ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА ВИБРАЦИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ



Воронцов А.Г. канд. техн. наук, доц.; Дегтяренко И.В. асп.

Донецкий национальный технический университет (Донецк, Украина)

Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. Серiя: Гірничо–електромеханична, випуск 16. -Донецьк: ДонДТУ. -2000. – С. 55-62.

      Конструкции современных машин возвратно-поступательного действия (МВПД) непрерывно развиваются в направление увеличения мощности, быстроходности и повышения КПД, что при одновременном стремлении к снижению металлоемкости и габаритов приводит к увеличению виброактивности элементов и, как следствие, их высокой динамической нагруженности. Глубина проникновения в сущность динамических явлений, происходящих в процессе функционирования машин, во многом обеспечивает обоснованные конструктивные решения, требуемые эксплуатационные характеристики, надежность и долговечность, а также качество выпускаемой продукции.

      Автоматизация экспериментальных исследований виброактивности МВПД и внедрение новых, более тонких методов анализа сигналов способствуют улучшению качества получаемых результатов – повышению степени их полноты, согласованности и достоверности.

      На сегодняшний день получили распространение два метода анализа вибраций, используемые для оценки виброактивности элементов машин - анализ временной реализации вибрации и спектральный анализ [1].

      Спектральный анализ дает информацию о частотном составе виброакустического сигнала s(t) и позволяет установить относительную мощность каждой его частотной компоненты. Для описания виброакустических свойств элементов машины обычно используется модуль частотной характеристики в заданной частотной области возбуждения иссле-дуемого элемента системы .

           (1)

     

где – спектральная плотность мощности сигнала s(t);

       – спектральная плотность мощности сигнала возбуждающего вибрацию.

      Однако спектральное представление не несет информации о моменте возникновения возбуждения элемента машин, характеризуемого соответствующими частотами собственных колебаний, и поэтому не позволяет идентифицировать причину возникновения тех или иных частотных компонент. К недостаткам этого метода так же относится невозможность разделения спектров вибраций элементов с перекрывающимися частотными характеристиками.

      МВПД характеризуются циклическим характером работы и реакцию того или иного элемента машины на периодическое возмущение можно однозначно связать с фазой работы машины, поэтому для оценки виброакустических характеристик элементов могут быть использованы методы анализа характеристик временной реализации периодического сигнала. В качестве таких характеристик используются пиковое значение или суммарная мощность виброакустического сигнала s(t), за один рабочий цикл машины.

      Недостатком этого метода является невозможность при анализе разделения реакций одновременно “возбужденных” элементов.

      Как показано в [2] для анализа виброакустических сигналов МВПД наиболее целесообразно применять метод частотно-временного анализа (ЧВА) [3]. Этод метод основан на использовании функции , называемой частотно-временным распределением (ЧВР), которая позволяет оценивать распределения энергии сигнала в частотной и временной областях одновременно. На основе ЧВР можно синтезировать эффективные алгоритмы обнаружения и оценивания параметров сигналов [3,4].

      ЧВР, для которых выполняются маргинальные соотношения [3] могут быть использованы для оценки виброакустических характеристик элементов МВПД. К таким относятся распределения Вигнера-Вилли, Цзуя-Уильямса, Коэна и др.

      Оценка виброакустической активности элемента с учетом частотных и временных характеристик ее проявления может быть произведена по функции плотности энергии вибросигнала в частотно-временной области с границами и .

           (2)

     

где - площадь частотно-временной области.

      Вышеуказанный критерий был применен для исследования виброактивности глушителей нагнетания малого поршневого холодильного компрессора ХКВ-6,23 с целью оценки эффективности работы глушителей и проведения работ по совершенствованию его конструкции.

      Главной функцией глушителя нагнетания является сглаживание фронтов волн давления, а так же демпфирование колебаний, вызванных этими волнами, с целью снижения вибрации и шума холодильника в целом. Глушитель нагнетания располагается непосредственно на моторном блоке компрессора. На вход глушителя поступают дискретные порции газа с частотой следования близкой к 50 Гц, обусловленной частотой рабочего цикла компрессора и характеризующиеся перепадом давления. На выходе глушителя находится змеевик нагнетания, по которому газ выходит за пределы компрессора и поступает в конденсатор холодильника.

      Эффективность гашения колебаний глушителем обычно оценивается коэффициентом сглаживания (КС) [5], который представляет собой отношение максимальных амплитуд колебаний давления на входе и на выходе глушителя: .           (3)

      Однако, этот показатель не эффективен на этапе оптимизации конструкции глушителя по виброакустическим характеристикам, так как не дает представления о том какие колебательные процессы происходят в глушителе и как быстро они затухают. ЧВР вибросинала на выходе глушителя и вычисляемый на этой основе показатель (2) дает более полное и физичное описание явлений в глушителе и их взаимосвязи с геометрическими размерами и конструкцией глушителя.

      Параметры колебаний давления газа в том или ином сечении канала нагнетания компрессора можно оценивать по параметрам виброускорения стенок канала в точках близких к этому сечению.

      Поскольку вибросигнал, регистрируемый на входе глушителя, определяется в основном рабочим телом, а также конструкцией нагнетательного клапана и нагнетательной камеры, которые неизменны, то для анализа эффективности работы глушителей можно использовать характеристики вибросигналов, записанных только на выходах исследуемых систем. Таким образом, на начальном этапе исследования, для выработки рекомендаций по совершенствованию конструкции глушителя нагнетания и принятия решения о наиболее эффективной конструкции глушителя сопоставляются частотно-временные представления, вибросигналов записанных в идентичных точках на выходах глушителей. Более эффективной конструкцией будет обладать тот глушитель, на выходе которого, будут зарегистрированы вибросигналы имеющие меньшую плотность энергии в частотно-временной области определяемой фазой работы глушителя и порождаемыми им частотными компонентами. Степень сглаживания во времени фронтов волн давления можно оценивать по длительности действия частотных компонент виброускорения.

      Технической базой для выполнения исследований являлся экспериментальный образец автоматизированной системы виброакустического контроля технического состояния МВПД [4], разработанный и созданный на кафедре АТ ДонГТУ. В данном исследовании из аппаратных средств системы задействован только канал записи вибрации, включающий акселерометр АП-17, усилитель заряда УЗ-02, ПЭВМ со встроенной оцифровывающей картой, а из программных средств системы используются функции регистрации, визуализации, хранения вибросигналов, а так же функция выделения участка реализации и функция ЧВА приложения SPRM. Для ЧВА используются ЧВР Цзуя-Уильмса, так как это распределение является оптимальным с точки зрения минимизации интерференционных компонент [3].

      На рисунках 1-2 представлены графики ЧВР вибросигналов, записанных на выходах глушителей нагнетания двух конструкций (серийный глушитель – рис. 1, альтернативный глушитель – рис. 2).

      Сравнительный анализ этих графиков показывает, что вибросигнал на выходе серийного глушителя имеет пиковое значение 2 кГц компоненты на 35% меньшее, чем у альтернативного глушителя, однако серийный глушитель порождает 8 кГц частотную компоненту, имеющую относительно высокий уровень (-8 дБ) и значительную длительность (порядка 8 мс). У альтернативного глушителя эта компонента имеет незначительный уровень (-19 дБ). На рисунках 1-2 также указана частотно-временная область ( =[1000 Гц, 9000 Гц], =0.01 с), где происходила оценка эффективности глушителей по формуле (2). Для серийного глушителя плотность энергии в указанной частотно-временной области составила = 8.75 о.е. мощности, а для альтернативного = 12.01 о.е. мощности. Однако для сравнения виброакустических характеристик глушителей нагнетания имеют значение на абсолютные величины плотности энергии, а их отношение. Т.к. , можно сделать вывод о том, что серийный глушитель имеет более удачную конструкцию с точки зрения минимума энергии на выходе.

      Рисунок 1 – Представления вибросигнала на выходе серийного глушителя нагнетания



      Рисунок 2 – Представления вибросигнала на выходе альтернативного глушителя нагнетания



Выводы

      1. На примере исследования тонкой структуры вибраций глушителя нагнетания малого поршневого холодильного компрессора показана эффективность и целесообразность использования нового принципа оценки виброакустических характеристик элементов МВПД, базирующегося на ЧВА вибросигналов машины.

      2. В качестве критерия для оценки виброакустической активности элементов МВПД предложено использовать плотность энергии вибросигнала в пределах частотно-временной области, определяемой фазой возникновения возбужденного состояния оцениваемого элемента и порождаемыми им частотными компонентами.

     

Список источников

      1. Рандалл Р.Б. Частотный анализ. – Нэрум: Брюль и Къер, 1989. – 289 с.

      2. Дегтяренко И.В. Об использовании частотно-временного анализа виброакустических сигналов при построении систем оценки технического состояния машин возвратно-поступательного действия// Наукові праці ДонДТУ, випуск 12: - Донецьк: ДонДТУ, 1999. – 47-53 с.

      3. Коэн Л. Время–частотные распределения: Обзор//ТИИЭР, 1989. –Т. 77, №10. – С. 72-120.

      4. Воронцов А.Г., Дегтяренко И.В. Система виброакустического контроля технического состояния машин возвратно-поступательного действия// Науковi працi ДонДТУ, випуск 16: - Донецьк: ДонДТУ, 2000. – 55-62 с.

      5. Колебания и вибрации в поршневых компрессорах / Ю.А. Видякин, П.Ф. Кондратьева, Ф.П. Петрова. – Л.: Машиностроение, 1972. – 224 с.