Понимание тестирования ударов
A тест на удар — также называемый испытанием на удар или испытанием молотком — представляет собой простой экспериментальный метод для определения собственных частот и демпфирование характеристики конструкции или механизма путем удара по ним молотком (с приборами или без них) и измерения возникающего свободного отклика в виде того, что называется вибрация — который регистрируется такими приборами, как акселерометры. Один резкий удар приводит в действие все моды колебаний одновременно, и БПФ отклика показывает эти собственные частоты в виде пиков в том, что называется частотный спектр. Это самый практичный метод для полевого применения того, что называется модальное тестирование поскольку для этого нужны лишь молоток и виброметр — никаких дорогостоящих электродинамических вибраторов и сложных установок. В результате этот метод постоянно применяется для поиска и устранения неисправностей, связанных с тем, что называется резонанс проблемы, проверка структурные резонансы, а также убедившись, что рабочие частоты надежно отделены от собственных частот.
1. Определение: что такое ударный тест?
Принцип проведения ударного теста заключается в том, что с математической точки зрения удар представляет собой очень короткий импульс, содержащий энергию в широком диапазоне частот одновременно. Когда эта широкополосная энергия передается конструкции, все моды, собственная частота которых лежит в пределах полосы пропускания импульса, начинают колебаться одновременно. Затем конструкция «затухает» на своих характерных частотах, и затухающий отклик — регистрируемый акселерометром — несет в себе «отпечаток» этих мод. Преобразование затухания колебаний в частотную область превращает каждый режим в пик, поэтому один удар позволяет за считанные секунды составить карту динамических характеристик всей рамы машины, опоры или трубопровода. Это удобный для использования в полевых условиях аналог более широкой дисциплины ударные испытания.
2. Необходимое оборудование
Ударный молоток
От выбора молотка зависит, будет ли результат количественным или лишь качественным.
Инструментированный молоток (предпочтительно)
- Встроенный в головку молотка датчик силы непосредственно измеряет силу удара.
- Это позволяет получить настоящий передаточная функция (реакция, деленная на силу) и функция частотного отклика для вычисления.
- Результаты являются количественными и воспроизводимыми.
- Ориентировочная стоимость: 500–3 000 долларов.
Неинструментальный (простой)
- Подойдёт обычный молоток, резиновый молоток или даже удар рукой.
- Измеряется только реакция, а не сила.
- Он обеспечивает качественную идентификацию частоты — показывает, где находятся пики, но не указывает их абсолютную величину на единицу силы.
- Этого вполне достаточно для многих полевых применений.
- Бесплатно или по очень низкой цене.
Измерение отклика
- Акселерометр, установленный в интересующей точке.
- Подключается к анализатору вибрации или блоку сбора данных.
- Для идентификации пиков необходима возможность проведения анализа с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Анализ
- Быстрое преобразование Фурье (БПФ) сигнала отклика.
- Пики соответствуют собственным частотам.
- Ширина пика является показателем демпфирования.
3. Порядок проведения испытаний
Базовый тест на толчок
- Подключите акселерометр: в выбранной точке измерения реакции.
- Настройте анализатор: в режиме БПФ в диапазоне частот, соответствующем данной конструкции.
- Ударьте по конструкции: один решительный удар молотком.
- Запишите ответ: записать затухание колебаний.
- Повторить: несколько ударов для усреднения — обычно от трёх до десяти — чтобы сгладить колебания между ударами.
- Анализируйте: Результаты БПФ показывают пики собственных частот.
Расширенное тестирование
- Измерения в нескольких точках отклика для определения формы колебаний.
- Инструментальный молоток для количественного определения передаточных функций
- Когерентность анализ для проверки достоверности измеренных данных.
- Расчет полной функции частотной характеристики (FRF).
4. Применение
Идентификация резонанса
Это наиболее распространённый вариант применения. В ходе испытания определяются собственные частоты конструкции, которые затем сравниваются с рабочими частотами оборудования — 1×, 2×, лопаточная частота и т. д. — с целью выяснить, является ли резонанс причиной сильной вибрации, и определить направление работ по модификации. Кроме того, это естественный аналог разгон или выбег тест, который выявляет те же резонансы при изменении скорости работы устройства.
Структурная диагностика
- Выявить слабые или чрезмерно гибкие компоненты.
- Найти свободный или трещины в структурах, которые смещают или расщепляют ожидаемые пики.
- Оценить фундамент или крепление жесткость.
- Обеспечить сравнение «до и после» для подтверждения эффективности конструктивных изменений.
Модальные испытания
- Определить собственные частоты, формы колебаний и коэффициент демпфирования одновременно.
- Проверить соответствие моделей конечных элементов фактическим измеренным данным.
- Оптимизировать конструкцию.
5. Интерпретация
Определение натуральных частот
- Пики в спектре амплитудно-частотной характеристики являются собственными частотами.
- Резкие пики свидетельствуют о низком коэффициенте демпфирования — а значит, о возможной резонансной проблеме.
- Широкие пики свидетельствуют о высоком коэффициенте демпфирования, при котором резонанс играет менее важную роль.
- Наличие нескольких пиков означает наличие нескольких мод.
Оценка риска резонанса
- Если собственная частота совпадает с рабочей частотой с погрешностью примерно ±20 %, возникает риск резонанса.
- Если они расположены на достаточном расстоянии друг от друга — с разницей более 30 % — то в целом ситуация безопасна.
- Высота пика показывает, на какую степень усиления можно рассчитывать.
Оценка демпфирования
- Измерьте ширину пика на уровне половины его максимальной высоты.
- Рассчитайте коэффициент демпфирования из этой полосы пропускания (метод полумощности).
- В качестве альтернативы можно вывести его из скорости затухания колебаний во временной области.
6. Преимущества и ограничения
Прелесть метода «бамп-теста» заключается в его абсолютной практичности, однако он сопряжен с определенными компромиссами, которые аналитик должен учитывать.
Преимущества
- Простота: Минимальное оборудование, настройка за считанные минуты, для возбуждения не требуется электропитание, и процедуру можно проводить практически в любом месте и в любое время.
- Широкополосное возбуждение: Один импульс воздействует сразу на широкий диапазон частот, поэтому все моды выявляются за один тест — что значительно быстрее, чем при использовании методов с качающейся частотой синусоидального сигнала.
- Практичность в полевых условиях: не требует транспортировки крупногабаритного оборудования, работает на имеющейся технике и достаточно оперативна для выполнения рутинных задач поиск и устранение неисправностей.
Ограничения
- Повторяемость: Сила удара при каждом ударе различается; усреднение нескольких ударов помогает решить эту проблему, а молоток с датчиками обеспечивает постоянную, точно измеренную силу удара.
- Спектр силы: Спектр воздействия зависит от массы молотка и твердости его наконечника — мягкий наконечник передает больше энергии в низкочастотный диапазон, а твердый — в высокочастотный, — поэтому один и тот же молоток может возбуждать не все частоты одинаково.
- Низкие уровни силы: Данный тест не позволяет воспроизвести условия эксплуатации с высокими нагрузками, поэтому нелинейности, зависящие от нагрузки, могут остаться невыявленными, что делает его непригодным для испытаний на реакцию при высоких нагрузках.
7. Ударные испытания в практической работе с ротором
Ударный тест и ротор балансировка тесно связаны в практике, поскольку структура, резонирующая на частоте, близкой к скорости движения, будет маскироваться под — или сильно преувеличивать — кажущуюся дисбаланс. Прежде чем приступать к корректировке, инженер должен убедиться, что несущая конструкция не находится в состоянии резонанса; в противном случае фаза а показания амплитуды, используемые для балансировки, будут искажены вблизи этой критической области. Портативный двухканальный прибор, такой как Balanset-1A измеряет амплитуду и фазу 1×, необходимые для одно- и двухплоскостной балансировки, а те же акселерометры могут регистрировать затухание колебаний при ударном тесте, чтобы убедиться, что собственная частота опоры или опорной плиты не совпадает с рабочей частотой. Короче говоря, ударный тест — это простой, но мощный способ определения собственных частот и резонансов конструкции с помощью всего лишь молотка и анализатора — незаменимый инструмент для диагностики резонанса, проверки модификаций и проведения быстрых модальных исследований без использования специализированного испытательного оборудования.
Как это работает на Balanset-1A
На Balanset-1A ударный тест представлен как дополнительная вкладка окна виброметра. Это экспериментальный режим, по умолчанию выключенный: он включается в «F4 – Settings» в группе Experimental, после того как программа определит прибор с прошивкой версии 5.5.0 или новее, и тогда вкладка появляется рядом с «Wave Spectrum», «Speed», «RunDown» и «X-Y Orbit».
Порядок действий совпадает с описанным выше: ротор остановлен, датчики установлены как обычно, используется мягкий молоток. Программа переходит в режим ожидания, ждёт удара выше порога срабатывания и принимает только те сигналы, которые действительно затухают; спектр амплитуды каждого принятого удара нормируется по своему собственному пику перед усреднением, поэтому сильный удар и лёгкий постук учитываются с равным весом. Счётчик (N=…) отслеживает, сколько ударов было принято за время записи.
Итоговая таблица показывает для каждого канала собственную частоту f0 в Гц и об/мин, добротность Q, определённую по скорости затухания звона (либо по ширине пика на уровне −3 дБ, если затухание измерить не удаётся), и относительное демпфирование z = 1/(2·Q). Поиск пиков ведётся в полосе 12–600 Гц; каналы, зафиксировавшие один и тот же резонанс, используют общую медианную добротность Q, а каналы с явно разными частотами сохраняют собственные значения. Если записанное окно вообще не затухает — вращающийся ротор, наводка от сети, биения, — таблица помечает такую строку как «steady tone» вместо того, чтобы выдавать её за удар.
