какие факторы учитываются при нормировании виброскорости и виброускорения

Виброускорение, виброскорость и виброперемещение

В чём измеряют вибрацию?

Для количественного описания вибрации вращающегося оборудования и в диагностических целях используют виброускорение, виброскорость и виброперемещение.

Виброускорение

Виброускорение измеряется в:

AdB = 20 * lg10(A) + 120

AdB – виброускорение в децибелах

lg10 – десятичный логарифм (логарифм по основанию 10)

A – виброускорение в м/с 2

120 дБ – уровень 1 м/с 2

A = 10^((AdB-120)/20)

Например, 140 дБ = уровень 10 м/с 2 = 1 G

Виброскорость

Виброскорость – это скорость перемещения контролируемой точки оборудования во время её прецессии вдоль оси измерения.

В практике измеряется обычно не максимальное значение виброскорости, а ее среднеквадратичное значение, СКЗ (RMS). Физическая суть параметра СКЗ виброскорости состоит в равенстве энергетического воздействия на опоры машины реального вибросигнала и фиктивного постоянного, численно равного по величине СКЗ. Использование значения СКЗ обусловлено ещё и тем, что раньше измерения вибрации велись стрелочными приборами, а они все по принципу действия являются интегрирующими, и показывают именно среднеквадратичное значение переменного сигнала.

Из двух широко применяемых на практике представлений вибросигналов (виброскорость и виброперемещение) предпочтительнее использование виброскорости, так как это параметр, сразу учитывающий и перемещение контролируемой точки и энергетическое воздействие на опоры от сил, вызвавших вибрацию. Информативность виброперемещения может сравниться с информативностью виброскорости только при условии, когда дополнительно, кроме размаха колебаний, будут учтены частоты, как всего колебания, так и его отдельных составляющих. На практике сделать это весьма проблематично.

Для измерения СКЗ виброскорости используются самые простые приборы – виброметры. В более сложных приборах (виброанализаторах) также всегда присутствует режим виброметра.

Виброскорость измеряется в:

VdB = 20 * lg10(V) + 86

VdB – виброскорость в децибелах

lg10 – десятичный логарифм (логарифм по основанию 10)

V – виброскорость в мм/с

86 дБ – уровень 1 мм/с

Ниже приведены значечения виброскорости в дБ для стандартного ряда норм вибрации. Видно, что разница между соседними значениями – 4 дБ. Это соответствует разнице в 1,58 раза.

Виброперемещение

Виброперемещение (вибросмещение, смещение) показывает максимальные границы перемещения контролируемой точки в процессе вибрации. Обычно отображается размахом (двойной амплитудой, Пик-Пик, Peak to peak). Виброперемещение – это растояние между крайними точками перемещения элемента вращающегося оборудования вдоль оси измерения.

Виброперемещение измеряется в линейных единицах:

Видео от Сергея Бойкина

Автор: Андрей Щекалев

Напишите мне свой вопрос, я отвечу Вам и дополню статью полезной информацией.

Источник

Немного о вибрации, виброскорости и виброускорении

‹ в библиотеку

Наука

Немного о вибрации, виброскорости и виброускорении

Автор: Кондратьев А.В.

Ну вот и снова, уважаемый читатель, мы возвращаемся к одному из «проклятых» вопросов нашей тематики. На сей раз не «по заказу», а в связи с новыми веяниями в нормативных документах 🙂

Итак, техническая акустики, которая, как известно, включает в себя как измерения звукового давления (в воздушной среде), так и измерения виброускорения (на поверхностях твёрдых тел).

Не будем возвращаться к тому, почему и для чего нужно это измерять. Об этом достаточно сказано как в нормативных документах, так и в самых разных публикациях.

Но вот обещанные новости.

Во-первых готовятся к утверждению единые сертификационные требования к целому ряду средств защиты информации. В том числе и к средствам защиты за счёт вибраций.

И во-вторых именно в проекте этих требований требуемые параметры для вибровозбудителей заданы не в единицах виброускорения, а в единицах вибросилы.

Соответственно, для разработчиков средств защиты такого типа и для организаций, входящих в систему сертификации (для испытательных лабораторий и органов по сертификации) встают вопросы измерения этого параметра.

С одной стороны и отечественные и зарубежные производители средств измерений в области акустики выпускают датчики вибросилы. И достаточное количество моделей. С другой стороны, а что, все измерительные акселерометры можно выбрасывать? И, кстати, если с первичным преобразователем более-менее понятно, но измерять-то чем? Все типовые шумомеры, точнее – их индикаторы, калибруются в единицах звукового давления и/или виброускорения. Шкал вибросилы в них нет. И таковые не предусмотрены действующим ГОСТ Р 53188.1-2008 (МЭК 61672-1:2002) «Шумомеры. Технические требования».

Разумеется, можно применить типовые усилители заряда. Однако и эти средства измерения показывают именно значение заряда, которое необходимо дополнительно пересчитывать в собственно вибросилу. Однако не всё так мрачно и самые обычные шумомеры могут быть применены вполне успешно, и даже не обязателен специальный датчик вибросилы, если правильно подойти к делу.

Вот этим вопросом и займёмся.

Для начала рассмотрим классическую схему измерения с датчиком вибросилы.

Эти датчики, как и акселерометры, подразделяются на «зарядовые» и со встроенной электроникой. Первые на выходе выдают заряд, пропорциональный действующей на датчик вибросиле. Вторые – напряжение, пропорциональное той же вибросиле.

Первые должны работать в паре с предусилителем со сверхвысоким входным сопротивлением (обычно от 1 до 20 Гом) и малой входной ёмкостью (порядка первого десятка пФ). Кроме того для такого типа датчика весьма существенную роль играет ёмкость соединительного кабеля (типовая не более 200-300 пФ). Чем меньше эта ёмкость, тем выше реальная чувствительность датчика (первичного преобразователя).

Вторые такой усилитель (точнее – преобразователь сопротивлений) имеют встроенный, поэтому работают в паре с предусилителями с невысоким входным сопротивлением (обычно порядка первых сотен кОм), но обладающих возможностью подачи в датчик электропитания (обычно соответствует стандарту ICP).

То есть перечисленные особенности полностью совпадают с такими же параметрами типовых акселерометров. Однако надо учитывать, что собственная ёмкость датчиков силы значительно ниже, чем собственная ёмкость зарядовых акселерометров (не менее, чем в 100 раз). Это накладывает значительно более жёсткие требования к точности определения всех ёмкостей, входящих в канал измерения (до, собственно, усилителя), поскольку влияние любой погрешности в определении этих ёмкостей при расчёте реальной чувствительности преобразователя значительно выше.

Итак, для зарядового датчика силы в качестве предусилителя совершенно спокойно можно применять типовой микрофонный предусилитель для конденсаторного микрофонного капсюля. Единственная особенность – необходимо отсечь от датчика силы поляризующее напряжение, которое формируется такими предусилителями. Это осуществляется с помощью устройства, именуемого «адаптером прямого входа» или «эквивалентом микрофона». В любом случае это коаксиальная конструкция, содержащая калиброванную последовательную ёмкость (обычно 18 пФ) и имеющая с одной стороны типовую «микрофонную» резьбу, а с другой, чаще всего, BNC разъём. Это и старенький К65 производства ГДР, и AD005 L&D и множество иных моделей, прекрасно сочетающихся с обычными микрофонными предусилителями типоразмера ½’.

Схема измерения выглядит так, как это иллюстрировано рисунком 1.

Теперь обратимся к механике. Итак, испытуемый вибровозбудитель воздействует через датчик силы на некую инертную массу. То есть, чтобы вся вибросила прикладывалась именно к измерительному первичному преобразователя необходимо, чтобы значение инертной массы было много больше, чем масса испытуемого вибровозбудителя (подразумевается именно его колеблющаяся масса, а не общая масса, включая корпус и т. д.). С точки зрения механики эта «инертная масса» должна быть (в идеале) – абсолютно твёрдым телом. Тогда и только тогда сила будет измерена правильно. Правда, величину этой массы разработчики вибровозбудителей, как правило, не сообщают в документации. Поэтому считают относительно общей массы вибровозбудителя. «много больше – это не менее, чем в 25÷30 раз. А это означает, что при массе вибровозбудителя, например, до 0,02 кг (массе, а не весе. ) «инертная масса» должна быть не менее 0,5 кг (а не вес. ). А для обеспечения необходимой жёсткости это должна быть сплошная металлическая болванка (плита, цилиндр). На противоположной от точки крепления датчиков стороне можно предусмотреть поглотитель виброколебаний. Но это особый разговор, требующий отдельного рассмотрения. Кроме того, весьма рекомендуется обеспечить хотя бы простейшую виброизоляцию этой инертной массы для снижения уровня вибропомех. Те, кому приходится заниматься виброизмерениями, хорошо знают, что зачастую все наши здания просто «пропитаны» вибрацией с частотой электросети и её гармониками.

Разобравшись с чисто механическими вопросами вернёмся к, собственно, измерениям. На выходе микрофонного предусилителя мы получим некое выходное напряжение, пропорциональное сгенерирнованному первичным преобразователем заряду и, следовательно, пропорциональное приложенной вибросиле. Чтобы получить измеренную величину в требуемых единицах, то есть в ньютонах (Н) нужно ещё немного поработать.

Самый просто способ заключается в том, что шумомер при помощи отдельного, «эталонного» источника переменного напряжения калибруется как вольтметр. После чего он будет выдавать значение напряжения на выходе предусилителя в дБ относительно, например, 1 мкВ. А измеренное напряжение несложно пересчитать, через калибровочный коэффициент (учитывающий паспортную чувствительность датчика и ёмкость входных цепей), в значение вибросилы. Разумеется, вся эта процедура должна выполняться особо тщательно, поскольку все возникшие погрешности (неопределённости) переходят в погрешности итоговых результатов.

Калибровка шумомера как вольтметра вообще-то операция широко применяемая и во многом рутинная. Но уж коли мы заговорили об этом впервые, то рассмотрим её чуть подробнее.

Схема калибровки приведена на рисунке 2.

В общем-то какой из вариантов создания эталонного напряжения Вы выберете, генератор с достаточно точной установкой выходного сигнала или упрощённый генератор с достаточно точным вольтметром для контроля выходного напряжения – неважно. Важно, что именно погрешность установки этого напряжения определит основную погрешность калибровки в целом. Очень рекомендуется обеспечить погрешность не хуже ±1÷2%. Современные генераторы НЧ с программируемым выходным сигналом вполне это обеспечивают.

Устанавливают выходное напряжение генератора, например, 100 мВ, что должно в дБ относительно 1 мкВ составляет 100 дБ и калибруем шумомер на это значение. В соответствии с процедурой калибровки, изложенной в руководстве пользователя любого шумомера. После этого шумомер (вольтметр) готов к измерениям. Нелишне напомнить, что в соответствии с метрологическими нормами, такую калибровку необходимо проводить «до» и «после» основных измерений. И результаты калибровки должны совпасть с погрешностью, не более половины основной погрешности шумомера (для шумомера 1 класса 0,6 дБ, следовательно, допустимое расхождение между калибровками не должно превышать ±0,3 дБ). У меня так получалось, укладывались в ±(0,1÷0,2) дБ.

Напоминать о том, что выходное сопротивление генератора НЧ должно быть много ниже входного сопротивления микрофонного предусилителя, на мой взгляд, уже не стоит. Это и так получается, само собой. Частота калибровочного сигнала выбирается произвольно в диапазоне 100÷4000 Гц (можно и выше, и ниже, но появляются дополнительные источники погрешностей).

Далее о коэффициенте пересчёта напряжения в вибросилу.

Паспортная чувствительность зарядовых датчиков силы указывается в пК/Н. Коэффициент должен связать (перевести) напряжение в силу. Для вычисления напряжения вспомним классическую школьную формулу (электричество, 8-й класс средней школы):

Отсюда следует, что:

C зарядом понятно, это именно тот заряд, который генерирует датчик, а вот о ёмкости чуть подробнее. Эквивалентная схема входной цепи приведена на рисунке 3.

Выражение (3) можно записать и в относительных значениях (в дБ):

С датчиком силы стандарта ICP всё будет почти аналогично.

Из схемы измерений исключается «адаптер прямого входа», а при калибровке шумомера как вольтметра надо не забыть подумать о том, не повредит ли напряжение ICP питания, попав на выход генератора сигнала. Удобен для этой цели наш шумомер «Тритон», в нём это питание можно просто выключить в интерфейсе управления на время калибровки.

Расчётная формула тоже претерпевает изменение, поскольку чувствительность таких датчиков силы задаётся не в единицах заряда, а в единицах напряжения на выходе датчика «на ньютон». При этом выражение (3) видоизменяется:

Разумеется, необходимо учитывать корректное использование десятичных приставок к единицам (мВ, мкВ, мкН и т.д.).

Всё изложенное относилось к процессу хоть и косвенного, но измерения вибросилы. Так что же можно измерять акселерометром, которых у пользователей типа «пруд пруди»?

Снова вернёмся к физике. Точнее – к механике, ещё конкретнее – к формулировке первого закона великого Ньютона 😉 Вечное, как вселенная:

Для всего «вибрационного» это действует точно так же. То есть вычислить силу, зная ускорение совсем просто. Только надо знать массу! Вот это и есть основной постулат.

Измерения акселерометром (то есть измерять ускорение) выполнять можно, но пересчитать в вибросилу – только если измерения велись на вполне определённой массе.

И ещё одно условие! Кроме инертной массы на ускорение влиять не должно НИЧЕГО! То есть эта масса должна быть закреплена (подвешена) так, чтобы в ожидаемом направлении виброколебаний им ничто не мешало, не демпфировало, не вносило затуханий, которые невозможно учесть.

Обеспечить выполнение этого условия, в общем-то, несложно. Техника за время своего развития предложила множество подобных решений. Общий принцип заключается в том, что инертная масса закрепляется в некотором держателе, который жёстко её фиксирует в одном направлении и даёт полную свободу в перпендикулярном. Именно так построены механические эквиваленты нагрузки, которые разработаны у нас и применяются для таких (и многих других!) измерений. Один из наших образцов приведён на фото 1.

Как видно на фото подвес цилиндра массой более 0,5кг (точное значение есть, но это несущественно) обеспечивает одну степень свободы – вдоль оси цилиндра, жёстко фиксируя остальные две. Форма и масса выбираются не случайным образом. Крайне желательно, чтобы отражение виброколебаний внутри массы не приводило к интерференции волн (особенно при измерениях на «тональном» сигнале), которая может существенно повлиять на результат измерений в конкретной точке. Это уже отдельный вопрос, лежащий за пределами рассматриваемой темы.

Сама масса должна быть много больше массы вибровозбудителя. На сей раз из несколько иных соображений. В частности, чтобы правильно имитировать его режим работы. На самом деле само значение массы здесь не столь критично, как в первом варианте. Будет меньше масса – увеличится виброускорение (в разумных пределах, естественно).

Проверка степени затухания вибросигнала путём сравнения значений виброускорения на одном и на втором торцах цилиндра (равно как и смещение акселерометра от оси к краям цилиндра) дают девиацию (разброс) значений, меньшую, чем основная погрешность шумомера (менее ±0,3 дБ при основной погрешности ±0,6 дБ). Таким образом, можно утверждать, что затухания виброколебаний в массе пренебрежимо малы.

Подобные конструкции могут быть выполнены не только со «струнными», но и с пружинными подвесами, различной массы, имитирующие различные механические нагрузки и позволяющие решать различные измерительные задачи.

Итак, схема измерений традиционна и приведена на рисунке 4.

Она построена для зарядового акселерометра, но точно так же выглядит для ICP модели, исключая «эквивалент микрофона» («адаптер прямого входа») и включая соответствующую модель предусилителя. И, разумеется, измерительный канал должен калиброваться «до» и «после» измерений при помощи виброкалибратора, обеспечивающего воспроизводимое с высокой точностью постоянное (обычно 10 м/с 2 ) виброускорение.

Измерив полученное виброускорение и зная массу механической нагрузки элементарно рассчитывается соответствующее значение вибросилы, прямо по формуле (7). Таким образом, требуемые сертифицируемые параметры вибровозбудителей вполне возможно измерить уже имеющимся у большинства испытательных лабораторий набором средств измерений. Такое же косвенное измерение. С немного бóльшим количеством источников погрешностей (неопределённости измерений) – в частности при нахождение значения инертной массы.

Напомним ещё, что практически всегда мы измеряем (взвешиваем на весах) не массу, а вес, а массу нужно бы находить всё по той же формуле через ускорение свободного падения:

Но это ещё не всё, вспоминаем, что все наши весы показывают (оцифрованы шкалы и/или цифровые индикаторы) вес не в ньютонах, а, традиционно, в «килограммах силы, кГ», то есть в единицах, в 9,807 раз больших («наследие» системы СГС, точнее её ответвлений). А это означает, что чтобы получить значение веса в ньютонах, показания весов ещё надо умножить на 9,807, таким образом, ускорение свободного падения у нас оказывается и в числителе, и в знаменателе выражения. И окончательный вывод – показания весов, шкала которых оцифрована в единицах «кг силы» (традиционно!), численно равны значению инерциальной массы взвешиваемого тела в «кг массы»! Всё просто, когда разберёшься 😉

Вот иллюстрация достаточно простого эксперимента. На одной и той же инертной массе выполнены измерения вибросилы датчиком силы (именно так, как описано выше), затем с теми же параметрами сигнала выполнены измерения виброускорения акселерометром. Точнее, все измерения выполнялись одновременно двумя первичными преобразователями и двумя шумомерами (по разному откалиброванными). Вибросила измерялась уже упомянутым АС-20, ускорение акселерометром PCB 532B. Шумомеры L&D тип 824 и «Тритон». Тестовый вибросигнал – синусоидальный (исключительно для упрощения измерений, можно было и на шумовом). Результаты приведены в таблице 1.

Источник

Лекция 11. Параметры и характеристики механических колебаний

Параметры вибрационного процесса

Для гармонического колебательного процесса существует ряд особенностей, которые характеризуют связь между перемещением, скоростью и ускорением:

Рисунок 70 – Сдвиг фаз между параметрами гармонических колебаний

Пример

Для роторного механизма, имеющего частоту вращения 3000 об/мин (50 Гц) зафиксировано значение виброперемещения – 20 мкм. Определить соответствующие значения виброскорости и виброускорения.

Исходя из данных соотношений, можно сделать вывод о том, что зависимости между перемещением, скоростью, ускорением и частотой будут различными. На графике перемещения будет преобладать низкочастотная область, а на графике ускорения ‑ высокочастотная при ослаблении низкочастотной (рисунок 71).

Виброускорение

Виброскорость

Виброперемещение

Рисунок 71 – Спектрограммы параметров вибрации, зафиксированных в одной точке

Рисунок 72 – Точка вибрационного контроля

Основные характеристики колебательных процессов

Рисунок 73 – Характеристики колебательных процессов

Рисунок 74 – Изменения значения пик-фактора

Относительные единицы вибрации – 20-ти кратные десятичные логарифмы отношения измеренного значения параметра вибрации (v_ИЗМ) к некоторому начальному уровню (v_НАЧ) и измеряются в децибелах (дБ). Для виброскорости:

Увеличение уровня на 6 дБ соответствует удвоению амплитуды, независимо от исходного значения. Изменение уровня на 20 дБ означает рост амплитуды в десять раз. Для временных реализаций вибрации всегда используются линейные единицы измерения амплитуды: мгновенное значение сигнала может быть и отрицательным, и поэтому его невозможно логарифмировать.

Обычно, аналоговый вибрационный временной сигнал преобразуется в цифровой вид и используется для спектрального анализа в частотной области. Сложность формы временного сигнала, его интерпретация сильно затруднена, поэтому часто временная форма сигнала игнорируется. В то же время информацию, которую может дать временная форма, недоступна при рассмотрении спектра вибрации.

Например, случайный процесс (непрерывный шум) и переходный процесс, связанный с какими-то нерегулярными событиями, имеют схожие спектры, которые, тем не менее, соответствуют сигналам совершенной разной природы, что отчетливо видно по их временным реализациям. Во временной области легко различим стук деталей, приводящий к асимметрии формы сигнала, который может быть следствием ослабления механических соединений.

Рисунок 75 – Спектрограмма виброскорости (а) и временной сигнал (б) виброускорения подшипника тихоходного вала редуктора механизма передвижения мостового крана

Цикл измерений содержал 12 измерений, с учётом 800 линий в спектре – 9600 значений, дополнительно проведены измерения временной формы вибрационного сигнала ‑ 4×16000 значений. Из этих данных получено два информационных сообщения: об общем уровне вибрации (соответствующего удовлетворительному состоянию) и о возможной причине неисправности, устранённой при ремонте.

Работа электродвигателей часто сопровождается биениями, которые, хорошо воспринимаются на слух. Эти биения соответствуют частоте скольжения ротора или разности частоты вращения ротора и частоты возбуждения двигателя. Частота биений очень низка, иногда ниже 0,1 Гц. Биения могут также возникать, когда машины, близко расположенные друг к другу, работают на слегка различающихся частотах вращения. Наблюдать биения лучше во временной области вибрационного сигнала, поскольку для вычисления спектральных составляющих на столь низких частотах требуется очень большое время и высокое разрешение.

Трудность анализа заключается в отсутствии правил формализации и обработки временных реализаций параметров быстропротекающих процессов. Во многом данный процесс субъективен и зависит от опыта специалиста. Спектральные составляющие вибрационного сигнала часто остаются практически без изменений из-за усреднения вибрационного сигнала, необходимого для получения достоверной оценки. Анализ фактического сигнала несет дополнительную информацию о техническом состоянии механизма. Наиболее эффективно использование анализа временной формы вибрационного сигнала для диагностирования переходных, нестационарных, ударных процессов. Для этого используются периоды 30…400 мкс, количество измерений 10000…16000 и более, режим – без усреднений.

Правила анализа временного сигнала

Характер вибрации при изменении частоты вращения механизма также является диагностическим признаком, требующим анализа временных реализаций:

Примеры временной реализации виброускорения подшипников электродвигателя приведены на рисунке 76.

Рисунок 76 – Примеры временной реализации виброускорения подшипников электродвигателя

Различные временные интервалы при записи сигнала позволяют изменять анализируемую картину вибрации (рисунок 77).

Рисунок 77 – Примеры временной реализации виброускорения при различных временных интервалах

Источник