Traductoarele pentru vibrodiagnoza transmisiilor mecanice (II)

Alegerea traductoarelor în proiectarea sistemelor pentru monitorizare și diagnoză prin vibrații este o etapă deosebit de importantă. În numărul trecut au fost prezentate traductoarele de deplasare și de viteză, iar în numărul acesta continuăm cu prezentarea traductoarelor de accelerație și a criteriilor de alegere a tipului potrivit de traductor pentru vibrodiagnoza transmisiilor mecanice.

2.3 Traductoarele de acceleraţie

Traductoarele de accelerație, numite și accelerometre, reprezintă soluția cu cea mai largă răspândire, datorită construcției simple și robuste.

În figura 5 se prezintă schema de principiu a unui traductor piezoelectric pentru accelerații. Traductorul este construit din două discuri piezoelectrice, pe care este așezată o masă. Întregul sistem este preîncărcat cu un resort tare și este montat într-o carcasă metalică pe o bază masivă.

Când accelerometrul este supus la vibrații, masa va exercita o forță variabilă asupra discurilor piezoelectrice, proporțională cu accelerația sa.

Figura 5 Accelerometru piezoelectric 5

Datorită efectului piezoelectric între cele două discuri va apărea o tensiune variabilă, proporțională cu accelerația masei. Accelerometrul prezentat în figura de mai sus are următoarele părți componente: carcasa l, resortul 2, masa 3, discuri piezoelectrice 4 și borne de ieșire 5.

Pentru frecvențe mult mai mici decât frecvența de rezonanță corespunzătoare masei și rigidității echivalente a întregului sistem al acceleratorului, accelerația masei va fi, de fapt, aceeași cu cea a întregului traductor, tensiunea produsă fiind, de asemenea, proporțională cu accelerația la care este supus traductorul.

Un alt tip de accelerometru piezoelectric este prezentat în figura 6.

Semnalul traductorului aflat în carcasa 1 se transmite prin bornele de ieșire 5. Elementul principal îl constituie discurile piezoelectrice 4 prinse între masa 3 și baza 6. Baza este suficient de masivă pentru a evita distorsiunile. Arcul 2 previne desprinderea masei de discuri în cazul când accelerația depășește 1g.

FIGURA 6. Accelerometru piezoelectric 4

Un alt avantaj al traductoarelor pentru accelerație este domeniului extins de frecvență în care pot fi folosite. Caracteristica tipică accelerometrelor este reprezentată în figura 7, din care se desprinde observația că domeniul de frecvență se limitează în zona superioară la cca. 30% din frecvența de rezonanță proprie a traductorului. Semnalul, cu nivel redus și pentru impedanță ridicată, solicită o condiționare prealabilă printr-un amplificator de sarcină, în construcție integrată cu traductorul sau separată.

FIGURA 7. Domeniul de lucru al traductoarelor de vibrații (adaptat după 1)

Particularitățile de utilizare a traductoarelor de accelerație sunt următoarele:

• prezintă o relativă insuficiență în domeniul frecvențelor joase, unde nivelul redus al accelerației duce la valori reduse ale semnalului de ieșire;
• au o mare sensibilitate față de condițiile de montaj și nu pot fi folosite printr-o manevrare manuală, decât printr-o fixare fermă cu magnet, printr-o prindere cu șuruburi sau cu adezivi pe suprafețe rigide și plate;
• prin integrarea unor dispozitive adecvate de prelucrare a semnalului, accelerometrul permite determinarea în valoare absolută a vitezelor și a deplasărilor.

În selectarea tipului de accelerometru trebuie să se țină seama, în primul rând, de domeniul de operare. În figura 8 se prezintă două grupe de accelerometre, cu caracteristicile specifice:

• accelerometre de uz general (domeniul verde);
• accelerometre miniaturale (0,5- 3 grame – domeniul albastru)

FIGURA 8. Alegerea unui accelerometru (adaptat după 1)

Accelerometrele dau un semnal de ieșire constant în cazul unei accelerații constante. În cazul utilizării într-un domeniu de frecvențe de la cele foarte joase până la o limită determinată de creșterea neproporțională a semnalului de ieșire ca urmare a rezonanței traductorului. De aceea, accelerometrele nu trebuie folosite în domeniul de frecvență apropiat de rezonanță, deoarece aceasta ar genera erori în citirea semnalului măsurat.

Ca regulă generală, accelerometrele se pot utiliza într-un domeniu de frecvență de până la o treime din frecvența proprie de rezonanță. După cum se prezintă în figura 9, această restricție asigură o eroare maximă a frecvenței măsurate de circa 10%.

FIGURA 9. Domeniul frecvenței utile pentru un accelerometru (adaptat după 1)

Domeniul de frecvență și sensibilitatea unui accelerometru sunt în strânsă legătură - a se vedea figura 10. În general, cu cât accelerometrul este mai mare, cu atât are o sensibilitate mai mare și invers, cu cât este mai mic, cu atât domeniul de frecvență este mai mare.

FIGURA 10. Legătura dintre domeniul de frecvență, masa (mărimea) și sensibilitatea unui accelerometru 1

Montarea corectă a accelerometrelor este de o importanță maximă pentru acuratețea măsurărilor efectuate. Un montaj greșit duce la reducerea domeniului util de frecvență. Cerința principală este de a asigura un contact mecanic riguros între baza accelerometrului și suprafața pe care acesta se atașează. În figurile 11 şi 12 se prezintă câteva modalități de fixare a accelerometrelor pe suprafața măsurată.

FIGURA 11. Moduri de fixare a accelerometrului (adaptat după 1)

FIGURA 12. Moduri de fixare a accelerometrului (adaptat după 1)

Montajul accelerometrelor folosind știfturi filetate este metoda cea mai bună de montaj, recomandându-se folosirea ei în toate aplicațiile unde acest lucru este posibil. La frecvențe înalte, acolo unde nu se poate evita rezonanța accelerometrului, semnalele culese pot fi eronate și, prin urmare, semnalul de ieșire al accelerometrului ar trebui să fie atenuat în acest domeniu de frecvențe.

În locuri în care nu se pot practica găuri filetate, știfturile se fixează prin cimentare pe suprafaț a măsurată, folosindu-se un ciment epoxi dicsau cianoacrilat. Răspunsul în frecvență va fi aproape la fel de bun ca și cel obținut folosind un simplu știft filetat. Cleiurile moi trebuie să fie evitate.

Pentru montajul rapid al accelerometrelor, cu scopul de a investiga ușor vibrațiile în diverse puncte, se poate utiliza ceara pentru fixarea acestora. ținând cont însă de faptul că ceara se înmoaie cu creșterea temperaturii, se limitează utilizarea acesteia până la temperaturi de circa 40°C.

O metodă simplă și rapidă de montare a accelerometrelor este cea cu ajutorul suporților magnetici, care permite schimbarea ușoară dintr-o poziție în alta. Metoda este însă restricționată de existența suprafețelor feromagnetice. Pentru a obține domeniul maxim dinamic și de frecvență, suprafața feromagnetică trebuie să fie curată și plană. Prin aplicarea unui disc autoadeziv pe magnet, se asigură izolația electrică dintre accelerometru și suprafața pe care se atașează.

Utilizarea unui taster (figura 12) montat la vârful accelerometrului este foarte convenabilă în cazul măsurărilor rapide, dar poate genera erori mari de măsurare datorită rigidității totale mici.

Acolo unde locul de măsurare a vibrațiilor este greu accesibil, accelerometrul se poate monta într-o țeavă prelungitoare, folosind un inel de cauciuc. Pe suprafața de așezare a accelerometrului se montează un vârf ușor rotunjit. De notat e faptul că acuratețea măsurărilor este superioară celei făcute cu taster manual.

Accelerometrele trebuie montate în poziția în care direcția de măsurare coincide cu axa principală de sensibilitate. Ele sunt ușor sensibile la vibrații în direcție transversală, dar acest fapt se poate ignora, pentru că sensibilitatea transversală maximă reprezintă doar câteva procente din sensibilitatea axei principale.

Motivul efectuării măsurării vibrațiilor dictează, în mod normal, poziția accelerometrului.

Astfel, așa cum se arată și în figura 13, motivul este acela de a monitoriza starea arborelui și a rulmentului. Accelerometrul trebuie poziționatastfel încât să asigure o transmitere directă a vibrației de la rulment.

FIGURA 13. Alegerea poziției de montaj a accelerometrelor 1

Astfel, accelerometrul „A” detectează semnalul vibrator de la rulment, în mod direct, prin măsurarea vibrației direct pe carcasa rulmentului, în timp ce accelerometrul „B” recepționează vibrația rulmentului modificată de transmiterea semnalului printr-o îmbinare, combinată cu semnale de la alte părți ale mașinii. În mod similar, accelerometrul „C” este poziționat mai aproape de sursa de vibrații decât accelerometrul „D”, dar acesta măsoară vibrațiile după o altă direcție.

FIGURA 14. Manevrarea greșită a accelerometrului 1

Chiar dacă cele mai multe accelerometre sunt construite pentru a rezista la accelerații cu ordinul de mărime a mai multor mii de g (g=9,81 m/s2), este foarte posibil să se atingă aceste niveluri în cazul în care accelerometrul se manevrează fără atenție. Căderea pe o podea tare sau coliziunea cu părțile unei mașini, poate genera șocuri cu accelerații de mai multe mii de g, ducând la înrăutățirea sensibilității, sau chiar la avarierea severă a accelerometrului. În cazul în care se știe că accelerometrul a fost supus unui astfel de tratament, este recomandabil să se recalibreze accelerometrul, prin verificarea curbei de răspuns în frecvență (recalibrarea se poate face fie cu o masă de etalonare din dotarea sistemului, conform procedurii producătorului, fie de către un laborator acreditat în acest domeniu).

3 Criterii de alegere a tipului potrivit de traductor pentru vibrodiagnoza transmisiilor mecanice

Alegerea corectă a tipului de traductor de vibraţii impune considerarea următoarelor aspecte:

• parametrii de măsurat – deplasare, viteză, accelerație – în legătură cu caracteristicile generale enunțate;
• impedanța mecanică – dacă vibrația se transmite cu dificultate către carcasa exterioară, pentru sisteme arbori – lagăre cu rigiditate redusă, se folosesc traductoare pentru deplasare; dacă sistemul arbore – lagăr are rigiditate mare, sau dacă arborele nu este accesibil, se recomandă traductoare pentru accelerații sau pentru viteze;
• sensibilitatea (raportul: tensiune sau sarcina de semnal/mărime măsurată) şi precizia;
• frecvența – pentru frecvențe mai mari de 1 kHz este indicată numai utilizarea traductoarelor pentru accelerații, spre deosebire de domeniul 10 Hz … 1 kHz, în care pot fi utilizate atât traductoare pentru viteză, cât și pentru accelerație; frecvența limită superioară depinde de frecvența proprie a traductorului de accelerație, de frecvența proprie a contactului sau de frecvența purtătoare; frecvența limită inferioară depinde de frecvența proprie a traductorului de tip inductiv pentru viteze, dar și de caracteristicile preamplificării sau ale cablului;
• condiţiile de mediu și durabilitate; traductoarele pentru accelerații oferă rezistență superioară la manipulări, șocuri, temperaturi, ca și performanțe constante în timp îndelungat (2 ani). De altfel, condițiile de mediu și de manipulare intervin și în anumite particularități de construcție. Din cele de mai sus, precum și pe baza domeniilor de frecvență și a condițiilor de mediu specifice în care lucrează transmisiile mecanice, se pot trage următoarele concluzii:
• în cazul transmisiilor cu viteze periferice ridicate, la care lăgăruirea arborilor se face pe cuzineți, se folosesc pentru monitorizare și vibrodiagnoză traductoarele de deplasare;
• în cazul transmisiilor, la care lăgăruirea arborilor se face pe rulmenți, se folosesc accelerometre pentru monitorizare și vibro - diagnoză.

Bibliografie

1. Brüel & Kjaer, Vibration Transducers and Signal Conditioning, BA 7675-12,1

2. Brüel & Kjaer, Introduction to Shock and Vibration, BA 7674-12,1

3. Brüel & Kjaer, Vibration Measurement and Analysis, BA 7676-12,1

4. Korka Z., Cercetări privind reducerea vibraţiilor în funcţionarea reductoarelor cu roţi dinţate cilindrice, Teză de doctorat, Universitatea „Eftimie Murgu” din Reşiţa, 2009

English summary

The signals obtained from various transducer types can be very useful for the monitoring and diagnosis of mechanical drive systems. It is possible to avoid the damaging of sealings (labyrinth type), the contact areas between axles and journal bearings, to detect defects which may lead to significant wear.

There are three types of transducers – movement, speed and acceleration, and their scope and use methods. Selection criteria and transducer fastening methods are presented.

ZOLTAN KORKA este dr. ing., Lector Universitatea „Eftimie Murgu” din Reşiţa