Регистрация сигнала

Существенный элемент диагностической системы - датчик колебаний. От его выбора зависит точность и надежность диагноза. При распространении по механизму упругой волны в каждой его точке происходят изменения состояния материала. Во-первых, частицы механизма смещаются на определенную величину из положения равновесия, во-вторых, они приобретают определенную скорость движения, и, в-третьих, перемещаются с определенным ускорением. Существуют датчики, которые способны регистрировать каждый из трех указанных параметров колебательного движения. Их называют соответственно датчиком перемещения, датчиком скорости и датчиком ускорения.

Выбор типа датчика для регистрации акустического сигнала - первое мероприятие по очищению сигнала от помех. Дело в том, что колебания механизма во время его работы вызываются многими причинами. Мы сосредоточили внимание на колебаниях, возбуждаемых соударением деталей. Это связано со спецификой задачи диагностики. Но, кроме ударов, механизм заставляют колебаться и другие причины, например неуравновешенность деталей. Если на одном из валов механизма имеется несбалансированная масса, то силы инерции раскачивают механизм как единое целое в такт с движением неуравновешенной массы. Датчик, установленный на корпусе механизма, будет одновременно воспринимать и колебания, возбуждаемые ударами деталей, и его колебания из-за неуравновешенности движущихся масс. Последний вид колебаний следует считать помехой^*, поскольку в них не содержится информация о состоянии кинематических пар. Но как очистить полезный сигнал от этой помехи?

^* (Понятия "полезный сигнал" и "помеха" относительны. Большая неуравновешенность деталей часто сама является существенным дефектом, и поэтому ее определение может служить целью диагностики. Неуравновешенность механизма оценивают с помощью специальных приборов - виброметров, для которых помехой служат колебания, возбужденные в механизме соударением деталей. Для этого случая остается справедливым все сказанное в данном параграфе.)

Следуя общему правилу, прежде всего выясним, чем различаются оба вида колебаний. Начнем с рассмотрения их частоты. Выше было показано, что частота, на которую приходится максимальная интенсивность колебаний, вызванных соударением деталей, определяется формулой:

Длительность соударения деталей m имеет порядок 50-200 миллионных долей секунды. Приняв последнее значение длительности удара, найдем, что v_max имеет порядок 3500 герц. А теперь определим, чему равна частота колебаний механизма из-за его неуравновешенности. Пусть вал с несбалансированной массой вращается со скоростью 1500 оборотов в минуту, или 25 оборотов в секунду. Такая скорость, например, у коленчатого вала трактора "Беларусь". Частота колебаний механизма будет равна 25 герц. При дисбалансе у некоторых механизмов, например у двигателей, кроме основной частоты, наблюдается также ее вторая гармоника. Частота гармоники для нашего случая равна 2×25 = 50 герц. Мы видим, что порядок частот у обоих видов колебаний разный.

А теперь вспомним формулу, устанавливающую связь между амплитудами смещения S и ускорения j:

Обозначим амплитуды смещения и ускорения, а также частоту колебаний из-за неуравновешенности S₁, j₁, ω₁. Соответствующие величины для колебаний, вызываемых ударами деталей, пусть будут S₂, j₂, ω₂. Если принять, что амплитуды смещения обоих видов колебаний равны (S₁ = S₂), то можно определить, во сколько раз колебательное ускорение, вызываемое соударением деталей, больше ускорения из-за неуравновешенности:

Проделав эти вычисления, видим, как можно воспринимать колебания механизма, возбуждаемые ударами деталей, и практически не воспринимать при этом движение механизма из-за неуравновешенности его частей. Для этого нужно регистрировать колебания механизма датчиком ускорений. И наоборот, при регистрации колебаний датчиком смещений мы не будет воспринимать результат соударения деталей, а только неуравновешенность механизма.

Сказанное вполне объясняет, почему в акустической диагностике сигнал с механизма всегда снимается датчиком ускорений. Особенно удобны датчики, построенные на использовании пьезоэффекта. Ряд кристаллов (кварц, турмалин, сегнетовая соль) обладают тем свойством, что если вырезанную из них пластинку сжать или, наоборот, растянуть, то на ее поверхности появляется электрический заряд: на одной стороне положительный, на другой - отрицательный. Это явление называют пьезоэффектом ("пьезо" по-гречески означает давление). Разность потенциалов, возникшую между сторонами пьезопластинки, можно усилить до нужной величины и использовать в качестве акустического сигнала.

В заключение следует сказать несколько слов о монтаже датчика на механизм. Металлические тела - хорошие проводники звука, поэтому удары деталей можно воспринимать в любой точке механизма. Выбор места съема сигнала обычно обусловливается его доступностью, удобством монтажа датчика. Но когда место съема сигнала на механизме выбрано, датчик следует устанавливать с большой точностью. Ошибка в монтаже датчика приводит к ошибке в диагнозе.

К ошибкам ведет и отклонение оси датчика от принятого направления. Дело в том, что упругие волны в твердых телах обладают определенной поляризацией, т. е. их частицы колеблются в одних направлениях сильнее, чем в других. При монтаже датчика следует также выдерживать определенное усилие его затяжки, потому что оно влияет на акустический сигнал.