Измерение дисбаланса шнековых валов

Общая и прикладная механика Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 101-103

УДК 621.01

ИЗМЕРЕНИЕ ДИСБАЛАНСА ШНЕКОВЫХ ВАЛОВ © 2011 г. Б.А. Гордеев1, К.В. Голубева2

'Нижегородский филиал Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН 2Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

kupycuk@bk.ru

Поступила в редакцию 16.05.2011

Экспериментальные исследования процессов движения с использованием в качестве первичных измерительных преобразователей бесконтактных ультразвуковых преобразователей выявили дополнительные возможности их применения: при измерении низкочастотных колебаний строительных конструкций, исследовании дисбалансов вращающихся роторов и шнековых валов. Рассмотрены возможности использования акустических методов при измерениях вибрации шнековых механизмов.

Ключевые слова: дисбаланс, шнек, эффект Доплера, вибрация, модуляция, фаза.

Ультразвуковые вибропреобразователи находят применение в задачах экспресс-анализа виб-роакустических сигналов зубчатых передач, исследовании дисбалансов роторов, а также при измерениях торсионных моментов, калибровке контакных пьезоэлектрических преобразователей. В настоящее время ультразвуковые фазовые преобразователи движения находят широкое применение при исследовании распределения вибрационных полей в гидрофонах, акустических диффузорах и применяются при поверке и аттестации контактных вибропреобразователей.

Применение бесконтактных виброакусти-ческих преобразователей связано с рядом особенностей. Одна из важнейших — оценка квазиста-тического приближения, когда время распространения фронта зондирующей волны имеет один порядок с периодом вибрационного воздействия. При этом возникает задача разработки специальных алгоритмов для выделения информационных сигналов на основе фазовой модуляции отраженного акустического сигнала. Для решения этой проблемы рассмотрена краевая задача, описывающая взаимодействие заданной излучаемой источником волны, имеющей плоский фронт, с движущейся идеально отражающей плоской границей раздела сред. Информативными признаками будут девиация частоты за счет эффекта Доплера и модуляция фазы.

Проведенный анализ показал, что ошибка измерения фазы, а следовательно, и виброперемещения, обусловлена соотношением скоростей зондирующего сигнала и исследуемого объекта. Предложены соответствующие алгоритмы обработки принимаемого сигнала с целью получения

более достоверной информации о параметрах движения границы раздела сред.

Учитывая изменение параметров исследуемого процесса, можно выбирать оптимальный способ обработки полученной информации с минимизацией погрешностей. Преимущества изложенного метода измерений параметров вибрации перед другими акустическими методами заключаются в том, что не вносится искажений в исследуемый процесс, исключаются электромагнитные помехи, не требуется специально подготовленной поверхности исследуемого объекта. Разработанный метод и устройства на его основе находят применение в машиностроении, судостроении, медицине. Показано его применение при исследованиях виброактивности вращающихся валов.

Однако при измерении дисбаланса шнековых механизмов возникают дополнительные трудно с-ти, так как поверхность шнека представляет собой винтовую поверхность, где высота спирали может быть одного порядка с диаметром шнека. Тогда выходной сигнал насыщается дополнительными гармониками, так как спираль шнека, попадая в зону действия зондирующего акустического сигнала, вызывает модуляцию отраженного сигнала не только по фазе, но и по частоте. Поэтому выделение информационной составляющей по фазе связано с возрастающими ошибками. Ошибки увеличиваются при возрастании угловой скорости вращения шнека.

На рис. 1 изображена структурная схема одного из вариантов ультразвукового фазового измерителя микроперемещений, используемого при балансировке шнековых механизмов, а также при вибродиагностике лопаток турбин. Работа

представленного ультразвукового измерителя дисбаланса шнекового механизма осуществляется следующим образом.

Прежде всего на валу шнекового механизма закрепляется кодовый диск в том положении, чтобы при вращении вала поле действия ультразвукового зондирующего сигнала не входило в область шнекового выступа, иначе при вращении вала зондирующий луч, попадая на шнековый выступ, отражается от него, наполняясь неинформативными гармоническими составляющими. Эти составляющие значительно затрудняют обработку сигнала и вносят ошибку, достигающую 100% и более.

Сигнал генератора 1 ультразвуковой частоты 100-300 кГц подается на усилитель мощности 2, а затем на излучающий преобразователь 3. Меняя частоту задающего генератора 1, добиваются наиболее эффективного излучения ультразвукового сигнала преобразователем 3 путем его настройки на частоту электромагнитного резонанса. При медленном вращении ротора 4 фаза отраженного ультразвукового сигнала меняется на некоторую величину, которая зависит от величины эксцентриситета вала. Если эксцентриситет отсутствует, то изменения фазы не происходит. Модулированный по фазе ультразвуковой сигнал поступает на приемный преобразователь 5, настроенный на частоту механического резонанса. Преобразователь 5 преобразует сигнал акустической природы в сигнал электромагнитный со всеми индексами частотной и фазовой модуляции. Затем электромагнитный сигнал через согласующий усилитель 6 поступает на формирователь меандра 8, где из синусоидального преобразуется в последовательность однополярных прямоугольных импульсов той же частоты. На формирователь 7 посту-

пает опорный сигнал с выхода задающего генератора 1. Выходной сигнал формирователя 7 также имеет вид меандра, но в отличие от выходного сигнала формирователя 8, может иметь некоторое рассогласование по фазе и частоте. Изменение фазы линейно связано с изменением расстояния отражающей поверхности вала до излучающего и приемного преобразователей, а изменение частоты характеризует скорость вращения вала. В данном случае фаза является информативным параметром. Оба сигнала прямоугольной формы поступают на входы первого блока умножения 9, на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов различной длительности. Длительность импульсов характеризует изменение фазы и, следовательно, расстояния до исследуемого объекта. Эта последовательность прямоугольных импульсов поступает на первый вход второго блока умножения 14, на второй вход которого поступают тактовые импульсы высокой, порядка 1 ГГц, частоты с генератора 10-тактовых импульсов. Меняющееся число тактовых импульсов в выходном сигнале блока 14 соответствует изменению фазы между отраженным и опорным сигналами. На третий вход блока 14 поступает сигнал формирователя 13, имеющего два устойчивых состояния. В качестве формирователя 13 может использоваться триггер, включенный по счетному входу. Триггер 13 меняет свое состояние каждый раз с приходом импульса с датчика 12 угла поворота вала. Кодовый диск 11 закрепляется на валу таким образом, чтобы триггер 13 находился в единичном состоянии только тогда, когда поле действия ультразвукового зондирующего сигнала свободно от шнекового выступа. Только в этом случае срабатывает схема умножения 14. Блок анализа 15 предназначен для представления реализации исследуемого процесса в частотной или во временной областях. Выходной сигнал этого блока через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16 может поступать на осциллограф или непосредственно в компьютер, где в зависимости от программного обеспечения может анализироваться автокорреляционная функция, спектральный состав, гистограмма распределений информативных параметров.

Работа выполняется при частичной поддержке РФФИ, проект № 08-08-97057 - Р Поволжье.

Список литературы

1. А.С. .№823824 (СССР). Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений / Гордеев Б.А., Кондратьев В.В. Заявлено 29.03.79, опубл.23.04.81. Бюл. №15.

2. А.С. № 1254334 (СССР). Ультразвуковой фазо- Заявлено 04.10.84. № 3851154/25-28, опубл. 30.08.86. вый измеритель виброперемещений / Гордеев Б.А. Бюл. № 32.

MISBALANCE MEASUREMENT OF SCREW SHAFST B.A. Gordeyev, K. V Golubeva

Experimental research of motion processes, using contactless ultrasonic converters as primary measuring converters have revealed additional possibilities of their application: in particular, for measuring low-frequency fluctuations of structures of civil construction, in researching the misbal-ance of rotating rotors and screw shafts. The article discusses the potential applications of acoustic methods for measuring vibration in screw mechanisms.

Keywords: imbalance, screw, Doppler effect, vibration, modulation, phase.