Трехкоординатный преобразователь виброперемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение достоверности контроля элементов опоры вращающихся объектов. Это достигается путем исключения погрешности, связанной с влиянием собственных резонансных колебаний, на точность преобразования. Корпус устройства крепится к исследуемому объекту, при работе которого возникают измеряемые виброперемещения. Вместе с корпусом перемещаются закрепленные в нем цилиндрические стаканы 2 с чувствительными элементами 5. При этом инерционные 3 и опорные 6 элементы остаются неподвижными. В результате изменяется величина рабочего зазора δ между чувствительными 5 и опорными 6 элементами. Изменения рабочего зазора δ преобразуются в сигналы, несущие информацию о виброперемещении исследуемого объекта по каждой из трех взаимно перпендикулярных составляющих. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (51)S G 01 М 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

rI0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4479622/25-28 (22) 06.09.88 (46) 30.08.90. Бюл. У 32 (71) Харьковский филиал Пентрального конструкторского бюро Союзэнергоремонта (72) В.А. Кричковский, В.А. Егорова, В,И. Цыбулько, Л.Д. Метелев, M,Ô. Квашни и А.Ф. Росликов (53) 531.768(088.8) (56) Патент США У 3713343, кл. G 01 Р 15/08. 1973.

Авторское свидетельство СССР

9 847064, кл. G Ol Н 5/00, G 0I М 7/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР

У 1249343, кл. G 01 Н 9/00, 1986 (54) ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ВИБР ОПЕ РЕМЕЩЕ НИЙ (57) Изобретение относится к измеритетьной технике. Цель изобретения

2 повышение достоверности контроля элементов опоры вращающихся объектов.

Это достигается путем исключения погрешности, связанной с влиянием собственных резонансных колебаний, на точность преобразования. Корпус устройства крепится к исследуемому объекту, при работе которого возникают измеряемые виброперемещения. Вместе с корпусом перемещаются закрепленные в нем цилиндрические стаканы 2 с чув" ствительными элементами 5. При этом инерционные 3 и опорные 6 элементы остаются неподвижными. В результате изменяется величина рабочего зазора а между чувствительными 5 и опорными

- 6 элементами. Изменения рабочего зае зора 8 преобразуются в сигналы, несущие информацию о виброперемещении исследуемого объекта по каждой as трех взаимно перпендикулярных составляющих. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1589096

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования в электрический сигнал пространственной вибрации элементов опоры вращающихся объектов, Целью изобретения является повышение достоверности контроля вибросостояния элементов опоры вращаю- 10 шихся объектов путем повышения точности прсобразования.

Поставленная цель достигается исключением влияния погрешности, связанной с собственными резонансными 15 колебаниями.

На фиг. ) изображен предлагаемый преобразователь, общий вид; на фиг. 2 - система прсобразования, продольный разрез; на фиг. 3 - разрез 2()

А-А на Фиг. 2; на фиг. 4 — вектор" ная диаграмма сил, действующих на инерционный элемент, расположенный под углом к основанию корпуса преобразователя; на фиг. 5 — пример шарнир- 25 ного крепления конца пружины узла .компенсации на оси инерционного элемента, на фиг, 6 — сечение Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 — пример исполнения предлагаемого преобразователя, об- 30 щий вид; на фиг,8 — цилиндрический стакан., Трехкоординатный преобразователь виброперемещений содержит герметичный корпус 1, три цилиндрических стакана .2,,инерционную массу, выполненную в виде трех независимых инерционных элементов 3, упругую систему подвеса, представленную в виде трех независимых комплектов упругих элементов 4, три взаимодействующие пары, каждая 40 из которых включает чувствительный элемент 5 и опорный элемент 6. Упругая система подвеса дополнительно снабжена узлом 7 компенсации продольной составляющей веса одного из 45 инерционных элементов. 3. Полость корпуса I заполнена жидкостным демпфером 8, в качестве которого может быть использована демпфирующая жидкость с малым коэффициентом расширения, например .

Цилиндрические стаканы 2 закреплены внутри корпуса 1 вдоль трех взаимно перпендикулярных осей Х,Y,Z

Например„ один стакан 2 расположен параллельно вертикальной оси корпуса 1, а два других — параллельно оси основанию под углом 90 друг к другу о (фиг. 1) .

Каждый независимый инерционный элемент 3 выполнен, например, в виде свинцового цилиндра, котогый закреплен на оси 9.

Каждый независимый комплект упругой системы подвеса может быть вы" полнен в виде двух упругих элементов

4, например дисковых пружин, обладающих меньшей жесткостью вдоль собственной продольной оси, которые закреплены внутри соответствующего цилиндрического стакана 2, Каждый независимый инерционный элемент 3 соосно установлен внутри соответствующего цилиндрического стакана 2 на упругих элементах 4 с возможностью перемещения только вдоль собственной продольной оси, совпадающей с направлением меньшей жесткости элементов 4.

Для того, чтобы исключить возможность поперечных колебаний инерционного элемента 3, отношение расстояния между точками крепления упругих элементов 4 к их диаметру выбрано в пределах 2: l-) 0:1.

Для того, чтобы исключить возможность разрушения полученных колебательных .систем в результате резких толчков, например при транспортировке, внутри каждого стакана 2 установлено по два кольца 10, ограничивающих ход инерционного элемента 3 в прямом и обратном направлениях.

Каждый чувствительный элемент 5 может быть выполнен, например, в виде катушки индуктивности однокоординатного преобразователя вихретокового типа и подключен к соответствующей независимой резонансной измерительной схеме автогенератора (не показано).

При этом торцовая поверхность указанной катушки индуктивности является рабочей поверхностью чувствительного элемента 5.

Каждый чувствительный элемент 5 (катушка индуктивности) может быть соосно закреплен на торце соответствующего цилиндрического стакана 2 или непосредственно на корпусе 1 (не показано).

Каждый опорный элемент 6 может быть выполнен в виде перфорированного диска из материала, обладающего высокой жесткостью и стабильностью

Физических характеристик. При использовании однокоординатных преобразователей вихретокового типа указанные

15890 диски должны быть изготовлены из токопроводящего материала.

Каждый опорный элемент 6 соосно закреплен на торце оси 9 соответствующего инерционного элемента 3. При

5 этом его поверхность, обращенная к чувствительному элементу 5, является рабочей поверхностью опорного элемен" та 6.

Таким образом, чувствительный элемент 5 и опорный элемент 6 каждой взаимодействующей пары установлены соосно вдоль одной из трех взаимно перпендикулярных осей. При этом рабочие поверхности элементов 5 и 6 расположены параллельно друг другу и нормально к соответствующей оси, образуя рабочий зазор g,.

Величина рабочего зазора 3 выби- 20 рается в рабочей зоне характеристики конкретного однокоординатного преобразователя. Например, для вихретоковых преобразователей, разработанных

ХФ ЦКБ Союзэнергоремонта, эта вели- 25 чина находится в диапазоне 1,5-2,0 мм.

Для того, чтобы обеспечить возможность перемещения инерционных элементов 3 вдоль собственных продольных. осей только при наличии возмущающего 30 воздействия и исключить такие перемещения под действием силы тяжести, упругая система подвеса должна быть снабжена независимыми узлами 7 компенсации продольной составляющей веса каждого инерционного элемента

3. Однако при размещении продольной оси инерционного элемента 3 параллельно основанию корпуса 1 продольная составляющая его веса равна нулю. т.е. узел 7 компенсации этой составляющей не нужен. При этом параллельно основанию, корпуса 1 одновременно могут быть расположены продольные оси двух инерционных элементов 3. (фиг.l). В данном случае продольные составляющие веса двух инерционных элементов 3 равны нулю, т.е. система . подвеса может быть снабжена узлом 7 компенсации продольной составляющей веса только одного инерционного элемента 3, расположенного перпендикулярно основанию корпуса I.

Узел 7 компенсации продольной составляющей веса инерционного элемента

3 может быть выполнен в виде витой пружины с малой жесткостью на скручивание, которая установлена снаружи соответствующего стакана 2 (фиг.2).

96 б

Один конец укаэанной пружины закреплен на стакане 2 жестко, а другой на оси 9 инерционного элемента 3 шар" нйрно„образуя рабочее плечо 11, кото" рое расположено нормально к оси 9.

Длина плеча 11 выбрана значительно больше величины заданного линейного перемещения конца упомянутой пружины, т.е. исходя иэ следующего неравенства:

1 . »51, Ь1

sinК

Р< где h,1 — — заданная величина лиС нейного перемещения конца пружины, необходимая для компенсации продольной составляющей веса P соответ1 ствующего инерционно

ro элемента 3 при выбранном значении жесткости указанной пружиC0

О(, — величина углового перемещения конца упомянутой пружины, необходимая для компенсации продольной составляющей P веса соответ2 ствующего инерционного элемента 3.

При этом PI = P sin /3, где Р— вес соответствующего инерционного элемента 3, P — угол наклона продольной оси соответствующего инерционного элемента 3 к основанию корпуса 1.

В описанном примере реализации р 90, т. е. Р P. Для обеспечео ния возможности свободного хода конца укаэанной пружины, связанного с инерционным элементом 3, в стакане 2 предусмотрен продольный паз 1 2.

Пример конструктивного выполнения шарнирного крепления конца пружины узла 7 на оси 9 инерционного элемента.

3 приведен на фиг. 5 и 6. В данном случае ось 9 выполнена полой. В ней закреплена шпилька 13 с серьгой l4 и предусмотрен паз 15, в который введен конец плеча 11 упомянутой пружины, имеющий форму крюка, на который надета серьга 14.

Для того, чтобы исключить влияние угловых колебаний на точность преобразователя, геометрические центры стаканов 2 могут быть распсложены, например, вдоль вертикальной оси преоб1589096 разования, а центры тяжести инерционных элементов 3 — в геометрических центрах соответствующих стаканов 2, При этом центры тяжести инерционных элементов 3 также будут расположены вдоль указанной оси преобразования (фиг.7), расположенной вдоль оси угловых колебаний.

Каждый стакан 2 может быть выпол. нен в виде коаксиально расположенных цилиндра 16 и втулки 17 (фиг.8).

Пилиндp 16 закреплен внутри корпуса

1 жестко, а втулка 17 — с возможностью перемещения вдоль собственной продольной оси посредством винта

18. При этом чувствительный элемент

5 крепится на торце втулки 1 7, Положение винта 18 фиксируется на корпусе 1 гайкой 19. Для обеспечения герметичности корпуса 1 предусмотрены прокладки 20.

Трехкоординатный преобразователь виброперемещений работает следующим образом.

Корпус 1 крепится к исследуемому объекту, например к корпусу подшипника турбоагрегата. При вращении ротора возникают виброперемещения обьекта исспедований (подшипника), которые передаются корпусу 1 и перемещают его в пространстве. Вместе с корпусом 1 перемещаются закрепленные в нем цилиндрические стаканы 2 с чувствительными элементами 5. При этом благодаря большой степени демпбврования и малой связи со стаканами 2 через упругие элементы 4, обладающие малой жесткостью, инерционные элементы 3 с опорными элементами 6 остаются неподвижными. В результате изменяется величина рабочего зазора 3 между чувствительными элементами 5 и опорными элементами 6. Эти изменения зазора 9 преобразуются в сигналы, например частотно-модулированные при использовании вихретокового преобразователя, несущие информацию о виброперемещении исследуемого объекта по каждой из трех взаимно перпендикулярных составляющих. Эта информация обрабатывается измерительной системой (не показана), Ре.— эультаты обработки отображаются на. регисраторе (не покasан).

Благодаря тому, что инерционная масса выполнена в виде трех независимых инерционных элементов 3, система подвеса — в виде трех незави5

55 симых комплектов упрчгих элементов.

4, а каждый инерционный элемент 3 установлен на независимом комплекте упругих элементов 4 с возможностью перемещения только вдоль собственной продольной оси, обеспечивается возможность получения трех систем преобразования, не связанных между собой через общую инерционную массу и упругую систему подвеса.

При этом размещение полученных систем преобразования внутри цилиндрических стаканов 2 позволяет практически исключить их взаимное влияние через общий демпфер 8.

Крепление цилиндрических стаканов

2 внутри корпуса 1 вдоль трех взаимно перпендикулярных осей и установка каждого инецерционного элемента 3 соосно соответствующему цилиндричекому стакану 2 позволяет разместить инерционные элементы 3 строго вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, т,е. исключить возможность возникновения погрешностей, связанных с отклонением осей колебательных систем относительно осей преобразования.

В результате обеспечивается возможность преобразования виброперемещений по каждой из трех координатных осей практически независимо друг от друга. Это позволяет практически исключить погрешности, связанные с взаимным влиянием колебательных систем. Таким образом, обеспечивается воэможность использования общего демпфера с требуемыми демпфирующими свойствами. Это позволяет практически исключить погрешности, связанные с возможностью возникновения вторичных резонансов упругих элементов 4 и с воэможностью несовпадения соб" ственных частот колебаний инерционных элементов 3.

Введение узлов 7 компенсации продольных составляющих веса инерционных элементов 3 может привести к незначительным погрешностям измерения, связанным с влиянием упругой пружины на инерционность элемента 3 и с возможностью возникновения эффекта "затягивания", т,е. углового смещения оси

9 соответствующего инерционного элемента 3 относительно соответствующей оси преобразования.

Предложенная конструкция узла 7 не вносит существенных изменений в работу колебательной системы, а следо1589096

10 вательно, и дополнительных погрешностей преобразования, так как использование пружины с малой жесткостью на скручивание позволяет практически иск5 лючить ее влияние на инерционность элемента 3, выбор длины 1 плеча 11 значительно больше величины Д 1 заданного линейного перемещения конца упомянутой пружины позволяет уменьшить величину его углового перемещения С,, а следовательно, уменьшить эффект "затягивания" оси 9 инерционного элемента 3; использование шарнирного крепления конца пружины на 15 оси 9 инерционного элемента 3 позволяет эффект "затягивания" свести к минимуму, установка пружины узла 7 снаружи, а не внутри соответствующего стакана 2 позволяет разместить 20 указанную пружину с выбранной длиной 1 плеча 11; жесткое крепление второго конца пружины узла 7 позво-

- ляет зафиксировать положение полного равновесия инерционного элемента 3, которое достигается при расположении плеча 11 упомянутой пружины нормально к оси 9.

Крепление чувствительных элементов 5 на торцах соответствующих ста- 30 канов 2 дает возможность получить почти полностью независимые системы преобразования и тем самым свести взаимное их влияние в зоне рабочего

sasopa о через общий демпфер к минимуму, а спедовательно, практически полностью исключить соответствующую, погрешность преобразования, 1

Использование инерционных элементов 3, выполненных в виде цилиндров, которые закреплены на осях 9, и размещение их на упругих элементах 4 в виде дисковых пружин позволяет (при выборе указанного расстояния между местами крепления элементов 4) исключить поперечные колебания систем преобразования, т.е ° исключить возможность возникновения соответствующих погрешностей.

Эта система подвеса может быть использована только в случае крепления опорных элементов 6 на торцах осей 9 инерционных элемеитов 3. Однако при этом появляется возможность нежелаЪ тельного влияния элементов 6 на инер55 ционность элементов 3, а также возможность возникновения "маятниковых" колебаний систем преобразования, что может привести к снижению точности преобразователя.

Выполнение опорных элементов, 6 в виде перфорированных дисков позволяет значительно уменьшить их сопротивление при продольных. колебаниях инерционных элементов 3, т.е. свести к минимуму влияние элементов 6 наинерционность колебатетьных систем.

Изготовление указанных дисков иэ материала, обладающего высокой жесткостью и стабильностью Физических характеристик, позволяет исключить возможность их деформации в процессе колебаний инерционных элементов, 3, т,е. обеспечить параллельность рабочих поверхностей чувствительных эле" ментов 5 и опорных элементов 6 при минимальной толщине последних. Минимальная толщина и перфорация дисков снижает до минимума их вес, а следовательно, и возможность возникновения дополнительных "маятниковых" колебаний инерционных элементов 3.

В результате крепление опорных элементов 6 на торцах осей 9 инерционных элементов 3 практически не влияет на колебательные процессы в системах преобразования, а следовательно, и на точность преобразователя.

Таким образом, предложенная конструкция преобразователя позволяет повысить его точность без внесения до" полнительных погрешностей в результаты преобразования.

Размещение центров тяжести всех инерционных элементов 3 на одной оси также способствует повышению точности преобразователя путем исключения влияния угловых колебаний на результаты преобразования, так как в этом случае исключается возможность нежелательных колебаний систем вдоль осей преобразования, а следовательно, и соответствующая погрешность.

Кроме того, предлагаемый преобразователь обладает более высокой точностью прсоб."азования по сравнению с прбтотипом за счет того, что в нем исключена резина, которая была использована в качестве упругой системы подвеса и демпфсра, а следовательно, отсутствуют и погрешности, связанные с нестабильностью ее параметров, особенно при высоких температурах агрес- . сивной паромасляной окружающей среды.

При этом предлагаемый преобразова-. тель имеет высокие технологические и

1589096 эксплуатационные характеристики, к:о" торые достигаются sa счет обеспечения возможности подстройки рабочего зазора о в процессе изготовления и экс5 плуатации преобразователя путем перемещения чувствительного элемента с помощью винта 18, связанного с втулкой 17, на которой крепится указанный элемент 5. 10

Таким образом, использование предлагаемого преобразователя может повысить эффективность контроля вибросостояния турбоагрегата и снизить затра. ты на .его эксплуатацию. 15

Формула изобретения

1. Трехкоординатный преобразова-. тель виброперемещений, содержащий корпус, размещенные в нем инерционную массу с упругой системой подвеса, демпфер и три взаимодействующие пары, каждая из которых включает в себя чувствительный и опорный элементы и установлена вдоль одной из взаимно перпендикулярных осей, опорные зле в 25 ,менты связаны с инерционной массой, рабочие поверхности чувствительного и опорного элементов каждой пары параллельны друг другу и перпендикуляр. ны соответствующей оси, образуя рабо- 30 чий зазор, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля, но крайней мере один иэ инерционных элементов снабжен узлом компенсации продольной составляю щей его веса и тремя цилиндрическими стаканами, закрепленными в корпусе вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, каждый чувствительный элемент связан с корпусом, инерционная масса выполнена в виде трех независимых инерционных элементов, упругая система подвеса в виде трех независимых комплектов упругих элементов, обла.дакицих меньшей жесткостью в одном 45 направлении, каждый инерционньж элемент установлен соосно в соответствующем цилиндрическом стакане ца с.оответствующем комплекте упругих элементов в направлении их меньшей жест-, кости, совпадающем с осью инерционного элемента, с возможностью перемещения вдоль этой оси, каждый опорный элемент соосно закреплен на соответствующем инерционном элементе, демпфер представляет собой жидкость, а каждый узел компенсации продольной составляющей веса инерционного элемента связан с соответствующим инерционным элементом и стаканом.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю щ и й,с я тем, что каждый чувствительный элемент соосно закреплен на торце соответствующего цилинд= рического стакана.

3. Преобразователь по п. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей, каждый опорный элемент выполнен в виде перфорированного диска и закреплен на торце соответствующего инерционного элемента.

4. Преобразователь по п.l, о тл и ч а ю шийся тем, что, узел компенсации продольной составляющей веса инерционного элемента выполнен в виде витой пружины, установленной снаружи соответствующего цилиндрического стакана, один конец витой пружины закреплен, жестко на стакане, второй шарнирно закреплен на оси инерционного элемента.

5. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ю шийся . тем, что, с целью повышения точности преобразования, центры тяжести инерционных элементов установлены на одной оси, расположенной вдоль оси угловых колебаний.

6. Преобразователь по пп.1-3, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик, каждый цилиндрический стакан выполнен в виде коаксиально расположенных и установленных с возможностью перемещения вдоль оси, цилиндра и втулки, а на торце последней закреплен чувствительный элемент.

1589096

1 589096

1589096

Составитель К. Тавлннов

Техред Л. Сердюкова Корректор А. Осауленко

Редактор Е. Копча

Заказ 2533

Тираж 444

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101