RU206481U1

RU206481U1 - A device for measuring vibration accelerations and vibration displacements of moving elements of machines and mechanisms

Info

Publication number: RU206481U1
Application number: RU2021103097U
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Синицин; Иван Игоревич Федосов; Юрий Иванович Крамарь
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "СИЛА"
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2021-09-13

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к высокоточным измерениям, и может быть использована для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов.Устройство для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов, содержащее роторный блок, жестко закрепленный на конце вала и размещенный перпендикулярно оси его вращения, содержащий, по крайней мере, один акселерометр, соединенный посредством последовательного интерфейса с микропроцессором, который соединен посредством последовательных и параллельных интерфейсов со встроенной энергонезависимой памятью и приемопередатчиком, выход которого соединен с антенной для передачи данных, выводы питания которых соединены со встроенным источником питания, который соединен с преобразователем вибрационной энергии в электрическую энергию. При этом в геометрическом центре роторного блока установлен один многокомпонентный акселерометр, соединенный посредством последовательного периферийного интерфейса с микропроцессором.Обеспечивается одновременное определение виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов. 2 ил.The utility model relates to the field of measuring technology, in particular to high-precision measurements, and can be used to measure vibration accelerations and vibration displacements of moving elements of machines and mechanisms. and placed perpendicular to the axis of its rotation, containing at least one accelerometer connected through a serial interface with a microprocessor, which is connected through serial and parallel interfaces with built-in non-volatile memory and a transceiver, the output of which is connected to an antenna for data transmission, the power leads of which are connected with a built-in power source, which is connected to a vibration energy-to-electrical energy converter. At the same time, one multicomponent accelerometer is installed in the geometric center of the rotor unit, connected through a serial peripheral interface with a microprocessor. Simultaneous determination of vibration accelerations and vibration displacements of moving elements of machines and mechanisms is provided. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к высокоточным измерениям, и может быть использована для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов. Может применяться для контроля технического состояния механических узлов промышленного оборудования, в частности подшипниковых узлов.The utility model relates to the field of measuring technology, in particular to high-precision measurements, and can be used to measure vibration accelerations and vibration displacements of moving elements of machines and mechanisms. It can be used to monitor the technical condition of mechanical assemblies of industrial equipment, in particular, bearing assemblies.

Известны устройства для измерения виброускорений и виброперемещний подвижных (вращающихся) элементов машин и механизмов.Known devices for measuring vibration accelerations and vibration displacements of movable (rotating) elements of machines and mechanisms.

Устройства измерения радиальной вибрации вращающихся валов контактным и бесконтактным способом описаны в ГОСТ ИСО 10817-1-2002, и базируются на оценке разности изменений расстояния парой взаимно-ориентированных датчиков приближения, например, индуктивного типа или контактный датчик-зонд, в каждый момент времени с учетом мгновенного угла поворота вала. Устройства такого типа позволяют построить траектории движения вала в одной плоскости.Devices for measuring the radial vibration of rotating shafts by a contact and non-contact method are described in GOST ISO 10817-1-2002, and are based on the assessment of the difference in distance changes by a pair of mutually oriented proximity sensors, for example, inductive type or a contact probe, at each moment of time, taking into account instantaneous angle of rotation of the shaft. Devices of this type allow you to build trajectories of the shaft in one plane.

Недостатками данных устройств являются необходимость юстировки каждого датчика относительного вала и введения последующей поправки в результаты измерения, ограниченная возможность применения на промышленном оборудовании для контроля технического состояния отдельных узлов механизмов, а также невозможность получения виброускорений вала. The disadvantages of these devices are the need to adjust each relative shaft sensor and introduce a subsequent correction to the measurement results, the limited possibility of using it on industrial equipment to monitor the technical condition of individual units of mechanisms, as well as the impossibility of obtaining vibration accelerations of the shaft.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существующих признаков является устройство измерения виброускорения подвижных элементов машин и механизмов, содержащее роторный блок, жестко закрепленный через свое отверстие на валу и размещенный перпендикулярно оси его вращения, и соосно размещенный с минимальным расстоянием до роторного блока жестко закрепленный на корпусе механизма статорный блок (патент РФ №142934, кл. G01P 15/02, 2014 г.).The closest technical solution in terms of the totality of existing features is a device for measuring the vibration acceleration of moving elements of machines and mechanisms, containing a rotor unit rigidly fixed through its hole on the shaft and placed perpendicular to the axis of its rotation, and coaxially placed with a minimum distance to the rotor unit rigidly fixed to the body of the mechanism stator unit (RF patent No. 142934, class G01P 15/02, 2014).

Недостатками вышеуказанного технического решения являются наличие жестко закрепленного на корпусе механизма статорного блока, который должен быть размещен соосно с минимальным расстоянием до роторного блока, который ограничивает возможность встраивать такое устройство в конструкцию подвижных механизмов, например, сателлитов планетарных передач, так как сателлиты совершают плоское движение, помимо вращательного движения. Кроме того, недостатком вышеуказанного технического решения является невозможность определения виброперемещений подвижных элементов механизмов из-за наличия в центре роторного блока отверстия для вала.The disadvantages of the above technical solution are the presence of a stator unit rigidly fixed on the housing of the mechanism, which must be placed coaxially with a minimum distance to the rotor unit, which limits the ability to integrate such a device into the design of movable mechanisms, for example, planetary gear satellites, since the satellites perform flat motion, in addition to the rotational motion. In addition, the disadvantage of the above technical solution is the impossibility of determining the vibration displacements of the moving elements of the mechanisms due to the presence of a hole for the shaft in the center of the rotor block.

Техническая задача полезной модели заключается в значительном расширении вектора измеряемых данных непосредственно с вращающегося вала для методов обработки информации и расширении пространства определяющих критериев технического состояния машин и механизмов для обнаружения зарождающихся дефектов, что значительно повышает их предсказуемость работы и своевременность технического обслуживания и ремонта.The technical problem of the utility model is to significantly expand the vector of measured data directly from the rotating shaft for information processing methods and expand the space of defining criteria for the technical state of machines and mechanisms for detecting incipient defects, which significantly increases their predictability of operation and the timeliness of maintenance and repair.

Технический результат заключается в одновременном определении виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов.The technical result consists in the simultaneous determination of vibration accelerations and vibration displacements of moving elements of machines and mechanisms.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов, содержащее роторный блок, жестко закрепленный на конце вала и размещенный перпендикулярно оси его вращения, содержащий, по крайней мере, один акселерометр, соединенный посредством последовательного интерфейса с микропроцессором, который соединен по средствам последовательных и параллельных интерфейсов со встроенной энергонезависимой памятью и приемопередатчиком, выход которого соединен с антенной для передачи данных, выводы питания которых соединены со встроенным источником питания, который соединен с преобразователем вибрационной энергии в электрическую энергию, при этом согласно полезной модели, в геометрическом центре роторного блока установлен один многокомпонентный акселерометр, соединенный посредством последовательного периферийного интерфейса с микропроцессором.The technical result is achieved due to the fact that a device for measuring vibration accelerations and vibration displacements of movable elements of machines and mechanisms, containing a rotor block rigidly fixed at the end of the shaft and placed perpendicular to the axis of its rotation, containing at least one accelerometer connected through a serial interface with microprocessor, which is connected by means of serial and parallel interfaces with built-in non-volatile memory and a transceiver, the output of which is connected to the antenna for data transmission, the power leads of which are connected to the built-in power supply, which is connected to the converter of vibration energy into electrical energy, while in accordance with the utility model , in the geometric center of the rotor unit, one multicomponent accelerometer is installed, connected via a serial peripheral interface to a microprocessor.

Роторный блок содержит преобразователь вибрационной, например, пьезоэлектрической энергии в электрическую энергию, который преобразует вибрацию элемента узла механизма, на котором закреплен роторный блок устройства, в электрическую энергию, которая заряжает встроенный источник питания, напряжение которого питает акселерометры и электронные компоненты, предназначенные для обработки, хранения и передачи полученных от акселерометров данных. При этом измерительное устройство не требует внешних источников питания. Роторный блок жестко закрепляют на конце подвижного элемента узла механизма, с учетом не создания дисбаланса в перпендикулярной оси вращения плоскости, например, на конце вращающегося вала или на цапфе вала шестерни. Кроме того, роторный блок содержит многокомпонентный акселерометр, который установлен в геометрическом центре роторного блока, а также акселерометры, которые установлены не в геометрическом центре роторного блока. Многокомпонентный акселерометр в геометрическом центре роторного блока одновременно измеряет виброускорение подвижного элемента механизма, ускорение свободного падения в точке закрепления на элементе узла механизма, а также центростремительное ускорение геометрического центра роторного блока, которое отлично от нуля при наличии виброперемещений узла механизма в виду его неуравновешенности, либо воздействия переменных внешних сил, и пропорционально расстоянию фактического положения многокомпонентного акселерометра от геометрического центра элемента узла механизма в покое. В свою очередь, акселерометры, которые установлены не в геометрическом центре роторного блока, измеряют виброускорение подвижного элемента механизма, ускорение свободного падения в точке закрепления на элементе узла механизма, а также центростремительное ускорение, которое отлично от нуля в виду установки акселерометров на заданном при проектировании расстоянии от геометрического центра роторного блока. Совместная обработка полученных от многокомпонентного акселерометра и других акселерометров, а именно линейная комбинация полученных данных с учетом мгновенного угла поворота, полученного через совместную фильтрацию полученных от акселерометров ускорений, позволяет одновременно определить виброускорения и виброперемещения подвижного элемента механизма.The rotor unit contains a converter of vibrational, for example, piezoelectric energy into electrical energy, which converts the vibration of the element of the mechanism unit, on which the rotor unit of the device is fixed, into electrical energy, which charges the built-in power source, the voltage of which feeds the accelerometers and electronic components intended for processing, storage and transmission of data received from accelerometers. In this case, the measuring device does not require external power sources. The rotor block is rigidly fixed at the end of the movable element of the mechanism assembly, taking into account that no unbalance is created in the plane perpendicular to the axis of rotation, for example, at the end of the rotating shaft or on the pinion of the pinion shaft. In addition, the rotor unit contains a multicomponent accelerometer, which is installed in the geometric center of the rotor unit, as well as accelerometers that are not installed in the geometric center of the rotor unit. A multicomponent accelerometer in the geometric center of the rotor unit simultaneously measures the vibration acceleration of the moving element of the mechanism, the acceleration of gravity at the point of attachment to the element of the mechanism unit, as well as the centripetal acceleration of the geometric center of the rotor unit, which is different from zero in the presence of vibration displacements of the mechanism unit due to its imbalance, or impact variable external forces, and is proportional to the distance of the actual position of the multicomponent accelerometer from the geometric center of the element of the mechanism assembly at rest. In turn, accelerometers that are not installed in the geometric center of the rotor unit measure the vibration acceleration of the moving element of the mechanism, the acceleration of gravity at the point of attachment to the element of the mechanism unit, as well as the centripetal acceleration, which is different from zero due to the installation of accelerometers at a given design distance from the geometric center of the rotor unit. Joint processing of the received from the multicomponent accelerometer and other accelerometers, namely, the linear combination of the obtained data taking into account the instantaneous angle of rotation obtained through the joint filtering of the accelerations received from the accelerometers, makes it possible to simultaneously determine the vibration acceleration and vibration displacement of the moving element of the mechanism.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена схема роторного блока устройства, на которой:The essence of the claimed utility model is illustrated by graphic materials, where in Fig. 1 shows a diagram of the rotor block of the device, on which:

101 – роторный блок,101 - rotor block,

102 – акселерометр,102 - accelerometer,

103 – микропроцессор,103 - microprocessor,

104 – встроенный источник питания,104 - built-in power supply,

105 – преобразователь вибрационной энергии в электрическую энергию,105 - converter of vibration energy into electrical energy,

106 – многокомпонентный акселерометр в геометрическом центре роторного блока,106 - multicomponent accelerometer in the geometric center of the rotor unit,

107 – встроенная энергонезависимая память,107 - built-in non-volatile memory,

108 – приемопередатчик,108 - transceiver,

109 – антенна для передачи данных.109 - antenna for data transmission.

На фиг. 2 представлена блок-схема работы устройства для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов, где:FIG. 2 shows a block diagram of the operation of a device for measuring vibration accelerations and vibration displacements of moving elements of machines and mechanisms, where:

102 – акселерометр,102 - accelerometer,

103 – микропроцессор,103 - microprocessor,

108 – приемопередатчик,108 - transceiver,

109 – антенна для передачи данных109 - antenna for data transmission

110 – антенна для получения данных110 - antenna for receiving data

111 – приемопередатчик, 111 - transceiver,

112 – блок обработки и хранения данных.112 - data processing and storage unit.

Устройство для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов содержит (фиг. 1) роторный блок 101, жестко закрепленный на конце вращающегося вала таким образом, чтобы роторный блок 101 располагался перпендикулярно оси вращения вала. Роторный блок 101 содержит антенну для передачи данных 109. В геометрическом центре роторного блока 101 установлен один многокомпонентный акселерометр 106, в данном примере – это двухкомпонентный акселерометр 106, для одновременного определения виброперемещений и виброускорений вала, один микропроцессор 103, акселерометры 102 для определения виброускорений вала, встроенная энергонезависимая память 107, приемопередатчик 108, встроенный источник питания 104, преобразователь вибрационной энергии в электрическую энергию 105. Преобразователь вибрационной энергии в электрическую энергию 105 соединен со встроенным источником питания 104. Встроенный источник питания 104 соединен с акселерометрами 102 и 106, микропроцессором 103, встроенной энергонезависимой памятью 107 и приемопередатчиком 108. Акселерометры 102 и 106 соединены с микропроцессором 103. Микропроцессор 103 соединен с встроенной энергонезависимой памятью 107 и приемопередатчиком 108. Приемопередатчик 108 соединен с антенной для передачи данных 109.A device for measuring vibration accelerations and vibrational displacements of movable elements of machines and mechanisms contains (Fig. 1) a rotor unit 101 rigidly fixed to the end of the rotating shaft so that the rotor unit 101 is perpendicular to the axis of rotation of the shaft. The rotor unit 101 contains an antenna for transmitting data 109. One multicomponent accelerometer 106 is installed in the geometric center of the rotor unit 101, in this example it is a two-component accelerometer 106 for simultaneous determination of vibration displacements and vibration accelerations of the shaft, one microprocessor 103, accelerometers 102 for determining the vibration accelerations of the shaft, built-in non-volatile memory 107, transceiver 108, built-in power supply 104, vibration energy to electrical energy converter 105. Vibration energy to electrical energy converter 105 is connected to built-in power supply 104. Built-in power supply 104 is connected to accelerometers 102 and 106, microprocessor 103, built-in nonvolatile memory 107 and transceiver 108. Accelerometers 102 and 106 are connected to microprocessor 103. Microprocessor 103 is connected to built-in nonvolatile memory 107 and transceiver 108. Transceiver 108 is connected to antenna for transmitting data transmission 109.

Устройство для измерения виброускорений и виброперемещений подвижных элементов машин и механизмов работает следующим образом (фиг. 2).A device for measuring vibration accelerations and vibration displacements of moving elements of machines and mechanisms operates as follows (Fig. 2).

Преобразователь вибрационной, например, пьезоэлектрической энергии в электрическую энергию 105 преобразует вибрацию, которую создает содержащий роторный блок механизм во время своей работы, в электрическую энергию. Преобразованная электрическая энергия заряжает встроенный источник питания 104. Напряжение от встроенного источника питания 104 питает микропроцессор 103, акселерометры 102, многокомпонентный акселерометр 106, встроенную энергонезависимую память 107, приемопередатчик 108. Акселерометры 102 измеряют виброускорение в точке закрепления на элементе узла механизма и преобразует в цифровой сигнал, который поступает в микропроцессор 103, где происходит цифровая обработка измеренного сигнала, который записывается во встроенную энергонезависимую память 107. Многокомпонентный акселерометр 106 измеряет виброускорение, центростремительное ускорение геометрического центра вала и ускорение свободного падения в точке закрепления на элементе узла механизма и преобразует в цифровой сигнал, который поступает в микропроцессор 103, где происходит цифровая обработка измеренного сигнала совместно с измеренным сигналом, поступившем в микропроцессор 103 от акселерометров 102. Обработанный сигнал поступает во встроенную энергонезависимую память 107. Микропроцессор 103 передает записанные во встроенной энергонезависимой памяти 107 в приемопередатчик 108. Приемопередатчик 108 передает полученные данные через антенну для передачи данных 109 и антенну для получения данных 110 приемопередатчику 111 в блок обработки и хранения данных 112, например, на сервер для хранения, систематизации, обработки и анализа.The vibrational, eg piezoelectric to electrical energy converter 105 converts the vibration generated by the mechanism containing the rotor unit during its operation into electrical energy. The converted electrical energy charges the built-in power supply 104. The voltage from the built-in power supply 104 feeds the microprocessor 103, the accelerometers 102, the multicomponent accelerometer 106, the built-in nonvolatile memory 107, the transceiver 108. The accelerometers 102 measure the vibration acceleration at the point of attachment on the element of the mechanism assembly and converts it into a digital signal , which enters the microprocessor 103, where digital processing of the measured signal takes place, which is recorded in the built-in nonvolatile memory 107. The multicomponent accelerometer 106 measures vibration acceleration, centripetal acceleration of the geometric center of the shaft and the acceleration of gravity at the point of attachment on the element of the mechanism assembly and converts it into a digital signal, which is fed to the microprocessor 103, where the measured signal is digitally processed together with the measured signal, which entered the microprocessor 103 from the accelerometers 102. The processed signal is fed to built-in non-volatile memory 107. The microprocessor 103 transmits the data recorded in the built-in non-volatile memory 107 to the transceiver 108. The transceiver 108 transmits the received data via the antenna for data transmission 109 and the antenna for receiving data 110 to the transceiver 111 to the data processing and storage unit 112, for example, to the server for storage, systematization, processing and analysis.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет измерять виброускорения и виброперемещения подвижных элементов машин и механизмов, не оказывая влияния на работу механизма и не требуя установки внешних источников питания и регулярного обслуживания внутренних источников питания, таким образом, значительно расширяется вектор измеряемых данных непосредственно с вращающегося вала для методов обработки информации и расширения пространства определяющих критериев технического состояния машин и механизмов для обнаружения зарождающихся дефектов, что значительно повышает их предсказуемость работы и своевременность технического обслуживания и ремонта.Thus, the claimed device makes it possible to measure vibration acceleration and vibration displacement of moving elements of machines and mechanisms without affecting the operation of the mechanism and without requiring the installation of external power sources and regular maintenance of internal power sources, thus significantly expanding the vector of measured data directly from the rotating shaft for methods processing information and expanding the space of defining criteria for the technical condition of machines and mechanisms for detecting incipient defects, which significantly increases their predictability of work and the timeliness of maintenance and repair.

Claims

A device for measuring vibration accelerations and vibrational displacements of moving elements of machines and mechanisms, containing a rotor block rigidly fixed at the end of the shaft and placed perpendicular to the axis of its rotation, containing at least one accelerometer connected through a serial interface with a microprocessor, which is connected through serial and parallel interfaces with built-in non-volatile memory and a transceiver, the output of which is connected to the antenna for data transmission, the power leads of which are connected to the built-in power source , which is connected to the converter of vibration energy into electrical energy, characterized in that one multicomponent accelerometer is installed in the geometric center of the rotor unit, connected through a serial peripheral interface with a microprocessor, while the multicomponent accelerometer and accelerometers are made with the ability to measure vibration acceleration at the point of attachment to the element nte the assembly of the mechanism.