Иванченко Юрий Сергеевич д-р техн. наук, профессор,  Новороссийский морской университет им. Ф.Ф. Ушакова

Деменко Александр Валентинович – аспирант, Новороссийский морской университет им. Ф.Ф. Ушакова Е-mail: DAV_san@mail.ru

        

 

 

Особенности построения измерительной системы с

использованием пьезоакустического датчика на ПАВ.

 

Оперативный  контроль состояния  рабочих поверхностей подшипников скольжения является труднореализуемой задачей и в основном сводится к соблюдению ряда мер при сборке и установке узла, а также к соблюдению регламента по техническому обслуживанию механизма в целом. Известны случаи [ 1 ], когда косвенными методами (давление масла, температура, вибрация) не удается определить начало процесса разрушения поверхностного слоя вкладыша подшипника скольжения [ 3 ], что приводит к пропуску момента останова механизма при минимальных повреждениях. В двигателях внутреннего сгорания происходил задир мотылевых и рамовых шеек коленчатого вала с их локальным перегревом. Как следствие возникновение и развитие трещин [ 4 ] с последующим разрушением вала и блока цилиндров.

В работе  [ 2 ] рассмотрен  новый тип датчика на ПАВ [ 5 ], который позволяет осуществлять прием и обработку в своей структуре ( в подложке)  акустических вибраций от поверхностного слоя вкладыша, подвергаемого износу. В датчике  сформирована  полоса пропускания от 5 до 15 МГц и осуществляется преобразование выделенного участка спектра акустических вибраций в их  временн̀ое представление. Для формирования линейной частотно-временн̀ой  сканирующей функции датчика рассчитана такая топология  (рис. 1) ВШП (встеречно-штыревые преобразователи), которая устраняет нелинейное сжатие временн̀ого участка в области верхней границы частотного диапазона, что приводит к снижению разрешающей способности датчика. В ходе расчета топологии датчика с компенсирующей функцией выяснилось, что появилась дополнительная  «паразитная» полоса пропускания датчиком,  находящаяся в диапазоне от 20 до 37 МГц.  Данную полосу  частот необходимо подавить ФНЧ (фильтр нижних частот) с начальной частотой среза от 18МГц, стоящ̀им после входного усилителя.

         Рис.1.  Топология датчика на ПАВ (линейный размер)

Известно [ 6 ], что скорость ПАВ в подложке из ниобата лития при отсутствии металлизации для релеевской волны составляет υбез метал.=3980 м/c. При наличии металлизации скорость снижается   υметал.=3850 м/c. Суммарная задержка прохождения сигнала в датчике

 ,

где             - время задержки прохождения акустического пучка через ВШП;

 - время задержки прохождения акустического пучка через зоны параметрического электрода;   - время задержки прохождения акустического пучка через зоны между ВШП1 и ВШП2 и параметрическим электродом.

 Результирующая задержка прохождения сигнала в датчике равна (время обработки – преобразования)   .  На рис. 2 приведена упрощенная структурная схема системы контроля состояния подшипника скольжения с датчиком на ПАВ.  

 

 

 


                                                                            

 

 

 

 

 

 

 


                            

Сигнал от механизма                      Сигнал о прохождении                                                                    Сигнал об аварии.

о начале работы.                             механизмом нулевого положения.

 

           Рис. 2. Упрощенная структурная схема системы контроля

Датчик на ПАВ размещается на контролируемом механизме. Схема управления ожидает сигнала о запуске механизма, и как только начинает механизм  работать, она вырабатывает сигналы управления формирователем  импульсов длительностью  10нс по сигналу от прохождения нулевого положения механизма.  Формирователь вырабатывает импульс напряжения длительностью 10нс на ВШП1 и этот импульс поступает на линию задержки на  7мкс. Возбужденная ПАВ движется в подложке датчика [ 5] и взаимодействует с акустическими вибрациями в зоне обработки (под параметрическим электродом) и через 7мкс  достигает первых электродов приемного ВШП2, где преобразуется в электрическое напряжение. Это напряжение поступает на входной усилитель, ФНЧ и на вход “ электронного ключа 1”. На второй вход “эл. ключа 1” от схемы управления поступает сигнал открытия для прохождения сигнала от датчика на схему выборки и хранения. По сигналу от схемы управления формирователь сигнала записи вырабатывает команды для схемы выборки и хранения о начале записи в неё сигнала от датчика, который будет являться эталонным. 

По приходу нового сигнала от механизма “о прохождении нулевого положения”  схема выполняет действия, описанные выше, до момента, когда начинает работать “ эл. ключ 1”. Вместо этого сигнал со схемы управления поступает на “эл. ключ 2”,  который пропускает сигнал на один из входов коррелятора. В этот же момент времени формирователь сигнала чтения, по команде схемы управления, запускает процесс вывода “эталона” из схемы выборки и хранения на второй вход коррелятора. В корреляторе происходит сопоставление двух сигналов по признакам подобия. В решающем устройстве при помощи функции “окна” осуществляется обработка сигнала от коррелятора , и по совокупности набора значений вырабатывается сигнал об аварии. На рис.3 приведена временн̀ая диаграмма работы схемы. 

 

 


                                                                                                  

tt
 

u
 
                                                                                               

                                                                                                

 

tt
 

u
 
                                                                                                

                                                                                                 

u
 

tt
 

u
 

tt
 

u
 

tt
 
 

 

 

 

 

 


                                                          

t    мкс
 

                 Рис. 3. Временн̀ая  диаграмма работы схемы диагностики.

 

Применение датчика на ПАВ в измерительной системе позволяет оперативно получать данные о техническом состоянии узла. Анализируя изменения “эталона” после каждого запуска механизма позволяет определять скорость износа и прогнозировать вероятность отказа. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

       

1.           Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): Учебник.– 4-е изд. перераб. и доп. –М.: « Издательство МСХА», 2001. 616с., ил. 280.

2.           Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказкий регион. Технические науки. 2011. №5. С.1-144.

3.           Рагульскис К.М., Юркаускас А.Ю. Вибрация подшипников

Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. -119с., - ил.

4.           Ханин М.В. Механическое изнашивание материалов 

 М: Издатель­ство стандартов. 1984 с.152, - ил.

5.           Патент на изобретение № RU 2421716 C2 “Датчик на поверхностных аку­стических волнах” авторы: Иванченко Ю.С., Деменко А.В. от 18.08.09.

6.           Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустиче­ских волнах: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1990 – 416с.: ил.