Вибрации машины могут принимать различные формы. Деталь машины может вибрировать на большом или коротком расстоянии, быстро или медленно, с ощутимым звуком или теплом или без него.
Вибрации машин часто могут быть преднамеренно сконструированы и, таким образом, иметь функциональное назначение. В других случаях вибрации машины могут быть непреднамеренными и привести к повреждению машины.
Вибрация — это движение или механическое колебание машины или компонента вокруг положения равновесия. Оно может быть периодическим, как движение маятника, или случайным, как движение шины по гравийной дороге.
Вибрация может быть выражена в метрических единицах (м/с2) или в единицах гравитационной постоянной g, где 1g = 9,81 м/с2.
Объект может вибрировать двумя способами: свободными колебаниями и вынужденными колебаниями.
Свободные колебания возникают, когда объект или конструкция перемещаются или подвергаются удару, а затем им позволяют совершать естественные колебания.
Собственная частота часто относится к частоте, с которой конструкция «хочет» вибрировать после удара или смещения.
Резонанс — это тенденция системы к более сильным колебаниям на одних частотах, чем на других.
Вынужденные колебания с собственной частотой объекта или близкой к ней вызывают накопление энергии внутри конструкции.
Со временем вибрации могут стать довольно большими, даже если входные вынужденные вибрации очень малы. Если конструкция имеет собственные частоты, соответствующие нормальным колебаниям окружающей среды, конструкция вибрирует сильнее и преждевременно выходит из строя. Вынужденные колебания возникают, когда конструкция вибрирует из-за приложения изменяющейся силы.
Вращательное или переменное движение может вызвать вибрацию объекта с неестественной частотой. Примером такого движения является неуравновешенность вала двигателя, когда двигатель вибрирует с частотой, равной частоте вращения вала.
При мониторинге состояния измерения вибрации могут использоваться для определения состояния вращающихся механизмов, таких как компрессоры, вентиляторы или насосы. Эти машины состоят из ряда компонентов, и каждый компонент вносит свой вклад в уникальный вибрационный рисунок или сигнатуру.
Тенденции различных вибрационных сигнатур с течением времени позволяют предсказать, когда машина выйдет из строя, и правильно спланировать техническое обслуживание, чтобы повысить безопасность и снизить затраты.
Наиболее частые причины вибрации в машинах
Вибрации могут быть вызваны различными условиями, которые могут действовать по отдельности или в сочетании. Обратите внимание, что проблемы, связанные с вибрацией, могут быть вызваны вспомогательным оборудованием, а не только основным оборудованием.
Дисбаланс
«Тяжелое место» вращающегося компонента может вызывать вибрации, поскольку несбалансированный вес вращается вокруг оси машины и создает центробежную силу.
Причиной дисбаланса могут быть заводские дефекты (ошибки изготовления, дефекты литья) или проблемы с техническим обслуживанием (деформированные или загрязненные лопасти вентилятора, отсутствие противовесов).
По мере увеличения скорости машины эффекты дисбаланса усиливаются. Дисбаланс может значительно сократить срок службы подшипников и вызвать чрезмерную вибрацию в машинах.
Несоосность и биение вала
Вибрации могут возникать, когда валы не отцентрированы. Угловое смещение возникает, когда валы (например) двигателя и насоса не параллельны. Говорят о неправильной параллельности, когда оси параллельны, но не совпадают.
Это смещение может произойти во время сборки или развиться со временем из-за теплового расширения, смещения компонентов или неправильной сборки после технического обслуживания. Возникающие в результате вибрации могут быть радиальными или осевыми (в соответствии с осью машины) или обоими.
Износ
По мере износа таких компонентов, как шариковые или роликовые подшипники, вращающиеся цепные приводы или шестерни, могут возникать вибрации.
Например, когда кольцо роликового подшипника повреждено, ролики будут вибрировать каждый раз, когда они проходят через поврежденную область. Изъеденные или изношенные зубья шестерни или обрыв вращающегося ремня также могут вызывать вибрацию.
Люфт
Вибрации, которые в противном случае остались бы незамеченными, могут стать очевидными и разрушительными, если вибрирующий компонент имеет незакрепленные подшипники или неплотно прикреплен к кронштейну.
Основная вибрация может быть или не быть причиной ослабления. Независимо от причины, люфт может привести к повреждению любого типа вибрации, например, повышенному износу подшипников или износу и усталости креплений оборудования и других компонентов.
Измерение вибрации
Вибрацию чаще всего измеряют с помощью акселерометров.
Акселерометры построены на разных принципах восприятия. Вот их краткий обзор и краткое изложение, что позволит вам лучше сориентироваться в вопросе их понимания:
1. Пьезоэлектрические
Они работают на основе способности пьезоэлектрических материалов изменять свой электрический потенциал под воздействием напряжения. Они предлагают уникальные преимущества по сравнению с другими акселерометрами.
Они обладают широким динамическим диапазоном, отличной линейностью, широким частотным диапазоном (от нескольких Гц до 30 кГц), как единственные акселерометры, способны измерять частоту от нескольких Гц до 30 кГц.
Поскольку они не имеют движущихся частей, их срок службы высок. И в отличие от других датчиков, они не требуют внешнего источника питания.
2. Пьезорезистивные
Они работают аналогично пьезоэлектрическим материалам, за исключением того, что они изменяют электрическое сопротивление материала, а не электрический потенциал. Эти датчики способны измерять вибрации до высоких значений, имеют истинный отклик постоянного тока и обычно используются в микроформованных конструкциях.
3. Емкостные
Емкостный акселерометр — металлический стержень или другой элемент на микроформах создает емкость, которая изменяется при ускорении датчика. Они чаще всего используются в акселерометрах MEMS и имеют характеристики, аналогичные характеристикам потенциометрических датчиков с точки зрения частоты, динамического диапазона и отклика по постоянному току.
4. Потенциометрические
Потенциометрический акселерометр — рычаг стеклоочистителя потенциометра соединен с корпусом пружины, что приводит к изменению или сопротивление при движении пружины. Собственная частота этих устройств обычно ниже 30 Гц, что ограничивает их измерение низкочастотными колебаниями. Они также имеют ограниченный динамический диапазон, но также могут измерять отклик по постоянному току.
5. На эффекте Холла
Акселерометры на эффекте Холла – к пружине подключен магнит, который перемещается при приложении силы и вызывает изменение электрического напряжения.
6. Магниторезистивные
Магниторезистивные — они работают аналогично датчику Холла, за исключением того, что вместо элемента Холла используется магниторезистивный элемент.
7. С использованием волоконной брэгговской решетки
Волоконная брэгговская решетка — любое изменение шага волоконно-оптической решетки приводит к изменению длины волны Брэгга, и исходя из этого можно рассчитать ускорение.
8. За счет теплопередачи
Теплопередача – один источник тепла сосредоточен в подложке. Термисторы размещены равномерно по всем четырем сторонам источника тепла. По мере ускорения датчика температурный градиент будет асимметричным из-за конвективной теплопередачи.
Правильный выбор датчика вибрации для измерения вибрация электрических машин
Поскольку акселерометры очень универсальны, вы можете выбирать из множества конструкций, размеров и диапазонов. Понимание характеристик сигнала, который вы собираетесь измерять, и любых ограничений окружающей среды поможет вам разобраться во всех различных электрических и физических характеристиках акселерометров.
Амплитуда вибрации
Максимальная амплитуда или диапазон измеренной вибрации определяет диапазон датчика, который вы можете использовать. Если вы попытаетесь измерить вибрацию за пределами диапазона датчика, отклик будет искажен или усечен. Как правило, вы должны использовать акселерометры с более низкой чувствительностью и весом для контроля высоких уровней вибрации.
Чувствительность
Чувствительность является одним из наиболее важных параметров акселерометров. Он описывает преобразование между вибрацией и напряжением при опорной частоте, например 160 Гц. Чувствительность указывается в мВ на G.
Если типичная чувствительность акселерометра составляет 100 мВ/G, и вы измеряете сигнал 10 G, вы ожидаете выходной сигнал 1000 мВ или 1 В. Точная чувствительность определяется калибровкой и обычно указывается в таблице в сертификате калибровки, прилагаемом к датчику.
Чувствительность также зависит от частоты. Полная калибровка во всем используемом частотном диапазоне необходима, чтобы определить, как чувствительность зависит от частоты. Как правило, акселерометр с низкой чувствительностью используется для измерения сигналов с высокой амплитудой, а акселерометр с высокой чувствительностью используется для измерения сигналов с низкой амплитудой.
Количество осей
Вы можете выбрать один из двух типов осей акселерометров. Самые распространенные акселерометры измеряют ускорение только по одной оси. Они часто используется для измерения уровня механической вибрации.
Второй тип — трехосевой акселерометр. Этот акселерометр может генерировать трехмерный вектор ускорения в виде ортогональных компонентов. Используйте этот тип, если вам нужно указать тип вибрации, такой как поперечная, поперечная или вращательная.
Вес
Акселерометры должны весить значительно меньше, чем контролируемая конструкция. Добавление веса к конструкции может изменить ее характеристики вибрации и потенциально привести к неточным данным и анализу. Вес акселерометра, как правило, не должен превышать 10 % веса конструкции измеряемой детали.
Поперечная вибрация
Пьезоэлектрические акселерометры чувствительны к вибрациям, действующим в направлениях, отличных от их основной оси. В поперечной плоскости, перпендикулярной большой оси, чувствительность составляет менее 3–4% от чувствительности по большой оси (обычно <1%). Поскольку поперечная резонансная частота обычно составляет примерно 1/3 резонансной частоты большой оси, этот факт следует учитывать при наличии высоких уровней поперечной вибрации.
Где разместить датчик вибрации
Расположение и установка датчика вибрации является наиболее ответственной частью сбора данных о вибрации, поэтому точку измерения необходимо выбирать с учетом определенных критериев.
Точка измерения — это место на машине, где датчик вибрации должен быть размещен в одном или нескольких направлениях или положениях.
Вибрации во вращающихся машинах создаются внутренними циклическими силами, которые невозможно измерить напрямую. Измеряется передача этих циклических сил через конструкцию машины, поэтому датчик вибрации измеряет реакцию механического импеданса машины на эти силы.
Правильный выбор точки измерения имеет целью свести к минимуму влияние этого механического импеданса, поскольку интересно измерять внутренние циклические силы.
Как правило, точку измерения следует располагать как можно ближе к опоре вала (качения или подшипника). Затухание сигнала больше по мере удаления от опоры.
Правила выбора точки измерения:
- Точка измерения должна быть доступна, а безопасность оператора должна быть гарантирована.
- Избегайте воздействия вращающихся частей и высоких температур.
- Датчик следует размещать как можно ближе к подшипнику или подшипнику.
- Точка измерения должна быть доступна в любое время и быть идентифицируемой для обеспечения повторяемости.
- Точка измерения должна иметь подходящую поверхность для временного размещения датчика.
Назовите или пронумеруйте точки понятным и интуитивно понятным способом и расположите их на пути в направлении передачи энергии. Для каждой точки измерения берутся две радиальные ориентации на ось машины и одна осевая. Важно избегать тангенциальных измерений.
Варианты монтажа
Датчики можно монтировать различными способами. Полоса пропускания датчика особенно чувствительна к способу его установки.
Способ крепления акселерометра к точке измерения является одним из наиболее важных факторов для получения точных результатов практических измерений вибрации.
Небрежный монтаж приводит к снижению установленной резонансной частоты, что может сильно ограничить полезный частотный диапазон акселерометра.
Вы можете выбрать один из четырех типичных способов монтажа:
- Ручной зонд — для труднодоступных мест, но полоса пропускания будет снижена до 1-2 кГц.
- Магнитный монтаж. Очень распространенный метод монтажа для диагностики машин — установка датчика на магнит. Датчик по-прежнему будет обеспечивать хорошую полосу пропускания, но, конечно, поверхность должна быть ферромагнитной.
- Крепление с помощью клея. Другой тип крепления, который не так сильно влияет на пропускную способность, — это тонкий двухсторонний скотч или использование клея (но могут быть ограничения из-за температурного диапазона клея).
- Крепление на шпильки – лучше всего просверлить отверстие в мерной части машины и прикрутить датчик к поверхности шурупом. Это не должно влиять на какие-либо свойства датчика. Очевидно, что в ряде случаев этот метод неприменим.
Акселерометр следует монтировать так, чтобы желаемое направление измерения совпадало с его главной осью чувствительности.
Акселерометры также немного чувствительны к вибрации в поперечном направлении, но обычно этим можно пренебречь, поскольку поперечная чувствительность обычно составляет менее 1% от чувствительности по главной оси.
