Устройство для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к высокоточным измерениям, и может быть использована для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов. Может применяться для контроля технического состояния механических узлов промышленного оборудования, в частности подшипниковых узлов.
Известны устройства для измерения виброускорений и виброперемещний подвижных (вращающихся) элементов машин и механизмов.
Устройства измерения радиальной вибрации вращающихся валов контактным и бесконтактным способом описаны в ГОСТ ИСО 10817-1-2002, и базируются на оценке разности изменений расстояния парой взаимно-ориентированных датчиков приближения, например, индуктивного типа или контактный датчик-зонд, в каждый момент времени с учетом мгновенного угла поворота вала. Устройства такого типа позволяют построить траектории движения вала в одной плоскости.
Недостатками данных устройств являются необходимость юстировки каждого датчика относительного вала и введения последующей поправки в результаты измерения, ограниченная возможность применения на промышленном оборудовании для контроля технического состояния отдельных узлов механизмов, а также невозможность получения виброускорений вала.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существующих признаков является устройство измерения виброускорения подвижных элементов машин и механизмов, содержащее роторный блок, жестко закрепленный через свое отверстие на валу и размещенный перпендикулярно оси его вращения, и соосно размещенный с минимальным расстоянием до роторного блока жестко закрепленный на корпусе механизма статорный блок (патент РФ №142934, кл. G01P 15/02, 2014 г.).
Недостатками вышеуказанного технического решения являются наличие жестко закрепленного на корпусе механизма статорного блока, который должен быть размещен соосно с минимальным расстоянием до роторного блока, который ограничивает возможность встраивать такое устройство в конструкцию подвижных механизмов, например, сателлитов планетарных передач, так как сателлиты совершают плоское движение, помимо вращательного движения. Кроме того, недостатком вышеуказанного технического решения является невозможность определения виброперемещений подвижных элементов механизмов из-за наличия в центре роторного блока отверстия для вала.
Техническая задача полезной модели заключается в значительном расширении вектора измеряемых данных непосредственно с вращающегося вала для методов обработки информации и расширении пространства определяющих критериев технического состояния машин и механизмов для обнаружения зарождающихся дефектов, что значительно повышает их предсказуемость работы и своевременность технического обслуживания и ремонта.
Технический результат заключается в одновременном определении виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов, содержащее роторный блок, жестко закрепленный на конце вала и размещенный перпендикулярно оси его вращения, содержащий, по крайней мере, один акселерометр, соединенный посредством последовательного интерфейса с микропроцессором, который соединен по средствам последовательных и параллельных интерфейсов со встроенной энергонезависимой памятью и приемопередатчиком, выход которого соединен с антенной для передачи данных, выводы питания которых соединены со встроенным источником питания, который соединен с преобразователем вибрационной энергии в электрическую энергию, при этом согласно полезной модели, в геометрическом центре роторного блока установлен один многокомпонентный акселерометр, соединенный посредством последовательного периферийного интерфейса с микропроцессором.
Роторный блок содержит преобразователь вибрационной, например, пьезоэлектрической энергии в электрическую энергию, который преобразует вибрацию элемента узла механизма, на котором закреплен роторный блок устройства, в электрическую энергию, которая заряжает встроенный источник питания, напряжение которого питает акселерометры и электронные компоненты, предназначенные для обработки, хранения и передачи полученных от акселерометров данных. При этом измерительное устройство не требует внешних источников питания. Роторный блок жестко закрепляют на конце подвижного элемента узла механизма, с учетом не создания дисбаланса в перпендикулярной оси вращения плоскости, например, на конце вращающегося вала или на цапфе вала шестерни. Кроме того, роторный блок содержит многокомпонентный акселерометр, который установлен в геометрическом центре роторного блока, а также акселерометры, которые установлены не в геометрическом центре роторного блока. Многокомпонентный акселерометр в геометрическом центре роторного блока одновременно измеряет виброускорение подвижного элемента механизма, ускорение свободного падения в точке закрепления на элементе узла механизма, а также центростремительное ускорение геометрического центра роторного блока, которое отлично от нуля при наличии виброперемещений узла механизма в виду его неуравновешенности, либо воздействия переменных внешних сил, и пропорционально расстоянию фактического положения многокомпонентного акселерометра от геометрического центра элемента узла механизма в покое. В свою очередь, акселерометры, которые установлены не в геометрическом центре роторного блока, измеряют виброускорение подвижного элемента механизма, ускорение свободного падения в точке закрепления на элементе узла механизма, а также центростремительное ускорение, которое отлично от нуля в виду установки акселерометров на заданном при проектировании расстоянии от геометрического центра роторного блока. Совместная обработка полученных от многокомпонентного акселерометра и других акселерометров, а именно линейная комбинация полученных данных с учетом мгновенного угла поворота, полученного через совместную фильтрацию полученных от акселерометров ускорений, позволяет одновременно определить виброускорения и виброперемещения подвижного элемента механизма.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена схема роторного блока устройства, на которой:
101 – роторный блок,
102 – акселерометр,
103 – микропроцессор,
104 – встроенный источник питания,
105 – преобразователь вибрационной энергии в электрическую энергию,
106 – многокомпонентный акселерометр в геометрическом центре роторного блока,
107 – встроенная энергонезависимая память,
108 – приемопередатчик,
109 – антенна для передачи данных.
На фиг. 2 представлена блок-схема работы устройства для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов, где:
105 – преобразователь вибрационной энергии в электрическую энергию,
104 – встроенный источник питания,
102 – акселерометр,
103 – микропроцессор,
106 – многокомпонентный акселерометр в геометрическом центре роторного блока,
107 – встроенная энергонезависимая память,
108 – приемопередатчик,
109 – антенна для передачи данных
110 – антенна для получения данных
111 – приемопередатчик,
112 – блок обработки и хранения данных.
Устройство для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов содержит (фиг. 1) роторный блок 101, жестко закрепленный на конце вращающегося вала таким образом, чтобы роторный блок 101 располагался перпендикулярно оси вращения вала. Роторный блок 101 содержит антенну для передачи данных 109. В геометрическом центре роторного блока 101 установлен один многокомпонентный акселерометр 106, в данном примере – это двухкомпонентный акселерометр 106, для одновременного определения виброперемещений и виброускорений вала, один микропроцессор 103, акселерометры 102 для определения виброускорений вала, встроенная энергонезависимая память 107, приемопередатчик 108, встроенный источник питания 104, преобразователь вибрационной энергии в электрическую энергию 105. Преобразователь вибрационной энергии в электрическую энергию 105 соединен со встроенным источником питания 104. Встроенный источник питания 104 соединен с акселерометрами 102 и 106, микропроцессором 103, встроенной энергонезависимой памятью 107 и приемопередатчиком 108. Акселерометры 102 и 106 соединены с микропроцессором 103. Микропроцессор 103 соединен с встроенной энергонезависимой памятью 107 и приемопередатчиком 108. Приемопередатчик 108 соединен с антенной для передачи данных 109.
Устройство для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов работает следующим образом (фиг. 2).
Преобразователь вибрационной, например, пьезоэлектрической энергии в электрическую энергию 105 преобразует вибрацию, которую создает содержащий роторный блок механизм во время своей работы, в электрическую энергию. Преобразованная электрическая энергия заряжает встроенный источник питания 104. Напряжение от встроенного источника питания 104 питает микропроцессор 103, акселерометры 102, многокомпонентный акселерометр 106, встроенную энергонезависимую память 107, приемопередатчик 108. Акселерометры 102 измеряют виброускорение в точке закрепления на элементе узла механизма и преобразует в цифровой сигнал, который поступает в микропроцессор 103, где происходит цифровая обработка измеренного сигнала, который записывается во встроенную энергонезависимую память 107. Многокомпонентный акселерометр 106 измеряет виброускорение, центростремительное ускорение геометрического центра вала и ускорение свободного падения в точке закрепления на элементе узла механизма и преобразует в цифровой сигнал, который поступает в микропроцессор 103, где происходит цифровая обработка измеренного сигнала совместно с измеренным сигналом, поступившем в микропроцессор 103 от акселерометров 102. Обработанный сигнал поступает во встроенную энергонезависимую память 107. Микропроцессор 103 передает записанные во встроенной энергонезависимой памяти 107 в приемопередатчик 108. Приемопередатчик 108 передает полученные данные через антенну для передачи данных 109 и антенну для получения данных 110 приемопередатчику 111 в блок обработки и хранения данных 112, например, на сервер для хранения, систематизации, обработки и анализа.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет измерять виброускорения и виброперемещения подвижных элементов машин и механизмов, не оказывая влияния на работу механизма и не требуя установки внешних источников питания и регулярного обслуживания внутренних источников питания, таким образом, значительно расширяется вектор измеряемых данных непосредственно с вращающегося вала для методов обработки информации и расширения пространства определяющих критериев технического состояния машин и механизмов для обнаружения зарождающихся дефектов, что значительно повышает их предсказуемость работы и своевременность технического обслуживания и ремонта.