22.2. Анализ поведения системы «ротационная машина — конструкция»

Ротор машины, жидкости или газы (воздух, вода, пар), протекающие через машину, могут возбуждать колебания определенной частоты, а также шумы. Обычно анализ вибраций и шумов осуществляется с помощью частотных спектров, из которых определяют амплитуды (иногда фазы) и коэффициенты затухания, соответствующие определенным частотам. Эти величины, как правило, имеют практическое значение лишь в том случае, когда соответствующие амплитуды превышают некоторое пороговое значение. Следовательно, любой анализ должен определяться некоторым абсолютным порогом или отношением максимальной амплитуды к пороговому значению.

Спектр системы ротационная машина — конструкция иногда называют сигнатурой. Это понятие было введено в США в 1969 г. С тех пор стали говорить об анализе «сигнатур» («сигнатурном анализе»). Предполагалось, что электронные приборы позволят превзойти характеристики нашего слуха, с помощью которого до тех пор прослушивались машины, и характеристики нашей памяти. Отметим, однако, что не всегда легко перенести опыт хорошего экспериментатора в логику вычислительной машины.

Частотный спектр в значительной степени зависит от ширины полосы пропускания фильтра Анализ является тем более качественным, чем меньше . В качестве примера на рис. 22.1 приведены результаты анализа шума качения с использованием 4 типов фильтров:

1) центральные частоты полос пропускания фильтров располагаются. через октаву;

2) центральные частоты полос пропускания фильтров располагаются через треть октавы;

3) ширина полосы составляет , где — центральная частота (фильтры, у которых

4) фильтр с постоянной шириной полосы 2 Гц. Из графиков отчетливо видно улучшение качества анализа с уменьшением ширины полосы.

«Сигнатура» может быть также представлена автокорреляционной и взаимно-корреляционной функциями, которые позволяют, в частности, обнаружить составляющие гармоники, присутствующие в шуме. С помощью частотного спектра можно, например, распознать:

• колебания, обусловленные разбалансировкой ротора (разд. 22.4), Основная частота в этом случае равна частоте вращения; может присутствовать множество гармоник. Определенные способы обработки сигналов позволяют выделить эти гармоники, т. е. рассчитать составляющие разложения в ряд

Фурье колебаний, основная частота которых равна частоте вращения.

Рис. 22.1. (см. скан)

В этих способах используются сигналы, задающие частоту вращения и вырабатываемые детектором, прикрепленным к ротору;

• колебания, обусловленные зубчатой передачей;

• колебания, вызванные электромагнитными эффектами (100 Гц для машин переменного тока, генерирующих напряжение с частотой 50 Гц);

• колебания, возбуждаемые качением шариков подшипника;

• колебания, связанные с эффектами вихревых следов в жидкостях и газах в турбомашинах;

• колебания, обусловленные дефектами центровки подшипников ротора;

• колебания креплений, вызванные нестабильностью вращения ротора (их частота обычно лежит в интервале , где — частота вращения). Эти колебания должны быть устранены.

Приведенный перечень колебаний показывает, что для анализа вибраций ротационной машины часто необходимо

определить характер движения ее ротора. В настоящее время применяют укрепленные, например, на подшипниках датчики без «материального» контакта, которые вырабатывают сигналы, несущие информацию об относительном движении ротора и статора.

Сигналы, обусловленные геометрическими дефектами (эксцентриситетом, отклонениями от цилиндрической формы), могут иметь амплитуду, сравнимую с амплитудой колебаний ротора (например, величина дефекта составляет 10 мкм при амплитуде колебаний 50 мкм). Если скорость вращения ротора мала, то амплитуда колебаний также мала, и, следовательно, сигналы, вырабатываемые датчиками, будут нести информацию о геометрических дефектах. Сигнал каждого датчика можно хранить в цифровой форме и затем вычитать из общего сигнала, измеренного для некоторой скорости вращения. «Чистый» сигнал будет нести информацию о движении ротора относительно статора.

Сигналы могут передавать информацию об акустических явлениях и вибрационном поведении некоторых элементов внутри машины. С помощью изучения шума могут быть обнаружены явления аномального трения и свиста. Колебания лопастей турбин могут быть обнаружены с помощью тензометров и акселерометров, сигналы которых передаются во внешнюю цепь специальными телеметрическими системами на несущей частоте.

Основной интерес при анализе «сигнатуры» заключается в том, чтобы обнаружить изменение характеристик некоторых элементов машины и фиксировать факт достижения их предельно допустимых значений. Информация об этих характеристиках может быть получена с помощью изучения вибрационных (динамических) и медленно изменяющихся (статических) явлений в зависимости от состояния машины. Это состояние определяется по таким величинам, как давление, температура, расход, мощность и др. Обычно пороговые значения, с которыми сравниваются измеренные величины, зависят от состояния машины. Сопоставление различных величин осуществляется вычислительной машиной («диспетчером»), в которую поступает вся информация. В этом случае могут быть проанализированы различные ситуации и предприняты действия, вплоть до остановки машины и ее прослушивания.

В настоящее время некоторые операции, которые останавливают машину в критических ситуациях, осуществляются автоматически. Можно представить, что круг этих автоматических действий будет расширен, чтобы избежать несчастных случаев и разрушений. Но чтобы достигнуть этой стадии, необходимо еще провести много исследований.