Rung và va đập cơ học - Gá lắp đầu đo gia tốc

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA
TCVN 9224:2012
ISO 5348:1998
RUNG VÀ VA ĐẬP CƠ HỌC - GÁ LẮP ĐẦU ĐO GIA TỐC
Mechanical vibration and shock - Mechanical mounting of accelerometers
Lời nói đầu
TCVN 9224:2012 hoàn toàn tương đương với ISO 5348:1998
TCVN 9224:2012 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn Cơ điện - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn biên soạn, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đề nghị, Tổng cục Tiêu Chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.
RUNG VÀ VA ĐẬP CƠ HỌC - GÁ LẮP ĐẦU ĐO GIA TỐC
Mechanical vibration and shock - Mechanical mounting of accelerometers
1 Phạm vi áp dụng
Tiêu chuẩn này mô tả đặc tính gá lắp đầu đo gia tốc (đầu đo rung) phải được công bố bởi nhà chế tạo, và khuyến cáo người sử dụng gá lắp đầu đo.
Tiêu chuẩn này chỉ áp dụng cho đầu đo gia tốc, gá lắp trên bề mặt các bộ phận chuyển động, như minh họa trong biểu đồ rút gọn cho trong Hình 1.
Tiêu chuẩn này không áp dụng cho đầu đo gia tốc kiểu khác như đầu đo chuyển động tương đối.
Hình 1 - Minh họa gá lắp đầu đo
S - kết cấu thử; F - phương tiện gá lắp; T - đầu đo gia tốc; vs - tốc độ rung của kết cấu; vT - tốc độ rung của đầu đo
2 Tài liệu viện dẫn
Các tiêu chuẩn cần thiết (bắt buộc) để áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tiêu chuẩn được chỉ rõ ngày tháng ban hành, chỉ áp dụng đúng phiên bản đó. Đối với các tiêu chuẩn không chỉ rõ ngày tháng ban hành, phải áp dụng phiên bản mới nhất đã ban hành (bao gồm các sửa đổi bổ sung tương ứng).
· ISO 2041:1990, Rung động và ca đập - Từ vựng (Vibration and shock - Vocabulary).
· ISO 2954:1975, Rung cơ học của máy chuyển động quay và tịnh tiến qua lại - Yêu cầu đối với thiết bị đo rung động khắc nghiệt (Meshanical vibration of rotaring and reciprocating machinery - Requirements for instruments for measuring vibration severity).
· ISO 5347-14:1993, Phương pháp hiệu chuẩn đầu đo rung và va đập - Phần 14: Thử nghiệm tần số cộng hưởng của đầu đo gia tốc không suy giảm trên khối thép (Method for the calibration of vibration and shock pic-up - Part 14: Resonance frequency testing of undamped accelerometers on a steel block).
· ISO 5347-22:1997, Phương pháp hiệu chuẩn đầu đo rung và va đập - Phần 22: Thử nghiệm tần số cộng hưởng của đầu đo gia tốc - Phương pháp chung (Method for the calibration of vibration and shock pic-up - Part 22: Accelerometer resonance testing - General methods).
· ISO 8042:1988, Đo rung động và va đập - Công bố đặc tính của đầu đo địa chấn (Shock and vibration measurements - Chracteristics to be specified for seismic pic-up).
3 Thuật ngữ và định nghĩa
Trong tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa torng ISO 2041
4 Đặc tính kỹ thuật phải được công bố bởi nhà chế tạo đầu đo gia tốc
Nhà chế tạo phải công bố các đặc tính kỹ thuật sau:
a) Bề mặt lắp đặt liên quan trực tiếp đến cơ cấu gá lắp được cung cấp kèm theo đầu đo như: độ nhám bề mặt, độ trực giao và độ sâu của lỗ gá lắp.
b) Kích thước hình học bao gồm
- Vị trí trọng tâm của toàn bộ đầu đo;
- Vị trí trọng tâm khối lượng chấn động theo phương gia tốc trọng trường của đầu đo.
c) Kỹ thuật gá lắp sử dụng để hiệu chuẩn đầu đo.
d) Mômen xoắn khuyến cáo gá lắp và mômen cực đại cho phép (gây nên thay đổi nhỏ hơn 2 % trong dải tần số được sử dụng).
e) Giới hạn nhiệt độ đối với đầu đo và phụ kiện gá lắp.
f) Đặc tính cơ học liên quan trực tiếp đến:
- Tổng khối lượng;
- Vật liệu của đế;
- Tần số cộng hưởng thấp nhất của đầu đo trước khi gá lắp (tần số riêng của đầu đo);
- Khả năng đáp ứng tần số ở điều kiện lắp đặt xác định. Mô tả về vật liệu, kích thước và khối lượng cơ cấu mà trên đó lắp đặt đầu đo;
- Độ nhạy lớn nhất theo phương ngang và tần số tương ứng.
g) Mô tả các phụ kiện kèm theo để gá lắp đầu đo, ví dụ như
- Đường kính;
- Kiểu ren;
- Vật liệu.
h) Đường cong đáp ứng tần số của đầu đo ứng với kiểu gá lắp cơ học do nhà chế tạo quy định và mức độ ảnh hưởng của cơ cấu gá lắp đầu đo, cụ thể
- Độ cứng vững dọc trục chuyển động (trạng thái bề mặt của kết cấu tại chỗ tiếp xúc với đầu đo và mômen xoắn cố định đầu đo);
- Độ không cứng vững theo phương ngang trên cùng đế gá lắp.
Về các đặc tính kỹ thuật khác nhà chế tạo phải công bố, xem tiêu chuẩn ISO 8042.
5 Chọn phương pháp gá lắp
5.1 Yêu cầu chung
5.1.1 Quy trình
Đặc tính tối ưu của đầu đo chỉ đạt được khi tuân thủ đầy đủ các yêu cầu sau:
a) Đầu đo phải phản ánh trung thực chuyển động của kết cấu được thử tại vị trí gá lắp;
b) Chuyển động của kết cấu thử bị thay đổi ít nhất có thể sau khi đầu đo rung được lắp đặt;
c) Tỷ số chuyển đổi giữa tín hiệu với chuyển động của đầu đo phải không bị biến dạng khi vận hành trong vùng cận tần số cộng hưởng cơ bản.
5.1.2 Điều kiện lắp đặt
Để đạt được các yêu cầu trong điều 5.1, cần phải đảm bảo:
- Đầu đo được gá lắp chắc chắn, cứng vững (bề mặt gá lắp phải sạch và nhẵn đến mức có thể;
- Đầu đo gây nên sự méo dạng tối thiểu đối với chuyển động của chính nó (ví dụ: Lắp đặt đối xứng là tốt nhất);
- Khối lượng của đầu đo và phụ kiện gá lắp phải nhỏ so với khối lượng động của kết cấu thử (xem ISO 2954).
5.2 Yêu cầu cụ thể
5.2.1 Dải tần số vận hành
Đầu đo phải được đảm bảo sử dụng ở dải tần số thấp hơn so với tần số cộng hưởng cơ bản. Tuân thủ chỉ dẫn lắp đặt của nhà chế tạo, sao cho vận hành ở tần số không lớn hơn 20 % tần số lắp đặt cho phép, trong trường hợp đầu đo gia tốc không giảm chấn (hệ số khuếch đại cộng hưởng Q lớn hơn 30 dB), đảm bảo để trong hầu hết các trường hợp sai số phạm phải không vượt quá vài phần trăm trên đáp ứng độ lớn xuất hiện. Nếu yêu cầu ước lượng sai số gần đúng, có thể đạt được trên cơ sở hệ thống khối lượng - lò xo tuyến tính tương đương với hệ số giảm chấn cho trước.
CHÚ THÍCH: - Đối với các phép đo va đập (shock) đơn, có thể trông chờ sai số chỉ cỡ vài phần trăm nếu tần số cộng hưởng cơ bản của cơ cấu gá lắp lớn hơn giá trị nghịch đảo của thời gian xung va đập.
5.2.2 Mômen xoắn gá lắp
Khi gá lắp đầu đo bằng vít cấy, phải tuân thủ giới hạn mômen xoắn cho phép do nhà chế tạo quy định.
5.2.3 Cáp đo
Cáp cố định cứng gây nên sức căng khi sử dụng đầu đo gia tốc (đầu đo rung) có đầu nối dọc trục. Gắn kẹp cáp đo một cách thận trọng để tránh sự cố trên (xem Hình 2).
Cáp đo lỏng lẻo có thể gây nên hiệu ứng điện - ma sát đối với đầu đo kiểu áp điện
Hình 2 - Đầu đo gia tốc nối với đầu nối kiểu hướng trục và hướng tâm
a) Đầu nối kiểu hướng trục; b) Đầu nối kiểu hướng tâm
1 - Đầu nối và cáp đo không bị kéo căng; 2 - Bề mặt rung; 3 - Cáp đo không bị kéo căng; 4 - Cố định cáp đo trên bề mặt rung.
5.3 Xác định tần số cộng hưởng cơ cấu gá lắp đầu đo
Rất hữu ích, mặc dù khó thực hiện việc xác định chính xác tần số cộng hưởng cơ bản của đầu đo gá lắp trên kết cấu thử nghiệm. Phương pháp dưới đây có thể sử dụng để xác định gần đúng cộng hưởng, nhằm đảm bảo dung sai tương thích giữa tần số cộng hưởng và tần số thử.
5.3.1 Phương pháp kích thích rung
Khối thép chuẩn có hình dáng xác định, trọng lượng thích hợp và bề mặt nhẵn được khuyến cáo sử dụng, ví dụ: khối thép không gỉ có khối lượng 180 g. Chuyển động của khối chuẩn được giám sát bằng đầu đo gia tốc có tần số cộng hưởng cao hơn so với tần số của bản thân khối thép, gá lắp trên bề mặt tại vị trí gần sát đầu đo được thử. Lực kích thích có thể được tạo ra theo phương pháp điện động. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt lắp đặt và vật liệu có thể được kiểm tra nhờ đưa vào các mẫu điển hình giữa bề mặt kim loại và đầu đo được thử nghiệm (xem Hình 3). Về lắp đặt chung và đường cong tần số điển hình, xem Hình 5 đến Hình 10.
Tham khảo phương pháp xác định tần số cộng hưởng cơ bản trong ISO 5347-14 và ISO 5347-22.
CHÚ THÍCH: - Đường cong đáp ứng tần số điển hình, phụ thuộc rất nhiều vào các thông số chỉ dẫn tại các hình.
Hình 3 - Bố trí thử nghiệm đầu đo gia tốc
1 - Đầu đo; 2 - Bề mặt thử; 3 - Mặt tham chiếu; 4 - Khối kim loại tham chiếu; 5 - Đầu đo tham chiếu; 6 - Từ trường; 7 - Cuộn điều khiển.
5.3.2 Phương pháp kích thích va đập
Có thể sử dụng một trong 3 phương tiện thử sau: quả lắc xung kích, thử nghiệm rơi và đập búa thông thường. Cách thứ nhất: Đầu đo được gắn vào khối đe treo như kiểu con lắc trong khi khối búa thứ hai được treo tương tự, sử dụng để tạo va đập. Cách thứ hai: Thử nghiệm rơi, đầu đo gia tốc được gắn vào búa có dẫn hướng chuyển động, rơi theo phương thẳng đứng xuống đe tĩnh tại để tạo sốc. Đầu đo gia tốc được gắn vào vật thử nghiệm thông thường tương tự vật gắn thử nghiệm thực. Trong khi không thể thể hiện được vật thử nghiệm bởi khối lượng của đe hoặc búa, nó có thể làm từ cùng vật liệu và có kích thước đủ lớn để mô tả hợp lý vật thử theo độ cứng vững. Cách thứ ba: Thử đập búa được đặt vào gần nơi lắp đầu đo trên kết cấu thực có thể cung cấp thông tin cần thiết, nếu tần số cộng hưởng trong đối tượng đo có thể bị bỏ qua được.
Tín hiệu ra của đầu đo ứng với va đập ở điều kiện thuận lợi có tần số cộng hưởng dạng xếp chồng (Hình 4.) Đối với một số thử nghiệm cần phải tính toán năng lượng va đập (chọn chiều cao mà từ đó khối lượng bắt đầu rơi tự do), độ cứng của bề mặt va chạm (phủ lớp thép hoặc chì) sao cho có thể thu nhận được chu kỳ thích hợp để biểu thị hiệu ứng cộng hưởng. Phải cẩn trọng để phát hiện cộng hưởng nhỏ nhất bị kích hoạt trong quá trình va đập. Sử dụng thiết bị ghi dữ liệu hoặc kỹ thuật chụp ảnh sóng thích hợp để xác định tần số gợn sóng cộng hưởng. Các phương pháp này đặc biệt thích hợp để nghiên cứu các tần số cao.
Lặp lại các thử nghiệm va đập thích hợp có thể thu nhận thêm được thông tin về độ ổn định gá lắp
Hình 4 - Đáp ứng va đập của đầu đo gia tốc
5.4 Khuyến cáo kiểu lắp đặt cụ thể
5.4.1 Khái quát chung
Mặt phẳng lắp đặt phải được kiểm tra kỹ lưỡng về độ sạch, độ nhẵn và nếu cần thiết, phải gia công tạo bề mặt phẳng. Bất kỳ sự không ăn khớp nào giữa trục nhạy cảm của đầu đo gia tốc và hướng đo phải được giảm thiểu, nếu không sẽ gây nên sai số tương tự sai số do độ nhạy ngang. Các sai số này thường khá lớn vì chuyển động ngang thường lớn hơn chuyển động dọc trục.
Điều kiện bề mặt và phương pháp gá lắp phải được xác định trong báo cáo thử nghiệm.
Phải tuân thủ điều kiện gá lắp đầu đo theo quy định của nhà chế tạo.
Minh họa về mức độ ảnh hưởng lên sự lựa chọn phương pháp gá lắp đầu đo, dựa trên cơ sở kinh nghiệm tốt nhất cho trong Bảng 1.
Bảng 1 - Chẩn cứ tác động lựa chọn phương pháp gá lắp đầu đo (dựa trên kinh nghiệm tốt nhất)
Kiểu gá lắp
Tần số cộng hưởng
Nhiệt độ
Khối lượng đầu đo và độ cứng vững gá lắp
Hệ số khuyếch đại cộng hưởng Q
Mức độ quan trọng về chất lượng bề mặt gá lắp
Đai ốc
·
·
·
·
·
Keo dán có phụ gia
·
·
·
·
ÿ
Sáp
ÿ
o
ÿ
·
·
Băng dính hai mặt
o
ÿ
o
o
·
Gá lắp nhanh
ÿ
·
ÿ
ÿ
ÿ
Gá lắp chân không
ÿ
·
·
ÿ
ÿ
Nam châm
ÿ
·
o
o
·
Cầm tay
o
o*)
o
o
o
CHÚ THÍCH: *) - tùy thuộc khoảng cách giữa tay cầm và bề mặt đo.
ký hiệu: · cao; ÿ trung bình; o thấp
5.4.2 Gá lắp bằng vít cấy
Đặc tính tần số của đầu đo gá lắp theo kiểu đai ốc phụ thuộc vào:
- Độ vuông góc gá lắp;
- Độ nhẵn và bằng phẳng bề mặt;
- Mômen xoắn lắp đặt.
Mômen xoắn gá lắp để thử nghiệm: M5: 1,8 N.m; M3: 0,6 N.m
Hình 5 - Đáp ứng tần số điển hình của đầu đo gia tốc gá lắp kiểu đai ốc có màng dầu đệm phụ thuộc vào rung động tuyệt đối của kết cấu gá lắp
5.4.2.1 Bề mặt gá lắp phải sạch, phẳng và được gia công nhẵn đến dung sai quy định bởi nhà chế tạo, khi quy định. Trục của chốt bu long phải vuông góc với bề mặt gá lắp.
5.4.2.2 Phải tuân thủ quy định về mômen xoắn lắp đặt do nhà chế tạo quy định để tạo ra mối lắp ghép chắc chắn mà không làm hỏng đầu đo.
5.4.2.3 Tạo lớp màng dầu hay mỡ mỏng giữa các bề mặt giúp cho công tắc ghép nối đạt độ cứng vững tối đa (xem Hình 5).
5.4.2.4 Vít cấy không được chạm đáy trong lỗ lắp ráp vì có thể làm mất độ cứng vững do khe hở giữa chung quá bé.
5.4.3 Gắn kết bằng keo xi măng
Phương pháp này chỉ sử dụng khi kết cấu thử nghiệm không cho phép khoan lỗ, khi cần cách ly điện đầu đo, hay khi độ phẳng bề mặt gá lắp bị hạn chế. Thông thường, vít cấy gắn xi măng được nối ren tại một đầu với mặt đĩa phẳng của đầu đo, tại đầu còn lại - gắn xi măng với kết cấu thử nghiệm.
5.4.3.1 Bề mặt phải được làm sạch theo quy định của nhà chế tạo xi măng.
5.4.3.2 Sử dụng lớp xi măng mỏng sẽ tạo nên liên kết như vòng đệm cứng.
5.4.3.3 Sử dụng các loại keo dán có phụ gia nhiệt cao, chất đông cứng đảm bảo duy trì tiếp xúc mềm bên trong để tạo ra tần số cộng hưởng thấp (Hình 6).
Đặc tính tần số đầu đo gá lắp bằng keo dán chịu ảnh hưởng của:
- Điều kiện bảo quản và phối trộn keo dán;
- Sự nhiễm bẩn dầu, mỡ;
- Độ dày lớp keo dán;
- Mođun đàn hồi cắt ngang của keo dán;
- Nhiệt độ.
Hình 6 - Đáp ứng tần số điển hình của đầu đo gia tốc gá lắp bằng keo dán phụ thuộc vào rung động tuyệt đối của kết cấu gá lắp
CHÚ THÍCH:
- Tần số cộng hưởng lắp đặt fc, được xác định theo công thức:
trong đó: KC là độ cứng chịu nén phức hợp của keo dán;
m là tổng khối lượng của đầu đo và cơ cấu gá lắp.
- Độ cứng chịu nén phức hợp KC của keo dán được xác định theo công thức:
trong đó: E là mođun đàn hồi của keo dán;
h là tỷ số giảm đàn hồi của keo dán;
A, t là diện tích và độ dày tương ứng của lớp keo dán.
- Tần số cộng hưởng ngang fc của lớp keo gắn vào có thể được xác định theo công thức:
trong đó: KS là độ cứng dịch chuyển theo chiều ngang của lớp keo gắn vào:
KS = G(1 + ib)A/t
với: G là mođun bảo toàn ngang của keo dán;
b là tỷ số suy giảm tiếp tuyến ngang.
Nhìn chung để tăng dải tần số vận hành của đầu đo được lắp đặt, keo xi măng cần được làm ướt nhẹ.
5.4.4 Phụ kiện gá lắp
Phụ kiện gá lắp, bao gồm cả các vít cấy cách điện được thiết kế chế tạo sao cho đảm bảo có khối lượng, mômen quán tính thấp, cứng vững và chắc chắn, đối xứng theo trục nhạy cảm.
Tránh sử dụng kết cấu nẹp khi co, vòng móc khi có thể. Khi cần, khuyến cáo sử dụng khối kim loại nhỏ cứng, gá lắp cứng vững vào kết cấu có lỗ khoan trên bề mặt nhẵn, hoặc rãnh chốt kiểu đai ốc.
Nếu bắt buộc sử dụng kết cấu nẹp hoặc vòng móc phức tạp, phải kiểm tra xác định chế độ và tần số rung của kết cấu bằng phương pháp thích hợp.
5.4.5 Các dạng gá lắp khác
Có thể cố định chặt đầu đo bằng băng dính mỏng hai mặt chuyên dùng (Hình 7), bằng phụ kiện gá lắp từ hóa (Hình 9), bằng lớp sáp mỏng (Hình 10), bằng phụ kiện gá lắp nhanh (Hình 11) hoặc gá lắp kiểu chân không (Hình 12). Các phương pháp này rất bị hạn chế và độ khắc nghiệt độ lớn và tần số. Trong trường hợp có nghi ngờ (không chắc chắn), tần số căn bản của nền phải được nghiên cứu thực nghiệm. Không khuyến cáo sử dụng thiết bị đo rung cầm tay (xem Hình-8)
Đặc tính tần số đầu đo gá lắp bằng băng dính hai mặt chịu ảnh hưởng của:
- Tiếp xúc bề mặt đủ tốt;
- Độ phẳng bề mặt gá lắp cơ sở;
- Vật liệu;
- Môđun đàn hồi liên hợp của băng dính.
CHÚ THÍCH: - Xem giới hạn sử dụng tại điều 5.4.5
Hình 7 - Đáp ứng tần số của đầu đo gia tốc gá lắp bằng băng dính hai mặt điển hình phụ thuộc vào rung động tuyệt đối của kết cấu gá lắp
Đặc tính tần số đầu đo bằng đầu dò cầm tay chịu ảnh hưởng của:
- Độ ổn định hướng đo;
- Độ ổn định áp lực đo;
- Áp lực;
- Diện tích tiếp xúc;
- Định hưởng.
CHÚ THÍCH: - Xem giới hạn sử dụng tại điều 5.4.5
Hình 8 - Đáp ứng tần số điển hình của đầu đo gia tốc cầm tay phụ thuộc vào rung động tuyệt đối của kết cấu gá lắp
Đặc tính tần số đầu đo gá lắp bằng nam châm chịu ảnh hưởng của:
- Hướng gá lắp;
- Độ phẳng bề mặt gá lắp cơ sở;
- Khối lượng và độ dầy của nam châm;
- Đặc tính từ hóa của vật liệu.
CHÚ THÍCH: - Xem giới hạn sử dụng tại điều 5.4.5
Hình 9 - Đáp ứng tần số điển hình của đầu đo gia tốc gá lắp bằng nam châm phụ thuộc vào rung động tuyệt đối của kết cấu gá lắp
Đặc tính tần số đầu đo rung gá lắp bằng sáp chịu ảp hưởng của:
- Độ dày lớp sáp (theo diện tích gá lắp);
- Nhiệt độ;
- Diện tích gá lắp;
- Môđun đàn hồi liên hợp của sáp.
CHÚ THÍCH: - Xem giới hạn sử dụng tại điều 5.4.5
Hình 10 - Đặc tính tần số của đầu đo gia tốc gá lắp bằng sáp phụ thuộc vào rung động tuyệt đối của kết cấu gá lắp
CHÚ THÍCH: Phải nghiên cứu thực nghiệm để xác định giới hạn tần số giới hạn trên (tần số cộng hưởng) và biên độ lớn nhất có thể đo được (không gây biến dạng tín hiệu đo) của tổ hợp cơ cấu gá lắp nhanh và đầu đo rung cụ thể liên quan. Không thể đưa ra biểu đồ chung về khả năng đáp ứng tần số (Hình 11).
Đặc tính tần số đầu đo gá lắp nhanh chịu ảnh hưởng của:
- Độ khít của vít cấy gá lắp (theo diện tích gá lắp);
- Mômen xoắn gá lắp;
- Kích thước lắp đặt đầu đo rung;
- Chất lượng của bề mặt lắp đặt;
- Lực cố định cơ khí.
Hình 11 - Gá lắp nhanh
Hình 12 - Gá lắp chân không
a) Trước khi hút chân không; b) Trạng thái làm việc
MỤC LỤC
Lời nói đầu
1 Phạm vi áp dụng
2 Tài liệu viện dẫn
3 Thuật ngữ và định nghĩa
4 Đặc tính kỹ thuật phải được công bố bởi nhà chế tạo đầu đo gia tốc
5 Chọn phương pháp gá lắp
5.1 Yêu cầu chung
5.2 Yêu cầu cụ thể
5.3 Xác định tần số cộng hưởng cơ cấu gá lắp đầu đo
5.4 Khuyến cáo kiểu lắp đặt cụ thể