Способы крепления вибродатчиков 1 страница

Оказывается, результаты измерения вибрации существенно зависят от способа крепления датчика на исследуемой поверхности. Эти рассуждения применимы только к датчикам скорости и ускорения, т.к. в них вибрация измеряется контактным способом. Для проксиметра эти рассуждения не имеют смысла, поскольку датчик при работе не имеет механического контакта с исследуемой поверхностью.

Соединение измерительного преобразователя с колеблющейся поверхностью обладает определенной «жесткостью», которая в совокупности с массой датчика, оказывает существенное влияние на уровни и частотный состав вибрации. Эквивалентная схема крепления датчика на исследуемой поверхности показана на Рис.22.

Мы имеем одномассовую механическую систему, резонансная частота w_p которой определяется массой датчика т и жесткостью k его крепления на измеряемом объекте:

В области анализируемых частот ниже резонансной[13], амплитуда и фаза вынужденной вибрации совпадают с истинными значениями на объекте. А в зарезонансной области, амплитуда вибрации имеет значительно более низкие уровни и отстает от силы по фазе на 180°. Другими словами, метрологически правильными будут замеры только в дорезонансной области. Важно также отметить, что на резонансную частоту также влияет шероховатость, твердость и форма поверхности, на которой проводят измерения.

Место установки датчика должно быть чистым и плоским. Шероховатость поверхности должна быть минимальной. Краска[14] в месте установки датчика должна отсутствовать и место установки датчика должно быть промаркировано соответствующим образом. Все рассматриваемые ниже способы крепления датчиков (Рис. 25) одинаково хорошо работают на очень низких частотах (порядка единиц Герц) и основная разница будет в верхних границах измеряемого диапазона.

При креплении датчика на шпильку обеспечивается максимальная жесткость крепления (за счет затяжки резьбового соединения), при этом колеблющаяся масса преобразователя является минимальной и определяется только весом датчика. Поэтому, при таком креплении, обеспечиваются частотные характеристики датчика, заявленные в его паспорте. Для нашего датчика РА023 резонансная частота составляет ~27 кГц (на 20% больше верхней частоты рабочего частотного диапазона).

Такой способ крепления неудобен тем, что на исследуемой поверхности необходимо иметь постоянно установленную шпильку и необходимо провести большую подготовительную работу по установке шпилек. Также этот способ требует определенных временных затрат при установке/снятии датчика в процессе измерений. К достоинствам крепления датчика на шпильку можно отнести высокую стабильность измерений (за счет точной установки датчика всегда в одно и тоже место) и самый широкий частотный диапазон измеряемой вибрации.

Способы крепления вибродатчиков

Установка измерительного преобразователя с помощью магнита на сегодняшний день является наиболее удобным и распространенным способом крепления. Очевидно, что резонансная частота крепления будет зависеть от силы и массы магнита, и собственно, массы самого датчика и будет гораздо ниже, чем при креплении датчика на шпильку. Однако, анализируемый частотный диапазон обычно не превышает нескольких килогерц и поэтому данный способ крепления считается приемлемым. Крепление датчика с помощью магнита имеет несколько существенных недостатков. Преобразователь невозможно установить на немагнитную поверхность. Датчик на таком креплении неудобно размещать в труднодоступных местах. У пользователя могут быть проблемы с повторяемостью измеряемой вибрации, вследствие того, что, при установке возникают трудности с «попаданием» датчика в одну и туже контролируемую точку. Необходимо принять меры к маркировке места установки датчика. Но тем не менее, в 90% случаев погрешности, вносимые этим обстоятельством пренебрежимо малы. Для датчика и магнита, входящего в стандартный комплект виброанализатора, резонансная частота составляет порядка 4.5 кГц. Вплоть до этой частоты мы будем получать метрологически верные результаты. Ручным щупом пользуются тогда, когда жесткая установка датчика невозможна. Это может произойти в случае, если нам необходимо установить измерительный преобразователь в труднодоступном месте или, скажем, на немагнитном материале. Такой способ крепления также поможет выполнить замер на горячей поверхности. При измерениях с помощью ручного щупа, частота установочного резонанса оказывается равной нескольким сотням герц, точно ее определить затруднительно, так как, сила, с которой специалист прижимает датчик к поверхности, сильно разнится от человека к человеку. Обратите внимание на несколько рекомендаций, которые желательно выполнять при проведении измерений с помощью ручного щупа.

Место установки должно быть накернено и смазано консистентной смазкой. Это делается во-первых, для того чтобы измерения проводились всегда в одном и том же месте. Во-вторых, при этом улучшается контакт между измерительной поверхностью и щупом. В-третьих, смазка уменьшает величину резонансного пика. Следует устанавливать щуп всегда в одном и том же положении, относительно нормали (перпендикуляра) к поверхности. Очевидно, что при изменении положения, получаемые в результате измерения, цифры будут отличаться. Не следует прижимать щуп к измерительной точке с большой силой, так как при этом растет амплитуда поперечных колебаний датчика, что в свою очередь ведет к увеличению измеряемой вибрации. И мы получим эффект, которого совсем не ожидали, помимо увеличения резонансной частоты и расширения частотного диапазона мы получим рост измеренной вибрации.

Нормы и ГОСТы

Для многих машин результаты измерения вибрации статорных элементов (неподвижных частей агрегата) являются достаточными для адекватной (правильной) оценки условий их надежной эксплуатации. Результаты измерений вибрации могут быть использованы при эксплуатационном контроле, приемочных испытаниях, диагностических и аналитических исследованиях. Ниже приводятся отрывки из ГОСТа ИСО 10816-97, в которых даны основные указанию по выбору измерительных точек для контроля вибрации.

Измерения следует проводить на подшипниках, корпусах подшипников или других элементах конструкции, которые в максимальной степени реагируют на динамические (быстроменяющиеся) силы и характеризуют общее вибрационное состояние машины. Типичные места расположения точек измерения приведены на Рис.

Полную оценку вибрационного состояния крупных агрегатов дают результаты измерений в контролируемых точках в трех взаимно перпендикулярных направлениях, как указано на рисунках 1. Как правило, подобная полнота измерений требуется только для приемочных испытаний. При эксплуатационном контроле обычно выполняют одно или два измерения в радиальном направлении (как правило, горизонтальном и (или) вертикальном). Кроме того, дополнительно можно также проводить измерения осевой вибрации, обычно в месте расположения упорного подшипника. Расположение точек измерения для машин конкретных типов должно быть приведено в соответствующих стандартах на машины этих типов.

При эксплуатационном контроле выполняют измерения только на полностью собранной, на штатных опорах машине на месте ее условии сходства жесткостных и массовых свойств фундаментов. Оценка уровня вибрации должна быть проведена после достижения нормальных условий эксплуатации. Что касается подготовки места установки, то она в основном определяется выбранным способом крепления и типом, используемого для измерений, датчика. В любом случае, места крепления измерительных преобразователей должны быть обозначены и промаркированы соответствующим образом. Это необходимое условие сопоставимости результатов измерений.

Нормирование вибрации. Общие соображения

В недалеком прошлом, уровень допустимой вибрации оборудования определялся заводами-изготовителями. В странах с рыночной экономикой потребителю необходимо было дать ориентиры для выбора изготовителя, который достиг большего технологического совершенства при прочих равных параметрах машины. Поэтому создавались общественные или государственные организации, которые вырабатывали нормы вибрации, имеющие чисто рекомендательный характер.

В СССР нормы на вибрацию агрегатов также определялись заводами-изготовителями, однако, по результатам их обобщения создавались государственные стандарты {ГОСТ) и последние носили законодательный характер. В СССР, где конкуренции не было, ГОСТы должны были стимулировать совершенствование технологий. Например, в энергетике 60-х годов допустимый уровень вибрации подшипников турбоагрегатов составлял по размаху 50мкм, в 70-е годы уровень был снижен до 30 мкм, в 80-е годы перешли на контроль вибрации по среднему квадратическому значению виброскорости, ориентируясь на международный опыт.

В настоящий период перехода к рыночной экономике, когда с одной стороны появились собственники предприятий, а с другой, доля государственной собственности в ряде отраслей остается существенной, ГОСТы имеют обязательно-рекомендательный характер. Отмечается со стороны собственников тенденция к сохранности работающего оборудования и ужесточению требований по уровню вибрации. В настоящее время базовый ГОСТ ИСО 10816-1-97 «Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 1.Общие требования» имеет текст, аутентичный[15] международному стандарту ИСО 10816-1-95. На его основе должны разрабатываться отраслевые ГОСТы, например, в энергетике разработан ГОСТ 25364-97 «Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации опор валопроводов и общие требования к проведению измерений». Однако следует иметь в виду, что только после включения требований ГОСТов в соответствующие «Правила технической эксплуатации», «Положения по обслуживанию» и другие документы обязательного технологического исполнения в отрасли или на производстве, последние приобретают обязательную силу для персонала, обслуживающего вращающееся оборудование. Например, в энергетике таким документом является «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» (ПТЭ).

Основное содержание ГОСТов.

Ниже будут рассмотрены подробно базовый ГОСТ ИСО 10816-1-97, содержательная часть которого очень важна для понимания подходов в оценке физической надежности агрегатов; а также нормы для наиболее распространенных типов машин в различных отраслях промышленности.

Как правило, ГОСТы включают следующие основные разделы:

1) Область применения.

2) Нормативные ссылки.

3) Определения.

4) Измерение вибрации.

5) Аппаратура.

6) Критерии оценки вибрационного состояния машин.

Стандарты предполагают контроль вибрации подшипников (статорных элементов), что для многих агрегатов оказывается достаточным. Однако для некоторых машин, например с гибкими[16] роторами, или с опорами повышенной жесткости, измерения вибрации на неподвижных частях могут оказаться недостаточными. В этих случаях осуществляют также измерения вибрации вращающихся роторов, т.е. надежный контроль должен базироваться на результатах измерений вибрации как статорных, так и роторных элементов.

В энергетике ГОСТ 25364-97 по контролю вибрации опор - «Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации опор валопроводов и общие требования к проведению измерений» был дополнен ГОСТом по контролю вибрации валов ГОСТ 27165-97 «Агрегаты паратурбинные стационарные. Нормы вибрации валопроводов и общие требования к проведению измерений».

Результаты измерений вибрации могут быть использованы при эксплуатационном контроле, приемочных испытаниях, диагностических и аналитических исследованиях. Стандарты распространяется на вибрацию, создаваемую самой машиной, и не распространяется на вибрацию, передаваемую извне. При наличии такого влияния, последнее должно быть корректно вычтено из общего уровня вибрации.

Г) В разделах 2.Нормативные ссылки.3. Определения указываются , как правило, стандарты по терминам, которые используются в тексте ГОСТа.

Д) Раздел 4.Измерение вибрации.

Диапазон частот.

Стандарт указывает диапазон контролируемых частот вибрации, который должен охватывать частотный спектр колебаний машины. Общепринято, что для контрольных целей достаточно определять спектр в полосе 10-1000 Гц. Однако такие узлы, как подшипники качения и зубчатые передачи могут потребовать расширения частотного диапазона контролируемых колебаний, что отражается в соответствующих ГОСТах ( в особенности, в диагностических целях.)

Измеряемая величина.

Исходя из целей стандарта в качестве измеряемой величины может быть использована одна из следующих:

- виброперемещение, в микрометрах (мкм);

- виброскорость, в миллиметрах на секунду (мм/с);

- виброускорение, в метрах на секунду в квадрате (м/с²).

Как правило, для полигармонической вибрации, измеряемой в широком диапазоне частот, не существует простых соотношений между виброускорением, виброскоростью и виброперемещением, а также между пиковыми и средними квадратическими значениями вибрационных величин. Для простых случаев соотношения могут быть представлены строгими зависимостями (см. ниже).

Значение параметра.

Как правило, при контроле широкополосной вибрации машин роторного типа в качестве оцениваемого параметра используют среднее квадратическое значение (СКЗ) виброскорости в мм/сек, поскольку оно связано с энергией колебаний. Для машин с весьма низкими скоростями вращения дополнительным критерием является размах виброперемещения в мкм. Для машин с высокими скоростями вращения может использоваться параметр виброускорения в м/с . При использовании двух критериев условия соответствия норме должно удовлетворять обоим параметрам.

Уровень вибрации машины.

Под уровнем вибрации машины понимают максимальное значение вибрации, измеренной в одной определенной точке или группе точек в выбранных направлениях, при определенных условиях и установившемся режиме работы. Вибрационное состояние машин многих типов может быть оценено по уровню вибрации для одной точки измерения. Однако для некоторых машин такой подход является неприемлемым и уровни вибрации следует определять на основе независимых измерений в ряде точек.

Точки измерений.

Измерения вибрации проводятся в трех направлениях - вертикальном (по оси симметрии подшипника), поперечно - горизонтальном и осевом (см. ниже).

Точки измерения на малых электрических машинах

Требования к опорам.

Приемочные испытания на стенде должны исключать совпадение собственных частот стенда с частотой вращения машины или ее кратных частот. Это требование выполняется, если вибрация фундамента под опорами не превышает 50% от значений, измеренных на соответствующих опорах. В противном случае от стендовых испытаний следует отказаться и проводить сдаточные испытания на месте. Малые электрические машины могут испытываться на упругой подвеске с собственной частотой системы 0,5 от частоты вращения.

Приемочные испытания на месте эксплуатации предполагают полную сборку агрегата, так как отсутствие отдельных элементов меняет вибрационные характеристики агрегата.

Эксплуатационный контроль выполняется только при полностью собранной машины на штатных опорах на месте ее эксплуатации.

Оценка вибросостояния должна проводиться при нормальных условиях эксплуатации.

Оценка вибрации, наводимая внешними источниками, производится на остановленном агрегате и ее величина не должна превышать 1/3 от допустимых норм; в противном случае, необходимо принимать меры по уменьшению этого влияния.

Е)Раздел 5. Аппаратура.

Аппаратура должна обеспечивать нормальное ее функционирование в тех условиях, в которых проводятся измерения (температура, влажность, магнитные поля и т.п.). Среднее квадратическое значение вибрации должно проводится в диапазоне 10…1000 Гц - по ГОСТ ИСО 2954. Для машин с частотой вращения от 10-200 с^-1 характеристика прибора должна иметь стандартный вид ( ГОСТ 25275-82).

Частотная характеристика контрольных виброизмерительных приборов

Измерительная система должна предусматривать возможность калибровки всего измерительного тракта (желательно встроенное устройство калибровки) и должна иметь независимые выходы для присоединения дополнительных анализаторов.

Ж) Раздел 6. Критерии оценки вибрационного состояния машин.

Критерии вибрационного состояния существуют двух видов:

-критерий 1 - определяет зоны качества А, В, С, Д состояния агрегата по

уровню вибрации в соответствии с общепринятыми пределами (данный критерий условно можно назвать статический).

-критерий 2 - определяет динамику изменения вибрации агрегата («скачки», тренды вибрации )

Общепринято, разделять все множество существующих агрегатов на четыре класса по мощности и характеристикам опор (фундаментов). Ниже приводится таблица границ состояния по (СКЗ) виброскорости, принятая в международных стандартах ISOи ряде наших ГОСТов.

Классификация машин:

1 класс- отдельные части двигателей и машин, соединенные с агрегатом (например, моторы мощностью до 15 кВт):

2 класс- машины средней величины (моторы 15 - 875 кВт) без специальных фундаментов; жестко установленные двигатели или машины (до 300 кВт) на специальных фундаментах;

З класс- мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, установленные на массивных фундаментах, относительно жестких в направлении измерения вибрации (например, турбоагрегаты);

4 класс- мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, установленные на массивных фундаментах, относительно податливых в направлении измерения вибрации.

По качеству вибросостояния принята следующая градация:

зона А- в эту зону попадают, как правило, новые машины, только что введенные в эксплуатацию;

зона В- машины, попадающие в эту зону, обычно считают пригодными к эксплуатации без ограничения срока;

зона С- машины, попадающие в эту зону, обычно рассматривают как непригодные для длительной непрерывной эксплуатации. Обычно данные машины могут функционировать ограниченный период времени, пока не появится подходящая возможность для проведения ремонтных работ.

зона Б- уровни вибрации в данной зоне

рассматривают как достаточно серьезные, для того, чтобы вызвать повреждения машины (аварийный уровень).

Границы уровней, которые приняты в 180 и ряде наших ГОСТов, определяются умножением на коэффициент 1,6 (точнее 1,5848):

V=2,8 мм/сек

V=2,8х1,6=4,5мм/сек

V=4,5x1,6=7,2 мм/сек

V=7,2х1,6=11,5 мм/сек

Внутри диапазона качества (А,В,С,Д,) могут применяться градации уровней отличающиеся на такой же коэффициент 1,6 (точнее 1,5848).

Следует иметь в виду, что рассмотренные нормы носят рекомендательный характер и служат ориентиром между производителями машин и потребителями этих машин. Поэтому ряд заводов - изготовителей устанавливает собственные нормы вибрации. Однако резкое отличие этих норм в сторону завышения свидетельствует о недостаточности технологического совершенства машины.

Границы зон состояний.

СКЗ виброскорости вполне характеризует вибрационную энергетику машины. С другой стороны, применяя принцип постоянства виброскорости к машинам с различными рабочими оборотами можно попасть в две крайности:

· для машин с низкими рабочими оборотами можно узаконить недопустимые высокие виброперемещения, в частности, когда доминируют колебания с оборотной частотой;

· для машин с высокими рабочими оборотами или наличием высокочастотных спектральных составляющих вибрации, возбуждаемых некоторыми узлами машины, можно прийти к недопустимо высокому уровню виброускорений.

Общий вид кривых для критерия на основе среднего квадратического значения виброскорости

С учетом вышеизложенного критерии приемки, основанные на использовании СКЗ| виброскорости, должны иметь общую форму, приведенную на Рис. 36. Для зоны от f_х до f_y применим критерий постоянной виброскорости (выше указанные критерии соответствуют f_{х=10 Гц} до f_{y=1000 Гц}) На границах частотного диапазона измерений f_i,и f_l, что ниже частоты f_х и выше частоты f_y допустимое значение виброскорости является уже функцией частоты f вибрации. Более точное определение критериев приемки и значений f_l, f_u, f_x и f_y должно быть дано в стандартах на машине конкретных типов. Если же вибрационная энергии в основном сосредоточена за пределами диапазона частот f_x … f_y возможны следующие решения:

а) Использование дополнительных критериев

Помимо измерений виброскорости проводят измерения в широкой полосе частот виброперемещения (если основная часть энергетического спектра лежит ниже f_х) или виброускорения (если основная часть энергетического спектра лежит выше f_y). Допустимые значения параметров виброперемещения или виброускорения получают из Рис. 36, переводя значения виброскорости на краях кривых (т.е. в диапазонах f_l… f_x ,f_y…f_u, постоянные значения виброскорости и виброускорения соответственно. Вибрацию можно считать допустимой, если она является таковой по всем критериям (перемещения, скорости и ускорения).

б) По спектру

Определяют все мощные частотные гармоники и соответствующие значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения. После этого на основе уравнения рассчитывают эквивалентное значение параметра виброскорости; для частотных составляющих, лежащих ниже f_х и выше f_y , весовые коэффициенты берут в соответствии с Рис. 36.

.

Под корнем средние квадратические значения виброскорости. Окончательную оценку делают на основе сравнения со значениями границ в диапазоне f_x… f_у. Прямое сравнение СКЗ виброскорости отдельной спектральной гармоники с СКЗ виброскорости в широких полосах частот, определяемых стандартами по указанным кривым Рис. 36, не корректно и может привести к ошибочным заключениям. Исключение составляет случай, когда в спектре единственная доминирующая гармоника.

в) Аппаратура с изменяющимися характеристиками.

Используют измерительный прибор, форма частотной характеристики которого в области, где сосредоточена вибрационная энергия машины, совпадает с формой кривых на Рис. 36. Окончательную оценку также делают на основе сравнения со значениями границ в диапазоне f_x… f_у. Для машин некоторых типов (диагностика подшипников качения), возможно, потребуется определение границ зон иных, чем те, что представлены на Рис. 36.

Предельные уровни вибрации

Устанавливают предельные уровни вибрации, превышение которых в установившемся режиме работы машины приводит к подаче сигналов ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ или ОСТАНОВ:

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ - для привлечения внимания к тому, что вибрация или изменения вибрации достигли определенного уровня, когда может потребоваться проведение восстановительных мероприятий. Как правило, при появлении сигнала ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ машину можно эксплуатировать в течение некоторого периода времени, пока исследуют причины изменения вибрации и определяют комплекс необходимых мероприятий. Обычно данное значение устанавливают относительно некоторого базового значения, полученного для каждого конкретного экземпляра машины. Рекомендуется устанавливать уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ выше базового значения на некоторую долю, в процентах, значения верхней границы зоны В. Если базовое значение мало, уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ может лежать ниже зоны С. Если произошло изменение постоянного базового значения (например, вследствие капитального ремонта машины), может потребоваться соответствующее изменение положения ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Вследствие разницы в динамических нагрузках и коэффициентах жесткости опор для различных опор машины могут быть установлены свои предельные уровни.

ОСТАНОВ — для индикации уровня вибрации, при превышении которого дальнейшая эксплуатация может привести к повреждениям. При достижении уровня ОСТАНОВ следует принять немедленные меры к снижению вибрации или же остановить машину. Определение таких уровней для машин конкретных типов должно быть приведено в соответствующих стандартах. Данное значение, как правило, будет одним и тем же для машин аналогичных конструкций и не будет связано с базовым значением, как это имело место для уровня ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ.

Вибрационная чувствительность

Вибрация, измеряемая на какой-либо конкретной машине, может зависеть от режима ее работы. В большинстве случаев подобное влияние условий работы незначительно, но иногда чувствительность к режиму может быть существенна и вызывать сомнение в надежной работе машины. В этих случаях между потребителем и изготовителем машины должно быть достигнуто соглашение о необходимом объеме испытаний или о методах теоретической оценки.

Специальные методы контроля для подшипников качения

Особые методы используют для оценки состояния элементов роликовых подшипников. Дан­ный вопрос рассмотрен в приложении Д. Определение оценочных критериев для этих методов выходит за рамки настоящего стандарта.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное)

СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ РАЗЛИЧНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ КОЛЕБАНИЙ

Уже в течение многих лет и по настоящее время вибрационное состояние машин широкого класса успешно оценивают путем измерения среднего квадратического значения виброскорости. Для вибрации, имеющей дискретный состав частотных составляющих известных амплитуды и фазы и малый пьедестал, определяемый случайными и ударными процессами, основные вибрационные параметры (например, перемещение, скорость, ускорение, пиковые и средние квадратические значения) связаны строго определенными математическими зависимостями. Вывод этих зависимостей известен, и в данном приложении не ставится задача повторно исследовать этот аспект проблемы. Однако ниже приведен ряд полезных соотношений. Определив путем измерений зависимость виброскорости от времени, ее среднее квадратическое значение можно подсчитать следующим образом:

,

где - соответствующее среднее квадратическое значение;

n(t) – функция виброскорости от времени;

Т – период выборки, который должен быть много больше периода любого из основных частотных компонентов, содержащихся в n(t).

Значения вибрационного ускорения, скорости или перемещения (соответственно a_j, n_j, S_j. j=1, 2, …, n)определяют в результате анализа вибрационных спектров как функции угловой частоты (w₁, w₂, …w_n )или средние квадратические значения амплитуд ускорения а₁, а₂, ..., а_n, то связанное с ними и характеризующее колебательный процесс среднее квадратическое значение виброскорости определяется выражением: