Балтийский  Государственный Технический    Университет  «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова 

кафедра

“Космические аппараты и двигатели” 

   РЕФЕРАТ

   по  дисциплине «Физические основы  получения информации» 

   на  тему

    

ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  В ГАЗОТУРБИННЫХ  ДВИГАТЕЛЯХ

 
 
 
 
 
 
 

Санкт –  Петербург

2011

Оглавление 

 

Введение

 

      Борьба  с вибрацией является неотъемлемым условием обеспечения высокого качества газотурбинных двигателей (ГТД). Она ведется на этапах проектирования, доводки, серийного производства и эксплуатации двигателей. Борьба с вибрацией требует умелого сочетания расчетных и экспериментальных методов. До недавнего времени измерение вибрации ГТД были эпизодическими и носили преимущественно познавательный характер. В настоящее время характерной чертой виброметрии является массовость исследований. Другая характерная черта – развитие функций оперативной оценки общего вибрационного состояния двигателя. Контроль уровня вибрации силовых корпусов превращается в технологическую операцию, выполняемую непрерывно при всех видах испытаний и эксплуатации двигателя. Увеличивается число контролируемых узлов двигателя, усложняются алгоритмы обработки измерительной информации.

      Наибольшее  применение в диагностике ГТД нашли измерители механических колебаний — вибропреобразователи различных конструкций и различного принципа действия. Целесообразность применения вибропреобразователей для диагностики объясняется тем, что вибрационный процесс имеет большую информационную емкость; что установка внешних вибропреобразователей на объект не представляет особых трудностей; что вибропреобразователи можно длительно эксплуатировать в условиях повышенных температур и вибраций. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Общие сведения о вибрации

      1.1 Параметры вибрации и единицы измерений

 

      Вибрация, как протекающий во времени процесс, описывается соответствующим законом  колебаний и характеризуется  определенными параметрами этого  закона. Гармоническая вибрация описывается  тремя независимыми параметрами: амплитудой, частотой и начальной фазой. Частота вибрации измеряется в Гц, а связанные с нею период колебаний и круговая частота измеряются в с и рад/с соответственно. Фаза измеряется в радианах или угловых градусах.

      Единицы измерений амплитуды вибрации зависят от измеряемой колебательной величины. Вибрационные смещения измеряются – в м, скорости – в  м/с, ускорения – в  м/с². Широко распространена практическая система единиц: смещения измеряются в миллиметрах, скорости – в мм/с, ускорения – в единицах нормализованного ускорения силы тяжести.

      Связь амплитуд ускорений в практической и международной системах выражается формулой:

      

.                                              

      Иногда  употребляется безразмерный коэффициент  , равный отношению вибрационного ускорения к ускорению земного притяжения:

      

.                                                   

      Этот  параметр называют коэффициентом вибрационной перегрузки.

      Пиковое значение вибрации определяется как наибольшее отклонение колебательной величины в ту или другую сторону от нулевого уровня:

      

.                                               

      Пиковое значение смещений характеризует максимальное отклонение колеблющегося тела, что важно, например, при выборе величин зазоров между колеблющимися телами. Пиковое значение ускорений используется для оценки наибольших инерционных сил.

      Действующее, или эффективное значение вибрации

      

                                        

имеет определенный физический смысл в случае виброскорости, так как энергия колебаний в общем случае пропорциональна квадрату скорости вибрации.

      Среднее значение вибрации определяется как  среднее арифметическое мгновенных значений (без учета знака; среднее значение с учетом знака за полный период равно нулю):

      

.                                             

      Оно используется для оценки общей интенсивности  вибрации.

      Отношение действующего значения к среднему называется коэффициентом формы:

      

,                                                   

а пикового к действующему – коэффициентом  амплитуды или пик-фактором:

      

.                                                 

      Иногда  употребляются относительные единицы  измерения вибрации. Уровень интенсивности  скорости вибрации в децибелах определяется как двадцатикратный десятичный логарифм отношения абсолютного  значения виброскорости  к некоторому начальному уровню :

      

.                                        

      За  начальный уровень интенсивности  вибрации принимается действующее  значение виброскорости  . Измеряемый параметр шума – звуковое давление . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1.2. Требования к измерительной системе вибрации

 

      Виброграмма (рис. 8) содержит несколько записей  вибрации в различных точках исследуемой  системы и записи вспомогательных  параметров (числа оборотов двигателя, меток времени и др.), поэтому измерительная система должна быть многоканальной. Из условий работы вытекает требование дистанционности. Расстояние от датчиков до измерительной системы может исчисляться десятками и сотнями метров.

      При определении требований к измерительному каналу его рассматривают как  единую физическую систему, преобразующую  входной сигнал (вибрацию) в выходной (вибродиаграмму) .

      Амплитудная характеристика канала должна быть линейной в пределах измеряемых значений амплитуд вибрации – от минимальной до максимальной :

      

,                                             

где – чувствительность канала в измеряемом диапазоне частот.

      Согласно  типовым спектрам общий частотный  диапазон виброизмерительной аппаратуры можно принять равным , поскольку интенсивность составляющих вибрации с частотами вне этого диапазона обычно мала. 

 

Рис. 8. Структура измерительной системы 
 
 
 
 
 

      Для регистрации параметров вибрации измерительный  канал должен содержать ряд устройств.  

        
 
 

Рис. 9. Структурная схема измерительного канала 

      Каждый  измерительный канал включает несколько  функциональных устройств (элементов, звеньев), обычно включенных последовательно (рис. 9). Датчик преобразует механические колебания в электрические. Преобразователь электрических сигналов осуществляет различные линейные преобразования (фильтрацию, интегрирование, дифференцирование). Линейный усилитель обеспечивает усиление сигнала до величины, необходимой для регистрации. Регистратор обеспечивает индикацию и запись вибрации на  магнитную ленту. В последнем случае наличие фильтра не обязательно.

      К точности измерения амплитуд особо  жестких требований не предъявляется, поскольку основной интерес представляет качественная картина вибрации (ее структура, характер, источник). Допустимые погрешности составляют 10-20%. Точность измерений частот (иногда и фаз) должна быть высокой (1-2%). Эти параметры нередко являются определяющими при вскрытии физической сущности вибрации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Вибропреобразователи.

      2.1. Классификация вибропреобразователей

 

Источником сигнала  измерительной информации о значениях  измеряемых параметров вибрации является виброизмерительный преобразователь (вибропреобразователь). Современные  вибропреобразователи, в основном, построены на принципах электрических  измерений не электрических величин, когда механические колебания преобразуются в электрические. Виброизмерительные преобразователи классифицируются по ряду независимых признаков:

• по значению – измерительные преобразователи могут предназначаться для измерения различных параметров вибрации. В зависимости от измеряемого параметра вибрации вибропреобразователи могут называть: акселерометрами – для измерения ускорения и велосиметрами – для измерения скорости.
• по связи (взаимодействию) воспринимающей (чувствительной) части с объектом измерения различают контактные и бесконтактные преобразователи. Применение контактных или бесконтактных преобразователей зависит от размеров и массы вибрирующих изделий. Если размеры и массы изделий соизмеримы или меньше размеров и масс контактных преобразователей, то необходимо применять бесконтактные измерительные преобразователи.
• по принципу измерения относительно системы отсчета измерительные преобразователи могут быть основаны: на определении координат отдельных точек изделия относительно неподвижной системы отсчета, с которой ведутся наблюдения – кинематический принцип: на создании искусственной неподвижной системы отсчета в виде инерционного элемента, соединяемого с вибрирующим изделием через упругий подвес (мягкую пружину) – динамический принцип. При осуществлении динамического принципа измерения параметров вибрации изделия, производимое в условиях установившегося процесса, относительно инерционного элемента будет абсолютным. Преобразователи построенные по динамическому принципу часто называют инерционными.
• по принципу преобразования механических колебаний в другие виды колебаний различают активные и пассивные измерительные преобразователи. В активных измерительных преобразователях выходной сигнал получается за счет входной механической энергии и постоянного источника энергии. К активным преобразователям относятся фотоэлектрические, гамма-квантовые, емкостные и др. В пассивных измерительных преобразователях выходной сигнал получается только за счет входной механической энергии. К пассивным преобразователям относятся: пьезоэлектрические, электретные и др.
• по роду измеряемых компонентов вибрации различают преобразователи для измерения линейных компонентов колебаний (однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные), а также для измерения угловых компонентов.
• по направлению приложения силы при механических воздействиях различают измерительные преобразователи направленного и ненаправленного действия. В инерционных преобразователях ненаправленного действия упругий подвес обеспечивает сохранение положения и ориентации в абсолютном пространстве. По этому они могут выдавать все шесть компонентов вибрации. В преобразователях направленного действия обеспечивается измерение только одного линейного или углового компонента вибрации.
• по физическому явлению доложенному в основу метода измерения параметров механических колебаний, измерительные преобразователи можно объединить в следующие основные группы: механические, акустические (ультразвуковые), электрические, электромагнитные (радиотехнические), оптические (световые) и радиационные.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2. Основные параметры вибропреобразователей 

Основные параметры, характеризующие вибропреобразователи (виброметры) и позволяющие осуществить  их сравнение и выбор наиболее приемлемых для измерений являются следующие:

• измеряемый параметр линейной вибрации: перемещение (5), скорость (V), ускорение (а), резкость (г), частота (Г), коэффициент нелинейных искажений (р) и т.д.

• диапазон значений измеряемого параметра вибрации, для которого нормированы допускаемые  погрешности. При рассмотрении вибропреобразователя совместно с виброметром минимальное  значение измеряемого параметра определяется напряжением шума согласующего усилителя 

 

действительный  коэффициент преобразования вибропреобразователя – отношение изменения сигнала на выходе вибропреобразователя к вызывающему его изменению параметра вибрации на входе: 

 

где: АЕ – изменение величины сигнала на выходе;

AV – изменение измеряемого параметра вибрации.

При линейной зависимости  между Е и V: 

• минимальное  изменение измеряемого параметра  вибрации, вызывающее соответствующее  изменение показаний виброметра, называется порогом чувствительности.

• рабочий диапазон частот гармонических вибраций определяется диапазоном частот, в пределах которого неравномерность амплитудно-частотной  характеристики по отношению к базовой  частоте 1000 Гц не превышает установленного значения.

• основная погрешность  вибропреобразователя (виброметра) определяется:

а) при постоянном значении величины измеряемого параметра  вибрации в пределах измерения рабочего диапазона частот (неравномерность  амплитудно-частотной характеристики);

б) при различных  значениях величины измеряемого  параметра на неизменной частоте  в пределах установленного диапазона  измерений (нелинейность амплитудной  характеристики).

• коэффициент поперечного преобразования вибропреобразователя отношение изменения сигнала на выходе вибропреобразователя, установленного перпендикулярно направлению действующих колебаний, к вызывающему его изменению параметра вибрации на входе; 

 

где АЕ – изменение величины сигнала на выходе;

AV – изменено измеряемого параметра вибрации.

При линейной зависимости  между Е и V: 

где Е – максимальное значение сигнала при ряде измерений в различных положениях вибропреобразователя.

• относительный  коэффициент поперечного преобразования вибропреобразователя – отношение коэффициента поперечного преобразования к коэффициенту преобразования: 

 

• возможность  использования вибропреобразователя при температурных, влажностных  и других климатических воздействиях.

• независимость измерения от внешних электрических и магнитных полей.

• возможность использования вибропреобразователя для измерений в эксплуатационных, лабораторных и производственных условиях, а также для метрологических целей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2.3. Принципы работы.

По принципу работы пьезоэлектрические вибропреобразователи могут классифицироваться на четыре основные группы.

К первой группе относятся преобразователи с инерционной массой, прижимаемой по периферии к пьезоэлементу, что способствует повышению их чувствительности. При этом корпус выполняется достаточно легким, но с твердым основанием. Если частота вибрации гораздо меньше собственной частоты механического резонанса преобразователя, то ускорение инерционной массы будет равным ускорению места установки преобразователя на испытываемое изделие. При вибрации инерционная масса вызывает переменное сжатие пьезоэлемента, приводящее к возникновению электрического заряда пропорционального колебательному ускорению поверхности изделия, на которую. установлен вибропреобразователь. Измерение величины заряда с помощью специальной измерительной схемы, подключаемой к выходу преобразователя, позволяет определить амплитуду ускорения, частоту и форму колебаний при вибрации. Установлено, что при реализации данной конструкции обеспечивает получение наилучших амплитудных и амплитудно-частотных характеристик преобразователя. К достоинствам этого варианта конструкции также относятся простота, прочность и наличие достаточно большого коэффициента преобразования при относительно малом весе преобразователя. Основными недостатками являются:

• зависимость показаний от изменения температуры окружающей среды;
• чувствительность к акустическим шумам;
• возможность деформации корпуса и основания преобразователя, являющихся частью системы «подвес – инерционная масса», под влиянием деформации колебательной поверхности испытываемого изделия.

Ко  второй группе относятся преобразователи, у которых инерционная масса, пружина и пьезоэлемент установлены на центральном зажиме в середине твердого основания. Корпус в данной конструкции выполняет только защитные функции. Преобразователи второй группы лишены большинства указанных недостатков преобразователей первой группы.

К третьей группе относятся преобразователи, у которых устраняется влияние деформации основания на пьезоэлемент за счет того, что инерционная масса, прижатая пружиной к пьезоэлементу, перевёрнута. Недостатком преобразователей является несколько пониженная резонансная частота вследствие резонансов стенок корпуса, на которые опираются инерционная масса и пружина.

Особенностью  четвертой группы является то, что пьезоэлемент выполнен в форме цилиндра и напряжение на обкладках появляется вследствие сдвига при восприятии преобразователем механических колебаний по направлению оси поляризации, совпадающей с осью центрального зажима. Данная конструкция хорошо работает в различных условиях окружающей среды. Она отличается малыми габаритами и обеспечивает возможность измерения параметров вибрации на высоких частотах. Съем сигнала с преобразователя производится с торцевых поверхностей перпендикулярных к оси поляризации. 
 
 
 

      2.4.Принципиальная схема

                            

Рис. 11 Схемы входных цепей: 

а- полная схема; б- эквивалентная  схема вибропреобразователя, работающего в  режиме холостого  хода; ПЭ- пьезоэлемент;

- инерционная масса; - ЭДС вибропреобразователя; - сопротивление кабеля; - емкость кабеля; - входное напряжение усилителя; , - входная емкость и сопротивление усилителя; , - собственная емкость и сопротивление вибропреобразователя. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературных источников:

 

1. Учебное пособие  «Авиационные приборы и измерительно – вычислительные комплексы», УГАТУ, Уфа, 2006 г.
2. А.В. Барков, Н.А. Баркова.  Вибрационная диагностика машин и оборудования.  Учебное пособие. СП-б 2004 г.
3. Электронный конспект лекций «Методы  и способы исследования ЭС»  ЗНТУ Кафедра КПР. 2006г