Широкополосная случайная вибрация расчет параметров. Виды вибраций. Как влияет вибрация на мою продукцию

В зависимости от характера колебаний различаются:

детерминированная вибрация :

Изменяется по периодическому закону;

Функция х(t), описывающая ее, изменяет значения через одинаковые интервалы времени Т (период колебания) и имеет произвольную форму (рис.3.1.а)

Если кривая x(t) изменяется с течением времени по синусоидальному закону (рис.3.1.б), то периодическая вибрация называется гармонической (в практике - синусоидальная ). Для гармонической вибрации справедливо уравнение

x(t) = A sin (wt), (3.1)

где x(t) - смещение от положения равновесия в момент t ;

А - амплитуда смещения; w = 2pf - угловая частота.

Спектр такой вибрации (рис.3.1. б) состоит из одной частоты f = 1/T .

Рис.3.1. Периодическая вибрация (а); гармоническая вибрация и ее спектр частот (б); периодическая вибрация как сумма гармонических колебаний и ее спектр частот (в)

Полигармоническое колебание - частный вид периодической вибрации;:

Наиболее распространена на практике;

Периодическое колебание разложением в ряд Фурье может быть представлено как сумма ряда гармонических колебаний с различными амплитудами и частотами (рис.3.1.в).

где k - номер гармоники; - амплитуда k - й гармоники;

Частоты всех гармоник кратны основной частоте периодического колебания;

Спектр является дискретным (линейчатым) и представлен на рис.3.1.в;

Ее часто относят с некоторыми искажениями к гармоническим колебаниям; степень искажения подсчитывается с помощью коэффициента гармоник

,

где - амплитуда i - гармоники.

Случайная вибрация :

Не может быть описана точными математическими соотношениями;

Невозможно предсказать точно значения ее параметров в ближайший момент времени;

Можно с определенной вероятностью предсказать, что мгновенное значение x(t) вибрации попадает в произвольно выбранный интервал значений от до (рис.3.2.).

Рис.3.2. Случайная вибрация

Из рис.3.2. следует, что эта вероятность равна

,

где - суммарная продолжительность нахождения амплитуды вибрации в интервале за время наблюдения t .

Для описания непрерывной случайной величины пользуются плотностью вероятности:

Формула ;

Вид функции распределения характеризует закон распределения случайной величины;

Случайная вибрация – сумма множества независимых и мало отличающихся мгновенных воздействий (подчиняется закону Гаусса);

Вибрацию можно характеризовать:

математическим ожиданием М[X] – среднее арифметическое мгновенных значений случайной вибрации за время наблюдения;

генеральной дисперсией - разброс мгновенных значений случайной вибрации относительно ее среднего значения.

Если колебательные процессы с одинаковыми M[X] и отличаются друг от друга за счет различной частоты, то случайный процесс описывается в частотной области (случайная вибрация есть сумма бесконечно большого числа гармонических колебаний). Здесь используется спектральная плотность мощности случайной вибрации в полосе частот

Методы испытаний на стойкость к механическим внешним
воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий

ИСПЫТАНИЯ НА ВИБРАЦИЮ С ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕМ ВОЗДЕЙСТВИЙ НЕСКОЛЬКИХ ТИПОВ

IЕС 60068-2-80:2005
Environmental testing - Part 2-80: Tests - Test Fi: Vibration - Mixed mode
(MOD)

Москва Стандартинформ 2009

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (ОАО «НИЦ КД») на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 «Вибрация и удар»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 18 декабря 2008 г. № 640-ст

4 Настоящий стандарт модифицирован по отношению к международному стандарту МЭК 60068-2-80:2005 «Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-80. Испытания. Испытание Fi. Вибрация, сочетающая воздействия разных типов» (IEC 60068-2-80:2005 «Environmental testing - Part 2-80: Tests - Test Fi: Vibration - Mixed mode») путем внесения технических отклонений, объяснение которых приведено во введении к настоящему стандарту.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (пункт 3.5)

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Введение

Настоящий стандарт устанавливает метод испытаний на вибропрочность и виброустойчивость машин и оборудования всех видов, которые в процессе эксплуатации подвержены воздействию широкополосной вибрации сложной формы.

Метод испытаний предусматривает использование цифровых систем управления для воспроизведения широкополосной случайной вибрации в сочетании с гармонической и (или) узкополосной случайной вибрацией. Для реализации данного метода используют, преимущественно, вибростенды электродинамического или гидравлического типа.

Результаты вибрационных испытаний зависят от квалификации проводящего их персонала, о чем должны быть осведомлены и заказчик, и исполнитель испытаний. При составлении методики испытаний в качестве воспроизводимого возбуждения следует указывать вибрационные воздействия тех видов, которые соответствуют реальным условиям применения изделия.

По сравнению с международным стандартом МЭК 60068-2-80:2005 настоящий стандарт дополнен ссылками, выделенными курсивом и указывающими его место в комплексе стандартов ГОСТ 30630, объединенных общим групповым заголовком «Методы испытаний на стойкость к внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий».

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Дата введения - 2010-01-01

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на машины, приборы и другие технические изделия всех видов (далее - изделия) и устанавливает требования к испытаниям по проверке их способности противостоять воздействию широкополосной вибрации сложной формы.

Целью испытаний является подтверждение способности изделия выдерживать вибрационные воздействия, установленные стандартами или техническими условиями на продукцию (далее - нормативные документы), без существенных повреждений (испытания на вибропрочность) и ухудшений его эксплуатационных характеристик (испытания на виброустойчивость). При этом рекомендуется при задании воспроизводимой вибрации использовать данные измерений, проведенных в реальных условиях применения изделия.

Испытания, проводимые в соответствии с настоящим стандартом, позволяют обнаружить усталостные повреждения, являющиеся следствием воздействия широкополосной вибрации сложной формы, для оценки пригодности изделия. Кроме того, настоящий стандарт может быть использован в целях демонстрации механической прочности конструкции изделия.

Настоящий стандарт предназначен для применения при проведении испытаний образцов изделий, которые в процессе транспортировки или эксплуатации (например, на воздушном судне или космическом корабле) могут быть подвержены воздействию вибрации случайного характера в сочетании с другими видами случайных или детерминированных воздействий, а также при испытаниях изделий в транспортировочном контейнере, если последний можно рассматривать как составную часть изделия,

Настоящий стандарт применяют совместно с ГОСТ 30630.0.0 , в котором установлены общие требования к проведению испытаний на воздействие внешних факторов.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

3.9.1 управление по среднему значению (averaging strategy): Способ определения сигнала управления путем усреднения для каждой частотной составляющей по всем проверочным точкам.

3.9.2 управление по экстремальному значению (extremal strategy): Способ определения сигнала управления путем выбора экстремального значения контролируемого параметра для каждой частотной составляющей по всем проверочным точкам.

3.10 MAX/ SUM: Способ задания спектральной плотности ускорения (см. 3.14) для узкополосной случайной вибрации, воспроизводимой в условиях испытаний на фоне широкополосной случайной вибрации.

Примечание - МАХ означает, что спектральная плотность ускорения воспроизводимого сигнала представляет собой огибающую наложенных друг на друга спектральных плотностей ускорения широкополосного и узкополосного случайных сигналов; SUM означает, что спектральная плотность ускорения воспроизводимого сигнала представляет собой сумму спектральных плотностей ускорения широкополосного и узкополосного случайных сигналов.

3.11 пик-фактор (crest factor): Отношение пикового значения к среднеквадратичному значению сигнала.

3.12 стратегия суперпозиции (super positional strategy): Стратегия, определяющая метод расчета спектральной плотности ускорения воспроизводимой вибрации для каждой частотной составляющей по заданному гармоническому сигналу и спектральной плотности ускорения случайного сигнала.

3.13 ширина пика на уровне минус 3 дБ (-3 dB bandwidth): Ширина полосы частот между двумя точками частотной характеристики, расположенными на уровне 0,708 ее максимального значения, в предположении, что частотная характеристика в данной полосе частот описывает пик одиночного резонанса.

3.14 спектральная плотность ускорения (acceleration spectral density); СПУ: Функция частоты, определяемая как предельное отношение среднего квадрата значения сигнала ускорения после его прохождения через узкополосный фильтр, среднегеометрическая частота которого совпадает с заданной, к ширине полосы фильтра при стремлении ширины полосы к нулю, а времени усреднения - к бесконечности.

3.15 смещение (bias error): Систематическая погрешность оценки спектральной плотности ускорения случайного сигнала или амплитуды гармонического сигнала.

Примечание - Для случайного сигнала смещение обусловлено конечным разрешением сигнала по частоте, которое присуще используемому методу обработки, а для гармонического сигнала (в смеси со случайным шумом) - конечностью интервала усреднения.

3.16 спектральная плотность ускорения сигнала управления (control acceleration spectral density): Спектральная плотность ускорения сигнала, измеренного в контрольной точке (реальной или воображаемой).

3.17 цепь системы управления (control system loop): Электронный тракт, позволяющий выполнять совокупность следующих операций:

Оцифровку сигнала в контрольной точке;

Процедуру обработки сигнала;

3.20 погрешность воспроизведения спектральной плотности ускорения (error acceleration spectral density): Разность между заданной спектральной плотностью ускорения и спектральной плотностью ускорения сигнала управления.

3.21 коррекция (equalization): Процедура приведения к минимуму погрешности воспроизведения спектральной плотности ускорения.

3.22 спад на высоких частотах (final slope): Участок заданной спектральной плотности ускорения на частотах выше f 2 (см. рисунок 1).

3.23 разрешение по частоте (frequency resolution): Ширина интервала приращения частоты в представлении спектральной плотности ускорения (выражаемая в герцах).

Примечание - Эта величина обратно пропорциональна длине записи сигнала, используемой в цифровом анализе. Число интервалов приращения совпадает с числом спектральных линий в данном диапазоне частот.

3.24 наблюдаемая спектральная плотность ускорения (indicated acceleration spectral density): Оценка спектральной плотности ускорения на считывающем устройстве анализатора, включающая в себя инструментальную погрешность, случайную погрешность и смещение.

3.25 спад на низких частотах (initial slope): Участок заданной спектральной плотности ускорения на частотах ниже f 1 (см. рисунок 1).

3.26 инструментальная погрешность (instrumental error): Совокупность погрешностей, вносимых каждым аналоговым устройством входной часта системы управления и каждым аналоговым устройством в составе системы управления.

3.27 случайная погрешность (random error): Погрешность оценки спектральной плотности ускорения, изменяющаяся от одного измерения к другому и обусловленная конечным временем усреднения сигнала и конечной шириной полосы фильтрации.

3.28 запись сигнала (record): Совокупность отсчетов процесса, взятых через равные промежутки времени, которую используют при реализации процедуры быстрого преобразования Фурье.

3.29 воспроизводимость (reproducibility): Близость результатов измерений одной и той же величины с одним и тем же значением, проводимых:

Разными методами;

С использованием разных средств измерений;

Разными операторами;

В разные моменты времени, интервал между которыми значительно больше времени проведения одного измерения;

Разными способами применения имеющихся средств испытаний и измерений.

Примечание - Термин «воспроизводимость» применяют также в случаях, когда принимают во внимание только одно или несколько из вышеперечисленных условий.

3.30 среднеквадратичное значение (root-mean-square value): Квадратный корень из среднего значения квадрата функции на заданном интервале (для спектральной плотности таким интервалом является полоса частот между f 1 и f 2 - см. ).

Примечание - В данном методе испытаний среднеквадратичное значение может быть рассчитано для разных видов возбуждения: чисто широкополосного случайного процесса, совокупности широкополосного случайного и гармонического процессов (SoR ) или совокупности двух случайных процессов (RoR ) - см. (приложение В).

3.31 контролируемый параметр (signal value): Значение спектральной плотности ускорения для случайной составляющей воспроизводимого процесса или амплитуды для гармонической составляющей воспроизводимого процесса.

3.32 стандартное отклонение (standard deviation): Характеристика случайного временного сигнала, которая для сигнала вибрации совпадает со среднеквадратичным значением (поскольку среднее значение сигнала вибрации принимают равным нулю).

3.33 статистическая точность (statistical accuracy): Отношение истинной спектральной плотности ускорения к наблюдаемой.

Примечание - Данную характеристику применяют только в отношении случайной составляющей воспроизводимого процесса.

3.34 статистическая степень свободы (statistical degrees of freedom): Величина, характеризующая свойства оценки спектральной плотности ускорения, получаемой по случайным отсчетам методом усреднения по времени, и зависящая от разрешения по частоте и времени усреднения.

3.35 цикл качания (частоты) (sweep cycle): Перемещение (развертка) по заданному диапазону частот по одному разу в каждом из направлений (например, от 5 до 500 Гц и обратно до 5 Гц).

Примечание - В противоположность циклу качания частоты одиночная развертка по частоте означает движение по диапазону частот только в одном направлении: в сторону возрастания или убывания частоты.

3.36 скорость качания (частоты) (sweep rate): Скорость изменения частоты гармонического сигнала, измеряемая либо в октавах в минуту (октава/мин), либо в герцах в секунду (Гц/с).

3.37 истинная спектральная плотность ускорения (true acceleration spectral density): Спектральная плотность ускорения, воздействующего на образец.

4 Общие требования к испытаниям

4.1 Общие положения

Устанавливаемые требования к испытательному оборудованию относятся ко всему испытательному оборудованию в целом. В случае вибрационной установки электродинамического или гидравлического типа это оборудование включает в себя усилитель мощности, вибростенд с устройством крепления образца и систему управления.

Колебания вибростола в заданном и поперечном направлениях следует либо проверить до начала испытаний, либо контролировать в ходе испытаний с помощью дополнительного канала в системе управления. В нормативном документе на испытания должны быть определены уровни воспроизводимой вибрации и последовательность действий во время испытаний.

Стандартизованный метод испытаний включает в себя следующие этапы (применительно к возбуждению в каждом из заданных направлений):

Выдержку образца при воздействии вибрацией в заданном режиме;

Заключительные измерения для повторного определения динамической характеристики образца (см. ) и сравнения ее с результатом, полученным на этапе начальных измерений, в целях выявления возможных механических повреждений.

Если динамическое поведение испытуемого объекта хорошо известно или не представляет интереса, то нормативный документ может не устанавливать требований к исследованию динамической характеристики или установить их в ограниченном объеме.

4.2 Система управления

Управление испытаниями требует применения специального программного обеспечения, позволяющего проводить анализ данных и управление испытаниями в разных режимах возбуждения.

Установленные нормативным документом на испытания воспроизводимые колебания во всех точках крепления образца должны быть приблизительно одинаковыми и поступательными. Если условие идентичности колебаний в разных точках крепления выполнить не удается, применяют многоточечное управление испытаниями.

Воспроизводимое движение должно иметь гауссовское распределение для случайной составляющей и быть гармоническим для периодической составляющей вибрации.

Поперечную вибрацию либо проверяют до проведения испытаний, возбуждая образец случайной или гармонической вибрацией, уровень которой установлен нормативным документом, либо контролируют во время испытаний, используя для этого дополнительный канал системы управления.

Значение контролируемого параметра на каждой частоте в каждой проверочной точке и в каждом из направлений, перпендикулярных к направлению основного движения, не должно превышать установленного значения в диапазоне частот свыше 500 Гц, а в диапазоне частот до 500 Гц не должно превышать уровня, который на 3 дБ ниже этого установленного значения. Среднеквадратичное значение ускорения (во всей полосе частот) для любого направления, перпендикулярного к заданному направлению движения, не должно превышать 50% этой величины для заданного направления движения. Например, для образцов небольших размеров нормативным документом может быть установлено требование, чтобы значение контролируемого параметра поперечной вибрации не превышало значение этого же параметра для воспроизводимого движения, уменьшенное на 3 дБ.

Для образцов больших размеров или большой массы может оказаться затруднительным выполнение ограничений на поперечную вибрацию во всем диапазоне частот испытаний. Трудности в выполнении установленных ограничений могут возникнуть также и в том случае, если нормативным документом предписано проводить испытания в широком динамическом диапазоне. В этом случае в нормативном документе должна быть использована одна из следующих формулировок: «поперечная вибрация, превышающая заданный уровень, должна быть зафиксирована и указана в протоколе испытаний» или «контроль поперечной вибрации не проводят».

Образец должен быть закреплен на вибростоле в соответствии с требованиями ГОСТ 30630.0.0 .

4.6 Измерительная система

Характеристики измерительной системы должны предусматривать возможность проверки выполнения условия, что истинное значение параметра вибрации в контрольной точке в заданном направлении движения не выходит за пределы установленного допуска.

На точность измерений оказывает существенное влияние частотная характеристика измерительной цепи, включающей в себя датчик вибрации, согласующее устройство и устройства сбора и обработки данных. Нижняя граница диапазона частот измерительной системы не должна превышать 0,5 f 1 , a верхняя граница - не должна быть менее 2 f 2 (см. ). В указанном диапазоне частот амплитудно-частотная характеристика измерительной системы должна быть постоянной в пределах ±5%.

5 Требования к воспроизводимой вибрации

Метод испытаний, установленный настоящим стандартом, предусматривает воздействие на образец широкополосной случайной вибрацией в сочетании либо с узкополосной случайной вибрацией, либо с гармонической вибрацией, либо с вибрацией обоих указанных типов. Нормативным документом может быть предусмотрено, что возбуждение узкополосной случайной или гармонической вибрацией осуществляют с качанием частоты в заданном диапазоне. При проведении испытаний данного вида необходимо принимать во внимание следующее.

В нормативном документе должен быть установлен способ задания степени жесткости условий испытаний для случайной вибрации: МАХ или SUM.

Спектр ускорения может представлять собой:

Суперпозицию спектров широкополосной случайной вибрации, узкополосной случайной вибрации и гармонических составляющих для систем управления, в которых гармонический сигнал задается в виде спектральной линии;

Суперпозицию спектров широкополосной случайной вибрации и узкополосной случайной вибрации, а также независимые гармонические колебания для систем управления, в которых гармонический сигнал генерируется непрерывно в частотной области.

Инструментальная погрешность оценки спектральной плотности ускорения в контрольной и проверочной точках на интервале частот от f 1 до f 2 не должна выходить за пределы ±3 дБ относительно заданной спектральной плотности ускорения. Данный допуск не учитывает случайную погрешность и смещение. Характеристики случайной погрешности могут быть рассчитаны по результатам испытаний.

Среднеквадратичное значение ускорения в диапазоне от f 1 до f 2 , измеренное непосредственно или полученное расчетным способом, не должно отличаться более чем на ±10% от среднеквадратичного значения для заданной спектральной плотности ускорения. Это относится к сигналу как в реальной, так и в воображаемой контрольной точке.

Данные требования могут быть трудновыполнимы на отдельных частотах или для образцов больших размеров или большой массы. В этом случае в нормативном документе могут быть установлены более широкие границы допуска.

Спад спектральной плотности ускорения на нижних частотах должен составлять не менее плюс 6 дБ/октава, а на высоких частотах - не более минус 24 дБ/октава [см. (приложение В)].

Для испытаний с качанием частоты допуски на спектральные составляющие с изменяющейся частотой должны быть теми же, что и на составляющие широкополосной вибрации. Однако это может быть невыполнимо при высокой скорости качания. В этом случае допуски на спектральные составляющие должны быть установлены в нормативном документе.

Мгновенное значение ускорения в контрольной точке должно быть распределено по закону, близкому к гауссовскому, как показано на рисунке 2. Подтверждение этому должно быть получено в процессе калибровки системы. Вид распределения сигнала в присутствии гармонической составляющей показан на .

σ - стандартное отклонение

Рисунок 2 - Случайный сигнал, близкий к нормальному, с заданным уровнем отсечки

Отсечка задающего сигнала должна быть на уровне не менее 2,5 среднеквадратичного значения (см. ). Необходимо убедиться, что временная форма сигнала в контрольной точке содержит пики, превышающие заданное среднеквадратичное значение не менее чем в 3 раза, если только иные требования не установлены соответствующим нормативным документом.

Если для управления используют сигнал в воображаемой контрольной точке, вышеуказанное требование к значению пик-фактора распространяется на все проверочные точки, сигналы в которых используют для формирования сигнала управления.

Плотность вероятности распределения рассчитывают по двухминутной реализации сигнала в контрольной точке в начале, в середине и в конце испытаний.

Статистическую точность определяют через число статистических степеней свободы N d и доверительный уровень (см. рисунок 3). Статистическое число степеней свободы определяют по формуле

N d = 2B e T a ,

где В е - разрешение по частоте, Гц;

Т а - эффективное время усреднения, с.

Значение N d не должно быть менее 120, если только иное требование не установлено соответствующим нормативным документом.

Если нормативным документом установлены доверительные уровни, которые необходимо соблюсти при проведении испытаний, для расчета статистической точности следует использовать данные рисунка 3.

Рисунок 3 - Статистическая точность воспроизведения спектральной плотности ускорения в зависимости от числа степеней свободы для разных значений доверительной вероятности

Разрешение по частоте B е , Гц, зависит от максимальной тактовой частоты контроллера системы управления и числа линий в спектре сигнала п:

B e = f high /n ,

Гдеf hjgh - максимальная тактовая частот контроллера системы управления, Гц, которая должна не менее чем в два раза превышать f 2 (см. );

п - число спектральных линий, равномерно расположенных по диапазону частот вплоть до f hjgh .

Разрешение по частоте должно быть установлено нормативным документом [см. также , перечисление h)].

1 - чисто гармонический сигнал; 2 - гармонический и случайный (СПУ - 0,1 м 2 /с 3) сигналы; 3 - гармонический и случайный (СПУ - 1 м 2 /с 3) сигналы; 4 - гармонический и случайный (СПУ - 5 м 2 /с 3) сигналы; 5 - чисто случайный сигнал (СПУ - 5 м 2 /с 3)

Рисунок 4 - Плотность вероятности распределения гармонического (амплитуда 50 м/с 2 , частота 120 Гц) и случайного (в диапазоне от 20 до 200 Гц) сигналов, а также их сочетаний

5.1.4.1 Сочетание широкополосного и узкополосного случайных сигналов В е выбирают таким образом, чтобы:

Одна из спектральных линий совпадала с f 1 , а первая спектральная линия была расположена не выше 0,5 f 1 ;

Две спектральные линии определяли форму спада спектральной плотности ускорения узкополосного сигнала.

Если вышеперечисленные требования дают два разных значения В е , то выбирают наименьшее из них.

Примечание - Выбор В e предполагает компромисс между стремлением более качественно описать спектр возбуждения и необходимостью обеспечить быстродействие системы управления. Кроме того, увеличение скорости качания частоты может потребовать более высокого разрешения по частоте для поддержания управления во всем диапазоне частот качания.

5.1.4.2 Сочетание гармонического и случайного сигналов

В e выбирают таким образом, чтобы одна из спектральных линий совпадала с f 1 , а первая спектральная линия была расположена не выше 0,5 f 1 .

Качание частоты гармонического сигнала, по возможности, должно быть непрерывным. Для систем управления, в которых частота гармонического сигнала изменяется скачкообразно, В е должно составлять не более 0,1% f high .

При качании частоты гармонической составляющей, воспроизводимой на фоне случайных колебаний, для оценки ее амплитуды обычно используют цифровой следящий фильтр. Этот фильтр позволяет отсечь значительную часть случайной составляющей. Однако в любом случае оценка амплитуды будет содержать долю случайного шума на частотах, расположенных вблизи частоты гармонического сигнала. Кроме того, чем больше отношение спектральной плотности ускорения случайного сигнала к половине квадрата амплитуды гармонического сигнала (называемое также отношением мощностей), тем больше будет доля этой случайной погрешности. Уменьшение полосы следящего фильтра позволит уменьшить случайную погрешность, однако это сопровождается увеличением числа отсчетов, по которым выполняют усреднение.

Если образец обладает острым, высокодобротным резонансом, увеличение числа отсчетов приводит к значительному смещению оценки отклика.

Допуски на амплитуду гармонических составляющих, действующих на фоне случайной вибрации, должны быть больше, чем совокупная погрешность, включающая в себя случайную погрешность, смещение, погрешность цепи управления и инструментальную погрешность.

Исследования частотной характеристики образца проводят во всем диапазоне частот испытаний по ГОСТ 30630.1.1.

6 Степень жесткости условий испытаний

Степень жесткости условий испытаний определяется сочетанием следующих параметров:

Диапазон частот испытаний;

Значения спектральной плотности ускорения широкополосной вибрации;

Форма кривой спектральной плотности ускорения широкополосной вибрации;

Диапазоны частот узкополосной случайной вибрации;

Гармонические составляющие вибрации;

Скорость качания частоты;

Длительность воздействия вибрации.

Указанные параметры должны быть определены соответствующим нормативным документом одним из следующих способов:

Выбором из значений, приведенных в 6.1 - ;

Исходя из известных условий эксплуатации изделия, если они дают существенно иные значения параметров.

Примечание - При определении уровней случайной или гармонической вибрации по записям реальных наблюдений следует обращать внимание на то, что используемые методы сжатия данных могли существенно исказить амплитудные соотношения сигналов.

Граничные значения диапазона частот испытаний, которые должны быть определены нормативным документом, рекомендуется выбирать из ряда …. 1; 2; 5; 10; 20; 50. Значение нижней границы f 1 не должно быть менее 1 Гц, а значение верхней границы f 2 не должно быть более 5000 Гц.

Значение спектральной плотности ускорения в диапазоне между f 1 и f 2 (см. ) в (м/с 2) 2 /Гц выбирают из ряда … 1; 2; 5; 10. Минимальное значение - 0,01, максимальное - 100.

Примечание - Если спектральную плотность ускорения выражают через единицу ускорения свободного падения g п , то для целей настоящего стандарта принимают g п = 10 м/с 2 .

Для настоящего испытания форма кривой спектральной плотности ускорения определена в виде участка с плоской вершиной (см. ). В особых случаях допускается, чтобы функция спектральной плотности ускорения имела иной вид. При этом вид данной функции должен быть определен в нормативном документе. Если диапазон частот испытаний разбит на поддиапазоны, в каждом из которых спектральную плотность ускорения задают в виде постоянного значения, то границы поддиапазонов и значения спектральной плотности ускорения следует выбирать из значений, приведенных в 6.1.1 и 6.1.2. В соответствующем нормативном документе должны быть также определены виды кривых на графике спектральной плотности ускорения, соединяющих постоянные уровни этой функции в соседних поддиапазонах.

Длительность воздействия вибрации, в минутах (часах или днях), которая должна быть установлена нормативным документом, рекомендуется выбирать из ряда … 1; 2; 5; 10. с допустимой погрешностью + 5%.

В нормативном документе должно быть определено число полос случайной вибрации, добавляемой к фоновой широкополосной вибрации.

Для каждой полосы необходимо установить следующее:

a) ширину полосы (она должна быть не менее 0,5% и не более 10% диапазона частот широкополосной случайной вибрации). Нижняя граница полосы частот не должна лежать ниже удвоенного разрешения по частоте;

b) нижнюю и верхнюю границы цикла качания частоты;

c) скорость качания в октава/мин или Гц/с или время прохождения одного цикла качания;

d) число циклов качания или длительность воздействия узкополосной вибрации;

e) закон изменения частоты: линейный или логарифмический;

f) начальное направление изменения частоты (в сторону возрастания или убывания);

g) значение спектральной плотности ускорения в пределах полосы;

h) стратегию (SUM или МАХ), используемую при выборе значения спектральной плотности ускорения узкополосной вибрации при ее сочетании с широкополосной вибрацией.

Нормативным документом должно быть установлено число гармонических составляющих, которые должны быть возбуждены на фоне широкополосной случайной вибрации. Для этих гармонических составляющих должно быть определено следующее:

a) являются ли их частоты кратными друг другу или нет и каковы фазовые соотношения между ними.

Примечание - Фазовые соотношения определяют для задающего сигнала, и они могут отличаться от фазовых соотношений в сигнале ускорения из-за искажений, вносимых передаточными функциями вибростенда, устройства крепления и самого образца;

b) нижняя и верхняя границы цикла качания частоты;

c) скорость качания в октава/мин или Гц/с или время прохождения одного цикла,

d) начальное направление изменения частоты (в сторону возрастания или убывания), а также время начала и окончания воздействия каждой составляющей;

e) зависимость изменения амплитуды каждой составляющей от частоты;

f) число циклов качания или длительность воздействия каждой гармонической составляющей;

g) закон изменения частоты: линейный или логарифмический;

h) значения частот при возбуждении гармонической вибрацией на фиксированных частотах;

i) амплитуды составляющих на фиксированных частотах.

Если качание частоты не используют, параметры, указанные в перечислениях b), с), d), f) и g), не определяют. В нормативном документе должно быть указано, какой метод возбуждения гармонической вибрацией применяют.

7 Начальная стабилизация

Необходимость начальной стабилизации образца в условиях вибрационного возбуждения и условия этого возбуждения должны быть определены соответствующим нормативным документом.

8 Начальные измерения

Образец должен быть подвергнут визуальному осмотру, контролю размеров и проверке эксплуатационных свойств, как предписано соответствующим нормативным документом.

9 Проведение испытаний

Испытания проводят в последовательности, установленной нормативным документом и включающей в себя этапы:

Начальное исследование (при необходимости) частотной характеристики образца;

Возбуждение вибрацией низкого уровня для выполнения требуемых настроек;

Выдержку в установленных режимах возбуждения вибрации;

Заключительное исследование (при необходимости) частотной характеристики образца.

Если нормативным документом не установлено иное, то образец возбуждают по очереди в каждом из предпочтительных направлений воздействия вибрации. Порядок выбора направления возбуждения, если только это не обусловлено специально нормативным документом, значения не имеет. Если образец испытывают в положении, характерном для условий его эксплуатации, то должен быть установлен способ установки образца в данное положение.

Сигнал управления должен быть получен по измерениям в одной проверочной точке при одноточечном управлении или в нескольких проверочных точках при многоточечном управлении.

В последнем случае нормативным документом должен быть установлен один из следующих способов управления:

По среднему значению;

По среднему значению с коррекцией;

По максимальному или минимальному значению.

При любом способе управления контрольная гонка является воображаемой.

Если изделие, предназначенное для эксплуатации с виброизоляторами, должно быть испытано без них, то для этого соответствующим образом изменяют степень жесткости условий испытаний. В нормативном документе может быть указано, каким образом следует изменить степень жесткости условий испытаний, проводимых без виброизоляторов.

Если предписано нормативным документом, проводят исследование частотной характеристики, по крайней мере, в одной точке образца. Число точек, для которых следует определять частотную характеристику, должно быть указано в нормативном документе.

Исследование частотной характеристики может быть выполнено возбуждением образца гармонической или случайной вибрацией в диапазоне частот испытаний в соответствии с ГОСТ 30630.1.1. Уровень возбуждения должен быть определен в нормативном документе.

Уровень вибрации при исследовании частотной характеристики выбирают таким образом, чтобы отклик образца был более слабым, чем при воздействии вибрации в основном режиме испытаний, но достаточным для обнаружения критических частот.

Если исследования проводят, возбуждая гармоническую вибрацию, то скорость изменения частоты не должна превышать одной октавы в минуту. Для более точного определения формы частотной характеристики скорость качания может быть уменьшена. Следует избегать необоснованно длительного возбуждения вибрацией на одной частоте.

При исследовании с возбуждением случайной вибрацией следует иметь в виду, что время возбуждения должно быть достаточным для минимизации случайных вариаций отклика. Разрешение по частоте должно быть достаточным для удовлетворительного описания формы резонансного пика. Рекомендуется, чтобы на ширину пика на уровне минус 3 дБ приходилось не менее пяти спектральных линий.

Нормативным документом может быть установлено требование, чтобы во время исследования частотной характеристики образец функционировал в заданном режиме. Если функционирование образца препятствует определению характеристик вибрации, то проводят дополнительные исследования частотной характеристики при неработающем образце. В результате исследования должны быть определены и отражены в протоколе испытаний все критические частоты данного образца.

9.3 Возбуждение вибрацией низкого уровня

До проведения испытаний в основном режиме может потребоваться возбуждение образца случайной вибрацией более низкого уровня для предварительного анализа и коррекции сигнала. На этом этапе важно поддерживать спектральную плотность ускорения на минимальном уровне.

Длительность предварительного возбуждения случайной вибрацией может быть следующей:

При среднеквадратичном значении ускорения на 12 дБ ниже установленного: без ограничения времени;

При среднеквадратичном значении ускорения на 6 - 12 дБ ниже установленного: не более чем в 1,5 раза выше установленного времени выдержки при основном режиме испытаний;

При среднеквадратичном значении ускорения на 0 - 6 дБ ниже установленного: не более чем 10% установленного времени выдержки при основном режиме испытаний.

Длительность предварительного возбуждения случайной вибрацией не следует вычитать из установленной длительности воздействия вибрацией при основном режиме испытаний.

9.4.1 Общие положения

Иногда в реальных условиях эксплуатации изделие подвержено воздействию квазипериодической вибрации, обусловленной работой машин, узлы которых (лопатки ротора, шестерни, пропеллеры, поршни и т.д.) совершают возвратно-поступательное или вращательное движение. Если такая форма воздействия является доминирующей, то ее характеризует широкополосная случайная вибрация с наложением узкополосной вибрации или гармонических колебаний более высокого уровня.

9.4.2 Возбуждение узкополосной и широкополосной случайной вибрацией (SoR )

Возбуждение образца осуществляют фоновой широкополосной вибрацией с наложением на нее одного или нескольких узкополосных случайных колебаний с качанием среднегеометрических частот.

Степень жесткости условий испытаний в данном режиме определяют параметрами, установленными в и .

В некоторых случаях возбуждение осуществляют без качания частот. Тогда испытания данного вида мало отличаются от испытаний по ГОСТ 30630.1.9. Необходимость использования качания частоты должна быть указана в нормативном документе.

9.4.3 Возбуждение гармонической и широкополосной случайной вибрацией (SoR)

Возбуждение образца осуществляют широкополосной случайной вибрацией с наложением на нее одного или нескольких гармонических колебаний с качанием их частот.

Степень жесткости условий испытаний в данном режиме определяют параметрами, установленными в 6.1 и .

В некоторых случаях возбуждение осуществляют без качания частот. Тогда параметры, указанные в перечислениях b), с), d), f) и g) подраздела 6.3, не определяют. Необходимость использования качания частоты должна быть указана в нормативном документе.

9.4.4 Возбуждение гармонической, узкополосной случайной и широкополосной случайной вибрацией (SoRoR)

Возбуждение образца в данном режиме представляет собой комбинацию условий по 9.4.2 и 9.4.3. Детально способ возбуждения должен быть определен соответствующим нормативным документом.

Если нормативным документом предписано проведение начального исследования частотной характеристики образца, в нем может быть также установлено требование проводить аналогичные исследования и после завершения испытаний в основном режиме для сопоставления с результатами начального исследования и выявления возможных изменений и повреждений образца. Заключительное исследование частотной характеристики проводят точно также, в тех же точках и с теми же параметрами возбуждения, что и начальное. Действия, которые необходимо предпринять при выявлении расхождения результатов начального и заключительного исследований, должны быть определены соответствующим нормативным документом.

10 Промежуточные измерения

Если нормативным документом установлено, что образец должен функционировать во время испытаний, то этим же документом может быть установлена необходимость выполнения измерений рабочих характеристик образца во время его функционирования.

11 Конечная стабилизация

Нормативным документом может быть установлена необходимость дать образцу некоторое время на восстановление его характеристик (например, температурных) после испытаний, прежде чем проводить заключительные измерения.

12 Заключительные измерения

Образец должен быть подвергнут визуальному осмотру, контролю размеров и проверке эксплуатационных свойств согласно требованиям соответствующего нормативного документа.

В том же документе должны быть установлены критерии приемки или отбраковки образца.

13 Сведения, приводимые в соответствующем нормативном документе

	Раздел или подраздел настоящего стандарта
а) Воспроизводимое движение*
b ) Точки крепления образца*
c ) Поперечная вибрация
d ) Установка образца*
Е) Допуски
f ) Пик-фактор (уровень отсечки задающего сигнала)*
g ) Статистическая точность
h ) Разрешение по частоте
i ) Диапазон частот испытаний*
j ) Спектральная плотность ускорения широкополосной случайной вибрации*
k ) Форма кривой спектральной плотности ускорения*
l ) Длительность воздействия вибрации*
m ) Узкополосная случайная вибрация
n ) Гармоническая вибрация и скорость качания частоты
о) Предварительная выдержка
р) Начальные измерения*
q ) Многоточечное управление
г) Направления воздействия вибрации
s ) Начальное и заключительное исследования частотной характеристики
t ) Выдержка и контроль функционирования
u ) Промежуточные измерения
v ) Восстановление
w ) Заключительные измерения*

14 Сведения, приводимые в протоколе испытаний

В протоколе испытаний должны быть приведены, как минимум, следующие сведения:

1) Заказчик	(наименование организации, адрес)
2) Испытательная лаборатория	(наименование, адрес)
3) Идентификационные данные отчета	(дата составления, номер)
4) Данные испытаний
5) Тип испытаний	(SoR, RoR, SoRoR)
6) Цель испытаний	(доводочные испытания, приемка и т.д.)
7) Стандарт на испытания	(соответствующий метод испытаний)
8) Описание образца	(модель, номер, чертеж, фото, параметры)
9) Установка образца	(вид крепления, чертеж, фото и т.д.)
10) Характеристики вибрационной установки	(поперечная вибрация и др.)
11) Измерительная система, расположение датчиков	(описание, чертеж, фото и т.д.)
12) Инструментальная погрешность	(результаты поверок, даты поверок)
13) Стратегия управления	(многоточечный контроль, SUM/MAX)
14) Начальные, промежуточные, заключительные измерения
15) Требуемая степень жесткости условий испытаний	(по техническим условиям на испытания)
16) Реальная степень жесткости условий испытаний	(точки измерения, степени свободы, спектры)
17) Результаты испытаний	(состояние образца)
18) Наблюдения и действия во время испытаний
19) Резюме
20) Лицо, проводившее испытания	(инициалы, фамилия, подпись)
21) Кому направляют результаты испытаний	(список лиц, получающих протокол испытаний)

Примечание - Если результаты испытаний должны быть зафиксированы, например, в хронологическом порядке с указанием параметров испытаний, наблюдений, выполненных во время испытаний, предпринятых действий и приведением таблиц измерений, то в этих случаях, как правило, ведут журнал испытаний. Журнал испытаний может быть приложен к протоколу испытаний.

Приложение А
(справочное)
Общие сведения об испытаниях с сочетанием разных видов вибрационных воздействий

А.1 Общие положения

Методы испытаний на случайную и гармоническую вибрацию установлены ГОСТ 30630.1.9 и ГОСТ 30630.1.2 соответственно. В настоящем приложении рассмотрены особенности испытаний, в которых применяют сочетание двух указанных видов воздействий. Имеющиеся в настоящее время цифровые системы управления позволяют реализовывать самые сложные стратегии управления для всех возможных сочетаний случайных и гармонических сигналов. Например, частоты разных гармоник (так же как и среднегеометрические частоты узкополосных случайных процессов) при качании частоты могут двигаться навстречу друг другу и пересекаться. Это усложняет математическое описание процессов и затрудняет обеспечение необходимой точности управления, что требует принятия некоторых компромиссных решений.

А.2 Сочетание широкополосного и узкополосного (с фиксированной среднегеометрической частотой) случайных сигналов

Вибрация данного вида, по существу, ничем не отличается от широкополосной случайной вибрации, рассмотренной в ГОСТ 30630.1.9, и не требует модификации метода испытаний.

Допуски для узкополосных спектров остаются без изменений. Дополнительного рассмотрения могут потребовать только участки сопряжения узкополосного и широкополосного спектров. Если эти участки содержат только одну или две спектральные линии, а разность между уровнями спектральной плотности ускорения для широкополосной и узкополосной вибрации велика, то для облегчения воспроизведения требуемой вибрации допуски на этих участках могут быть увеличены, что должно быть отражено в протоколе испытаний.

А.3 Сочетание широкополосного и узкополосного (с качанием частоты) случайных сигналов

Основной проблемой управления при возбуждении вибрации данного вида является необходимость согласовать скорость качания и эффективное время усреднения в цепи обратной связи. Если скорость качания высока, а время усреднения велико, то наблюдается эффект размытия спектральных линий, когда энергия из одной спектральной линии «перетекает» в соседние. При этом теряется прямоугольная форма спектра узкополосного сигнала, и система управления может остановить испытания вследствие того, что ряд спектральных пиний выйдет за пределы допуска.

Система управления, формируя на выходе новую спектральную плотность ускорения, осуществляет усреднение, например экспоненциальное, по выборке значений из предшествующего сигнала, что позволяет обеспечить стабильность управления. Принимаемое при этом во внимание число степеней свободы зависит от коэффициента усиления в цепи обратной связи - чем меньше его значение, тем больший интервал времени необходим для существенного изменения оценки, т.е. тем стабильнее работает система.

При качании узкополосного сигнала предшествующие значения сигнала, входящие в выборку, используемую алгоритмом расчета оценки, могут быть достаточно высокого уровня, чтобы оценка спектральной плотности ускорения превысила пределы допуска с последующей остановкой испытаний. Этого можно избежать, увеличив коэффициент обратной связи, что эквивалентно уменьшению числа усредняемых значений (уменьшению эффективного времени усреднения в цепи обратной связи), но при этом может быть потеряна стабильность управления.

Таким образом, в каждом конкретном случае в отношении коэффициента обратной связи необходимо определять некоторое компромиссное значение.

Если лаборатория обладает соответствующим оборудованием, полезной может оказаться запись сигнала вибрации в точке управления для его последующей обработки с применением разных алгоритмов спектрального анализа. Это, конечно, никак не изменит условия уже прошедших испытаний, но позволит уточнить, какие именно условия испытаний были реализованы с последующим отражением этих условий в протоколе испытаний.

А.4 Сочетание широкополосного сигнала с гармоническим сигналом на фиксированной частоте

Выделение системой управления гармонической составляющей сигнала из ее смеси с широкополосным сигналом в общем виде представляет собой сложную задачу. Эта задача будет проще, если отношение амплитуды гармонического сигнала к среднеквадратичному значению случайного сигнала велико. С уменьшением данного отношения точность выделения гармонической составляющей может ухудшаться, как показано в следующем примере.

Пример - Для исследования были использованы цифровые системы управления трех типов. Параметры испытаний во всех случаях были неизменными.

Случайная вибрация:

- диапазон частот: 10 - 2000 Гц,

-уровень спектральной плотности ускорения (постоянный): 0,005; 0,01;0,05 /Гц,

- разрешение по частоте (максимально возможное): 1 Гц,

- число степеней свободы (максимально возможное): 120,

Гармоническая вибрация:

- амплитуда: 5 g n ,

- частота: 20; 160; 380 Гц.

Во время испытаний на постоянной частоте гармонической вибрации были использованы возбуждения при всех возможных сочетаниях уровня спектральной плотности ускорения и амплитуды гармонического сигнала в течение 60 с каждое.

Выходной сигнал системы управления подавался на устройство цифровой записи с частотой выборки 12,5 кГц. Эти данные передавались на компьютер для расчета спектральной плотности ускорения. При компьютерном анализе были использованы следующие значения параметров:

- диапазон частот: 10 - 2000 Гц,

- разрешение по частоте: 1 Гц,

- число степеней свободы: 120,

- длительность выборки: 60 с.

Примеры расчета графика спектральной плотности ускорения для одной из систем управления и разных частот возбуждения гармонической вибрацией изображены на рисунках А.1 и А.2.

Рисунок А.1 - Гармонический сигнал на частоте 160 Гц

Рисунок А.2 - Гармонический сигнал на частоте 380 Гц

В таблице А.1 приведены значения спектральной плотности ускорения на среднегеометрической частоте диапазона частот для всех измерений. По этим значениям рассчитаны среднеквадратичные значения ускорения и в последнем столбце приведены их отклонения, в процентах, от теоретического значения. Это отклонение может характеризовать качество воспроизведения гармонического возбуждения. Поскольку сравниваются только среднеквадратичные значения, никаких выводов о качестве воспроизведения формы синусоидального сигнала сделать нельзя.

Для получения информации о том, насколько существенно отклонение от периодичности в возбуждаемом гармоническом сигнале, для каждого 5-свкундного интервала сигнала вибрации была рассчитана функция автокорреляции. Примеры таких расчетов для двух разных уровней фонового случайного шума приведены на рисунке А.3.

1 - СПУ:0,01 /Гц; 2 - СПУ:0,005 /Гц

Рисунок А.3 - Автокорреляционная функция для смеси случайного шума с гармоническим сигналом на частоте 160 Гц

Таблица А.1 - Расчетная спектральная плотность ускорения на частоте гармонического сигнала в его смеси с широкополосным случайным сигналом

Система управления	/Гц	Частота, Гц	Среднеквадратичное значение ускорения, g n	Относительная погрешность, %
	0,005		3,56
			3,56
			3,56
	0,01		3,54
			3,57
			3,54
	0,05
			3,58
			3,56
	0,005		3,49
			3,52
			3,51
	0,01		3,49
			3,52
			3,53
	0,05		3,55
			3,53
			3,51
	0,005		3,51
			3,53
			3,54
	0,01
			3,54
			3,52
	0,05		3,52
			3,51
			3,58
			3,53
			3,54

После этого для каждого измерения были определены квадраты амплитуды для времени 5 T автокорреляционной функции, где Т - период гармонического сигнала. Эти значения указаны в таблице А.2. Отклонения, в процентах, от теоретического значения приведены в последнем столбце этой таблицы.

Таблица А.2 - Расчетная автокорреляционная функция А для смеси гармонического и широкополосного случайного сигналов

Система управления	СПУ широкополосной составляющей, /Гц	Частота, Гц	Т , с	А 2 (5Т),	Относительная погрешность, %
	0,005		0,05	12,45
			0,00624	12,71
			0,00264	12,65
	0,01		0,05	12,67
			0,00624	12,88
			0,00264	13,11
	0,05		0,05	13,37
			0,00624	11,98
			0,00264	13,23
	0,005		0,05	12,0
			0,00624	12,32
			0,00264	12,19
	0,01		0,05	11,97
			0,00624	12,85
			0,00264	12,3
	0,05		0,05	12,33
			0,00624	11,69
			0,00264	13,23
	0,005		0,05	12,14
			0,00624	12,3
			0,0028	12,33
	0,01		0,05	12,21
			0,00624	12,47
			0,0028	12,07
	0,05		0,05	12,01
			0,00624	13,63
			0,0028	10,71	14,3
Задающий гармонический сигнал (реальный)			0,05	12,37
			0,00624	12,48
			0,00277	12,49
			0,00262	12,49
Задающий гармонический сигнал (теоретический)			0,05	12,5
			0,00625	12,5
			0,00278	12,5
			0,00263	12,5

Такие расчеты применимы только в случае, когда возбуждение происходит на фиксированной частоте, точно совпадающей с одной из спектральных линий. Если такого совпадения нет, то наблюдается утечка мощности спектрального пика, которая может достигать 17% при попадании этой частоты точно посередине между спектральными линиями. Однако такая погрешность носит систематический характер и может быть компенсирована с помощью соответствующих алгоритмов.

А.5 Сочетание широкополосного сигнала с гармоническим сигналом с качанием частоты

Изложенное в разделе А.4 применимо и к вибрации данного вида, Более того, если частота гармонического сигнала изменяется, может появиться значительная дополнительная погрешность, в основном связанная с алгоритмом усреднения спектральной плотности ускорения, применение которого рассчитано только для чисто случайного сигнала. Такой алгоритм не позволяет оценить амплитуду гармонической составляющей изменяющейся частоты. Поэтому может потребоваться проведение анализа, при котором выделение гармонической составляющей представляло бы собой отдельный этап.

А.6 Сочетание широкополосного и узкополосного случайных сигналов с гармоническими сигналами на фиксированных и изменяющихся частотах

Такая форма возбуждения представляет собой самый сложный случай для анализа, поскольку дополнительную сложность придают не только возможные пересечения изменяющихся частот гармонических составляющих, но и пересечения узкополосных составляющих случайного сигнала.

Возбуждение данного вида рекомендуется применять только в случае крайней необходимости и только при участии опытных и квалифицированных специалистов. В противном случае достоверность и воспроизводимость результатов испытаний могут быть поставлены под сомнение.

Обеспечение воспроизводимости результатов испытаний является непростой задачей. Вследствие статистической природы случайного сигнала, сложного отклика образца и погрешностей анализа невозможно с уверенностью предсказать, будет ли истинная спектральная плотность ускорения, воздействующего на образец, совпадать с наблюдаемой спектральной плотностью ускорения в пределах установленных допусков. Для этого необходим комплексный и требующий больших затрат времени анализ, который невозможно выполнить в реальном масштабе времени.

Характеристики большинства цифровых систем управления, которые могут быть использованы для проведения испытаний с сочетанием вибрационных воздействий разных типов, схожи между собой. Варьируя несколько выбираемых параметров системы управления, можно получить оценки статистической точности воспроизводимого движения, характеризуемой разностью между истинной и наблюдаемой спектральными плотностями ускорения. Окончательный выбор должен позволить свести эту разность (без учета других источников погрешности) к минимуму.

Коррекция исходной спектральной плотности ускорения является рекуррентной процедурой, реализуемой с помощью цепи обратной связи системы управления. При этом эффективное время усреднения сигнала в данной процедуре зависит от нескольких факторов, таких как состав аппаратуры, передаточная функция системы в целом, форма задаваемой спектральной плотности ускорения, алгоритм управления и параметры испытаний, которые должны быть выбраны до проведения этих испытаний. В число указанных параметров испытаний входят максимальная частота анализа, разрешение по частоте и уровень отсечки задающего сигнала.

Алгоритм управления случайной вибрацией должен обеспечивать компромисс между точностью управления и эффективным временем усреднения сигнала (быстродействием работы цепи обратной связи). Высокая точность управления предполагает увеличение числа данных, используемых в рекуррентной процедуре, и, соответственно, уменьшение быстродействия работы цепи обратной связи, т.е. замедление реакции на изменения реальной спектральной плотности ускорения. На точность управления и быстродействие цепи обратной связи влияет также выбранное разрешение по частоте. Обычно увеличение разрешения по частоте приводит к повышению точности управления, но уменьшает быстродействие цепи обратной связи. Чтобы уменьшить расхождение между истинной и наблюдаемой спектральными плотностями ускорения, необходимо подобрать оптимальные значения вышеуказанных параметров.

Исследования частотной характеристики образца позволяют получить важную информацию о характере взаимодействия образца и вибростенда. Например, в ходе такого исследования может быть обнаружено чрезмерно большое усиление вибрации устройством крепления образца или совпадение резонансов образца и устройства крепления.

В настоящем приложении, в первую очередь, рассмотрены вопросы, относящиеся к случайной составляющей возбуждения. В отношении гармонической составляющей возбуждения (качания частоты, скорости качания, использования следящих фильтров) можно руководствоваться рекомендациями ГОСТ 30630.1.2 .

В.2 Требования к испытаниям

В.2.1 Одноточечное и многоточечное управление

В.2.1.1 Общие положения

Проверку соответствия требованиям испытаний проводят на основе значений контролируемого параметра, полученного в результате обработки сигнала в контрольной точке.

Для жестких или малогабаритных образцов, например компонентов оборудования, а также в том случае, если известно, что влияние образца, жестко закрепленного на вибростенде, на динамику системы в диапазоне частот испытаний невелико, достаточно выполнять измерения в одной проверочной точке, которая тем самым становится контрольной точкой.

В случае образцов больших размеров или сложной формы с далеко разнесенными точками крепления для управления используют одну из проверочных точек или воображаемую контрольную точку. В последнем случае спектральную плотность ускорения вычисляют по сигналам в нескольких проверочных точках. Для сложных или крупных образцов рекомендуется использовать управление по сигналу в воображаемой контрольной точке (см. ).

В.2.1.2 Одноточечное управление

Измерения проводят в одной контрольной точке, и значение контролируемого параметра на каждой частоте непосредственно сравнивают с заданным.

В.2.1.3 Многоточечное управление

В.2.1.3.1 Общие положения

При необходимости осуществления многоточечного управления выбирают одну из двух стратегий управления.

В.2.1.3.2 Управление по среднему значению

Данная стратегия управления предполагает вычисление контролируемого параметра на каждой частоте для каждой проверочной точки, после чего для вычисленных значений на каждой частоте находят арифметическое среднее по всем проверочным точкам.

Полученные средние арифметические значения сравнивают с заданными значениями контролируемого параметра на каждой частоте.

В.2.1.3.3 Управление по экстремальному значению

При выборе данной стратегии управления значения контролируемого параметра на каждой частоте определяют как экстремальное значение в совокупности данных параметров, полученных для сигналов во всех проверочных точках. Таким образом, значения контролируемого параметра, по которому осуществляют управление, представляют собой огибающую значений контролируемого параметра, полученных для всех проверочных точек.

В.2.2 Вероятностные характеристики

В.2.2.1 Распределение мгновенных значений

Распределение мгновенных значений χ задающего случайного сигнала должно удовлетворять нормальному закону, описываемому формулой

где р (χ) - плотность вероятности распределения мгновенного значения задающего сигнала;

σ - среднеквадратичное значение (стандартное отклонение) задающего сигнала.

Среднее значение случайного сигнала вибрации предполагают равным нулю.

Плотность вероятности распределения для совокупности случайных сигналов и сочетания узкополосного и широкополосного случайных сигналов показана на . Плотность вероятности распределения для сочетания гармонического и случайного сигналов показана на .

В.2.2.2 Пик-фактор

Пик-фактор характеризует распределение сигнала возбуждения как отношение максимального мгновенного значения сигнала к стандартному отклонению (см. также рисунок 2).

Данный параметр может быть использован только в отношении задающего сигнала, генерируемого на выходе цифровой системы управления испытаниями, поскольку нелинейности всей системы, включающей в себя усилитель мощности, вибростенд, устройство крепления и испытуемый образец, могут исказить форму сигнала в проверочной точке. Влияние данных нелинейностей в широком диапазоне частот устранить, как правило, невозможно.

В соответствии с настоящим стандартом значение пик-фактора должно быть не менее 2,5 (см. также ). Если для задающего сигнала, распределенного по нормальному закону, уровень отсечки равен 2,5 стандартных отклонений, то приблизительно 99% данного сигнала попадет на усилитель мощности без искажений.

Настоящий стандарт предполагает, что спектральная плотность ускорения имеет прямоугольную форму (плоскую вершину) и все частотные составляющие расположены в диапазоне между частотами f 1 и f 2 (см. ). Однако на практике возбуждаемый сигнал имеет спады спектральной плотности ускорения в областях низких и высоких частот. Чтобы среднеквадратичное значение оставалось как можно более близким к заданному, эти спады должны быть достаточно крутыми. Обычно крутизна спада в области низких частот равна 6 дБ/октава. Если значение спектральной плотности ускорения в точке f 1 велико, а возможности испытательной установки по допустимым значениям перемещения ограничены, это может потребовать увеличения крутизны спада в области низких частот. Расчеты перемещения для случайного сигнала приведены в В.2.4.

Как правило, динамический диапазон для двух соседних линий спектральной плотности ускорения при использовании цифровой системы управления испытаниями составляет 8 дБ. Для достижения большей крутизны спада может потребоваться увеличить разрешение по частоте (т.е. уменьшить значение В е ). Если это невыполнимо, а также в случае, когда увеличение крутизны спада не позволяет обеспечить снижение значений перемещения до допустимого уровня, следует рассмотреть возможность уменьшения нижней границы допуска для спектральной плотности ускорения на низких частотах.

В области высоких частот проблем с обеспечением крутизны спада не существует. На частотах выше f 2 крутизна спада должна составлять минус 24 дБ/октава и менее.

Среднеквадратичное значение ускорения, скорости или перемещения в эффективном диапазоне частот испытаний представляет собой квадратный корень из суммы средних квадратов значений этих величин в соответствующих поддиапазонах. Каждый из таких поддиапазонов определяется значением спектральной плотности ускорения для

Вышеприведенные формулы справедливы, если на графике спектральной плотности ускорения, где обе координаты даны в логарифмическом масштабе, форма спектральной плотности ускорения образована прямыми линиями. В этом случае спад М может быть определен по формуле

а пиковое значение (подстрочный индекс amp ) - по формуле

a amp , ММ = CFa r . m. s., R + a amp . S ,

где CF - пик-фактор, обычно принимаемый равным трем.

В.3 Процедура испытаний

Целью испытаний на виброустойчивость является демонстрация способности изделия выдерживать воздействие вибрации и нормально функционировать при определенном уровне вибрационного возбуждения. Такое испытание должно продолжаться только в течение времени, достаточного для демонстрации образцом указанных способностей в заданном диапазоне частот. Длительность испытаний на вибропрочность, когда определяют способность образца противостоять кумулятивным эффектам вибрационного воздействия, таким как накопление усталости или механической деформации, должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить необходимое число циклов изменений механического напряжения, даже если при этом длительность испытаний не будет соответствовать требованиям .

При испытаниях на воздействие вибрации оборудование, которое в обычных условиях эксплуатации устанавливают на виброизоляторах, испытывают, как правило, вместе с виброизоляторами. Если испытать оборудование с его собственными виброизоляторами невозможно, например, если это оборудование смонтировано вместе с другим оборудованием с помощью общего крепления, допускается проводить испытания без виброизоляторов, но при другой степени жесткости условий испытаний, которая должна быть определена в соответствующем нормативном документе. Степень жесткости условий испытаний корректируют с учетом передаточных свойств виброизолирующей системы по каждому из направлений возбуждения вибрации. Если характеристики виброизоляторов неизвестны, следует руководствоваться рекомендациями В.4.1.

Соответствующим нормативным документом может быть установлено требование проведения дополнительного испытания образца со снятыми или блокированными наружными виброизоляторами для демонстрации соответствия некоторым минимальным требованиям по вибропрочности. В этом случае в нормативном документе должна быть указана степень жесткости условий данного испытания.

В.4 Оборудование, предназначенное для использования вместе с виброизоляторами

В.4.1 Передаточные свойства виброизоляторов

Изделия, которые при эксплуатации устанавливают на виброизоляторы, могут быть испытаны без них, в частности, когда динамические характеристики виброизоляторов нестабильны (например, изменяются с изменением температуры). В этом случае степень жесткости условий испытаний должна быть понижена с учетом диапазона изменений коэффициента передачи виброизоляторов. При коррекции степени жесткости условий испытаний учитывают нижнюю границу диапазона для каждого из направлений воздействия вибрации.

Если данные о передаточных свойствах виброизоляторов отсутствуют, то степень жесткости условий испытаний должна быть предметом согласования между исполнителем и заказчиком.

В.4.2 Влияние температуры

В состав многих виброизоляторов входят материалы, свойства которых зависят от температуры. Если собственная резонансная частота образца на виброизоляторах попадает в диапазон частот испытаний, следует проявлять осторожность в определении времени выдержки, в течение которого к образцу будет приложено заданное возбуждение. В ряде случаев нецелесообразно подвергать образец длительному возбуждению и следует предусмотреть перерывы для его восстановления. Если известно реальное распределение времени возбуждения изделия на данной резонансной частоте в процессе эксплуатации, следует попытаться смоделировать его в процессе испытаний. Если же такое распределение неизвестно, то испытания следует проводить, ограничивая длительность периодов возбуждения, чтобы избегать чрезмерного нагрева образца.

B.5 Степень жесткости условий испытаний

Заданные диапазоны частот испытаний, спектральные плотности ускорения широкополосной и узкополосной вибрации, амплитуды гармонических сигналов должны быть выбраны с таким расчетом, чтобы охватить широкий диапазон условий практического применения изделия. Если изделие предполагается использовать в строго определенных условиях, степень жесткости условий испытаний целесообразно задавать исходя из реальных характеристик вибрационного воздействия в этих условиях (когда такие характеристики известны).

По возможности следует выбирать степень жесткости условий испытаний, соотносящуюся либо с воздействиями, которым изделие может быть подвергнуто в процессе транспортировки или эксплуатации, либо с конструктивными требованиями к изделию, если целью испытаний является оценка его прочностных свойств.

При определении степени жесткости условий испытаний следует оценить, есть ли необходимость назначать их «с запасом» по сравнению с воздействиями в реальных условиях применения.

В.6 Характеристики оборудования

Нормативным документом может быть предписано, чтобы образец функционировал в процессе либо всего испытания, либо его части так, как он обычно функционирует на практике.

Если вибрация может повлиять на выполнение операций включения и/или выключения, например создавая помехи работе реле, следует предусмотреть неоднократное выполнение этих операций в процессе испытаний, чтобы убедиться в надежности их выполнения.

Если единственной целью испытаний является проверка стойкости изделия к воздействию заданной вибрации, то функциональные возможности образца оценивают после завершения испытаний.

В.7 Начальные и заключительные измерения

Начальные и заключительные измерения проводят с целью оценить, как повлияло на образец воздействие вибрации, созданной в процессе испытаний.

Помимо визуального осмотра эти этапы могут предусматривать измерение электрических и механических характеристик.

Ключевые слова: вибрация, вибрационные испытания, вибропрочность, виброустойчивость, машины, приборы, измерения, частотная характеристика, степень жесткости условий испытаний, широкополосная случайная вибрация, узкополосная случайная вибрация, гармоническая вибрация

Спектральный анализ – это метод обработки сигналов, который позволяет выявить частотный состав сигнала. Известны методы обработки вибрационного сигнала: корреляционный, автокорреляционный, спектральной мощности, кепстральных характеристик, расчета эксцесса, огибающей. Наибольшее распространение получил спектральный анализ, как метод представления информации, из-за однозначной идентификации повреждений и понятных кинематических зависимостей между происходящими процессами и спектрами вибрации.

Наглядное представление о составе спектра дает графическое изображение вибрационного сигнала в виде спектрограмм. Выявление картины амплитуд, составляющих вибрации позволяет идентифицировать неисправности оборудования. Анализ спектрограмм виброускорения позволяет распознать повреждения на ранней стадии. Спектрограммы виброскорости используются при мониторинге развитых повреждений. Поиск повреждений проводится на заранее определенных частотах возможных повреждений. Для анализа вибрационного спектра, выделяются основные составляющие спектрального сигнала из следующего перечня.

1. Оборотная частота – частота вращения приводного вала механизма или частота рабочего процесса – первая гармоника. Гармоники – частоты кратные оборотной частоте (), превышающие оборотную частоту в целое число раз (2, 3, 4, 5, …). Часто гармоники называют супергармониками. Гармоники характеризуют неисправности: несоосность, изгиб вала, повреждения соединительной муфты, износ посадочных мест. Количество и амплитуда гармоник показывают степень повреждения механизма.

   Основные причины появления гармоник:

   • дисбаланс вибрация неуравновешенного ротора проявляется в виде синусоидальных колебаний с частотой вращения ротора, изменение частоты вращения приводит к изменению амплитуды колебаний в квадратичной зависимости;
   • изгиб вала, несоосность валов – определяются по повышенным амплитудам чётных гармоник 2-й или 4-й, проявляются в радиальном и осевом направлениях;
   • проворот подшипникового кольца на валу или в корпусе может привести к появлению нечётных гармоник – 3-й или 5-й.
2. Субгармоники – дробные части первой гармоники (1/2, 1/3, 1/4, …оборотной частоты вращения), их появление в спектре вибрации свидетельствует о наличии зазоров, повышенной податливости деталей и опор (). Иногда повышенная податливость, зазоры в узлах приводят к появлению полуторных гармоник 1½, 2½, 3½….оборотной частоты ().

   

   

3. Резонансные частоты – частоты собственных колебаний деталей механизма. Резонансные частоты остаются неизменными при изменении частоты вращения вала ().

   

4. Негармонические колебания – на данных частотах проявляются повреждения подшипников качения. В спектре колебаний появляются составляющие с частотой возможных повреждений подшипника ():
   • повреждения наружного кольца f нк = 0,5 × z × f вр × (1 – d × cos β / D) ;
   • повреждения внутреннего кольца f вк = 0,5 × z × f вр × (1 + d × cos β / D) ;
   • повреждения тел качения f тк = (D × f вр / d) × ;
   • повреждения сепаратора f с = 0,5 × f вр × (1 – d × cos β / D) ,

   где f вр – частота вращения вала; z число тел качения; d – диаметр тел качения; β – угол контакта (соприкосновения тел качения и беговой дорожки); D – диаметр окружности, проходящей через центры тел качения ().

   

   

   При значительном развитии повреждения появляются гармонические составляющие. Степень повреждения подшипника определяется числом гармоник определенного повреждения.

   Повреждения подшипников качения приводят к появлению большого количества составляющих в спектре виброускорения в районе собственных частот подшипников 2000…4000 Гц ().

   

5. Зубцовые частоты – частоты равные произведению частоты вращения вала на число элементов (число зубьев, число лопастей, число пальцев):

   f повр = z × f вр ,

   где z – число зубьев колеса либо число лопаток.

   Повреждения, проявляемые на зубцовой частоте, могут генерировать гармонические составляющие при дальнейшем развитии повреждения ().

   

6. Боковые полосы – модуляция процесса, появляются при развитии повреждений зубчатых колес, подшипников качения. Причин появления – изменение скорости при взаимодействии поврежденных поверхностей. Значение модуляции указывает на источник возбуждения колебаний. Анализ модуляций позволяет узнать происхождение и степень развития повреждения (рисунок 110).

   

7. Вибрация электрического происхождения обычно наблюдается на частоте 50 Гц, 100 Гц, 150 Гц и других гармониках (). Частота вибрация электромагнитного происхождения исчезает в спектре при отключении электрической энергии. Причина повреждения может быть связана с механическими повреждениями, например, ослаблением резьбовых соединений крепления статора к раме.

   

8. Шумовые составляющие , возникают при заеданиях, механических контактах или нестабильной частоте вращения. Характеризуются большим числом составляющих различной амплитуды ().

   

При наличии знаний о составляющих спектра появляется возможность различения их в частотном спектре и определения причин и следствий повреждения ().

(а)	(б)
(в)	(г)

а) спектрограмма виброскорости механизма, имеющего дисбаланс ротора и частоту первой гармоники 10 Гц; б) спектр виброскости подшипника качения с повреждениями наружного кольца – появление гармоник с частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу; в) спектрограмма виброускорения соответствующая повреждениям подшипников качения шпинделя вертикально-фрезерного станка – резонансные составляющие на частотах 7000…9500 Гц; г) спектрограмма виброускорения при схватывании второго рода, детали обрабатываемой на металлорежущем станке

Правила анализа спектральных составляющих

1. Большие число гармоник характеризует большие повреждения механизма.
2. Амплитуды гармоник должны уменьшаться с увеличением числа гармоники.
3. Амплитуды субгармоник должны быть меньше амплитуды первой гармоники.
4. Увеличение числа боковых полос свидетельствует о развитии повреждения.
5. Большее значение должна иметь амплитуда первой гармоники.
6. Глубина модуляции (отношение амплитуды гармоники к амплитуде боковых полос) определяет степень повреждения механизма.
7. Амплитуды составляющих виброскорости не должны превышать допустимых значений, принятых при анализе общего уровня вибрации. Одним из признаков наличия значительных повреждений является присутствие в спектре виброускорения составляющих со значениями свыше 9,8 м/с 2 .

Для эффективного мониторинга технического состояния необходим ежеме-сячный контроль спектрального анализа составляющих виброскорости. В истории развития повреждений существует несколько этапов:

(а)	(б)
(в)	(г)

а) хорошее состояние; б) начальная неуравновешенность; в) средний уровень повреждений; г) значительные повреждения

Одним из характерных повреждений механизма после длительной эксплуатации (10…15 лет) является непараллельность опорных поверхностей корпуса машины и фундамента, при этом вес машины распределяется на три или две опоры. Спектр виброскорости в этом случае содержит гармонические составляющие с амплитудой более 4,5 мм/с и полуторные гармоники. Повреждение приводит к повышенной податливости корпуса в одном из направлений и нестабильности фазового угла при балансировке. Поэтому, не параллельность опор корпуса машины и фундамента, ослабление резьбовых соединений, износ посадочных мест подшипников, повышенный осевой люфт подшипников перед балансировкой ротора необходимо устранить.

Варианты появления и развития полуторных гармоник представлены на рисунке 115. Малая амплитуда полуторной гармоники характерна для ранней стадии развития данного повреждения ( а). Дальнейшее развитие может проходить двумя путями:

Необходимость ремонта возникает в том случае, если амплитуда полуторной гармоники превышает амплитуду оборотной частоты ( г).

(а)	(б)
(в)	(г)

а) ранняя стадия развития повреждения – малая амплитуда полуторной гармоники; б) развитие повреждения – увеличение амплитуды полуторной гармоники; в) развитие повреждения – появление гармоник 1¼, 1½, 1¾ и др.;
г) необходимость ремонта – амплитуда полуторной гармоники превышает
амплитуду оборотной частоты

Для подшипников качения также можно выделить характерные спектрограммы виброускорения, связанные с различной степенью повреждения (рисунок 116). Исправное состояние характеризуется наличием незначительных по амплитуде составляющих в низкочастотной области исследуемого спектра 10…4000 Гц ( а). Начальная стадия повреждений имеет несколько составляющих с амплитудой 3,0…6,0 м/с 2 в средней части спектра ( б). Средний уровень повреждений связан с образованием «энергетического горба» в диапазоне 2…4 кГц с пиковыми значениями 5,0…7,0 м/с 2 ( в). Значительные повреждения приводят к увеличению амплитудных значений составляющих «энергетического горба» свыше 10 м/с 2 ( г). Замену подшипника следует проводить после начала снижения значений пиковых составляющих. При этом меняется характер трения – в подшипнике качения появляется трение скольжения, тела качения начинают проскальзывать относительно беговой дорожки.

(а)	(б)
(в)	(г)

а) хорошее состояние; б) начальная стадия; в) средний уровень повреждений;
г) значительные повреждения

Анализ огибающей

Работа подшипников качения характеризуется постоянным генерированием шума и вибрации в широкополосном частотном диапазоне. Новые подшипники генерируют слабый шум и практически незаметные механические колебания. По мере износа подшипника в вибрационных процессах начинают проявляться так называемые подшипниковые тоны, амплитуда которых растет по мере развития дефектов. В итоге вибрационный сигнал, генерируемый дефектным подшипником, можно представить, с некоторым приближением, как случайный амплитудно-модулированный процесс ().

Форма огибающей и глубина модуляции являются весьма чувствительными показателями технического состояния подшипника качения и поэтому положены в основу анализа. В качестве меры технического состояния в некоторых программах используется коэффициент амплитудной модуляции:

K m = (U p,max – U p,min) / (U p,max + U p,min) .

В начале развития дефектов на «шумовом фоне» начинают появляться под-шипниковые тоны, которые возрастают по мере развития дефектов приблизительно на 20 дБ относительно уровня «шумового фона». На более поздних стадиях развития дефекта, когда он принимает серьезный характер, уровень шумов начинает возрастать и достигает при недопустимом техническом состоянии величины подшипниковых тонов.

Высокочастотная, шумовая часть сигнала меняет свою амплитуду во времени модулируется низкочастотным сигналом. В этом модулирующем сигнале содержится и информация о состоянии подшипника. Наилучшие результаты этот метод даёт в том случае, если анализировать модуляцию не широкополосного сигнала, а предварительно осуществить полосовую фильтрацию вибросигнала в диапазоне примерно 6…18 кГц и анализировать модуляцию этого сигнала. Для этого отфильтрованный сигнал детектируется выделяется модулирующий сигнал, который подаётся на узкополосный спектроанализатор где формируется спектр огибающей.

Небольшие дефекты подшипника не в состоянии вызвать заметные вибрации в области низких и средних частот, генерируемых подшипником. В тоже время для модуляции высокочастотных вибрационных шумов энергии возникающих ударов оказывается вполне достаточно метод обладает очень высокой чувствительностью.

Спектр огибающей имеет всегда очень характерный вид. При отсутствии дефектов он представляет собой почти горизонтальную, слегка волнистую линию. При появлении дефектов, над уровнем этой достаточно гладкой линии сплошного фона начинают возвышаться дискретные составляющие, частоты которых просчитываются по кинематике и оборотам подшипника. Частотный состав спектра огибающей позволяет идентифицировать наличие дефектов, а превышение соответствующих составляющих над фоном однозначно характеризует глубину каждого дефекта.

При диагностике подшипника качения по огибающей удается идентифицировать отдельные неисправности. Частоты спектра огибающей вибрации, на которых обнаруживаются неисправности, совпадают с частотами спектров вибрации. При измерении с использованием огибающей необходимо вводить в прибор величину несущей частоты и проводить фильтрацию сигнала (ширина пропускания не более 1/3 октавы).

Вопросы для самостоятельного контроля

1. Для каких целей диагностирования используется спектральный анализ?
2. Как определить оборотную частоту и гармоники?
3. В каких случаях в спектре вибрации появляются субгармоники?
4. Каким свойством обладают резонансные частоты?
5. На каких частотах проявляются повреждения подшипников качения?
6. Какие признаки соответствуют повреждениям зубчатых передач?
7. Что такое модуляция вибрационного сигнала?
8. Какие признаки выделяют вибрации электрического происхождения?
9. Как меняется характер спектральных картин при развитии повреждения?
10. В каких случаях используется анализ огибающей?

При испытаниях на воздействие вибрации наибольшее распространение получили следующие методы проведения испытаний:

Метод фиксированной частоты синусоидальной вибрации;

Метод качающейся частоты;

Метод широкополосной случайной вибрации;

Метод узкополосной случайной вибрации.

Иногда в лабораторных условиях проводят испытания на воздействия реальной вибрации.

Испытания методом фиксированных частот синусоидальной вибрации проводят путем установки заданных значений параметров вибрации на фиксированной частоте. Испытания могут осуществляться:

На одной фиксированной частоте;

На ряде частот механического резонанса;

На ряде частот, заданных в рабочем диапазоне.

Испытания на одной фиксированной частоте f(i) в течение заданного времени t п с определенной амплитудой ускорения (перемещения) малоэффективны. Т.к. вероятность того, что изделие в процессе эксплуатации или транспортировки подвергается воздействию вибрации на одной частоте, очень мала. Данный вид испытаний проводится в процессе производства для выявления некачественных паянных и резьбовых соединений, а также других дефектов производства.

Испытания методом фиксированных частот на частотах механического резонанса. Испытуемые изделия требуют предварительного определения этих частот. Испытуемое изделие последовательно подвергают воздействию вибрации на частотах резонанса, выдерживая его в каждом режиме в течение некоторого времени. Достоинством этого метода является то, что испытания проводятся на частотах, наиболее опасных для испытуемого ЭС. Недостатком является сложность автоматизации процесса испытаний, поскольку в процессе испытаний резонансные частоты могут несколько изменяться.

Испытания на ряде заданных в рабочем диапазоне частот целесообразно проводить для снятия характеристик изделия по точкам диапазона частот эксплуатации. Теоретически интервал между двумя соседними частотами выбирается не больше ширины резонансной характеристики конструктивного элемента. Это делается для того, чтобы не пропустить возможное возникновение резонанса. В случае обнаружения резонансных частот или частот, на которых наблюдается ухудшение контролируемых параметров изделия, рекомендуется дополнительная выдержка на этой частоте для уточнения и выявления причин несоответствия.

Испытания методом качающейся частоты осуществляются непрерывным изменением частоты вибрации в сторону ее увеличения, а затем уменьшения. Основными параметрами, характеризующими метод качающейся частоты, являются:

Время одного цикла качания Т ц;

Скорость качания n к;

Продолжительность испытаний Т п.

Важным показателем метода качающейся частоты является скорость качания частоты. Исходя из того, что диапазон высоких частот вибрации (1000…5000 Гц) значительно шире диапазона низких частот вибрации (20…1000 Гц), следует, что при качании частоты с постоянной скоростью в пределах рабочего диапазона область низких частот будет проходить за меньшее время, чем высокочастотная область. В результате обнаружение резонансов в низких частотах будет затруднено. Поэтому обычно изменение частоты в пределах диапазона рабочих частот осуществляется по экспоненциальному закону.

f в =f 1 ×e kt , (3)

где f в – частота вибрации в момент времени t, Гц; f 1 – нижняя частота рабочего диапазона, Гц; k– показатель степени, характеризующий скорость качания.

При выборе большой скорости качания оценка свойств испытуемого ЭС будет проводиться с большими погрешностями, т.к. амплитуда резонансных колебаний изделия достигнет меньших значений, чем при малой скорости, а также возможны пропуски (необнаружения) резонансов. При выборе малой скорости качания длительное прохождение диапазона рабочих частот может вызвать повреждение испытуемого изделия на резонансных частотах и увеличение длительности испытаний. Скорость изменения частоты должна быть такой, чтобы время изменения частоты в резонансной полосе частот t D f было не меньше времени нарастания амплитуды вибрации изделия при резонансе до установившегося значения t нар и времени окончательного установления подвижной части измерительного или регистрирующего прибора t y . Т.е. скорость изменения частоты будет ограничена следующими условиями:

t D f > t нар, (4)

t D f > t y .

Время нарастания амплитуды вибрации при резонансе до установившегося значения может быть приближенно рассчитано по формуле:

t нар =k 1 ×Q/f 0 , (5)

где f 0 – резонансная частота, Гц; Q - добротность изделия; k 1 – коэффициент, учитывающий увеличение времени нарастания амплитуды до установившегося значения в результате отклонения изменений амплитуды от линейного закона.

С учетом всего вышесказанного скорость изменения частоты считают по формуле:

n к =2000×lg(2×Q+1/2×Q)/t D f , (6)

где t D f - выбирают в соответствии с условиями (4). Если найденная по формуле скорость изменения частоты превышает 2 октавы/с, то ее принимают все равно 2 октавы/с – это предельно максимальная скорость изменения частоты.

Испытания методом широкополосной случайной вибрации. В этом случае реализуется одновременное возбуждение всех резонансов испытуемого изделия, что позволяет выявить их совместное влияние. Ужесточение условий испытаний за счет одновременного возбуждения резонансных частот сокращает время проведения испытаний, по сравнению с методом качающейся частоты.

Степень жесткости испытаний методом широкополосной случайной вибрации определяется сочетанием следующих параметров:

Диапазоном частот;

Спектральной плотностью ускорения;

Продолжительностью испытания.

Степени жестокости приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

К достоинствам этого метода можно отнести:

Близость к механическим воздействиям при реальной эксплуатации;

Возможность выявления всех эффектов механического воздействия различных элементов конструкции;

Наименьшую продолжительность проведения испытаний.

К недостаткам относится высокая стоимость и сложность испытуемого оборудования.

Испытания методом узкополосной случайной вибрации. Этот метод еще называется методом случайной вибрации со сканированием полосы частот. Случайная вибрация в этом случае возбуждается в узкой полосе частот, центральная частота которой по экспоненциальному закону медленно сканирует по диапазону частот в процессе испытания.

В этом методе реализовано компромиссное решение методов испытаний широкополосным сигналом и синусоидальным сигналом с качающейся частотой.

Для обеспечения эквивалентности испытания методом воздействия случайной вибрации со сканированием полосы частот и испытанием на воздействие широкополосной случайной вибрации необходимо выполнение следующего условия:

g=s/(2×pi×f) 1/2 =const, (7)

где g – градиент ускорений, g×с 1/2 ; s – среднеквадратичное ускорение вибрации в узкой полосе частот, измеренное в контрольной точке, g; f – центральная частота полосы.

Степень жесткости испытаний в этом случае определяется сочетанием следующих параметров:

Диапазона частот;

Ширины сканирующей полосы частот;

Градиента ускорений;

Длительности испытаний.

Значение градиента ускорений находят по формуле:

g=0.22×S(f) 1/2 , (8)

где S(f) – спектральная плотность ускорения вибрации при испытании методом широкополосной случайной вибрации.

Похожая информация.

Исследования реальных вибраций различных ЛЛ показали, что вибраций являются случайными функциями времени. Их статистические характеристики определяются в результате обработки записей реальной вибрации. Целью испытаний является воспроизведение на вибростенде вибрации с заданными статистическими характеристиками в контрольных точках испытуемого объекта. Поскольку в качестве заданных статистических характеристик используются результаты обработки натурной вибрации, испытания случайной вибрацией наиболее точно воспроизводят реальное вибрационное состояние испытуемого изделия.

При организации испытания случайной вибрацией принимают две гипотезы:

1) о нормальности закона распределения случайных вибраций;

2) о локальной стационарности случайных вибраций.

Обоснование первой гипотезы заключается в том, что вибрационное состояние изделия можно рассматривать как суперпозицию различных случайных процессов, порождаемых статистически независимыми источниками. Следует учесть также, что если вибродатчик расположен в таком месте конструкции, где проявляются ее фильтруй щие свойства, то закон распределения выходного сигнала этого датчика приближается к нормальному.

Вторая гипотеза предполагает, что статистические характеристику вибрации изменяются достаточно медленно во времени. Это позволяет считать, что некоторые усредненные характеристики, вычисленные в определенном временном интервале, дают адекватное описание вибрационного состояния на этом отрезке времени.

Свойства вибрации как стационарного централизованного нормального процесса полностью определяются в общем случае ковариационной матрицей или ее преобразованием Фурье - матрицей спектральных плотностей. В частотном (скалярном) случае процесс характеризуется корреляционной функцией или спектральной плотностью. Поскольку испытуемые конструкции являются многорезонансными динамическими системами с ярко выраженными частотно-избирательными свойствами, спектральные характеристики (собственные и взаимные спектры) наиболее наглядны и имеют определяющее значение для инженера-испытателя. Режим испытаний случайной вибрацией определяется спектральной плотностью виброускорения, контролируемого в одной точке и в одном направлении, или матрицей спектральных плотностей при анализе векторной вибрации.

Вибрационные испытания в широкой полосе охватывают обычно частотный диапазон в одну-две декады. Случайная узкополосная вибрация возбуждается и исследуется в полосе единиц или десятков герц.

Испытание широкополосной случайной вибрацией. Широкополосные случайные процессы с заданным энергетическим спектром получили широкое распространение в качестве физических моделей реальных вибропроцессов. Описание моделей реальных вибропроцессов в рамках корреляционной теории позволяет характеризовать эквивалентность воспроизводимых и реальных вибраций степенью близости их энергетических спектров. При этом тракт воспроизведения вибрации вибро испытательно го комплекса должен обеспечивать воспроизведение в контролируемой точке или в совокупности контролируемых точек исследуемого объекта механических колебаний с требуемым энергетическим спектром.

Этот метод испытаний предусматривает одновременное возбуждение всех резонансных частот объекта. Схема установки для испытания широкополосной случайной вибрацией приведена на рис. 2.24.

Правильному воспроизведению вибрации препятствует искажающее влияние средства возбуждения вибрации. Поэтому перед испытаниями необходимо скорректировать или выровнять амплитудно-; частотную характеристику вибростенда. При испытаниях в контрольных точках изделия возбуждаются стационарные случайные вибрации. Их числовые характеристики должны быть близки к заданным, которые определяют по результатам натурных испытаний.

Метод испытания широкополосной случайной вибрацией позволяет воспроизвести те числовые вибрационные характеристики условий эксплуатации, которые влияют на надежность испытуемого изделия. За критерий подобия принята спектральная плотность вибрационных ускорений, так как вероятность выхода изделия из строя или нарушения режима его работы возрастает с повышением уровня спектральной плотности вибрации.

Программу испытаний задают в виде графика зависимости спектральной плотности от полос частоты, в которых проводили эти измерения. Эта программа воспроизводится вибростендом в контрольной точке изделия с помощью формирователей энергетического спектра, которые в общем случае представляют собой источник широкополосного случайного сигнала или белого шума и набор регулируемых полосовых фильтров.

Испытание узкополосной случайной вибрацией. Режим меняющейся узкополосной случайной вибрации является промежуточным между режимом широкополосной случайной вибрации и режимом с изменяющимся синусоидальным сигналом. Метод основан на замене возбуждения широкополосной плотности малого ускорения возбуждением узкополосной плотности большого ускорения, медленно изменяющейся на некотором участке частотного диапазона.

При правильной регулировке метод обеспечивает то же число наиболее важных ускорений на заданном уровне, что и метод широкополосной вибрации. Для воспроизведения условий резонанса и нагружения испытуемого образца узкополосная вибрация должна обладать теми же характеристиками, что и широкополосная. Необходимо также, чтобы число изменений знака ускорения для любого увеличения уровня напряжения было тем же.

Этот метод имеет следующие преимущества:

1) возможность получения значительных уровней нагрузки с помощью менее мощного оборудования;

2) возможность применения более простой аппаратуры управления а, следовательно, использования менее квалифицированного персонала.

Основными задачами являются определение закона изменения средней частоты во времени и закона изменения вибрации в зависимости от частоты. При определении этих законов основываются на эквивалентности испытаний узко- и широкополосной случайной вибрацией. Такая эквивалентность, например, установлена при испытаниях на усталостную прочность, при которых требуется идентичность распределения максимумов и минимумов нагрузки при узко- и широкополосной вибрации. Идентичность имеет место в том случае, когда средняя частота f изменяется по логарифмическому закону, а среднеквадратичное значение виброускорения пропорционально квадратному корню частоты . Для удобства назначения режима испытаний вводят параметр γ, который называется градиентом ускорения:

где σ y - среднеквадратичное значение виброперегрузки (по ускорению в единицах g = 9,81 м×с 2) при узкополосном возбуждении. Если σ y должно быть пропорционально , то градиент ускорения при испытаниях на узкополосную вибрацию - постоянная величина.

Время испытаний при логарифмическом изменении частоты определяется как

где f y и f m - время проведения испытаний при узко- и широполос-ной вибрации; р - масштабный коэффициент; f в и f и - соответственно высшая и низшая частоты диапазона, в котором производится сканирование. Для воспроизведения условий широкополосной вибрации с равномерной спектральной плотностью S 0 в полосе частот f в и F н (рис. 2.25) градиент ускорения вычисляется по формуле

где к ср - средний коэффициент передачи вибросистемы;

H 0 (p) - ee передаточная функция.

Из выражений (2.52) и (2.53) видно, что режим испытания узкополосной вибрацией определяется коэффициентами р и q. Коэффициент q может изменяться от 1.14 (при простых испытаниях) до 3,3 (при ускоренных испытаниях).

Коэффициент р изменяется соответственно в пределах 0,65 - 0,025.

На рис. 2.25,а показаны спектральные плотности узкополосных и широкополосных вибраций. Наклон штриховой линии (tgα), определяющий скорость нарастания спектральной плотности при изменении средней частоты f, равен квадрату градиента ускорения.

Важной особенностью таких испытаний является возможность автоматического регулирования уровня вибрационных нагрузок (рис. 2.25,6).

Узкополосный случайный процесс с переменной по времени центральной частотой / получается с помощью генератора белого шума и сопровождающего фильтра, центральная частота которого изменяется приводом сканирования частоты (ПСЧ). Скорость вращения ПСЧ регулируется в широких пределах. Среднеквадратичное значение узкополосных вибраций на выходе вибросистемы стабилизируется с помощь*» системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Сигнал обратно! связи АРУ поступает с выхода виброметрической аппаратуры (ВА).

Приращению среднеквадратичного значения сигнала, пропорции нальному соответствует в логарифмическом масштабе наклон 3 дБ на октаву. Поэтому на выходе ВА (перед входом АРУ) включается фильтр, имеющий затухание 3 дБ на октаву. Это и обеспечивает постоянство градиента ускорения при сканировании средней частоты.