Исследования реальных вибраций различных ЛЛ показали, что вибраций являются случайными функциями времени. Их статистические характеристики определяются в результате обработки записей реальной вибрации. Целью испытаний является воспроизведение на вибростенде вибрации с заданными статистическими характеристиками в контрольных точках испытуемого объекта. Поскольку в качестве заданных статистических характеристик используются результаты обработки натурной вибрации, испытания случайной вибрацией наиболее точно воспроизводят реальное вибрационное состояние испытуемого изделия.
При организации испытания случайной вибрацией принимают две гипотезы:
1) о нормальности закона распределения случайных вибраций;
2) о локальной стационарности случайных вибраций.
Обоснование первой гипотезы заключается в том, что вибрационное состояние изделия можно рассматривать как суперпозицию различных случайных процессов, порождаемых статистически независимыми источниками. Следует учесть также, что если вибродатчик расположен в таком месте конструкции, где проявляются ее фильтруй щие свойства, то закон распределения выходного сигнала этого датчика приближается к нормальному.
Вторая гипотеза предполагает, что статистические характеристику вибрации изменяются достаточно медленно во времени. Это позволяет считать, что некоторые усредненные характеристики, вычисленные в определенном временном интервале, дают адекватное описание вибрационного состояния на этом отрезке времени.
Свойства вибрации как стационарного централизованного нормального процесса полностью определяются в общем случае ковариационной матрицей или ее преобразованием Фурье - матрицей спектральных плотностей. В частотном (скалярном) случае процесс характеризуется корреляционной функцией или спектральной плотностью. Поскольку испытуемые конструкции являются многорезонансными динамическими системами с ярко выраженными частотно-избирательными свойствами, спектральные характеристики (собственные и взаимные спектры) наиболее наглядны и имеют определяющее значение для инженера-испытателя. Режим испытаний случайной вибрацией определяется спектральной плотностью виброускорения, контролируемого в одной точке и в одном направлении, или матрицей спектральных плотностей при анализе векторной вибрации.
Вибрационные испытания в широкой полосе охватывают обычно частотный диапазон в одну-две декады. Случайная узкополосная вибрация возбуждается и исследуется в полосе единиц или десятков герц.
Испытание широкополосной случайной вибрацией. Широкополосные случайные процессы с заданным энергетическим спектром получили широкое распространение в качестве физических моделей реальных вибропроцессов. Описание моделей реальных вибропроцессов в рамках корреляционной теории позволяет характеризовать эквивалентность воспроизводимых и реальных вибраций степенью близости их энергетических спектров. При этом тракт воспроизведения вибрации вибро испытательно го комплекса должен обеспечивать воспроизведение в контролируемой точке или в совокупности контролируемых точек исследуемого объекта механических колебаний с требуемым энергетическим спектром.
Этот метод испытаний предусматривает одновременное возбуждение всех резонансных частот объекта. Схема установки для испытания широкополосной случайной вибрацией приведена на рис. 2.24.
Правильному воспроизведению вибрации препятствует искажающее влияние средства возбуждения вибрации. Поэтому перед испытаниями необходимо скорректировать или выровнять амплитудно-; частотную характеристику вибростенда. При испытаниях в контрольных точках изделия возбуждаются стационарные случайные вибрации. Их числовые характеристики должны быть близки к заданным, которые определяют по результатам натурных испытаний.
Метод испытания широкополосной случайной вибрацией позволяет воспроизвести те числовые вибрационные характеристики условий эксплуатации, которые влияют на надежность испытуемого изделия. За критерий подобия принята спектральная плотность вибрационных ускорений, так как вероятность выхода изделия из строя или нарушения режима его работы возрастает с повышением уровня спектральной плотности вибрации.
Программу испытаний задают в виде графика зависимости спектральной плотности от полос частоты, в которых проводили эти измерения. Эта программа воспроизводится вибростендом в контрольной точке изделия с помощью формирователей энергетического спектра, которые в общем случае представляют собой источник широкополосного случайного сигнала или белого шума и набор регулируемых полосовых фильтров.
Испытание узкополосной случайной вибрацией. Режим меняющейся узкополосной случайной вибрации является промежуточным между режимом широкополосной случайной вибрации и режимом с изменяющимся синусоидальным сигналом. Метод основан на замене возбуждения широкополосной плотности малого ускорения возбуждением узкополосной плотности большого ускорения, медленно изменяющейся на некотором участке частотного диапазона.
При правильной регулировке метод обеспечивает то же число наиболее важных ускорений на заданном уровне, что и метод широкополосной вибрации. Для воспроизведения условий резонанса и нагружения испытуемого образца узкополосная вибрация должна обладать теми же характеристиками, что и широкополосная. Необходимо также, чтобы число изменений знака ускорения для любого увеличения уровня напряжения было тем же.
Этот метод имеет следующие преимущества:
1) возможность получения значительных уровней нагрузки с помощью менее мощного оборудования;
2) возможность применения более простой аппаратуры управления а, следовательно, использования менее квалифицированного персонала.
Основными задачами являются определение закона изменения средней частоты во времени и закона изменения вибрации в зависимости от частоты. При определении этих законов основываются на эквивалентности испытаний узко- и широкополосной случайной вибрацией. Такая эквивалентность, например, установлена при испытаниях на усталостную прочность, при которых требуется идентичность распределения максимумов и минимумов нагрузки при узко- и широкополосной вибрации. Идентичность имеет место в том случае, когда средняя частота f изменяется по логарифмическому закону, а среднеквадратичное значение виброускорения пропорционально квадратному корню частоты . Для удобства назначения режима испытаний вводят параметр γ, который называется градиентом ускорения:
где σ y - среднеквадратичное значение виброперегрузки (по ускорению в единицах g = 9,81 м×с 2) при узкополосном возбуждении. Если σ y должно быть пропорционально , то градиент ускорения при испытаниях на узкополосную вибрацию - постоянная величина.
Время испытаний при логарифмическом изменении частоты определяется как
где f y и f m - время проведения испытаний при узко- и широполос-ной вибрации; р - масштабный коэффициент; f в и f и - соответственно высшая и низшая частоты диапазона, в котором производится сканирование. Для воспроизведения условий широкополосной вибрации с равномерной спектральной плотностью S 0 в полосе частот f в и F н (рис. 2.25) градиент ускорения вычисляется по формуле
где к ср - средний коэффициент передачи вибросистемы;
H 0 (p) - ee передаточная функция.
Из выражений (2.52) и (2.53) видно, что режим испытания узкополосной вибрацией определяется коэффициентами р и q. Коэффициент q может изменяться от 1.14 (при простых испытаниях) до 3,3 (при ускоренных испытаниях).
Коэффициент р изменяется соответственно в пределах 0,65 - 0,025.
На рис. 2.25,а показаны спектральные плотности узкополосных и широкополосных вибраций. Наклон штриховой линии (tgα), определяющий скорость нарастания спектральной плотности при изменении средней частоты f, равен квадрату градиента ускорения.
Важной особенностью таких испытаний является возможность автоматического регулирования уровня вибрационных нагрузок (рис. 2.25,6).
Узкополосный случайный процесс с переменной по времени центральной частотой / получается с помощью генератора белого шума и сопровождающего фильтра, центральная частота которого изменяется приводом сканирования частоты (ПСЧ). Скорость вращения ПСЧ регулируется в широких пределах. Среднеквадратичное значение узкополосных вибраций на выходе вибросистемы стабилизируется с помощь*» системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Сигнал обратно! связи АРУ поступает с выхода виброметрической аппаратуры (ВА).
Приращению среднеквадратичного значения сигнала, пропорции нальному соответствует в логарифмическом масштабе наклон 3 дБ на октаву. Поэтому на выходе ВА (перед входом АРУ) включается фильтр, имеющий затухание 3 дБ на октаву. Это и обеспечивает постоянство градиента ускорения при сканировании средней частоты.
ОКТАВЫ И СКОРОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ
Октавы используются для определения разницы между двумя частотами. Например, разница между частотами 10 Гц и 500 Гц составляет 490 Гц. Октавы представляют эту разницу в логарифмическом масштабе.
Почти все из нас слышали, что понятие октавы используется в музыке. У пианино разница частот между двумя ближайшими нотами одного наименования как раз составляет октаву. Международной стандартной нотой для настройки музыкальных инструментов является нота ля, частота которой равна 440 Гц. Частота ноты октавой выше равна 880 Гц, а октавой ниже – 220 Гц. Таким образом, мы видим, что октава обладает свойством удваивания, другими словами это логарифмическое отношение.
Что бы определить количество октав между двумя частотами можно использовать следующую формулу:
где f н – нижняя частота, f в – верхняя частота.
При испытаниях скользящей синусоидой используется логарифмический масштаб изменения частоты. Это делается с целью обеспечения условий равного нагружения объекта испытаний на разных частотах. Так при частоте 10 Гц за 1секунду происходит 10 циклов колебаний. Эти же 10 циклов колебаний занимают одну сотую секунды при частоте 1000 Гц. Это значит, что для обеспечения равнонагруженного состояния (равного количества циклов колебаний) на разных частотах с увеличением частоты время колебаний на этой частоте должно уменьшаться.
Наиболее часто используется скорость изменения частоты 1 окт./мин. Если испытания начинаются с 10 Гц, то первую минуту будет пройден диапазон 10 Гц – 20 Гц, за следующую минуту - 20 Гц – 40 Гц и т.д. Для частотного диапазона 15 Гц – 1000 Гц количество октав равно 6.1. При скорости 1 октава в минуту время испытаний составит 6.1 минуты.
ЧТО ТАКОЕ СЛУЧАЙНАЯ ВИБРАЦИЯ?
Если мы возьмем конструкцию, состоящую из нескольких балок различной длины и начнем ее возбуждать скользящей синусоидой, то каждая балки будет интенсивно колебаться при возбуждении ее собственной частоты. Однако если мы возбудим эту же конструкцию широкополосным случайным сигналом, то мы увидим, что все балки начнут сильно раскачиваться, как будто в сигнале одновременно присутствуют все частоты. Это так и в то же время не так. Картина будет более реальной, если мы предположим, что в течение некоторого промежутка времени эти частотные компоненты присутствуют в сигнале возбуждения, но их уровень и фаза изменяются случайным образом. Время – вот ключевой момент в понимании случайного процесса. Теоретически мы должны учитывать бесконечный период времени, чтобы иметь истинный случайный сигнал. Если сигнал действительно случайный, то он никогда не повторяется.
Раньше для анализа случайного процесса применялась аппаратура на основе полосовых фильтров, которые выделяли и оценивали отдельные частотные составляющие. Современные анализаторы спектров используют алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). Случайный непрерывный сигнал измеряется и дискретизируется по времени. Затем для каждой временной точки сигнала вычисляется синусная и косинусная функции, которые определяют уровни частотных компонент сигнала, присутствующих в анализируемом периоде сигнала. Далее проводится измерение и анализ сигнала для следующего временного интервала и его результаты усредняются с результатами предыдущего анализа. Так повторяется до тех пор, пока не будет получено приемлемое усреднение. На практике число усреднений может колебаться от двух – трех до нескольких десятков и даже сотен.
На рисунке, представленном ниже, показано как сумма синусоид с различными частотами образуют сигнал сложной формы. Может показаться, что суммарный сигнал является случайным. Но это не так, потому что составляющие имеют постоянную амплитуду и и фазу и изменяются по синусоидальному закону. Таким образом, показанный процесс периодический, повторяющийся и предсказуемый.
В действительности случайный сигнал имеет составляющие, амплитуды и фазы которых изменяются случайным образом.
На рисунке ниже показан спектр суммарного сигнала. Каждая частотная составляющая суммарного сигнала имеет постоянную величину, но для истинно случайного сигнала величина каждой составляющей будет все время изменяться и спектральный анализ покажет усредненные по времени значения.
Частота, Гц
Алгоритм БПФ обрабатывает случайный сигнал в течение времени проведения анализа и определяет величину каждой частотной составляющей. Эти величины представляются среднеквадратическими значениями, которые затем возводятся в квадрат. Так как мы измеряем ускорение, то единицей измерения будет перегрузка gn скв, а после возведения в квадрат - gn 2 скв. Если частотное разрешение при анализе равно 1 Гц, то измеряемая величина будет выражаться как количество ускорения возведенного в квадрат в частотном диапазоне шириной 1Гц и единицей измерения будет gn 2 /Гц. При этом нужно помнить, что gn – это gn скв.
Единица gn 2 /Гц используется при вычислении спектральной плотности и по существу выражает среднюю мощность, заключенную в частотном диапазоне шириной 1 Гц. Из профиля испытаний случайной вибрацией мы можем определить суммарную мощность, сложив мощности каждого диапазона шириной 1 Гц. Профиль, показанный ниже, имеет всего три диапазона шириной 1 Гц, но рассматриваемый метод применим к любому профилю.
Спектральная плотность,
g скв 2 /Гц
Частота, Гц
(4 g 2 /Гц = 4g скв 2 в каждом диапазоне шириной 1 Гц)
Суммарное ускорение (перегрузку) gn скв профиля можно получить сложением, но так как значения являются среднеквадратическими, то они суммируются следующим образом:
Такой же результат можно получить используя более общую формулу:
Однако профили случайной вибрации, используемые в настоящее время, редко являются плоскими и больше похожи на горный массив в разрезе.
Спектральная плотность,
g скв 2 /Гц
(лог. шкала)
Частота, Гц (лог. шкала)
На первый взгляд определение суммарного ускорения gn показанного профиля задача довольно простая, и определяется как среднеквадратическая сумма значений четырех сегментов. Однако профиль показан в логарифмическом масштабе и наклонные прямые на самом деле не прямые. Эти линии являются экспоненциальными кривыми. Поэтому нам нужно вычислить площадь под кривыми, а это задача намного сложнее. Как это сделать, мы рассматривать не будем, но можно сказать, что суммарное ускорение равно 12.62 g скв.
Для чего нужно знать суммарное ускорение при случайной вибрации?
В режиме случайной вибрации вибрационная испытательная система имеет номинальную толкающую силу, которая выражается в Н скв или кгс скв. Заметьте, что сила определяется среднеквадратическим значением в отличие от синусоидальной вибрации, где используется амплитудное значение. Формула для определения силы такая же: F = m*a, но так как сила имеет среднеквадратическое значение, то и ускорение должно быть среднеквадратическим.
Сила (Н скв.) = масса (кг) * ускорение (м/с 2 скв.)
Сила (кгс скв.) = масса (кг) * ускорение (gn скв.)
Помните, что под массой понимается общая масса всех подвижных частей!
Что понимается под перемещением при случайной вибрации?
Для нас важно знать перемещение при заданном профиле испытаний, так как оно может превысить максимально допустимое перемещение вибратора. Не вдаваясь в подробности, мы знаем, как рассчитать суммарное среднеквадратическое ускорение и нет причин мешающих нам определить среднеквадратическую скорость и среднеквадратическое перемещение для данного профиля. Трудности появляются тогда, когда мы хотим перейти от среднеквадратического значения к амплитудному или к размаху. Давайте вспомним, что отношение амплитудного значения к среднеквадратическому называется пик-фактором, который для синусоидального сигнала равен корню квадратному из 2. Коэффициенты перехода от среднеквадратического значения к амплитудному и обратно равны соответственно 1.414 (2) и 0.707 (1/2). Однако мы имеем дело не с синусоидальным сигналом, а со случайным процессом, у которого теоретический пик-фактор равен бесконечности, так как амплитудное значение случайного сигнала может быть равно бесконечности. На практике значение пик-фактора принимают равным 3. На рисунке показана кривая нормального распределения случайного сигнала. По статистике, если ограничиться шириной интервала 3, то это охватит 99.73% всех возможных значений амплитуд истинного случайного сигнала.
Плотность вероятности
Кривая нормального распределения
Следовательно, если принять, что при пик-факторе равном трем контроллер случайной вибрации будет генерировать случайный сигнал с максимальной амплитудой в три раза превышающей среднеквадратическое значение, то из этого следует, что расчетное перемещение будет равно суммарному среднеквадратическому перемещению умноженному на значение пик-фактора и умноженному на 2. Это расчетное перемещение не должно превышать максимально допустимое перемещения вибратора.
Практические аспекты выбора значения пик-фактора
Мы можем сделать так, чтобы контроллер случайной вибрации генерировал сигнал с пик-фактором равным 3, который через вибратор будет передаваться испытываемому образцу. К сожалению и вибратор и образец являются существенно нелинейными системами и имеют резонансы. Эта нелинейность с резонансами будет вызывать искажения. В конечном итоге мы увидим, что пик-фактор, измеренный на столе вибратора или объекте испытаний, будет значительно отличаться от первоначально заданного! Контроллеры случайной вибрации не корректируют это автоматически.
Внеполосовая мощность
Необходимо обратить внимание на эффект, который может проявиться при возбуждении случайным сигналом образца, разработанного для эксплуатации в частотном диапазоне, например, до 1000 Гц. Генерируемый контроллером сигнал может возбудить резонансные частоты, лежащие намного выше частоты 1000 Гц. Эти частоты возбуждаются гармониками. Поэтому нелишне контролировать мощность сигнала выше диапазона испытаний, так как она может вызвать разрушение работоспособного в заданном диапазоне частот (в данном случае - до 1000 Гц) образца.
Узкополосная случайная вибрация
Толкающая сила вибраторов в режиме случайной вибрации измеряется при следующих условиях:
масса нагрузки примерно в два раза больше массы арматуры (подвижной части вибратора)
профиль испытаний соответствует стандарту ISO 5344
отношение амплитудного значения к среднеквадратическому значению ускорения не менее 3-х.
Вибрационные испытательные системы имеют нелинейную частотную характеристику (на одних частотах их эффективность выше, на других ниже), и случайный процесс на частотах ниже 500 Гц воспроизводится с меньшей эффективностью. В этом случае усилителю может не хватить мощности, чтобы создать необходимую толкающую силу. Выбор более мощного усилителя решит эту проблему.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ
Наиболее часто используемые единицы измерения плотности спектра мощности следующие:
gn²/Гц | ||||
(м/с²)²/Гц | ||||
gn/ Ö Гц |
В любом случае нужно помнить, что ускорение выражается в среднеквадратических значениях.
Чтобы преобразовать единицы измерений:
g²/Гц в м²/с³ | умножить на 9.80665² | т.е.´ 96.1703842 |
м²/с³ в g²/Гц | разделить на 9.80665² | т.е.¸ 96.1703842 |
g/ Ö Гц в g²/Гц | возвести в квадрат g/ Ö Гц | т.е. (g/ Ö Hz)² |
g²/Гц в g/ Ö Гц | извлечь кв. корень из g²/Hz | т.е. Ö (g²/Hz) |
КАК ВЛИЯЕТ ВИБРАЦИЯ НА МОЮ ПРОДУКЦИЮ?
Вся продукция подвергается действию вибрации, о которой мы в большинстве случаев мало что знаем. Причиной вибрации являются условия эксплуатации продукции, ее транспортировка или сама продукция. Например, электронные компоненты стиральной машины подвергаются действию сильной вибрации. Нам необходимо понимать последствия действия вибрации, чтобы это помогло создавать продукцию высокого качества и надежности.
Если мы рассмотрим автомобильную магнитолу, установленную на приборной панели, то она подвергается действию вибрации. Источниками вибрации являются двигатель, трансмиссия, профиль дороги. Диапазон частот вибрации обычно лежит в пределах 1 Гц – 1000 Гц. Например, скорость вращения двигателя 3000 об./мин соответствует частоте 50 Гц. Эта вибрация передается на панель приборов даже если двигатель установлен на виброизолирующие опоры, которые теоретически не должны пропускать вибрацию на кузов автомобиля. Итак, у нас есть источник вибрации, который возбуждает панель приборов и автомагнитолу.
Приборная панель
Вибрация
Вибрация, создаваемая источником, может быть небольшая, но к моменту достижения магнитолы уровень вибрации может значительно увеличиться за счет резонансов кузова автомобиля и приборной панели.
Резонанс
Хорошим примером резонанса является звук, издаваемый бокалом, если водить мокрым пальцем по его краю. Стенки бокала начинают колебаться на собственной частоте. Эти колебания вызывают звуковые волны, которые мы слышим. Сами колебания вызываются трением пальца о стекло. Известна история об оперном певце, который своим голосом разбил бокал. Если частота звуковых колебаний совпадет с собственной частотой колебаний стенок бокала, колебания могут стать такими интенсивными, что стекло лопнет.
Край фужера при резонансе
Резонансной частотой предмета является частота, на которой предмет будет колебаться естественным путем, если его вывести из состояния равновесия. Например, при щипке гитарной струны она будет колебаться на резонансной частоте, колокол после удара также будет колебаться на резонансной частоте.
Балка при резонансе
воздействие
Усиление = 20
На рисунке показано как резонанс усиливает колебания. В этом примере возбуждающее перемещение амплитудой 1 мм вызывает колебания балки амплитудой 20 мм, величина которой в определенной степени зависит и от добротности балки. Чрезмерный изгиб балки может привести к ее усталостному разрушению.
Острота резонанса, известная как добротность (критерий качества), определяется величиной демпфирования. Влияние демпфирования можно услышать, прикоснувшись рукой к звучащему колоколу: рука будет демпфировать его вибрацию, т.е. амплитуду колебаний и звук колокола изменится и быстро затухнет.
На рисунке ниже показан резонансный пик на частоте f. Чем больше демпфирование, тем ниже и шире резонансный пик. Демпфирование выражается через добротность Q, которая определяет ширину резонансной кривой по уровню половинной мощности (А/2) или уровню –3 дБ от А, где А – максимальная амплитуда. (-3 дБ величина округленная, точное значение равно –3.0102299957 дБ).
Уровень
Частота
Как резонанс влияет на автомагнитолу?
Ослабление кожуха (дребезг)
Излом кабеля
Удар
Приборная панель
Повреждение
платы
Эта картинка иллюстрирует:
Плохо закрепленная печатная плата будет изгибаться и со временем треснет или сломается.
При резонансе печатной платы она передает высокие уровни колебаний электронным компонентам, которые могут преждевременно выйти из строя.
Кабели и провода могут со временем переломиться в точке крепления к плате из-за усталостных напряжений.
Если все устройство не будет тщательно закреплено, оно может ударяться о другие элементы приборной панели, вызывая раздражающее дребезжание, но что более опасно, подвергать ударным нагрузкам электронные компоненты и вызывать их резонансные колебания.
Так как в автомагнитоле есть кассетный магнитофон, то вибрация лентопротяжного механизма может вызвать завывание и дребезжание звука, повреждение пленки.
ИЗОЛЯЦИЯ ВИБРАТОРА
При работе в вертикальном положении вибратор создает толкающее усилие, направленное вертикально. Согласно третьему закону Ньютона каждое действие вызывает противодействие. Из этого следует, что прикладывая силу к нашему объекту испытаний мы воздействуем такой же силой на пол.
Объект испытаний
Сила
Так как большинство зданий имеют собственную частоту порядка 15 Гц, то возбуждаются резонансные частоты не только предметов, окружающие вибратор, но и резонансные частоты здания, а это в некоторых случаях может привести к повреждению здания.
Чтобы такая проблема не возникла можно применить сейсмическую массу – обычно большой бетонный блок, вес которого должен быть не менее, чем в 10 раз больше максимальной толкающей силы, развиваемой вибратором,
или использовать некоторые другие методы изоляции, такие как пневматические опоры, или опоры из резины.
Арматура
Перемещение арматуры
Пневмопружина
Перемещение корпуса
Большинство вибраторов поставляются с элементами виброизоляции. Однако при этом возникает другая проблема, связанная с движением корпуса вибратора. Из-за того, что корпус вибратора изолирован от пола с помощью "пружин", при движении арматуры вибратора с нагрузкой вверх, корпус вибратора стремиться двигаться вниз. Перемещение корпуса вибратора уменьшает перемещение стола вибратора относительно пола и, следовательно, ускорение стола, которое имеет абсолютное значение. Величина перемещения корпуса связана с отношением общей подвижной массы к массе корпуса вибратора. Чем тяжелее полезная нагрузка, тем больше перемещение корпуса. Максимальное перемещение стола относительно пола можно определить по следующей формуле:
К сожалению, виброизоляторы имеют резонансы на частотах 2.5 Гц, 5 Гц, 10 Гц или 15 Гц в зависимости от типа изолятора. Если вибратор работает большим с перемещением на частоте резонанса изолятора, то приведенная формула не имеет смысла, так как объект испытаний будет оставаться неподвижным, в то время как корпус вибратора будет двигаться.
ОПРОКИДЫВАЮЩИЙ МОМЕНТ
Существует правило, согласно которому центр тяжести объекта испытаний и оснастки следует размещать на продольной оси арматуры. Если это правило не соблюдать, то можно:
перегрузить объект испытаний
повредить вибратор
Конструкция вибратора обеспечивает передачу толкающего усилия вдоль оси арматуры, поэтому смещение полезной нагрузки и оснастки от продольной оси вызывает "опрокидывание" арматуры. Это опрокидывающее движение воспринимается направляющими арматуры и нагружает их, что, в крайнем случае, может привести к повреждению подшипников направляющих и подвижной катушки. Объект испытаний также подвергается воздействию поперечных нагрузок, которые не предусмотрены режимами испытаний. Если оснастка недостаточно жесткая, у нее возможен резонанс в поперечном направлении, при котором на объект испытаний действует значительная неконтролируемая вибрация. Например, при поперечном ускорении 5g, вызванном смещением нагрузки и оснастки, имеющей добротность на частоте резонанса Q=50, объект испытаний на этой частоте будет иметь ускорение 250g!
Контроль
Для предупреждения такой ситуации хорошим правилом является контроль поперечного ускорения. В тех случаях, когда поперечным ускорением нельзя пренебречь, можно в рамках стратегии управления уменьшить перемещение в вертикальном направлении, чтобы не перегрузить объект испытаний. Такой метод используется при многоканальном управлении, когда управляющий сигнал формируется по реакции испытываемого объекта в нескольких точках.
Если ваша оснастка жесткая, тщательно спроектирована и изготовлена, центры тяжести оснастки и объекта испытаний лежат на продольной оси стола вибратора, то опрокидывающий момент будет минимальным и его можно не учитывать.
Примечание . При вибрации сложной конструкции положение ее центра тяжести может зависеть от частоты возбуждения, поэтому на разных частотах положение центра тяжести будет другим.
ДокументВ вокальных партиях Ричард нередко использовал, скорее, ... , барабанщик Джинджер Бейкер , пианист Джонни... еще во введении , рок подразделяется... незамысловатые сценки полугероического содержания . Адам Энт, ... нотами, особой крупной вибрацией в конце фразы, ...
Широкое распространение получили методы испытаний случайной узкополосной вибрацией с переменной во времени средней частотой. Они имеют следующие преимущества:
1) возможность получения значительных уровней нагрузки с помощью менее мощного оборудования;
2) возможность применения более простой аппаратуры управления, требующей менее квалифицированного персонала.
Рис. 8. Схема управления испытаниями на узкополосную случайную вибрацию: а - спектральные плотности узкополосной и широкополосной вибрации, б - структурная схема системы: 1 - привод сканирования частоты, 2 - виброметрическая аппаратура, 3 - датчик, 4 - испытуемое изделие, 5 - вибровозбудитель, 6 - усилитель мощности; 7 - автоматический регулятор усиления, 8 - сопровождающий фильтр; 9 - генератор белого шума
Основными задачами являются определение закона изменения средней частоты во времени и закона изменения вибрации в зависимости от частоты. При определении этих законов руководствуются соображениями некоторой эквивалентности испытаний на узко- и широкополосные случайные вибрации. Она установлена, например, для испытаний на усталостную прочность, при которых требуется идентичность распределения максимумов и минимумов нагрузки при узко- и широкополосных вибрациях . Установлено
где среднеквадратичное значение виброперегрузки (по ускорению в единицах при узкополосном возбуждении. Если должно быть пропорционально VI, то градиент ускорения при испытаниях на узкопсйосную вибрацию - постоянная величина. Время испытаний при логарифмическом изменении частоты
Соответственно высшая и низшая частоты диапазона, в котором производится сканирование; время проведения испытаний при узко- и широкополосной вибрации; масштабный коэффициент.
Для воспроизведения условий, возникающих при широкополосной вибрации с равномерной спектральной плотностью в полосе частот (см. рис. 8, а), градиент ускорения вычисляют по формуле
где На средний коэффициент передачи вибросистемы; ее передаточная функция.
В соответствии с (18) и (19) режим испытаний на узкополосную вибрацию определяется коэффициентами Коэффициент может изменяться от 1,14 (при простых испытаниях) до 3,3 (при ускоренных испытаниях). Коэффициент изменяется соответственно в пределах
На рис. 8, а показаны спектральные плотности узкополосных и широкополосных вибраций. Наклон штриховой линии определяющий скорость нарастания спектральной плотности при изменении средней частоты равен квадрату градиента ускорения.
Известно большое число промышленных систем автоматизации испытании на узкополосную случайную вибрацию . Они построены по схеме, показанной на рис. 8, б. Узкополосный случайный процесс с переменной во времени центральной частотой получается с помощью генератора белого шума и сопровождающего фильтра, центральная частота которого изменяется приводом сканировании частоты Скорость вращения регулируется в широких пределах. Среднеквадратичное значение узкополосных вибраций на выходе вибросистемы стабилизируется с помощью системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Сигнал обратной свизи АРУ поступает с выхода виброметрической аппаратуры
При испытаниях на воздействие вибрации наибольшее распространение получили следующие методы проведения испытаний:
Метод фиксированной частоты синусоидальной вибрации;
Метод качающейся частоты;
Метод широкополосной случайной вибрации;
Метод узкополосной случайной вибрации.
Иногда в лабораторных условиях проводят испытания на воздействия реальной вибрации.
Испытания методом фиксированных частот синусоидальной вибрации проводят путем установки заданных значений параметров вибрации на фиксированной частоте. Испытания могут осуществляться:
На одной фиксированной частоте;
На ряде частот механического резонанса;
На ряде частот, заданных в рабочем диапазоне.
Испытания на одной фиксированной частоте f(i) в течение заданного времени t п с определенной амплитудой ускорения (перемещения) малоэффективны. Т.к. вероятность того, что изделие в процессе эксплуатации или транспортировки подвергается воздействию вибрации на одной частоте, очень мала. Данный вид испытаний проводится в процессе производства для выявления некачественных паянных и резьбовых соединений, а также других дефектов производства.
Испытания методом фиксированных частот на частотах механического резонанса. Испытуемые изделия требуют предварительного определения этих частот. Испытуемое изделие последовательно подвергают воздействию вибрации на частотах резонанса, выдерживая его в каждом режиме в течение некоторого времени. Достоинством этого метода является то, что испытания проводятся на частотах, наиболее опасных для испытуемого ЭС. Недостатком является сложность автоматизации процесса испытаний, поскольку в процессе испытаний резонансные частоты могут несколько изменяться.
Испытания на ряде заданных в рабочем диапазоне частот целесообразно проводить для снятия характеристик изделия по точкам диапазона частот эксплуатации. Теоретически интервал между двумя соседними частотами выбирается не больше ширины резонансной характеристики конструктивного элемента. Это делается для того, чтобы не пропустить возможное возникновение резонанса. В случае обнаружения резонансных частот или частот, на которых наблюдается ухудшение контролируемых параметров изделия, рекомендуется дополнительная выдержка на этой частоте для уточнения и выявления причин несоответствия.
Испытания методом качающейся частоты осуществляются непрерывным изменением частоты вибрации в сторону ее увеличения, а затем уменьшения. Основными параметрами, характеризующими метод качающейся частоты, являются:
Время одного цикла качания Т ц;
Скорость качания n к;
Продолжительность испытаний Т п.
Важным показателем метода качающейся частоты является скорость качания частоты. Исходя из того, что диапазон высоких частот вибрации (1000…5000 Гц) значительно шире диапазона низких частот вибрации (20…1000 Гц), следует, что при качании частоты с постоянной скоростью в пределах рабочего диапазона область низких частот будет проходить за меньшее время, чем высокочастотная область. В результате обнаружение резонансов в низких частотах будет затруднено. Поэтому обычно изменение частоты в пределах диапазона рабочих частот осуществляется по экспоненциальному закону.
f в =f 1 ×e kt , (3)
где f в – частота вибрации в момент времени t, Гц; f 1 – нижняя частота рабочего диапазона, Гц; k– показатель степени, характеризующий скорость качания.
При выборе большой скорости качания оценка свойств испытуемого ЭС будет проводиться с большими погрешностями, т.к. амплитуда резонансных колебаний изделия достигнет меньших значений, чем при малой скорости, а также возможны пропуски (необнаружения) резонансов. При выборе малой скорости качания длительное прохождение диапазона рабочих частот может вызвать повреждение испытуемого изделия на резонансных частотах и увеличение длительности испытаний. Скорость изменения частоты должна быть такой, чтобы время изменения частоты в резонансной полосе частот t D f было не меньше времени нарастания амплитуды вибрации изделия при резонансе до установившегося значения t нар и времени окончательного установления подвижной части измерительного или регистрирующего прибора t y . Т.е. скорость изменения частоты будет ограничена следующими условиями:
t D f > t нар, (4)
t D f > t y .
Время нарастания амплитуды вибрации при резонансе до установившегося значения может быть приближенно рассчитано по формуле:
t нар =k 1 ×Q/f 0 , (5)
где f 0 – резонансная частота, Гц; Q - добротность изделия; k 1 – коэффициент, учитывающий увеличение времени нарастания амплитуды до установившегося значения в результате отклонения изменений амплитуды от линейного закона.
С учетом всего вышесказанного скорость изменения частоты считают по формуле:
n к =2000×lg(2×Q+1/2×Q)/t D f , (6)
где t D f - выбирают в соответствии с условиями (4). Если найденная по формуле скорость изменения частоты превышает 2 октавы/с, то ее принимают все равно 2 октавы/с – это предельно максимальная скорость изменения частоты.
Испытания методом широкополосной случайной вибрации. В этом случае реализуется одновременное возбуждение всех резонансов испытуемого изделия, что позволяет выявить их совместное влияние. Ужесточение условий испытаний за счет одновременного возбуждения резонансных частот сокращает время проведения испытаний, по сравнению с методом качающейся частоты.
Степень жесткости испытаний методом широкополосной случайной вибрации определяется сочетанием следующих параметров:
Диапазоном частот;
Спектральной плотностью ускорения;
Продолжительностью испытания.
Степени жестокости приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1
К достоинствам этого метода можно отнести:
Близость к механическим воздействиям при реальной эксплуатации;
Возможность выявления всех эффектов механического воздействия различных элементов конструкции;
Наименьшую продолжительность проведения испытаний.
К недостаткам относится высокая стоимость и сложность испытуемого оборудования.
Испытания методом узкополосной случайной вибрации. Этот метод еще называется методом случайной вибрации со сканированием полосы частот. Случайная вибрация в этом случае возбуждается в узкой полосе частот, центральная частота которой по экспоненциальному закону медленно сканирует по диапазону частот в процессе испытания.
В этом методе реализовано компромиссное решение методов испытаний широкополосным сигналом и синусоидальным сигналом с качающейся частотой.
Для обеспечения эквивалентности испытания методом воздействия случайной вибрации со сканированием полосы частот и испытанием на воздействие широкополосной случайной вибрации необходимо выполнение следующего условия:
g=s/(2×pi×f) 1/2 =const, (7)
где g – градиент ускорений, g×с 1/2 ; s – среднеквадратичное ускорение вибрации в узкой полосе частот, измеренное в контрольной точке, g; f – центральная частота полосы.
Степень жесткости испытаний в этом случае определяется сочетанием следующих параметров:
Диапазона частот;
Ширины сканирующей полосы частот;
Градиента ускорений;
Длительности испытаний.
Значение градиента ускорений находят по формуле:
g=0.22×S(f) 1/2 , (8)
где S(f) – спектральная плотность ускорения вибрации при испытании методом широкополосной случайной вибрации.
Похожая информация.
Спектральный анализ – это метод обработки сигналов, который позволяет выявить частотный состав сигнала. Известны методы обработки вибрационного сигнала: корреляционный, автокорреляционный, спектральной мощности, кепстральных характеристик, расчета эксцесса, огибающей. Наибольшее распространение получил спектральный анализ, как метод представления информации, из-за однозначной идентификации повреждений и понятных кинематических зависимостей между происходящими процессами и спектрами вибрации.
Наглядное представление о составе спектра дает графическое изображение вибрационного сигнала в виде спектрограмм. Выявление картины амплитуд, составляющих вибрации позволяет идентифицировать неисправности оборудования. Анализ спектрограмм виброускорения позволяет распознать повреждения на ранней стадии. Спектрограммы виброскорости используются при мониторинге развитых повреждений. Поиск повреждений проводится на заранее определенных частотах возможных повреждений. Для анализа вибрационного спектра, выделяются основные составляющие спектрального сигнала из следующего перечня.
- Оборотная частота
– частота вращения приводного вала механизма или частота рабочего процесса – первая гармоника. Гармоники – частоты кратные оборотной частоте (), превышающие оборотную частоту в целое число раз (2, 3, 4, 5, …). Часто гармоники называют супергармониками. Гармоники характеризуют неисправности: несоосность, изгиб вала, повреждения соединительной муфты, износ посадочных мест. Количество и амплитуда гармоник показывают степень повреждения механизма.
Основные причины появления гармоник:
- дисбаланс вибрация неуравновешенного ротора проявляется в виде синусоидальных колебаний с частотой вращения ротора, изменение частоты вращения приводит к изменению амплитуды колебаний в квадратичной зависимости;
- изгиб вала, несоосность валов – определяются по повышенным амплитудам чётных гармоник 2-й или 4-й, проявляются в радиальном и осевом направлениях;
- проворот подшипникового кольца на валу или в корпусе может привести к появлению нечётных гармоник – 3-й или 5-й.
- Субгармоники
– дробные части первой гармоники (1/2, 1/3, 1/4, …оборотной частоты вращения), их появление в спектре вибрации свидетельствует о наличии зазоров, повышенной податливости деталей и опор (). Иногда повышенная податливость, зазоры в узлах приводят к появлению полуторных гармоник 1½, 2½, 3½….оборотной частоты ().
- Резонансные частоты
– частоты собственных колебаний деталей механизма. Резонансные частоты остаются неизменными при изменении частоты вращения вала ().
- Негармонические колебания
– на данных частотах проявляются повреждения подшипников качения. В спектре колебаний появляются составляющие с частотой возможных повреждений подшипника ():
- повреждения наружного кольца f нк = 0,5 × z × f вр × (1 – d × cos β / D) ;
- повреждения внутреннего кольца f вк = 0,5 × z × f вр × (1 + d × cos β / D) ;
- повреждения тел качения f тк = (D × f вр / d) × ;
- повреждения сепаратора f с = 0,5 × f вр × (1 – d × cos β / D) ,
где f вр – частота вращения вала; z число тел качения; d – диаметр тел качения; β – угол контакта (соприкосновения тел качения и беговой дорожки); D – диаметр окружности, проходящей через центры тел качения ().
При значительном развитии повреждения появляются гармонические составляющие. Степень повреждения подшипника определяется числом гармоник определенного повреждения.
Повреждения подшипников качения приводят к появлению большого количества составляющих в спектре виброускорения в районе собственных частот подшипников 2000…4000 Гц ().
- Зубцовые частоты
– частоты равные произведению частоты вращения вала на число элементов (число зубьев, число лопастей, число пальцев):
f повр = z × f вр ,
где z – число зубьев колеса либо число лопаток.
Повреждения, проявляемые на зубцовой частоте, могут генерировать гармонические составляющие при дальнейшем развитии повреждения ().
- Боковые полосы
– модуляция процесса, появляются при развитии повреждений зубчатых колес, подшипников качения. Причин появления – изменение скорости при взаимодействии поврежденных поверхностей. Значение модуляции указывает на источник возбуждения колебаний. Анализ модуляций позволяет узнать происхождение и степень развития повреждения (рисунок 110).
- Вибрация электрического происхождения
обычно наблюдается на частоте 50 Гц, 100 Гц, 150 Гц и других гармониках (). Частота вибрация электромагнитного происхождения исчезает в спектре при отключении электрической энергии. Причина повреждения может быть связана с механическими повреждениями, например, ослаблением резьбовых соединений крепления статора к раме.
- Шумовые составляющие
, возникают при заеданиях, механических контактах или нестабильной частоте вращения. Характеризуются большим числом составляющих различной амплитуды ().
При наличии знаний о составляющих спектра появляется возможность различения их в частотном спектре и определения причин и следствий повреждения ().
|
(а) |
(б) |
|
(в) |
(г) |
а) спектрограмма виброскорости механизма, имеющего дисбаланс ротора и частоту первой гармоники 10 Гц; б) спектр виброскости подшипника качения с повреждениями наружного кольца – появление гармоник с частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу; в) спектрограмма виброускорения соответствующая повреждениям подшипников качения шпинделя вертикально-фрезерного станка – резонансные составляющие на частотах 7000…9500 Гц; г) спектрограмма виброускорения при схватывании второго рода, детали обрабатываемой на металлорежущем станке
Правила анализа спектральных составляющих
- Большие число гармоник характеризует большие повреждения механизма.
- Амплитуды гармоник должны уменьшаться с увеличением числа гармоники.
- Амплитуды субгармоник должны быть меньше амплитуды первой гармоники.
- Увеличение числа боковых полос свидетельствует о развитии повреждения.
- Большее значение должна иметь амплитуда первой гармоники.
- Глубина модуляции (отношение амплитуды гармоники к амплитуде боковых полос) определяет степень повреждения механизма.
- Амплитуды составляющих виброскорости не должны превышать допустимых значений, принятых при анализе общего уровня вибрации. Одним из признаков наличия значительных повреждений является присутствие в спектре виброускорения составляющих со значениями свыше 9,8 м/с 2 .
Для эффективного мониторинга технического состояния необходим ежеме-сячный контроль спектрального анализа составляющих виброскорости. В истории развития повреждений существует несколько этапов:
|
(а) |
(б) |
|
(в) |
(г) |
а) хорошее состояние; б) начальная неуравновешенность; в) средний уровень повреждений; г) значительные повреждения
Одним из характерных повреждений механизма после длительной эксплуатации (10…15 лет) является непараллельность опорных поверхностей корпуса машины и фундамента, при этом вес машины распределяется на три или две опоры. Спектр виброскорости в этом случае содержит гармонические составляющие с амплитудой более 4,5 мм/с и полуторные гармоники. Повреждение приводит к повышенной податливости корпуса в одном из направлений и нестабильности фазового угла при балансировке. Поэтому, не параллельность опор корпуса машины и фундамента, ослабление резьбовых соединений, износ посадочных мест подшипников, повышенный осевой люфт подшипников перед балансировкой ротора необходимо устранить.
Варианты появления и развития полуторных гармоник представлены на рисунке 115. Малая амплитуда полуторной гармоники характерна для ранней стадии развития данного повреждения ( а). Дальнейшее развитие может проходить двумя путями:
Необходимость ремонта возникает в том случае, если амплитуда полуторной гармоники превышает амплитуду оборотной частоты ( г).
|
(а) |
(б) |
|
(в) |
(г) |
а) ранняя стадия развития повреждения – малая амплитуда полуторной гармоники; б) развитие повреждения – увеличение амплитуды полуторной гармоники;
в) развитие повреждения – появление гармоник 1¼, 1½, 1¾ и др.;
г) необходимость ремонта – амплитуда полуторной гармоники превышает
амплитуду оборотной частоты
Для подшипников качения также можно выделить характерные спектрограммы виброускорения, связанные с различной степенью повреждения (рисунок 116). Исправное состояние характеризуется наличием незначительных по амплитуде составляющих в низкочастотной области исследуемого спектра 10…4000 Гц ( а). Начальная стадия повреждений имеет несколько составляющих с амплитудой 3,0…6,0 м/с 2 в средней части спектра ( б). Средний уровень повреждений связан с образованием «энергетического горба» в диапазоне 2…4 кГц с пиковыми значениями 5,0…7,0 м/с 2 ( в). Значительные повреждения приводят к увеличению амплитудных значений составляющих «энергетического горба» свыше 10 м/с 2 ( г). Замену подшипника следует проводить после начала снижения значений пиковых составляющих. При этом меняется характер трения – в подшипнике качения появляется трение скольжения, тела качения начинают проскальзывать относительно беговой дорожки.
|
(а) |
(б) |
|
(в) |
(г) |
а) хорошее состояние; б) начальная стадия; в) средний уровень повреждений;
г) значительные повреждения
Анализ огибающей
Работа подшипников качения характеризуется постоянным генерированием шума и вибрации в широкополосном частотном диапазоне. Новые подшипники генерируют слабый шум и практически незаметные механические колебания. По мере износа подшипника в вибрационных процессах начинают проявляться так называемые подшипниковые тоны, амплитуда которых растет по мере развития дефектов. В итоге вибрационный сигнал, генерируемый дефектным подшипником, можно представить, с некоторым приближением, как случайный амплитудно-модулированный процесс ().
Форма огибающей и глубина модуляции являются весьма чувствительными показателями технического состояния подшипника качения и поэтому положены в основу анализа. В качестве меры технического состояния в некоторых программах используется коэффициент амплитудной модуляции:
K m = (U p,max – U p,min) / (U p,max + U p,min) .
В начале развития дефектов на «шумовом фоне» начинают появляться под-шипниковые тоны, которые возрастают по мере развития дефектов приблизительно на 20 дБ относительно уровня «шумового фона». На более поздних стадиях развития дефекта, когда он принимает серьезный характер, уровень шумов начинает возрастать и достигает при недопустимом техническом состоянии величины подшипниковых тонов.
Высокочастотная, шумовая часть сигнала меняет свою амплитуду во времени модулируется низкочастотным сигналом. В этом модулирующем сигнале содержится и информация о состоянии подшипника. Наилучшие результаты этот метод даёт в том случае, если анализировать модуляцию не широкополосного сигнала, а предварительно осуществить полосовую фильтрацию вибросигнала в диапазоне примерно 6…18 кГц и анализировать модуляцию этого сигнала. Для этого отфильтрованный сигнал детектируется выделяется модулирующий сигнал, который подаётся на узкополосный спектроанализатор где формируется спектр огибающей.
Небольшие дефекты подшипника не в состоянии вызвать заметные вибрации в области низких и средних частот, генерируемых подшипником. В тоже время для модуляции высокочастотных вибрационных шумов энергии возникающих ударов оказывается вполне достаточно метод обладает очень высокой чувствительностью.
Спектр огибающей имеет всегда очень характерный вид. При отсутствии дефектов он представляет собой почти горизонтальную, слегка волнистую линию. При появлении дефектов, над уровнем этой достаточно гладкой линии сплошного фона начинают возвышаться дискретные составляющие, частоты которых просчитываются по кинематике и оборотам подшипника. Частотный состав спектра огибающей позволяет идентифицировать наличие дефектов, а превышение соответствующих составляющих над фоном однозначно характеризует глубину каждого дефекта.
При диагностике подшипника качения по огибающей удается идентифицировать отдельные неисправности. Частоты спектра огибающей вибрации, на которых обнаруживаются неисправности, совпадают с частотами спектров вибрации. При измерении с использованием огибающей необходимо вводить в прибор величину несущей частоты и проводить фильтрацию сигнала (ширина пропускания не более 1/3 октавы).
Вопросы для самостоятельного контроля
- Для каких целей диагностирования используется спектральный анализ?
- Как определить оборотную частоту и гармоники?
- В каких случаях в спектре вибрации появляются субгармоники?
- Каким свойством обладают резонансные частоты?
- На каких частотах проявляются повреждения подшипников качения?
- Какие признаки соответствуют повреждениям зубчатых передач?
- Что такое модуляция вибрационного сигнала?
- Какие признаки выделяют вибрации электрического происхождения?
- Как меняется характер спектральных картин при развитии повреждения?
- В каких случаях используется анализ огибающей?
