Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние виброакустической диагностики 9
1.1 Методы виброакустической диагностики 9
1.2 . Приборное обеспечение вибродиагностических систем 17
Глава 2. Составляющие акустического сигнала механического происхождения заднего моста 30
2.1. Анализ вибрации механического происхождения 31
2.1.1 Влияние шума от работы других агрегатов 31
2.1.2. Дисбаланс вращающихся деталей ведущего моста 31
2.1.3. Наличие пульсирующих моментов, приложенных на входе или выходе ведущего моста 35
2.1.4. Влияние нелинейной жесткости подшипников на колебания валов 37
2.1.5. Влияние дефектов изготовления и сборки подшипников 39
2.1.6. Влияние дефектов износа поверхности качения 43
2.1.7. Вибрация, создаваемая силами трения 44
2.2. Диагностирование эксплуатационных дефектов ведущего моста 46
2.2.1. Возбуждение колебаний в зубчатых передачах 46
2.2.2. Диагностирование абразивного износа зубчатого зацепления 48
2.2.3. Диагностирование выкрашивания зубьев 52
2.2.4. Диагностирование трещины и поломки зубьев 55
2.2.5. Диагностирование заедания зубчатых колес 55
2.3. Анализ вибрации механических передач 59
2.3.1. Выбор типа модели 60
2.3.2. Оценка степени нелинейности вибрационного процесса 66
2.3.3. Определение фазовых соотношений между различными компонентами вибрации 73
2.3.4. Амплитудная и частотная модуляция вибрационного процесса. 78
Глава 3. Разработка аппаратного оснащения системы диагностирования 83
3.1. Разработка пьезоэлектрического датчика 83
3.2. Принцип действия и функциональная схема 93
Глава 4. Методика контроля механических агрегатов электронным фонендоскопом 102
4.1. Разработка алгоритма методики диагностирования 102
4.2. Особенности применения прбграммного продукта LabVIEW для создания программ 107
4.3. Оптимизация выбора параметров аналогово-цифрового преобразователя 113
Глава 5. Экспериментальные исследования задних мостов 118
5.1. Разработка мероприятий по обеспечению единства условий получения диагностической информации 118
5.1.1. Метрологические испытания прибора 118
5.1.2.Обоснование места расположения точек контроля 120
5.1.3.Оценка влияния частоты вращения 126
5.1 АОценка влияния смазочного масла 131
5.1.5. Получение экспериментальных виброакустических характеристик исправного моста 125
5.1.6. Оценка влияния технологических погрешностей регулировки главной передачи 135
5.1.7.Анализ структуры вибросигнала 137
5.2. Экспериментальные исследования заднего моста 139
Основные выводы и результаты работы 149
Список литературы 151
Приложение 160
- Приборное обеспечение вибродиагностических систем
- Наличие пульсирующих моментов, приложенных на входе или выходе ведущего моста
- Принцип действия и функциональная схема
- Особенности применения прбграммного продукта LabVIEW для создания программ
Введение к работе
Общая характеристика работы.
Диссертационная работа посвящена разработке способов индивидуальной диагностики силовых механических аігрегатов. Суть работы в системном аналитическом обобщении известных способов виброакустической диагностики, включающем в себя анализ их функциональных свойств и метрологических характеристик. Исследования подчинены решению проблем инструментальной экспресс-диагностики качественного состояния механических агрегатов. Объектом исследований принят механизм заднего моста автомобиля ГАЗ 3110, такой выбор определили следующие обстоятельства: во-первых, это агрегат массового производства и заводской контроль его осуществляется виброакустическим методом, во-вторых, есть статистика отказов механизма в эксплуатации, в-третьих, предприятия, эксплуатирующие автомобили нуждаются в средствах экспресс-диагностики. Таким образом, выбор этого механизма дает возможность сопоставительной оценки предлагаемого способа диагностирования, а также позволяет сделать обобщающие выводы относительно использования его в других механизмах.
Актуальность работы.
Диагностика силовых механических агрегатов (двигателей, редукторов, трансмиссий, преобразователей движения и т.п.) до настоящего времени не обеспечена достаточно развитым набором инструментальных средств. В практике эксплуатации ряда агрегатов основным способом диагностирования остается поэлементный контроль деталей и узлов агрегата, разбираемого после некоторой нормативной наработки, что, как правило, связано с большими трудозатратами и риском нарушить взаимную приработку звеньев. Кроме того, может оказаться, что разборка выполнена преждевременно или отказ случился раньше нормативной наработки. Все эти обстоятельства инициируют разработку инструментальных средств текущего экспресс -
контроля качественного состояния силовых механизмов. Подобные разработки ведутся на протяжении многих лет рядом отечественных и зарубежных фирм. Общий принцип всех разработок - использование для диагностирования косвенных признаков качественных изменений в узлах агрегата.
Наиболее развитой тенденцией в создании современных средств технической диагностики стал виброакустический метод. В основу метода положена очевидная зависимость: изменения, появляющиеся при эксплуатации в подвижных спряжениях механизма приводят к изменениям его виброакустических характеристиках. Таким образом, установив с некоторой (достаточной) достоверностью связь между изменением технического состояния того или иного механизма и его виброакустическими характеристиками, можно осуществлять его диагностику и предупреждать аварийные ситуации. В последнее время опубликовано большое число работ, посвященных диагностированию механизмов на основе этой зависимости.
Известны разработки диагностических систем с высоким уровнем функциональной полноты, но их применение ограничено сложностью аппаратного и методического обеспечения, необходимостью высокой квалификации персонала и соответственно высокой стоимостью диагностики, вследствие именно этих обстоятельств. Известны, с другой стороны, системы, ориентированные на обычные производственные условия и простое аппаратное оснащение, однако достоверность получаемой информации зачастую оказывается недостаточной.
Обеспечение достоверности - главная проблема, ограничивающая
широкое применение этого метода диагностирования. Признаки
достоверности нельзя сформулировать в обобщенной форме, поскольку
уровень неопределенности виброотклика на неисправность довольно высок.
і В общем случае, но в частных ситуациях, как известно из опыта,
неопределенность может быть снижена до приемлемого уровня.
В работе принята концепция индивидуальной виброакустической паспортизации механизмов, суть ее в следующем: для исправного механизма по определенной схеме фиксируются его виброакустические характеристики, с которыми впоследствии сопоставляются текущие характеристики, фиксируемые по такой же схеме.
Появившиеся в последние годы компактные аппаратные средства получения и преобразования виброакустической информации и теоретические проработки указанных выше проблем создают основу для реализации этой концепции.
Таким образом, существующая потребность в средствах диагностирования силовых механических агрегатов и видимая возможность частного решения проблемы для отдельных механизмов составляют в совокупности объективные признаки актуальности темы диссертации. Работа выполнялась в рамках государственной программы: 07.01.020 «Диагностический комплекс для визуализации результатов неразрушающего контроля и их компьютерной обработки в реальном времени».
Цель исследований.
Целью исследований является повышение достоверности и эффективности инструментальной экспресс-диагностики функционального состояния силовых механических агрегатов на основе их виброакустической паспортизации.
Задачи исследований.
Анализ применяемых методов и средств технической диагностики механического оборудования по виброакустическим характеристикам;
Оценка информативности виброакустических характеристик силовых механизмов;
Анализ факторов, определяющих виброакустические характеристики механизмов;
Исследование достоверности и устойчивости виброоткликов
развивающихся дефектов в звеньях механизмов; 5. Экспериментальная оценка метрологических характеристик метода
диагностирования на основе виброакустической паспортизации. Научная новизна
Установлены информативные виброакустические признаки развития дефектов в типовых звеньях механических агрегатов.
Разработана методика экспресс-диагностики функциональных узлов механических агрегатов по их виброакустическим характеристикам.
Определены условия, при которых обеспечивается достоверность и устойчивость диагностических признаков.
Разработана методика виброакустической паспортизации механических агрегатов.
Проведена оценка метрологических характеристик виброакустического метода экспресс-диагностики механизмов.
Практическая значимость
Результаты исследований информативности виброакустических признаков развития дефектов в типовых звеньях механизмов составляют основу для разработки методик экспресс-диагностики конкретных механизмов.
Методика виброакустической паспортизации механических агрегатов обеспечивает выполнение условий единства контроля их качества на этапе изготовления и в процессе эксплуатации.
Разработанная методика вибрационной паспортизации и экспресс-диагностика механизмов позволяет использовать универсальное аппаратное обеспечение.
Методика диагностирования и ее аппаратное обеспечение позволяют осуществлять контроль функционального состояния механизмов для различных условий их эксплуатации (встраиваемая аппаратура, универсальные стенды с широкой функциональной полнотой,
мобильные устройства).
Основные научные положения и выводы диссертационной работы используются при чтении лекций студентам специальности 150200 -автомобили и автомобильное хозяйство по дисциплине "Основы теории надежности и диагностика", в курсовом и дипломном проектировании.
Разработанная компьютерная система используется в ЗАО "Диета-18" и ОАО "Выборгское ГАТП".
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на Юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова, С-Пб.: ГМА им. адм. С.О.Макарова. - 2001 г. С.149.;
на заседании кафедры "Проектирование машин текстильной и легкой промышленности", С-Пб.: СПГТУТД.-2001 г.;
на XIII научно-технической конференции "Экстремальная робототехника" С-Пб.: ЦНИОКИ РТК, 2002. С 176.
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 7 научных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 101 наименование и приложения Объем работы составляет 159 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 49 рисунков.
Приборное обеспечение вибродиагностических систем
Данный раздел выполнен с использованием материалов [10, 21, 33, 46, 48, 52, 56, 63, 64, 73, 78, 79, 81, 94-101]. При проведении виброакустической диагностики механического оборудования в первую очередь необходимо получать достоверные измерения виброакустических сигналов в контрольных точках. Помимо корректной установки датчиков, значительную роль в этом играет приборное обеспечение вибродиагностических систем. В связи с этим можно обозначить ряд необходимых возможностей, которыми в общем случае должны обладать приборы, анализирующие вибрацию [17]. проведение анализа временных характеристик сигналов и анализа временной развертки сигналов (режим осциллографа); проведение спектрального анализа вибрации, т.е. осуществление разделения вибрации на частотные составляющие в широком диапазоне частот (от долей герца до 20 кГц), с возможностью выбора различных частотных поддиапазонов; проведение спектрального анализа огибающих высокочастотных сигналов вибрации, с возможность перестройки средней частоты полосового фильтра и выбором различных пределов частотного диапазона; обеспечение достаточной разрешающей способности, до 1600 линий/спектр; обеспечение усреднений по спектральным характеристикам; оценка выбросов в сигнале вибрации, т.е. определение пик фактора (отношение пикового и среднеквадратичного значений); определение общего уровня вибрации в полосе частот, требуемой стандартами вибрационного контроля; проведение измерений по маршруту; возможность передачи накопленных измерений в компьютер для их дальнейшей обработки.
Наличие большого числа организаций, занимающихся разработками в этой области, обуславливает наличие достаточно широкого ассортимента предлагаемого виброанализирующего оборудования. Это оборудование можно разделить на приборы, предназначенные для измерения общего уровня вибрации и сборщики-анализаторы сигналов. Краткое описание такого оборудования представлено в табл. 1.1 и 1.2. Из представленного в таблицах 1.1 и 1.2 оборудования наиболее известными и широко представленными на рынке сборщиками-спектроанализаторами виброакустической информации, изготавливаемых в РФ, являются: "ПР-200А" (НТЦ "Приз" г. Москва), "Кварц" и "Топаз" (ООО "Диамех" г. Москва), "СК-2300" (ИТЦ "Оргтехдиагностика" г. Москва), "СД-11" (АО "ВАСТ" г. Санкт-Петербург), "СМ-3001" и "ДСА-2001" (000 "Инкотес" г. Нижний Новгород), "Диана-2" и "Атлант-8" (ПВФ "Вибро-Центр" г. Пермь). Все указанные приборы являются сложными программно-аппаратными комплексами, созданными на базе микропроцессорных модулей. Использование микропроцессоров, позволило (при сравнительно небольших размерах) реализовать в устройствах широкий спектр измерительных и вычислительных возможностей, проводить различные виды анализа сигналов вибрации, а также рассчитывать дополнительные параметры виброакустических характеристик (СКЗ, пик-фактор и т.д.). Тем не менее, только часть из перечисленных сборщиков-спектроанализаторов отвечает всем основным требованиям, предъявляемым при проведении вибродиагностики. Другие устройства обладают необходимыми возможностями лишь частично. Данные таблицы 1.1 и 1.2 не полностью отражают особенностей приборов при эксплуатации, и нуждаются в дополнительном пояснении. Анализатор "Диана-2" позволяет синхронно регистрировать вибросигналы по двум каналам, и по третьему каналу одновременно может проводиться регистрация сигнала с отметчика фазы. Но, при этом, максимальное частотное разрешение по спектрам составляет 800 линий. Такого разрешения оказывается не достаточно при определении ряда дефектов электромагнитной системы электрических машин. "Диана-2", не измеряет спектры огибающих. Это означает, что в значительной степени уменьшается возможность прибора выявлять дефектные подшипники, тем более распознавать конкретные виды неисправностей (например, износ наружного кольца). Также, частотного диапазона 10 кГц, бывает недостаточно при диагностировании высокоскоростных машин с мультипликаторами. Преимуществом виброанализатора СМ-3001 по сравнению с "Диана-2" является взрывозащитное исполнение по классу 1ЕхіЬПАТ4, и измерение вибрации одновременно по 3-м каналам (по двум каналам синхронно, и последовательно с ними по 3-ему каналу). Дополнительно могут измеряться СКЗ, АМП, ПИК-ПИК. К неудобству в эксплуатации можно отнести отсутствие графического дисплея, поэтому нельзя, например, при измерениях отслеживать качество спектральных характеристик, вид которых является одним из критериев правильной установки датчиков. В базовой версии анализатора отсутствует возможность измерения спектров огибающих. По специальному заказу прибор может комплектоваться дополнительным блоком, реализующим эту возможность.
Но, датчик, при этом, должен перекоммутироваться на разъем дополнительного блока. Это влечет за собой дополнительные ручные операции и увеличивает время, затрачиваемое на обследование агрегатов. Восьмиканальный синхронный регистратор-анализатор вибросигналов "Атлант-8" выполнен на базе notebook и измерительного блока. Применение персонального компьютера позволило существенно улучшить такие характеристики сборщиков как количество подключаемых каналов (разновидность прибора "Атлант-8М" имеет 16 входных каналов с последовательным опросом) и внутренний объем памяти. Но, вместе с тем, появились ограничения на условия эксплуатации. Например, при использовании в запыленных помещениях, от попадания пыли может выйти из строя клавиатура. Частотный диапазон, поставляемых с анализатором вибродатчиков, составляет 5-5000 Гц. Как отмечалось во вступлении, этот диапазон должен составлять от долей герц до двадцати килогерц. Это связано с тем, что как в данном случае, нижний предел частотного диапазона 5 Гц не позволяет прибору в полном объеме проводить обследование тихоходных машин, когда частоты вращения валов составляют герцы, и доли герц (например, в бумажной промышленности). Значение границы верх него частотного диапазона 5000 Гц также снижает возможности прибора при диагностировании быстроходных машин. Измерительная система ДСА-2001 еще одно решение на базе персонального компьютера notebook. Преимуществом данного прибора по сравнению с "Атлант-8" является взрывобезопасное исполнение по классу ЕхіЬІІА и возможность синхронного измерения по двум каналам. Недостатком устройства является ограничение частотного диапазона десятью герцами снизу и десятью килогерцами сверху. Это, как и в случае "Атлант-8", не позволяет в полной мере проводить обследование низкооборотных и быстроходных машин. Следующий виброанализатор - СК-2300 обладает всем спектром необходимых возможностей для проведения виброакустической диагностики. Максимальное разрешение в режиме измерения спектров составляет 3200 линий/спектр. Может иметь специальные исполнения для работы во взрывоопасных зонах класса В1а и В1г с паро-воздушными смесями класса Па температурных групп Т1..Т4, а также влагонепроницаемое исполнение (IP68). К неудобствам в эксплуатации можно отнести необходимость перезагрузки программного обеспечения в прибор с компьютера, при переходе от режима измерений параметров вибрации к проведению балансировки. Другой особенностью устройства, способной вызвать затруднения при проведении измерений, является возможность использования только поставляемых с прибором датчиков-пьезоакселерометров, которые имеют площадь основания 14 см2. Это влечет за собой определенные сложности при постановке датчиков на поверхность с большим радиусом кривизны, или ребра жесткости и фланцы узлов механических устройств.
Наличие пульсирующих моментов, приложенных на входе или выходе ведущего моста
Механический момент, приложенный к входу и выходу ведущего моста, содержит переменные составляющие, которые создают тангенциальные колебания валов. Основным источником таких колебаний является двигатель. В общем случае эти колебания являются помехами. В автомобильной промышленности распространение получили 4-х, 6-й, 8-й и 10-и цилиндровые двигатели, причем большинство машин оснащено 4-х цилиндровыми двигателями. Работа двигателя внутреннего сгорания сопровождается пульсацией вращающего момента, связанного с непостоянством давления газов в цилиндре и периодичностью работы каждого цилиндра. Маховик лишь отчасти сглаживает пульсацию. Увеличение числа цилиндров уменьшает промежуток времени между рабочими ходами и, следовательно, уменьшает неравномерность [43]. Непостоянство угловой скорости вращения вала оценивается степенью неравномерности 8S, представляющей собой отношение максимального приращения угловой скорости вала за цикл к средней его скорости со. Степень неравномерности определяется в предположении, что валопровод всей установки (коленчатый вал, валы с шестернями и карданный вал и т.д.) является абсолютно жестким на кручение, пробуксовка сцепления отсутствует, механических потерь нет. Степень неравномерности определяется по формуле - максимальное и минимальное значение угловой скорости; А - наибольшая из заштрихованных площадь избыточной работы (рис. 2.2.); Мср - средний крутящий момент двигателя; п - частота вращения вала; J приведенный к валу двигателя момент инерции всех движущихся масс. В случае отсутствия необходимых данных ориентировочный расчет можно произвести по формуле где к - значение отношения избыточной работы крутящего момента к работе среднего момента за один оборот коленчатого вала. Например, для 4-х цилиндрового дизельного двигателя k = 0,26, для 6-й -0,12, для 8-й-0,08 [43]. Необходимо отметить, что влияние угловых колебаний вала на спектр его вибрации тем значительней, чем больше величина (3, называемая индексом угловой модуляции.
В спектре вибрации валов на подшипниках качения, не имеющих дефектов изготовления и износа подшипников и дефектов сборки подшипниковых узлов по сравнению с роторами на идеализированных опорах могут появляться дополнительные гармонические составляющие из-за неодинаковой статической или динамической нагрузки на тела качения, и, как следствие, непостоянства жесткости подшипника при вращении валов. Наиболее сильно такие составляющие проявляются при наличии в подшипнике радиального зазора. Статическая нагрузка распределяется на два-три тела качения. Число этих тел изменяется на единицу с частотой перекатывания тела качения по наружному кольцу подшипника соН5 что приводит к возникновению параметрических колебаний вала на частотах ксон [26, 84].
Если частота параметрических колебаний вала значительно ниже частоты его собственных колебаний на неподвижных или упругих опорах, то амплитуда колебаний определяется равенством статических радиальных нагрузок вектор силы тяжести вала; FT.K!j = с тк Ь\12- вектор силы реакции деформации і - го тела качения; стк = 1,1 1010 dT.K.1/2, Н/м3/2; dTK. - диаметр тела качения; 5j - вектор деформации і-го тела качения [24].
На рис. 2.3. приведена схема статических нагрузок на тела качения для случая, когда величина зазора в ненагруженном подшипнике равна 80. [24] Величина деформации 8( -го тела качения определяется зависимостью от параметров подшипника где RB и RH - радиусы внутреннего и наружного колец подшипников; RT.K]i -радиус і-го тела качения; Ах и Ау - смещение оси вала относительно оси подшипника в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно; уо - угол поворота тела качения, принятый за начальный, относительно вертикали; уо+іпі/ - угол і-го тела качения; 2 .к - число тел качения.
Совместное решение уравнений (2.15) и (2.16) позволяет определить смещение ротора от оси подшипника в горизонтальном Ax(t) и вертикальном Ay(t) направлениях как функцию угла у0 поворота сепаратора или времени. Как следует из выражения (2.16), смещение вала зависит от величины зазора 50 подшипника и радиусов недеформированных тел качения RTK;i.
Период колебаний определяется частотой перекатывания тел качения сон по наружному кольцу, а форма колебаний при малых зазорах 50 близка к гармонической. При больших зазорах 80 в спектре колебаний появляются интенсивные гармоники с частотами, кратными частоте перекатывания тел качения ксон. Их появление связано с ударами внутреннего кольца подшипника о тела качения при горизонтальных перемещениях ротора [15].
При отсутствии дефектов изготовления подшипника и сборки подшипникового узла, а также остаточной неуравновешенности вала колебания последнего с частотой ксон являются единственными, связанными с подшипниками качения. При недостаточно уравновешенных валах силы их давления на тела качения переменны по амплитуде и направлению, так как к нагрузке от силы тяжести добавляются центробежные силы. Если эти силы соизмеримы, то возникает амплитудная модуляция колебаний с частотой со„ перекатывания тел качения с частотой cow вращения вала. В спектре вибрации появляются составляющие с комбинационными частотами сон ± cow. При большом радиальном зазоре могут возникнуть автоколебания вала. Преимущественное синхронизирующее воздействие на них оказывают пульсации сил трения качения с частотой изменения числа нагруженных тел качения сон и частотой вращения сепаратора сос. [16].
Колебания валов в роликовых подшипниках также описываются уравнениями (2.15) и (2.16), однако сила реакции роликов пропорциональна первой степени величины их деформации 8j, т.е. FTKi = стк 5j (стк = 1,78 106 1Т к, Н/м; 1т к - длина тела качения) [24].
Принцип действия и функциональная схема
При разработке прибора были использованы достаточно хорошо известные физические принципы. Прибор имеет пьезоэлектрический широкополосный акселерометр, который преобразовывает звуковой сигнал в электрический и обеспечивает высокую помехозащищенность прибора. Электрический сигнал подается на усилитель напряжения, селектируется по частоте полосовыми фильтрами и вновь преобразуется в звуковой сигнал наушниками. Функциональная схема одноканального прибора контроля показана на рис.3.4. Она включает пьезоэлектрический акселерометр 1, согласующий каскад 2, масштабный усилитель 3 с регулируемым коэффициентом усиления, два звена полосового фильтра 4,5, усилитель мощности 6, спектроанализатор 7, микрокомпьютер 8, винчестер 9, 10 - интерфейс, 11-светодиод, 12 - цифровое табло. На рисунке 3.5. показана схема многоканального прибора контроля, где 12-19 - пьезоэлектрические приемники; 20- восьмиканальный переключатель. Остальные позиции идентичны рис.3.4. Питание прибора осуществляется от аккумуляторной батареи 9 типа 7Д-0115, 7Д-0123 или батареи типа «крона», «ника» с напряжением 9 В. В приборе предусмотрено устройство сенсорного включения 14, которое обеспечивает включение электропитания при замыкании пластин пальцами оператора. Для питания операционных усилителей используется схема формирования средней точки (земли) питания 13. Акустическая часть прибора содержит пьезоэлектрический акселерометр, преобразующий акустические (механические) колебания в электрические. Телефон, преобразующий электрические колебания в акустические. Кабель (провод), проводящий электрические колебания к телефону исключает потери и искажения сигнала.
Прибор имеет наушники. На пьезоэлкетрический приемник 1 через контактный протектор поступают акустические сигналы от работающих механизмов. Пьезоэлектрический приемник преобразует сигнал в электрический, который через согласующий каскад 2 поступает на вход масштабного усилителя 3. Согласующий каскад 2 выполнен в виде истокового повторителя. При разработке принципиальной схемы основное внимание уделялось уменьшению потребляемой мощности, уменьшению габаритов, массы и стоимости фонендоскопа. Принципиальная схема выполнена на базе одной микросхемы ДА 1 типа К140УД2, включающей четыре операционных усилителя на двух биполярных и одном полярном транзисторах. На первом операционном усилителе ДА 1.1 выполнен масштабный усилитель с высоким входным и малым выходным сопротивлением и коэффициентом передачи от К1 = 1 до Kl = 10 (пределы регулировки 20 дБ). На операционных усилителях ДА 1.2 и ДА 1.3 выполнены звенья полосовых фильтров ПФ 1 и ПФ 2 с коэффициентами передачи К2 = КЗ = 10. Нижняя граница полосы пропускания этих фильтров не изменяется, а верхняя частота имеет три фиксированных значения в соответствии с частотными характеристиками, представленными на рисунке 3.7. Полосовой фильтр (ПФ) 5 имеет усилитель мощности (УМ) 6, выполненный на двух комплиментарных транзисторах VT 1 и VT 2, которые обеспечивают работу наушников. Для уменьшения нелинейных искажений в выходном каскаде УМ задается наибольший начальный ток 10-1 тА через транзисторы VT 1 и VT 2 с помощью резисторов R 1 и R 2 и диодов VD 1 и VD 2.. Четвертый операционный усилитель ДА 1.4 используется для формирования средней точки (земли) напряжения питания. Это позволяет обеспечить двухполярное питание всех операционных усилителей, отказаться от разделительной емкости для подключения телефона.
Этот каскад представляет собой повторитель напряжения снимаемого с реактивного делителя напряжения R 3, R 4. Для исключения самовозбуждения через цепи питания использованы электролитические конденсаторы CI, С2, СЗ. Сенсорное включение питания осуществляется с помощью полевого транзистора VT3 с изолированным затвором. Если контакты сенсора замыкаются пальцами оператора с переходным сопротивлением менее 10 мОм, то транзистор VT 3 открывается и его сопротивление становится равным 100 - 200 Ом, фонендоскоп начинает работать. Важнейшим элементом схемы электронного стетоскопа, фактически определяющим качество, как самого прибора, так и точность диагностики с его помощью, являются активные фильтры. Они не только выделяют определенную полосу частот, отсекая все лишнее, не несущее полезной информации о работе диагностируемого узла, и подавляют шумы, и являются усилительными элементами схемы, что позволяет получить высокий коэффициент усиления всей схемы в целом. Чтобы получить достаточно крутой спад характеристики фильтра и поднять его усиление в рабочей полосе частот, применено последовательное включение двух звеньев фильтра.
Особенности применения прбграммного продукта LabVIEW для создания программ
Для вибродиагностики можно использовать как стандартные программы, так и специальные. Под стандартными программами понимается программы общего назначения, такие как Sound Forge, Mathcad, SpertraLAB и другие. Применение таких программ требует достаточно глубокого их изучения и не удобно в работе и, кроме того, эти программы не обладают достаточным набором функций. Однако при достаточно четких инструкциях применение этих программ возможно. Специальные программы предназначены для автоматической обработки вибросигнала и постановки диагноза. Наиболее удачными можно считать программы, где от оператора требуется ввод только адресной информации, такой как дата и время проведения диагноза, государственный номер и марка автомобиля, текущий пробег. Допускается ввод некоторой полученной информации, например число оборотов. Однако это возможно только на установившемся режиме. При переменной частоте вращения лучше использовать соответствующий датчик.
Специальные программы пишутся на таких языках программирования как Си++, Бейсик, Паскаль и др. и работают или под DOS, или под Windows. Программы, написанные на таких языках, имеют достаточно сложное меню. По этому работа с ними требует высокой квалификации обслуживающего персонала.
Программный продукт Lab VIEW фирмы National Instruments как средство прикладного программирования по своей структуре близок к упоминавшимся ранее языкам программирования. Однако, он имеет существенное отличие от них - не требует написания текстов программ, а использует язык графического программирования для создания программ в виде блок-схем, привычные для широкого круга пользователей [46]. Рабочая панель программы, написанная в этом пакете, имитирует аналоговые устройства (переключатели, экраны и т.д.), работа с которыми удобнее, чем с программами, написанными на языках СИ++, Visual Basic и т.д., имеющих сложные контекстные меню. Важной особенностью программ, выполненных на языке виртуального моделирования Lab VIEW является наличие программируемого аналогово-цифрового преобразователя..
Система Lab VIEW может воспринимать и генерировать сигналы электрического напряжения в диапазоне 10В двух уровней: либо от -5В до +5В для знакопеременных сигналов, либо от 0 до 10В для однополярных сигналов [47]. Наличие обратной связи позволяет совместить программу управления объектом с системой диагностирования (мониторинга) с одного пульта (ПК). Для ввода сигналов в систему используют различные преобразовательные устройства DAQ Card - 700, DAQ Card Dio - 24, широкий диапазон устройств AT-Mio. При создании программного обеспечения использовалось преобразовательное устройство DAQ Pad - 1200. Для соединения этого устройства с прибором использовался коннектор (Connector), представляющий собой соединительную клеммную колодку с 50-ю винтовыми соединениями. Коннектор и DAQ Pad - 1200 являются аппаратной частью Lab VIEW. Коннектор выполняет многоканальный прием аналоговых сигналов от прибора. DAQ Pad - 1200 преобразует аналоговые сигналы в дискретные, а затем дискретные сигналы преобразует в цифровые и передает их в программную часть Lab VIEW, где осуществляется их обработка. Из двух возможных вариантов подключения аналоговых сигналов, использовался второй, позволяющий одновременно иметь 8 каналов. При этом на клеммы коннектора 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 подключается один контакт от датчика, а на клемму 9 замыкаются вторые контакты; т.е. клемма 9 является общей. При некоторой модернизации возможно подключение практически неограниченного числа каналов. Первый вариант позволяет подключить 4 аналоговых канала. При этом каждый сигнал передается по независимому каналу на клеммы 1-2, 3-4, 5-6, 7-8. Клемма 9 заземляется. При измерении электрических сигналов наиболее незащищенным элементом, куда могут проникать помехи любого вида, является входной контур измерительного усилителя. Входной контур усилителя образуют: вход самого усилителя, представленный неинвертирующим (обозначен знаком +) и инвертирующим (-) выводами, два проводника линии связи и источник сигнала, имеющий внутреннее сопротивление. Помехи могут представлять серьезную проблему и этому вопросу необходимо уделять достаточное внимание. Для оценки уровня напряжения помехи в табл.4.1 приведены 7 диапазонов напряжений усилителя Lab VIEW и соответствующих им коэффициентов усиления. Как известно, выходное напряжение измерительного усилителя пропорционально его входному напряжению коэффициент усиления; ивх+ - напряжение между неинвертирующим входом и "землей" или потенциал неинвертирующего входа: ивх. - напряжение между инвертирующим входом и "землей" или потенциал инвертирующего входа; uBX = (uBX+ - uBX.) - входное напряжение усилителя как разность потенциалов его неинвертирующего и инвертирующего входов. При отсутствии помех входное напряжение усилителя равно напряжению сигнала Рассмотрим два механизма воздействия напряжения помехи на выходное напряжение усилителя: прямого и непрямого (опосредованного) действия. Помеха прямого действия может проникать непосредственно во входной контур усилителя, создавая напряжение на элементах контура: на внутреннем сопротивлении источника сигнала и сопротивлениях проводов линии связи. В этом случае напряжение помехи оказывает прямое воздействие на входное напряжение усилителя (и, естественно, на выходное напряжение), так как является его составляющей uc(t) - напряжение сигнала датчика, un0M(t) - напряжение помехи. Помеха, суммируясь с сигналом на входе усилителя, искажает сигнал и на входе и на выходе усилителя. Рассмотрим прямое действие такого типа помех на виброакустический сигнал. Структура сигнала обуславливает его пилообразную форму. Для примера примем: напряжение сигнала ис изменяется в пределах от -2,4 В до +2,4 В, а напряжение помехи ипом имеет прямоугольную форму со значениями от +1 В до -1В. Значение напряжения сигнала было получено измерением выходного напряжения с прибора. Входное напряжение равно сумме напряжений сигнала и помехи. При коэффициенте усиления операционного усилителя ко = 1 выходное напряжение усилителя будет равно входному напряжению. Помеха усиливается вместе с сигналом и всегда вносит погрешность. Примем, что помеху, которая напрямую воздействует на сигнал, будем называть помехой прямого действия. Напряжение помехи этого типа, проникая во входной контур усилителя, накладывается на напряжение сигнала. При ее действии сигнал искажается уже на входе усилителя и, как следствие, на его выходе. Помеха непрямого действия оказывает опосредованное воздействие на выходное напряжение усилителя, не изменяя входного. Эта помеха может вызвать насыщение каналов усилителя (т.е. входное напряжение может оказаться больше выбранного диапазона), что приведет к искажению сигнала.
