Виброакустическая диагностика



Работа всех машин и механизмов, имеющих движущиеся части, сопровождается вибрацией и шумом. Причинами виброакустиче-ских колебаний являются соударения в кинематических парах, неуравновешенность перемещающихся деталей, гидромеханические процессы и др. Например, вибрация корпуса форсунки в процессе впрыска топлива вызывается колебаниями поднимающейся иглы и ее ударом во время посадки после окончания впрыска.

Самым мощным в ДВС является шум выпуска, возникающий в результате выхода с большой скоростью отработавших газов через изменяемое во времени проходное сечение выпускного клапана. Мощность шума выпуска в значительной мере зависит от избыточного давления в цилиндре и температуры газов, которые возрастают с увеличением нагрузки на двигатель.

Работа аксиально-поршневых насосов сопровождается вибрацией корпуса и акустическим шумом, а также пульсацией давления рабочей жидкости в напорной магистрали. Причины этих явлений могут быть механического и гидромеханического характера.

Одна из причин механических шумов - наличие суммарного зазора поршень - шатун - вал, который в значительной мере определяет техническое состояние насоса.

Причиной гидродинамических шумов в основном является резкий перепад давлений при переходе рабочей жидкости из всасывающей полости насоса в нагнетающую, т. е. часть гидравлической мощности, развиваемой при этом насосом, идет на создание вибрации и шума. Шум и вибрацию механизмов давно используют при оценке их технического состояния. Опытные механики могут определить неисправность на слух. Использование же достижений современной науки позволяет проводить более точный и объективный анализ виброакустических сигналов, которые используются в качестве косвенных диагностических параметров.

Для измерения вибрации применяют специальные вибродатчики, а для измерения шума - микрофоны. Обрабатывают полученные электрические сигналы при помощи виброизмерительной аппаратуры. При диагностировании результаты измерения вибрации и шума представляют, как правило, в графическом виде на экране электронно-лучевых осциллографов.

При измерениях датчик воспринимает не только сигнал, несущий полезную информацию, но и посторонние сигналы, вызванные высокой виброактивностью работающих агрегатов, что обуславливает необходимость применения более сложной, чем простое усиление, обработки сигнала. Для выделения полезной информации из сложного виброакустического сигнала применяют различные методы: выбор определенного места установки датчика, фильтрацию сигнала и др. Применение для регистрации сигнала электронно-лучевого осциллографа позволяет выделить полезный сигнал при помощи временной селекции. Соударения различных деталей в механизмах происходят в строго определенные моменты времени или, если речь идет о вращательном движении, в определенные угловые промежутки фазового состояния механизма. Включая регистрирующую аппаратуру только в моменты возникновения полезного сигнала, можно значительно уменьшить количество мешающих сигналов, для чего горизонтальная развертка луча на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) должна работать в ждущем режиме. В этом случае движение луча на экране ЭЛТ, а значит, и регистрация процесса начнутся только после прихода внешнего синхроимпульса, для получения которого используют механические и электронные фазоизбирательные устройства (фазоизби-ратели).

Механический фазоизбиратель устанавливают на машину так, чтобы валик фазоизбирателя вращался синхронно с валом машины. Тогда происходящие при вращении валика замыкания и размыкания контактов вызывают возникновение импульсов, синхронных вращению вала машины. Поворачивая корпус фазоизбирателя, выбирают момент возникновения синхроимпульсов.

Для работы электронных фазоизбирательных устройств (ЭФУ) не требуется наличия механической связи с вращающимися частями машин, что значительно расширяет область их применения. Принцип действия ЭФУ основан на фиксации момента подачи синхроимпульса посредством подсчета угловых отметок за определенный угол поворота вала машины.

При диагностировании ДВС в качестве угловых отметок могут использоваться импульсы, возникающие в индуктивном датчике, расположенном над зубьями венца маховика. Для подсчета угловых отметок применяют электронные счетчики с переменным коэффициентом пересчета (деления) К. При поступлении на вход такого счетчика числа угловых отметок, равного К, на выходе счетчика появляется импульс, запускающий развертку осциллографа. Если К равно числу зубьев на венце маховика Z, развертка будет запускаться после каждого оборота ДВС. Для того, чтобы развертка запускалась один раз в течение полного рабочего цикла ДВС, коэффициент деления определяют по формуле К= Zt/2, где х - число тактов за полный цикл работы ДВС.

При исследовании вибрации агрегатов, связанных с валом ДВС через редуктор (например, гидронасоса), K=Z/i, где i - передаточное число редуктора.

При использовании ЭФУ начальная фаза включения развертки осциллографа определяется случайным образом. Поиск заданной фазы работы механизма осуществляется посредством увеличения или уменьшения значения К относительно расчетного. При этом осциллограмма на экране ЭЛТ смещается соответственно влево или вправо. Заданная фаза работы механизма определяется подсчетом угловых отметок между опорной отметкой и началом осциллограммы, регистрируемой на экране ЭЛТ в данный момент времени, для чего угловые и опорная отметки выводятся на второй луч ЭЛТ. Рабочая фаза ДВС (град.) относительно отметки ВМТ первого цилиндра ф = 360Z,/Z, где Z,- число отметок зубьев, отсчитанных на экране относительно ВМТ.

В настоящее время специальное оборудование для виброакус-тической диагностики серийно не выпускается, однако используются виброакустические приборы общего назначения: шумомеры, измерители вибрации и т.д. На рис. приведена схема измерений, примененная в МАДИ для виброакустической диагностики дизеля. Для регистрации сигналов в ней используется двухлучевой осциллограф, на экран которого выводятся сигналы от виброакус-тического датчика, датчика угловых отметок и ВМТ. Ждущая развертка осциллографа запускается в заданный момент с помощью ЭФУ. Предварительная обработка виброакустического сигнала производится с помощью шумомера.

Рис. Схема измерений виброакустических сигналов: 1 - датчик виброакустических сигналов; 2 - датчик ВМТ; 3 - датчик угловых отметок; 4-элекгронное фазоизбирательное устройство; 5 - двухлучевой осциллограф; 6 - шумомер

Рис. Осциллограмма вибрации корпуса форсунки во время впрыска топлива: 1 - начало впрыска; 2 - конец впрыска; 3 - угловые отметки; 4 - отметка ВМТ

На рис. 9.38 показана осциллограмма вибрации корпуса форсунки во время впрыска. В этом случае сигнал от датчика виброускорений, установленного на корпусе форсунки, подавался на нижний луч экрана, а сигналы угловых отметок и ВМТ выводились на верхний луч. Угол опережения впрыска топлива определяется подсчетом угловых отметок между точкой начала впрыска / и отметкой ВМТ 4. Для определения продолжительности впрыска определяют угол поворота коленчатого вала между точками 7 и 2, в течение которого на осциллограмме отображаются колебания поднятой иглы форсунки. Применяя эту схему для диагностики топливной системы дизеля в эксплуатационных условиях, можно определять угол опережения впрыска и неравномерность подачи топлива секциями ТНВД.

На рис. показаны осциллограммы шума выхлопа четырехцилиндрового дизеля. В качестве датчика в этом случае был применен микрофон, установленный сбоку от выхлопной трубы. Сравнение амплитуд звуковых импульсов от различных цилиндров позволяет определить неработающий цилиндр и неравномерность распределения мощности по цилиндрам.

Рис. Осциллограммы шума выхлопа четырехцилиндрового ДВС при всех (а) и трех (б) работающих цилиндрах

Перспективой развития виброакустической диагностики является применение современных аналого-цифровых преобразователей для ввода сигналов от датчиков в ПЭВМ, что позволит обрабатывать вибросигналы при помощи специальных программ.