Основы виброакустической диагностики

Сущность виброакустических методов диагностики заключается в следующем.

Во время работы машины движение деталей сопровождается их соударениями, в результате которых по механизмам распространяются упругие колебания. Эти колебания называют структурным шумом в отличие от воздушного шума, который возбуждается механизмами в окружающей среде. По мере изнашивания механизмов или при возникновении в них каких-либо дефектов нарушаются запроектированные кинематические связи между деталями, вследствие чего характер шума и вибрации изменяется. Это свойство используют для оценки технического состояния объектов по параметрам шума и вибрации.

Сигналы, возбуждаемые колебаниями работающих механизмов, носят импульсный характер. Причем энергия акустического сигнала возрастает с увеличением зазора между соударяющимися деталями. Поэтому амплитуда виброакустического сигнала может достаточно точно характеризовать состояние кинематической пары. Сигналы воспринимаются специальными датчиками, устанавливаемыми для этой цели на корпусе узла или агрегата, причем датчик воспринимает результирующие колебания, порождаемые всеми элементами системы. Для оценки каждого элемента в отдельности необходимо такое разделение сигнала на составляющие, при котором каждая из них характеризовала бы техническое состояние определенного элемента или одной кинематической пары.

Известно несколько способов разделения сигналов: амплитудный, временной и частотный.

При амплитудном разделении в получаемой амплитуде вибраций необходимо знать соотношение полезного сигнала, идущего от интересующего нас элемента или кинематической пары, и сигналов помех, поступающих от других элементов системы. Чем больше отношение величины полезного сигнала к значениям сигналов помех, тем точнее результат измерения. С этой целью датчик устанавливают в том местс, где амплитуда полезного сигнала получается наибольшей.

При временном разделении сигналов системы исходят из положения, что моменты их появления отличаются друг от друга па определенную величину времени. Например, сигналы, возникающие в верхней и нижней головках шатуна, чередуются в строгой последовательности с определенными промежутками времени между ними, определяемыми кинематикой указанного механизма и частотой вращения коленчатого вала.

Для частотного разделения сигналов необходимо знать частоту или период следования каждого из них. Частоты следования импульсов от соударений различных элементов, как правило, отличаются друг от друга. Например, энергия колебательного процесса от перекладки поршня в зазоре у двигателя СМД-14 находится в диапазоне 500—4000 Гц, а энергия от ударов поршневых колец о канавки поршня — в диапазоне 10 000—14 000 Гц.

Разложение сложного колебания на его составляющие называют спектральным разложением или спектральным анализом. Сущность его заключается в том, что из общего колебательного процесса, порождаемого всеми элементами системы, поочередно выделяются полосы спектров колебаний с последующим определением энергии вибрации в каждой выделенной полосе. Разложение сложного колебания на составляющие проводится с помощью специальной электронной аппаратуры — анализаторов спектра.

В качестве приемников вибраций обычно используют пьезоэлектрические датчики ускорений, преобразующие механические колебания элементов системы в электрические сигналы. В этих датчиках преобразование неэлектрической энергии в электрическую основано на появлении электрических зарядов на гранях некоторых кристаллических тел при воздействии на них механических сил. К таким телам относятся кристаллы кварца Si02, сегнетовой соли NaKC4H4Oe • 4Н20, дигидрофосфата аммония Н4Н2Р04, а также керамические сплавы, в частности титанат бария BaTi03 и др.

Временное разделение сигналов называют стробированием. Стробатор — прибор, пропускающий через себя сигнал только в определенные промежутки времени. Сигналы, идущие вне этих промежутков, подавляются. При временном разделении сигналов полезный сигнал с датчика ускорения вибрации подается на усилитель, откуда после усиления поступает в стробатор, а затем в регистрирующее устройство. Стробатор обеспечивает подключение усилителя к регистрирующему устройству в определенные моменты времени, определяемые относительно какого-либо опорного события, происходящего в механизме (например, относительно момента достижения поршнем верхней мертвой точки).

Так как после каждого соударения деталей возбуждаются упругие колебания, которые в большинстве случаев не успевают затухать до нового соударения, то сигналы накладываются друг на друга во времени, и стробатор не может их разделить. Тем не менее он позволяет существенно повысить долю энергии полезного сигнала данной кинематической пары.

Приближенную оценку состояния системы можно проводить по замеренным в ее отдельных точках общим уровням вибраций в долях ускорения силы тяжести g (9,81 м/с2) или в децибеллах (дБ). Для измерения общего уровня вибрации применяют пьезоэлектрический измеритель ускорений ПИУ-1М с пьезоэлектрическим датчиком ускорений ПДУ-1 или ИС-313. Шкала прибора проградуирована в долях g. Для записи общих уровней вибрации во времени к прибору ПИУ-1М подключают осциллограф Н-102.

Для оценки технического состояния отдельных элементов системы но вибрационным колебаниям необходимо сделать спектральный анализ этих колебаний, после которого можно выявить их причины, а также определить, в каких диапазонах частот изменяется энергия вибрации в зависимости от параметров состояния проверяемого сопряжения.

Оценивать техническое состояние отдельных элементов по вибрационным характеристикам можно при помощи целого комплекса электронных приборов, соединенных в общую блок-схему.

К аппаратуре для анализа вибраций предъявляются высокие требования. Сюда относятся: соблюдение заданного температурного режима работы аппаратуры, надежная экранизация соединительных кабелей от помех, стабильность характеристик блок-схемы во времени и их прямолинейность на всем диапазоне частот, быстрый прогрев аппаратуры до рабочих режимов и др. Техническое состояние элементов машины по виброакустическим параметрам следует проверять на таких режимах работы, при которых характеристики процессов проявлялись бы в наиболее чистом виде, с наименьшим влиянием помех со стороны непроверяемых сопряжений. Например, для уменьшения сигналов помех при проверке состояния деталей кривошипно-шатунного механизма в каком-либо цилиндре рекомендуется на время проверки выключать из работы соседние цилиндры.

Как показывает анализ научно-исследовательских работ, методы виброакустической диагностики до сих пор окончательно не разработаны. Сложность здесь заключается в отсутствии надежных методов разделения полезных сигналов и сигналов помех, порождаемых различными элементами контролируемой системы. В этом направлении еще предстоит провести значительные теоретические и экспериментальные исследования.