Колебания. Вибрация. Волны

Существуют датчики, в которых преобразование меха-нической энергии в электрическую основано на возникнове¬нии электрических зарядов в некоторых кристаллах при действии на них сил. Это так называемые пьезоэлектричес¬кие датчики.

Кроме того, существуют еще электронно-механические датчики перемещения, фотоэлектрические датчики, акусти-

L

Усилительная и регистрирующая аппаратура.

Общая схема измерительной системы

112

113

 

выходного сигнала от датчиков, выдающих слабый сигнал, а шкжс выполняют некоторые другие функции. Измерительные усилители доводят мощность сигнала (амплитуды перемещений, скорости и др.) до требуемого уровня, необходимого для регистрации.

На последнем этапе специальные приборы регистрируют колебания.

Далеко не всегда отсчет по шкале дает полную информацию о процессе колебаний (вибрации). Во многих случаях требуется длительное наблюдение за процессами и их изучение. В настоящее время объем измерений и необходимой информации чрезвычайно велик. Кроме того, требуется фиксация значительного количества величин и длительных процессов. Подчас человек не в состоянии справиться с такой задачей. Поэтому созданы регистрирующие приборы, которые фиксируют процесс и запоминают его.

Результат измерения колебаний, снимаемый с выхода датчика после усиления, выдается в виде электрического сигнала. Форма сигнала может быть различной:

а) изображение на экране или на пленке;

б) запись на магнитной ленте, а затем обычным способом;

в) запись в виде цифр.

Методы и средства документирования информации классифицируются по физическим и конструктивным признакам.

По физическому признаку они делятся на механические, электромагнитные (световые, магнитные, электрические, химические и тепловые), лазерные.

К механическим относятся карандашные, чернильные, печатные, перфораторные и др.

К электромагнитным (включая световую запись): отображение луча на экране с визуальным использованием, фотографические (для видимой и ультрафиолетовой частей спектра), термографические и др.

Регистрация с воздействием магнитного поля на носитель осуществляется магнитным, магнетохимическим и магнитоориентационным способами. Регистрация с воздействием электрического поля на носитель может производиться в виде электрофотографической или электростатической записи. К химическим и тепловым воздействиям относятся электрохимические с обратимыми и необратимыми изменениями, производимыми на носителе, искровое, плавильное, термохимическое и др. Лазерное действие состоит в том, что луч лазера, отражаясь от поверхности вибрирующего тела, несет информацию об энергии измеряемого движенческие, а также датчики, использующие информацию, доставляемую в результате отражения лазерного луча, направляемого на поверхность вибрирующего тела. К ним же относятся так называемые оптроны — датчики, использующие инфракрасное излучение.

Во всех случаях применения датчиков, преобразующих механическое движение в электрический ток, важно, чтобы в диапазоне измерений выходная электрическая величина была пропорциональна измеряемой механической величине, т. е. чтобы датчик имел, как говорят, линейную характеристику.

Для измерения частоты колебаний служат частотомеры. Простейший из них — язычковый — представляет собой набор стальных узких пластин, зажатых нижними концами в жестком основании. Длина пластин неодинакова, поэтому частота их свободных колебаний различна — уменьшается по мере увеличения длины. Если укрепить прибор на вибрирующем объекте, то при совпадении частоты вибрации объекта с собственной частотой одной из пластин последняя окажется в состоянии резонанса и этим определится частота процесса.

Более совершенный способ измерения частоты связан с применением стробоскопа. Главный элемент механического стробоскопа — вращающийся диск с прорезями. Стробоскопический эффект получается от того, что при прохождении мимо объекта прорези в одной и той же фазе, т. е. при одном и том же положении объекта, он воспринимается как неподвижный. По скорости вращения диска судят о частоте процесса.

Усилительная и регистрирующая аппаратура, общая схема измерительной системы.

датчики не обладают достаточно мощным сигналом, который можно использовать при измерениях и регистрации процессов. Поэтому в систему вводят усилите ли. Эти приборы в процессе измерения усиливают сигнал от преобразователя — датчика, а также сигнал, генерируемый задающим устройством для передачи его возбудителю вибраций, когда требуется мощное вибрационное возбуждение (например, на испытательных стендах).

Предварительное усиление осуществляется так называемыми предусилителями, которые увеличивают мощность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

иия и, перерабатывая ее, выдает результат измерения через счетно-решающее устройство.

По конструктивному принципу способы регистрации делятся на контактные, квазиконтактные и бесконтактные (дистанционные).

При контактных способах регистрации орган записи непосредственно действует на носитель.

При квазиконтактном способе расстояние между органом записи и носителем соответствует размеру рабочей части органа записи, т. е. они находятся в непосредственной близости друг от друга.

К бесконтактным относятся такие способы регистрации, при которых энергия, требующаяся для регистрации, передается на значительную дистанцию между выходным сигналом и носителем информации (телепередача).

Какие же приборы осуществляют регистрацию колебаний (вибрации)?

Прежде всего, осциллографы, которые широко применяются при измерениях колебаний и вибрации в машинах. Существует несколько типов осциллографов.

Электронно-лучевой осциллограф (точнее, осциллоскоп, поскольку он не ведет записи) состоит из электронно-лучевой трубки. В ее узкий конец вмонтирована «электронная пушка», состоящая из накаливаемого электрическим током катода, который испускает электроны, анода с положительным потенциалом по отношению к катоду и фокусирующего устройства, которое сводит электроны в узкий пучок — электронный луч. Электронный луч, проходя через два кон¬денсатора Ci и С2, отклоняется в двух плоскостях. Запись колебательного процесса воспроизводится на экране. Схема осциллографа приведена на рис. Ж. $6'

В светолучевом осциллографе регистрируемая электри¬ческая величина (напряжение или ток) определяется по отклонению светового луча и соответствующего пятна на светочувствительной бумаге или пленке. Световой луч подается при помощи зеркала или шлейфа, связанного с гальванометром. Схему прибора можно видеть на рис. 96 (/ — рамка гальванометра; 2 — постоянный магнит; 3 — колеблющееся вместе с рамкой зеркало; 4 — источник све¬та; 5 — конденсатор; 6 — линза; 7 — конденсатор; 8 — движущаяся светочувствительная лента).

К регистрирующим приборам относятся также магнито¬графы, производящие запись на магнитной ленте. Магнитограф записывает информацию, поступающую в формеэлектрических сигналов, и воспроизводит ее в такой же форме.

Магнитоноситель — это гибкая полимерная пленка с нанесенным слоем двуокиси железа, покрытым связующим материалом. Регистрируемый сигнал подается в обмотку записывающей головки. При перемещении ленты относительно головки рабочий слой ленты подвергается действию магнитного поля головки, изменяющегося от входного сигнала. Запись создается в виде остаточной намагниченности рабочего слоя ленты и воспроизводится головкой и усилителем воспроизведения.

В качестве регистрирующих приборов применяются самописцы. Это следящая система, в которой сигнал от датчика в конечном счете приводит к движению механического органа — рычага, записывающего процесс на бумаге с помощью чернил или корундовой иглой сцарапывающего тонкий мягкий слой со специальной бумаги.

В настоящее время измерительная техника пополнилась электронными вычислительными машинами (ЭВМ). Эти машины служат средством автоматизации вычислительных работ при проектировании машин и сооружений и при проведении расчетов в разнообразных научных исследованиях, а также средством автоматической обработки информации, доставляемой в ходе эксперимента. Результаты измерений колебательных процессов вводятся в вычислительную машину, а она сама вычерчивает графики и вычисляет функциональные и отдельные численные характеристики процесса, в том числе статистические.

Таким образом, общая схема измерительной системы состоит из следующих элементов:

1)  датчиков, измеряющих кинематические величины: перемещения, скорости и ускорения, а также механические напряжения на поверхности деформируемых тел. Сюда же можно отнести указатели в простейших приборах, позволяющие делать непосредственные отсчеты на шкале;

2)  преобразователей сигналов, поступающих от датчиков (интегрирующие, дифференцирующие, цифровые преобразователи, а также другие функциональные, в частности формирующие, статистические характеристики процессов);

3)  усилителей сигналов;

4)  регистрирующих приборов;

5)  документации в различных формах (изображение процесса на экране, запись на светочувствительной пленке или на магнитной ленте);

6)  средств автоматизации обработки экспериментальных данных.

Вибродиагностика машин.

С развитием современной техники повышаются требования к качеству машин, приборов и аппаратуры, которые определяются точностью и стабильностью их рабочих характеристик в условиях многообразия действующих факторов. Они могут быть обусловлены воздействием ударных и вибрационных нагрузок, тепловых режимов, электромагнитных полей и др.

Как известно, высокое качество машин и приборов обеспечивается разработкой совершенных конструктивных решений, совершенствованием технологии производства; разработкой и применением эксплуатационных мероприятий, направленных на обеспечение стабильности рабочих характеристик.

Обеспечение виброустойчивости при эксплуатации машин требует проведения исследований, которые оказываются не менее важными, чем исследования, связанные с разработкой принципа действия, конструкции и выбора параметров. Одним из наиболее перспективных направлений по обеспечению высокой работоспособности и надежности машин и приборов является разработка методов технической диагностики.

Техническая диагностика предусматривает изучение и обоснование способов косвенных измерений скрытых параметров приборов и механизмов по параметрам и характеру их функционального проявления во время эксплуатации или тестовых испытаний, т.е. измерение таких параметров, которые обеспечивают и определяют основные эксплуатационные характеристики машин. Кроме того, эти параметры нельзя измерить непосредственно. В то же время работающий механизм является лучшим прибором для оценки своего состояния , необходимо только правильно расшифровать его положения.

Постановка диагноза осуществляется с помощью диагностической системы под которой понимают информационное и аппаратурное обеспечения решения задачи.

Техническая диагностика подразделяется на три вида :

1) тестовая; 2) функциональная; 3) комбинированная.

При тестовой диагностике на исследуемый объект посылается возмущающее воздействие.

При функциональной диагностике на систему не посылается воздействия, а анализируются только выходные характеристики объекта.

Комбинированная диагностика предусматривает воздействия тестовых возмущений на исследуемый объект.

Из активных методов наибольшее распространение получила вибродиагностика. При этом методе оценка технического состояния объекта осуществляется с помощью искусственно создаваемой вибрации. 

Особенность вибродиагностики заключается в том, что контролируемый объект рассматривается как механическая колебательная система, обладающая реальными инерционными, упругими и диссипативными характеристиками, динамические параметры которой используются для постановки диагноза.

Для аналитического определения расчетных значений динамических характеристик: (частоты, амплитуды резонансных колебаний, характеристик демпфирования и т.д.) исследуемого объекта составляют расчетную схему и его динамическую модель. Последняя должна отражать самые основные закономерности физических и механических процессов, которые происходят в процессе работы машины или агрегата.

Для контролируемого объекта, рассматривая его как многомассовую систему связанных тел, применив уравнение Лагранжа второго рода и произведя элементарные преобразования, составляют дифференциальные уравнения, описывающие свободные и вынужденные колебания консервативной или неконсервативной систем с конечным числом степеней свободы.

 

 

Из решения составленной системы дифференциальных уравнений находят амплитудно-частотную характеристику исследуемого объекта и далее в соответствии с полученными данными проводят анализ вибродиагностики машины.

Таким образом, математическое описание свободных и вынужденных колебаний любой колебательной системы с конечным числом степеней свободы можно получить, пользуясь уравнением Лагранжа.

Так, если на материальные точки системы, кроме восстанавливающих сил Pi и сил сопротивления Rj, действуют возмущающие силы Ft(t), являющиеся некоторыми заданными функциями времени, то система совершает сложное движение, представляющее собой результат наложения свободных и вынужденных колебаний.

Уравнение Лагранжа в общем случае имеет вид

 

 

 

(49)