверх на экране, не изменяя его форму или взаимосвязь между компонентами.

Умножение уровня сигнала преобразуется в сложение по логарифмической шкале. Это означает, что изменение степени усиления вибрационного сигнала не влияет на форму спектра. Этот факт значительно упрощает визуальную интерпретацию логарифмических спектров, снятых при разных коэффициентах усиления — кривые просто переводятся на графике вверх или вниз. При линейном масштабировании форма спектра резко меняется при разной степени усиления.

Следующий спектр представлен в децибелах, это особый вид логарифмического масштабирования, который очень важен при анализе вибрации

Линейная и логарифмическая шкалы амплитуд

Может показаться, что лучше всего рассматривать спектры вибрации с помощью линейной шкалы амплитуд, поскольку она является верным представлением фактической измеренной амплитуды вибрации. Масштабирование линейной амплитуды позволяет легко увидеть и оценить самые большие компоненты в спектре, но очень маленькие компоненты могут быть полностью упущены из виду или, в лучшем случае, им трудно присвоить величину. Глаз способен видеть мелкие компоненты размером примерно в 1/50 размера самых больших в том же спектре, но все, что меньше этого, по существу теряется. Другими словами, динамический диапазон глаза составляет примерно от 50 до 1

Линейное масштабирование может быть адекватным в случаях, когда все компоненты примерно одинакового размера, но в случае вибрации машины начальные неисправности в таких частях, как подшипники, вызывают очень малые амплитуды сигнала. Если мы хотим проделать хорошую работу по отслеживанию уровней этих спектральных компонентов, лучше всего построить логарифм амплитуды, а не саму амплитуду. Таким образом, мы можем легко отображать и визуально интерпретировать динамический диапазон как минимум от 5000 до 1, что более чем в 100 раз лучше, чем позволяет линейное масштабирование.

Чтобы проиллюстрировать различные типы представлений амплитуд, одна и та же сигнатура вибрации будет показана в линейной и двух разных типах логарифмической шкалы амплитуды.

Можно сказать, что динамический диапазон глаза при просмотре линейных спектров составляет около 34 дБ.

Линейное масштабирование амплитуды

Обратите внимание, что этот линейный спектр очень хорошо показывает большие пики, но информация о более низких уровнях отсутствует. В случае анализа вибрации машин нас часто интересуют меньшие компоненты спектра, т. е. в случае диагностики подшипников качения. Эта тема будет подробно рассмотрена в главе о мониторинге вибрации машин.

Децибел

Децибел (дБ) определяется следующим выражением:

где: LdB = уровень сигнала в дБ L1 = уровень вибрации при ускорении, скорости или перемещении

Lref = опорный уровень, эквивалентный до 0 дБ

Лаборатория Bell Telephone Labs ввела понятие децибела до 1930 года. Впервые он был использован для измерения относительных потерь мощности и отношения сигнал/шум в телефонных линиях. Вскоре он был введен в эксплуатацию в качестве меры уровня акустического звукового давления.

Уровень скорости вибрации в дБ обозначается аббревиатурой VdB и определяется как:

или

Международная система, или SI, является современной заменой метрической системы.

Эталонный уровень или уровень «0 дБ» 10-9 метров в секунду достаточно мал, чтобы все наши измерения на машинах давали положительные числа в дБ. в этом стандартизированном эталонном уровне используются единицы СИ или «метрические» системы, но он не признан стандартом в США и других англоязычных странах. (Военно-морской флот США и многие американские промышленные предприятия используют эталонную скорость при нулевом дБ 10–8 м/с, что делает их показания на 20 дБ выше, чем показания SI.)

VdB представляет собой логарифмическую шкалу величины вибрации, которая позволяет легко проводить относительные измерения. Любое увеличение уровня на 6 дБ представляет собой удвоение амплитуды независимо от исходного уровня. Аналогичным образом, любое изменение на 20 дБ представляет собой изменение уровня в десять раз. Таким образом, любое постоянное соотношение уровней рассматривается как определенное расстояние по шкале, независимо от абсолютных уровней измерений. Это позволяет очень легко оценивать спектральные данные вибрации с трендами; Увеличение на 6 дБ всегда указывает на удвоение величин.

Значения в дБ в зависимости от отношения амплитуды к уровню

В следующей таблице отношения значений в дБ к отношениям амплитуд: Изменение дБ Отношение линейных уровней 0 1 30 31 3 1,4 36 60 6 2 40 100 10 3.1 50 310 12 4 6 0 1000 18 8 70 3100 20 9022 7

903 15

Настоятельно рекомендуется использовать VdB в качестве масштаба амплитуды вибрации, поскольку зрителю доступно гораздо больше информации по сравнению с линейным масштабированием. единицы амплитуды. Кроме того, по сравнению с обычной логарифмической шкалой, шкалу дБ намного легче читать.

Преобразование единиц измерения

Ускорение и перемещение также могут быть выражены в дБ. Шкала AdB является наиболее используемой, и ее нулевая точка отсчета установлена ​​на 1 мкГс, обычно сокращенно G.

Получается, что AdB = VdB на частоте 159,2 Гц. Уровни VdB, уровни AdB и уровни DdB связаны следующими формулами:

Любой параметр вибрации — смещение, скорость или ускорение — может отображаться по шкале дБ. Эталонные величины для 0 дБ на этих шкалах были выбраны таким образом, чтобы уровни дБ всех трех величин были одинаковыми на частоте 1590,2 Гц, что равно 1000 радиан в секунду.

Ускорение и скорость в линейных единицах рассчитываются из уровней в дБ следующим образом:

Удобно помнить следующее эмпирическое правило: При 100 Гц 1G = 120 AdB = 124 VdB = 2,8 mils p-p.

Обратите внимание, что форма волны во временной области всегда представлена ​​в единицах линейной амплитуды — невозможно использовать логарифмическую шкалу на графике формы волны, поскольку некоторые значения отрицательны, а логарифм отрицательного числа не определен.

Уровни в дБ в сравнении с уровнями вибрации в дюйм/с

Пиковый уровень является де-факто стандартной единицей измерения скорости вибрации, хотя среднеквадратичное значение в большинстве случаев имеет больше смысла.

Ниже приведена удобная таблица преобразования для отношения уровней VdB в пиковые дюймы в секунду:

VdB	пик. VdB	ips пик
60	. 0006	90	.018	120	.56
62	.0007	9 2	.022	122	.70
64	.0009	94	.028	124	.88
66	.0011	96	.035 9 0227	126	1.1
68	.0014	98	.044	128	1.4
70	.0018	100	. Posted inПопулярное Copyright 2021 Негосударственное частное образовательное учреждение Учебный технический Центр «Светофор». Все права защищены