Пристрій для контролю вібрації машин

Пристрій для контролю вібрації машин, що містить віброперетворювач, пороговий елемент, блок реєстрації рівнів вібросигналів, блок пам'яті, дисплей, який відрізняється тим, що додатково містить послідовно сполучені елемент АБО, блок затримки, блок захисту, а також другий і третій порогові елементи, датчик технологічний, аналізатор спектра, схему керування, ключовий елемент 3 62783 гармоніками та технологічним навантаженням машин і, крім того, недостатня можливість ідентифікувати причини вібраційних змін та порушень. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення відомого пристрою для контролю вібрації машин шляхом введення додаткових елементів, що забезпечує підвищення точності діагностики, встановлюється зв’язок амплітуд складових несучої частоти вібрації та її гармонік з технологічним навантаженням машин, що підвищує надійність та строк їх служби та є можливість ідентифікувати причини вібраційних змін та порушень, що дозволяє також оперативно впливати на технологічний процес. Рішення поставленої задачі досягається тим, що пристрій для контролю вібрації машин, що містить віброперетворювач, пороговий елемент, блок реєстрації рівнів вібросигналів, блок пам'яті, дисплей, який відрізняється тим, що додатково містить послідовно сполучені елемент АБО, блок затримки, блок захисту, а також другий і третій порогові елементи, датчик технологічний, аналізатор спектра, схему керування, ключовий елемент триканальний, блок визначення навантаження, вхід якого сполучено з датчиком технологічним, а три його виходи сполучені з трьома входами блока пам'яті, четвертий вхід якого сполучено з виходом схеми керування, а три виходи сполучені з трьома виходами ключового елемента триканального та входами трьох порогових елементів, другі входи яких сполучені з трьома виходами блока реєстрації рівнів вібросигналів та трьома входами ключового елемента триканального, четвертий вхід якого сполучено з другим виходом схеми керування, третій вихід якої сполучено з другим входом блока реєстрації рівнів вібросигналів, виходи трьох порогових елементів сполучені з трьома входами дисплея та трьома входами елемента АБО, вихід віброперетворювача сполучено з входом аналізатора спектру, вихід якого сполучено з входом блока визначення навантаження. На фіг. 1 представлена структурна схема пристрою для контролю вібрації машин. Пристрій для контролю вібрації машин (фіг. 1) складається з послідовно сполучених віброперетворювача 1, аналізатора спектру 2, блока 3 реєстрації рівнів вібросигналів, три виходи якого сполучені з другими входами трьох порогових елементів Xk   1 N N 1  xne  j2nk / N  n0 Х(к) - частотний вихід ДПФ в к-ій точці спектру, що знаходиться в діапазоні від 0 до N - 1. N - число відліків при обчисленні ДПФ, x(n) n-ий відлік в часовій області, де n знаходиться в діапазоні від 0 до N-1. У загальному вигляді рівняння х(n) може бути дійсним або комплексним, а його косинусоїдальні та синусоїдальні компоненти можуть бути виражені в полярних або прямокутних координатах, зв'язок між якими визначається формулою Ей-лера: jθ е =cosθ+jsinθ 4 4.1, 4.2, 4.3, а другий вхід сполучено з третім виходом схеми керування 5, другий вихід якої сполучено з четвертим входом ключового елемента 6 триканального, датчика технологічного 7, вихід якого сполучено з блоком 8 визначення навантаження, три виходи якого сполучені з трьома входами блока 9 пам'яті, четвертий вхід якого сполучено з виходом схеми керування 5, а три виходи сполучені з трьома виходами ключового елемента 6 триканального та входами трьох порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3, другі входи яких сполучені з трьома виходами блока 3 реєстрації рівнів вібросигналів та трьома входами ключового елемента 6 триканального, виходи трьох порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3 сполучені з трьома входами дисплею 10 та трьома входами елемента 11 АБО, вихід якого сполучено з блоком 12 затримки, вихід якого сполучено з блоком 13 захисту. Віброперетворювач 1 призначений для вимірювання вібраційної швидкості, вібраційного і ударного прискорень в встановленому частотному діапазоні, має електричну ізоляцію п'єзоелемента і вбудованого підсилювача від корпусу, поєднані високі значення осьової чутливості з низьким рівнем власного шуму, частоти, володіє низькою чутливістю до електромагнітних полів. Аналізатор спектру 2 забезпечує аналіз виміряних спектрів методом розкладання загального рівня вібрації на частотні складові за допомогою швидкого перетворення Фур'є (ШПФ). По осі X такого графіка відкладається частота в Гц, по осі Y амплітуда, яка вимірюється в одиницях вібропереміщення (мм), віброшвидкості (мм/сек), віброп-2 рискорення (g), g=9,807 м·с . Значення величини амплітуди вібрації відповідає певній частоті на спектрі і визначає ступінь розвитку дефекту. Перетворення Фур'є дозволяє зіставити сигналу, заданому в часовій області, його еквівалентному уявленню в частотній області. Навпаки, якщо відома частотна характеристика сигналу, то зворотне перетворення Фур'є дозволяє визначити відповідний сигнал в часовій області. Швидке перетворення Фур'є - простий алгоритм обчислення для дискретного перетворення Фур'є (ДПФ), при якому представляється сигнал у вигляді суми синусоїд. Як набір вхідних даних для ДПФ доступно кінцеве число відліків N. Основне рівняння для отримання N-точкового ДПФ виглядає таким чином: 1 N N 1  xncos2nk / N  j sin2nk / N n0 В аналізаторі спектру 2 для апаратної реалізації алгоритмів ШПФ для цифрового процесораобробника сигналів (DSP- digital signal processor) можуть бути використані наступні процесори DSP, наприклад фірми Analog Devices типу ADSP2189M на 16 розрядів, ADSP-21160 SHARC™ на 32 розряди. Блок 3 реєстрації рівнів вібросигналів забезпечує вимірювання амплітуд сигналів вібрації в трьох піддіапазонах з використанням фільтрів для стандартного діапазону 10 Гц - 1 кГц згідно ГОСТ ИСО 10816-1-97, яким визначаються загальні рівні 5 вібрації у вигляді зон рівнів вібрації залежно від класу машин і є базовим документом по вимірюванню і оцінці вібрації машин. Рівні зон виражені в середньоквадратичних значеннях віброшвидкості Vr.m.s, мм/с для машин чотирьох класів, а для оцінки амплітуди вібрацій їх значення розділені на чотири зони. Вибір ширини кожного з трьох піддіапазонів визначається за результатами проведення діагностичних вимірювань показників вібрації, з використанням портативних аналізаторів даних вібрації, наприклад, типу SKF Microlog CMXA50 і програмного забезпечення Machine Analyst. Схема керування 5 забезпечує режими запису в блок 9 пам'яті при підготовці пристрою до роботи. Ключовий елемент 6 триканальний забезпечує замикання трьох виходів блока 3 реєстрації рівнів вібросигналів з трьома виходами блока 9 пам'яті при подачі логічного високого рівня з другого виходу схеми керування 5. Датчик технологічний 7 забезпечує вимірювання значень величини технологічного параметру, який найбільш точно відзеркалює стан навантаження машини при її експлуатації. Технологічним параметром може бути струм електродвигуна, напір насосної установки, частота обертання вала, та інші, а для їх вимірювання використовуються, відповідно, датчики струму, датчики тиску, тахометри. Блок 8 визначення навантаження забезпечує виділення з загального можливого значення величини Uт технологічного параметру окремих діапазонів значень Uі і присвоєння їм цифрового коду з трьох розрядів, див. приклад в табл. № поз. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Значення відносне параЦифровий код метру Uт U1=0,1÷0,5Uт 001 U2=0,5÷0,75Uт 010 U3=0,75÷0,85Uт 011 U4=0,85÷0,95Uт 100 U5=0,95÷1,05Uт 101 U6=l,05÷1,15Uт 110 U7=l,15÷1,50Uт 111 Він може бути реалізований з використанням порогових елементів для значень Ui а також логічних елементів для одержання цифрового коду з трьох розрядів. Блок 9 пам'яті забезпечує встановлення на трьох вихідних ланцюгах значень сигналів, записаних раніше в режимі запису по сигналах схеми керування 5, в відповідності з цифровим кодом на вході. Пам'ять виконується на запам'ятовувальних конденсаторах. Дисплей 10 забезпечує відображення значень параметрів вібрації в аварійних режимах, на його вхід подаються сигнали через блок сполучення, який не показаний. Блок 12 затримки забезпечує затримку передачі вхідного сигналу на переключення вихідного сигналу блока. Блок 13 захисту забезпечує переключення блоків схеми управління машиною, при необхідності її відключення в аварійному режимі, і може бути 62783 6 виконаний на ключових елементах, які забезпечують гальванічну розв'язку. Блок живлення пристрою контролю вібрації машин не показаний. і Прийняті позначення Un - напруга на і-му виході n-го блока. Працює пристрій наступним чином. Перед проведенням експлуатації пристрою проводиться калібрування з урахуванням передаточних характеристик всіх блоків і далі при робочих режимах машини записують значення з трьох виходів блока 3 реєстрації рівнів вібросигналів в блок 9 пам'яті через ключовий елемент 6 триканальний, який замикається за допомогою схеми керування 5, яка забезпечує з другого виходу подачу логічного високого рівня на ключовий елемент 6 триканальний, а також з першого виходу - на четвертий вхід блока 9 пам'яті для забезпечення режиму запису. Інтерфейси вводу-виводу в блока 9 пам'яті не показані. В робочому режимі після подачі напруги в ланцюги живлення пристрою сигнал з віброперетворювача 1, пропорційний амплітудному значені вібрації, при роботі машини подається на аналізатор спектру 2, який забезпечує аналіз виміряних спектрів методом розкладання загального рівня вібрації на частотні складові за допомогою швидкого перетворення Фур'є, а з його виходу сигнали подаються на блок 3 реєстрації рівнів вібросигналів, який виконує вимірювання амплітуд сигналів вібрації в трьох піддіапазонах з використанням фільтрів. Три вихідні сигнали блока 3 подаються на другі входи порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3, де порівнюються з сигналами на перших входах цих елементів, що поступають від блока 9 пам'яті. Порогові елементи 4.1, 4.2, 4.3 мають характеристику i і і i і і U4 =0, якщо U3 ≤U7 , U4 =1, якщо U3 >U7 . Сигнали з датчика 7 технологічного подаються на блок 8 визначення навантаження, на виході якого, залежно від значення навантаження встановлюється цифровий код, в відповідності з табл., який подається на блок 9 пам'яті, з виходів якого, значення рівнів сигналів механічної вібрації машини при режимах, встановлених при наладці, та які були записані при підготовці пристрою до роботи, подаються на входи трьох порогових елементів 4.1, 4.2, 4.3. і При появі сигналу рівня логічної одиниці U4 =1 на одному або кількох виходах він передається через елемента 11 АБО на блок 12 затримки, який забезпечує переключення вихідного сигналу блока з логічного нуля в одиницю з затримкою, а також на дисплей 10 для візуалізації і ідентифікації перевищення значення вібрації. З виходу блока 12 затримки сигнал подається на блок захисту, який забезпечує відключення машини. Сигнал на виході четвертого порогового елементу з'являється у разі зносу підшипників і вібрації валу, порушенні центрівки осей валу, порушенні балансування приводного механізму, в відповідності до ГОСТ ИСО 10816-1-97 і залежить від потужності машин та області використання. Вимірювальна система пристрою передбачає можливість калібрування всього вимірювального тракту і має незалежні виходи для під'єднування 7 додаткових аналізаторів. Кріплення віброперетворювача має бути таким, що воно не змінює вібраційні характеристики машини. Вимоги до апаратури, призначеної для вимірювання середнього квадратичного значення вібрації в діапазоні 10...1000 Гц визначаються по ГОСТ ИСО 2954. Застосування введених до складу пристрою аналізатора спектру 2, двох порогових елементів, схеми керування 5, ключового елемента 6 триканального, датчика технологічного 7, блока 8 визначення навантаження, елемента 11 АБО, блока 12 затримки, блока 13 захисту дозволяє підвищити ефективність і надійність функціонування машин, а також забезпечує відключення їх при аварійних ситуаціях при виникненні підвищення вібрації. Це дозволяє уникнути технологічних перевантажень, підвищити продуктивність робочих механізмів. Пристрій дозволяє контролювати технологічний небаланс в машинах, який може виникати в робочому режимі, при частково відкритих заслінках, наприклад для вентиляторів, що підвищує рівень вібрації із-за порушень балансування, а також гістерезис небалансу на робочому колесі, обумовлений наявністю пружного елементу, який під дією відцентрових сил при номінальній частоті обертання зміщується. Сили від небаланса впливають на робоче колесо і починають його згинати, воно змінює свою форму так, що центр мас однієї частини робочого колеса зміщується у бік вже наявного небаланса. У результаті небаланс починає зростати ще більше, ще більше збільшуючи вигин. При цьому відбувається характерна зміна спектрального складу вібросигналів - різко збільшується амплітуда другої гармоніки оборотної частоти, у наслідок неправильного монтажу підшипників і це повторюються двічі за один оборот валу. Пристрій забезпечує підвищення точності контролю вібрації, за рахунок зв'язку між амплітудою складових несучої частоти вібрації, її гармонік з технологічним навантаженням машин. Для оцінки технічного стану і діагностики дефектів машин можна використовувати метод контролю спектру вібросигналу і дозволяє виявляти, разом з діагностикою підшипників, велику кількість інших дефектів устаткування. Для кожного нового типу устаткування, рівень порогу сильного дефек Комп’ютерна верстка Мацело М. 62783 8 ту, багато в чому, залежить від віддаленості елементу з дефектом від віброперетворювача. Місця для установки віброперетворювачів слід вибирати так, щоб він знаходився якомога ближче до зони зубозачеплення редуктора. На шляху проходження реєстрованих вібросигналів від зони зубозачеплення до віброперетворювача бажано не мати розділу різних середовищ і особливо зазорів. Пристрій дозволяє контролювати рівні вібрації в електричних машинах змінного струму, де треба враховувати сили електромагнітної природи, що мають свої власні частоти: - перша сила пов'язана з частотою живлячої мережі і має пік на частоті 50 Гц. - друга генерує коливання з частотою прояву електромагнітних процесів в міді і сталі, має пік на частоті 100 герц, проявляється у вібрації сердечника і обмоток всіх машин змінного струму; - третя пов'язана з частотою обертання електромагнітного поля в зазорі електричної машини і є частка від ділення частоти живлячої мережі на число пар полюсів; - четверта сила пов'язана з ковзанням в асинхронних машинах; - п'ята викликається наявністю зубцевопазової структури в зазорі електричної машини, що завжди приводить, при частоті обертання ротора з частотою 50 Гц, до збільшених вібрацій у вертикальному напрямі з частотою в 100 Гц. Основна ознака того, що контрольований дефект має електромагнітну причину, то це миттєве зникнення його ознак в спектрі вібрації після відключення електричної машини від мережі. Діагностика причин підвищеної вібрації в електричних машин повинна проводитися при можливо більшому навантаженні двигуна. Використані джерела: 1. Патент України на винахід № 32472. Клявлін В.В., Немчин О.Ф. Пристрій для вимірювання і контролю параметрів вібрації машин. G01М7/00. 15.12.2000, Бюл. № 7, 2000 р. 2. Патент України на винахід № 34523. Спосіб та пристрій для вібраційної діагностики машин циклічної дії. G01М7/00. Артемов В.І., Бакай І.М., Бугай Ю. М. та інші. 15.03.2001, Бюл. № 2, 2001 р. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601