книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

Еще реже при экспериментальном изучении вибрации сооружений требуется определение ФЧХ вибрографа. В этом случае необходимо измерять разность фаз колебаний рабочего стола вибростенда и пока­ заний вибрографа [88, 89].

Методы градуировки вибрографов с пьезоэлектрическими датчи­ ками определены соответствующим стандартом [218] (см. также [243]). Установлено, что виброметры и вибрографы, предназначенные для из­

§ 7.2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ СООРУЖЕНИЙ

Исследованию колебаний сооружения или строительной конструк­ ции должно предшествовать, как правило, составление программы ис­ пытаний. В программе указываются: объект и цель испытаний, типы виброизмерительной аппаратуры и условия ее работы (синхронность записей, необходимые служебные сигналы и отметки и т. п.), точки и направления измерения вибрации, необходимые режимы источников вибрации (конечно, если эти режимы можно регулировать) и т. д.

Выбор аппаратуры для решения той или иной виброметрической задачи почти всегда встречает определенные трудности, обусловлен­ ные главным образом естественной недостаточностью сведений о пара­ метрах вибрации, подлежащей измерению, и неуниверсальностью тех­ нических характеристик вибрографов. В большинстве случаев основ­ ными критериями при выборе аппаратуры являются: соответствие ра­ бочего диапазона частот вибрографа спектру измеряемых вибраций *; соответствие амплитудного диапазона вибрографа наибольшим ожидае­ мым амплитудам перемещения (скорости, ускорения) объекта; надле­ жащая чувствительность вибрографа, которая должна обеспечить опре­ деление ординат осциллографической кривой с точностью не менее 2—3%. В зависимости от конкретных задач исследования на первый план могут выдвинуться и другие требования: вес датчика, возмож­ ность его дистанционной регулировки и пр.

Иногда вибродатчик с подходящими механическими характеристи­ ками оказывается практически неудобным в эксплуатации вследствие тех или иных конструктивных недостатков, тогда его приходится модер­ низировать, не меняя основных параметров механической и электриче­ ской части датчика (см., например, [121].

Для соединения индукционных вибродатчиков с осциллографом можно использовать любой двухжильный провод в резиновой или пластмассовой изоляции, предпочтительно с токоведущими жилами, состоящими из нескольких проволок. Экранирование провода не тре­ буется. Очень удобен в работе двухжильный провод ШБПВГ (ГОСТ 7399—71) с сечением жил 0,35; 0,5 или 0,75 ммг, имеющий поливинил­ хлоридную изоляцию. Штатные провода, входящие в комплект вибро­ измерительной аппаратуры, делают обычно длиной 100—120 м и сма­ тывают на катушки или в мотки на фанерных каркасах. При больших расстояниях датчик — осциллограф линии удлиняют.

Омическое сопротивление соединительных проводов учитывают при экспериментальном или расчетном определении чувствительности и ча­

* Следует иметь в виду, что, располагая рассчитанной или экспериментально определенной амплитудно-частотной характеристикой, можно в относительно про­ стых случаях определить кинематические параметры измеряемых колебаний и за пределами рабочего диапазона частот вибрографа, хотя и с меньшей точностью",

172

стотных характеристик вибрографа. Для этого при градуировке на

четном определении чувствительности, частотных характеристик, сопро­ тивлений аттенюатора и пр. к сопротивлению измерительной катушки

индукционного датчика добавляется сопротивление соединительного провода.

В отношении выбора точек и направлений измерения вибрации трудно дать указания, пригодные для всех возможных случаев. Для более полного выявления качественных и количественных характери­ стик исследуемого динамического процесса используются весьма раз­

нообразные методические приемы, некоторые из которых рассматри­ ваются ниже.

Часто придерживаются, например, следующей схемы испытаний. Вначале производят запись колебаний при каком-то определенном (по возможности, наиболее типичном) динамическом воздействии и при таком расположении вибродатчиков, которое обеспечивает выявление формы колебаний сооружения или конструкции.

иметь синхронную запись колебаний по трем направлениям в каждой из трех, по возможности наиболее удаленных друг от друга точек, не лежащих на одной оси. Таким образом, при решении данной задачи минимально необходимое количество вибродатчиков равно девяти. При условии использования специальных расстановок датчиков оно может быть уменьшено до восьми-шести [60, 88].

Чтобы при последующей обработке осциллограмм облегчить раз­ деление сложного колебания твердого тела на главные формы, целе­ сообразно размещать три вибродатчика, ориентированные по осям ко­ ординат, в непосредственной близости от центра тяжести тела. Однако такая установка далеко не всегда осуществима технически. При иссле­ довании колебаний, связанных с деформацией конструкции (например, изгибом балки, пластины и пр.), обязательна установка вибродатчиков на опорных частях последней.

В результате выполнения указанного первого этапа исследований обычно удается выделить точки и направления регистрации колебаний, наиболее характерные для данного динамического процесса. Далее, установив приборы в этих характерных точках, получают зависимости измеряемых параметров (амплитуды, частоты или статистических ха­ рактеристик) от режимов источников вибрации.

Желательно не ограничиваться измерениями вибрации только лишь при фактических режимах работы данного сооружения, опреде­ ляющихся условиями его эксплуатации в период измерений. Опыт ис­ следований различных сооружений показывает, что наболев ценные экспериментальные результаты получаются в том случае, когда пред­ принимается, по согласованию со службой эксплуатации, изменение ступенями режимов источников вибрации, если, разумеется, такие изме­ нения возможны по технологическим условиям. Проведению подобных

и пр. Программа утверждается администрацией, ответственной за экс­ плуатацию обследуемого сооружения.

Для выявления формы колебаний конструкции необходимо иметь синхронную запись вибрации иногда в довольно значительном числе точек, зачастую превышающем число измерительных каналов. В таких случаях записи делают последовательно, переставляя все вибродатчики, за исключением одного, двух или трех (в зависимости от числа

173

регистрируемых компонентов), которые стоят в одной точке измерения. Эти вибродатчики являются контрольными, и с их помощью можно при

струкции.

Иногда возникает задача измерить перемещение некоторой точки конструкции относительно другой точки, также испытывающей коле­ бания (например, середины пролета балки относительно опоры). Это может быть достигнуто методом спаренных датчиков, который заклю­ чается в том, что на один гальванометр включаются последовательно два датчика, одинаково ориентированные и установленные в указан­ ных точках. Датчики включаются «на разность», т. е. так, чтобы в слу­ чае движения датчиков в одну сторону наведенные в них э. д. с. вычи­ тались. При этом должна быть обеспечена достаточно хорошая иден­ тичность спариваемых датчиков.

До начала экспериментальных работ на сооружении необходимо условиться о направлении координатных осей X, У и Z (если с по­ мощью вибродатчиков, способных работать в наклонном положении, измеряют колебания конструкции с криволинейными формами, напри­ мер, оболочки, то необходимо дополнительно условиться о положитель­ ном направлении нормали и касательной к точкам поверхности). При размещении вибродатчиков на сооружении необходимо следить за стро­ гой ориентировкой их в направлении осей координат. Для обеспечения однозначности интерпретации записей при изучении формы колебаний придерживаются определенной системы расположения датчика относи­

оказывают вопросы возможности расположения их на сооружении и удобства работы. Предпочтительно устанавливать датчики на практи­ чески горизонтальных поверхностях. В этом случае крепление их к ис­ пытываемой конструкции во избежание подпрыгивания, сползания и т. п. производится лишь в том случае, если расчетное значение наи­ большего ускорения колебаний конструкции превышает 0,2g.

Целесообразно всегда крепить датчик при регистрации интенсив­ ных ударных и импульсивных процессов. Крепление осуществляется с помощью простейших устройств: хомутов, прижимаемых винтами, кронштейнов, деревянных клиньев и т. п. Необходимо обеспечить боль­ шую жесткость крепления: частота собственных колебаний системы крепления с зажатым датчиком должна в 3—5 раз превышать частоту наивысшей гармонической составляющей сигнала, которую необходимо зарегистрировать. По этой причине не допускается использовать какиелибо упругие прокладки между датчиком и деталями крепления. Про­ верку собственной частоты системы крепления можно осуществить, постукивая по закрепленному датчику и осциллографируя его показа­ ния. Размеры и конструктивные формы узла крепления датчика в то же время должны быть выбраны таким образом, чтобы это устрой­ ство с закрепленным в нем датчиком существенно не изменило жест­ кость и массу исследуемого конструктивного элемента.

Кроме отметок времени, обязательных для каждой осциллограммы, зачастую приходится делать и некоторые специальные отметки, напри­ мер, отметку момента пуска машины.

Если при измерениях используется более одного осциллографа, то необходима их синхронизация. Известно много способов синхрониза­ ции. Часто для этой цели на специально выделенный канал каждого осциллографа синхронно подают общие сигналы.

174

В некоторых случаях, например при динамических испытаниях конструкций вибромашиной, при балансировке машин с вращающимися частями и пр., на один из гальванометров подается сигнал, соответ­ ствующий моменту прохождения ротора через определенное положе­ ние. Изготовление соответствующего датчика сигнала трудностей не представляет [2J4],

При регистрации колебаний сооружений, обусловленных взрывами, желательно иметь на осциллограмме отметку момента взрыва. Удобным приспособлением для получения такой отметки является петля из про­ вода, одеваемая на заряд и соединенная последовательно с источни­ ком постоянного тока, омическим сопротивлением и гальванометром. Необходимость в отметке начала явления может встретиться при иссле­ довании и других нестационарных процессов.

Оптимальная длительность регистрации стационарных колебаний сооружения может, вообще говоря, варьироваться в очень широких пределах и определяется в основном характером и спектральными осо­ бенностями исследуемых процессов. В случае периодических колебаний рекомендуется осциллографировать 10—20 полных периодов, с тем чтобы учесть нерегулярные отклонения кривой. При стационарных слу­ чайных процессах оптимальное время осциллографирования определя­ ется спектральными характеристиками исследуемых процессов и тре­ буемой точностью измерений (см. § 9.1).

Серьезное внимание должно быть обращено на организацию связи (телефонной, визуальной, радио) между оператором, ведущим запись вибрации, лицом, в ведении которого находится управление режимами работы обрудования, возбуждающего динамические нагрузки, и дру­ гими участниками испытаний.

Перед измерениями необходимо в обязательном порядке произво­ дить проверку и настройку аппаратуры непосредственно на объекте измерения.

При использовании низкочастотных вибродатчиков с регулируемым периодом собственных колебаний (например, ВЭГИК, И001 и др.) сле­

аттенюатора, гальванометры и пр.) должны иметь одинаковую строго определенную полярность, которая соблюдается при их электрическом соединении.

После установки вибродатчиков на объекте измерений и до начала

правлении той оси, по которой ориентирован этот датчик, а по экрану осциллографа наблюдают за перемещением лучей гальванометров. При правильной полярности начальное перемещение лучей всех гальвано­ метров происходит в одном и том же направлении.

Перед началом измерений следует снять одну или несколько проб­ ных осциллограмм, в процессе получения которых проверяют весь виброизмерительный комплект в целом, подбирают накал осветителей, ско­ рость развертки, наиболее подходящие коэффициенты увеличения виб­ рографов и т. п.

При проведении измерений не следует допускать ходьбы вблизи мест установки вибродатчиков.

* Эту операцию целесообразно выполнять лишь при использовании низко­ частотных вибродатчиков ВЭГИК, И001 и др.

175

Для проверки измерительного канала на отсутствие помех от дру­ гих каналов и внешних помех от электрической сети и других источ­ ников арретируют подвесную систему вибродатчика, установленного на объекте измерения, и делают осциллографическую запись. Прямая ли­ ния на осциллограмме свидетельствует об отсутствии помех. При борьбе с помехами от переменных электромагнитных полей хорошие

и магнитного блока гальванометров.

Полезно до начала основного цикла измерений провести так назы­ ваемую «запись на идентичность». Для этого все датчики виброизмерительного комплекта одинаково ориентируются и устанавливаются, по возможности, близко друг к другу на небольшой площадке исследуе­ мого объекта, в пределах которой различие параметров колебаний от­ дельных точек площадки можно считать несущественным. Запись про­ изводится при одинаковой чувствительности всех вибрографов. В хо­ рошо подготовленном виброизмерительном комплекте фазовые сдвиги между каналами практически отсутствуют, а различия в амплитудах колебаний по отдельным записям должны быть небольшими (в преде­ лах разброса чувствительности вибрографов).

Запись условий проведения испытаний рекомендуется вести в жур­ нале в табличной форме.

Сразу после фотообработки и сушки осциллограмм на них делают, согласно журналу, надписи (предпочтительнее простым карандашом). Указывают: место проведения испытаний (завод, цех, объект и т. д.), дату, порядковый номер осциллограммы, время (часы и минуты) на­ чала осциллографирования, условия испытаний (режимы источников вибрации и пр.), период отметок времени. Против каждой осцилло­

измерительных устройств, включаемых между датчиком и гальвано­ метром, место установки датчика, направление измеряемых колебаний, коэффициент увеличения (загрубления) и другие данные. Если одной из задач испытаний является определение формы колебаний сооруже­ ния или конструкции, то должна быть установлена и соответствующим образом обозначена на осциллограмме полярность вибрографов: на­ пример, «перемещение луча на осциллограмме вверх соответствует пе­ ремещению объекта в положительном направлении оси X, Y или 2». Эти обозначения лучше делать условными знаками.

Если в качестве регистрирующего устройства используется быстро­ действующий самопишущий прибор, то стремятся большую часть запи­ сей делать непосредственно на регистрационной ленте в процессе про­ ведения испытаний.

В последнее время в ряде организаций появились передвижные виброметрические лаборатории. В них регистрирующая часть аппара­ туры и блоки питания смонтированы в переоборудованном соответ­ ствующим образом кузове автобуса, а на исследуемый объект выно­ сятся только датчики с проводами, а также вибровозбудительное обо­ рудование, если оно имеется в комплекте.

Иногда в том же автобусе устраивается и фотолаборатория. Ис­ пользование передвижных виброметрических лабораторий позволяет резко повысить производительность и оперативность при измерениях вибрации сооружений.

* В журнале перед началом испытаний делают запись о заводских номерах гальванометров, а в дальнейшем отмечают все случаи замены гальванометров.

** Если при испытаниях используется несколько типов вибродатчиков.

176

устанавливают на нескольких секциях плотины, по одному прибору в середине каждой секции. Записи вибрации делают в периоды кратко­ временных частичных открытий одного пролета на крайней секции из числа тех, где установлены вибродатчики. Остальные пролеты водо­ сливной 'плотины должны быть закрыты. В этом случае под гидро­

на других секциях, представляется возможным судить о скорости рас­ пространения и затухании колебаний с расстоянием. Записи произво­ дят при ориентировке всех датчиков последовательно по каждой из трех осей.

При измерении скоростей распространения колебаний вдоль пло­ тины из местных материалов вибродатчики устанавливают обычно вдоль гребня плотины, причем расстояние между ними изсоображений удобства фазовой корреляции принимают равным не более ‘Д длины волны (согласно экспериментальным данным длина волн, распростра­ няющихся в теле земляных плотин, намытых из песчаных грунтов, со­ ставляет 180—300 м/сек). В качестве источника волн в грунте может быть использовано расположеннное поблизости бетонное сооружение, подвергающееся действию динамической нагрузки, например, секция водосливной плотины с открытыми водосливными пролетами или сек­ ция здания ГЭС с работающими гидроагрегатами.

Измерения вибрации гидросооружений с помощью переносных виб­ родатчиков, несложные в техническом отношении, все же имеют огра­ ниченные возможности в отношении решаемых задач. Более углублен­ ное исследование в натурных условиях динамических процессов, про­ исходящих в гидросооружениях, требует использования аппаратуры (вибродатчиков, датчиков давления, тензометров), специально монти­ руемой на сооружении.

Динамические исследования гидросооружений с помощью аппа­ ратуры, специально монтируемой на сооружении, в СССР выполнены на различных гидроузлах *. Одновременно с регистрацией показаний аппаратуры, смонтированной непосредственно на сооружении, в боль­ шинстве случаев измеряли также вибрации бетонных сооружений (сек­ ций водослива, зданий ГЭС, голов шлюзов) с помощью переносных вибродатчиков, которые ставились в доступных местах.

Установка аппаратуры в подводные части сооружений (особенно в бетонные) вызывает значительные трудности, поэтому возникла тен­ денция выполнять необходимые подготовительные работы в строи­ тельный период. На крупных гидротехнических сооружениях размеще­ ние аппаратуры для динамических исследований и устройство соот­ ветствующих коммуникаций предусматриваются обычно в техническом и рабочем проектах гидроузла. Постановка динамических испытаний глубинных и поверхностных затворов в некоторых случаях возможна без подготовительных мероприятий в строительный период. Приме« няются следующие методы организации работ по размещению апі^Ц

лями закладывают в. бетон сооружения в строительный период; в даль­

закладывают в бетон только гнезда и приспособления, предназначен­ ные для установки измерительной аппаратуры. Последнюю устанавли­ вают в эти гнезда уже в эксплуатационный период. Иногда для мон­

* См., например, Труды координационных совещаний по" гидротехнике, Из­ вестия ВНИИГ, Труды Гидропроекта.

178

тажа аппаратуры используют короткий период времени между окон­ чанием строительных работ и затоплением сооружения. При устройстве кабельных коммуникаций применяются две схемы: укладка кабеля

Если для статических исследований гидросооружений используется преимущественно закладная аппаратура, то для динамических иссле­

ВДЦ-1 [223], ВДЦ-2 и др.), как отмечалось в § 2.2, отличаются отно­ сительной нестабильностью положения равновесия маятника. Поэтому при длительном пребывании датчика на объекте его маятник из-за не­ значительного наклона корпуса, изменения температуры окружающей среды, усталости металла пружины и других причин может изменить положение равновесия и выйти за пределы рабочего участка. Вернуть

в этих специфических условиях разработаны системы дистанционной регулировки положения равновесия маятника датчика [122, 238].

Вибродатчики, имеющие частоту собственных колебаний выше 10 гц, отличаются достаточно стабильным положением равновесия под­ весной системы, поэтому могут устанавливаться на длительное время в недоступных местах без специальных устройств дистанционной регу­ лировки.

Корпуса вибродатчиков в большинстве случаев негерметичны *. Для установки их в подводные части гидросооружений приходится ис­ пользовать специальные герметичные контейнеры.

На рис. 7.2 показана конструкция герметичного контейнера ** для вибродатчика СПМ-16. Датчик 9 (заводской корпус снят) закрепляется в контейнере кольцом с резьбой 2. Кабель выведен через сальник.

Примерно такую же конструкцию имеет герметичный контейнер для несерийного вибродатчика НС-1УМ. (рис. 7.3). Герметичность со­ единения кабеля в резиновой оболочке с металлическим штуцером до­ стигается здесь горячей вулканизацией. Метод вулканизации вообще широко используется для устройства герметичного ввода кабеля в кон­ трольно-измерительные приборы, закладываемые в гидросооруже­ ния [247].

Состав применяемой аппаратуры, количество датчиков и размеще­ ние их на сооружении определяются целями исследования и конструк­ тивными особенностями сооружения. Поэтому проект размещения аппа­ ратуры требует каждый раз индивидуального подхода. Ниже приво­ дятся некоторые общие соображения по выбору мест расположения датчиков из опыта предыдущих исследований. В той или иной мере они могут быть учтены при постановке аналогичных работ на гидросоору­ жениях в будущем.

* В некоторых приборах, однако, предусмотрена герметизация. Например,

179

давления, выполненных на сооружениях, близких по конструкции. Измерительные створы обычно назначают в двух направлениях: вдоль и поперек потока (на креплениях откосов земляных сооружений — по падению и по простиранию откоса). Датчики давления устанавливают также на местных препятствиях: шашках, пирсах, расщепителях струи, водобойных стенках и др. Учитывая значительную вероятность выхода из строя датчиков давления вследствие ударов твердых тел, следует дублировать некоторые приборы, наиболее ответственные по своему положению в измерительном створе. Дублирующие датчики располага­ ются по соседству с основными.

Тензодатчики монтируют в тех местах конструкции, где по рас­ четам должны наблюдаться наибольшие деформации. Некоторое коли­ чество их следует предусмотреть также на участках возможных кон­ центраций напряжений.

Тензорезисторы предпочтительно монтировать в виде розеток для возможности определения главных напряжений.

Методика наклейки тензорезисторов на поверхность конструкции

иих герметизации изложена в гл. 5.

Всостав подготовительных работ, проводимых в строительный пе­

риод и направленных к обеспечению установки в дальнейшем съемной измерительной аппаратуры в подводные бетонные части сооружений, входит: устройство гнезд и приспособлений для монтажа приборов, прокладка кабелей, устройство помещений КИА. При составлении про­ екта и выполнении этих работ необходимо использовать опыт, накоп­ ленный исследовательскими организациями в части установки конт­ рольно-измерительных приборов в бетонные гидротехнические сооруже­ ния [132, 246, 247]. Для качественного выполнения подготовительных строительно-монтажных работ необходим постоянный авторский над­ зор со стороны представителей организации, выполняющей исследо­ вание.

Конструкция гнезд под приборы должна быть рассчитана на дли­ тельное пребывание их в водной среде (или, в зависимости от распо­ ложения приборов, в зоне переменного уровня) и в условиях действия динамических нагрузок, обусловленных пульсирующим давлением вод­ ного потока. Нежелательно применение резьбовых соединений, не до­ пускающих замены.

Контейнеры с вибродатчиками устанавливаются в специальных ко­ лодцах, закрываемых йрышками. Внутри колодца предусматривается съемная система крепления контейнера. Один из вариантов конструк­ ции колодца показан на рис. 7.4. При установке контейнера кабель укладывают в кольцевом зазоре между стенками колодца и бетонным столиком. Колодец закрывается стальной крышкой. Верхняя поверх­ ность крышки и фланца располагается заподлицо с бетонной поверхно­ стью сооружения.

Конструкция гнезда под датчик давления должна обеспечивать расположение приемной части (мембраны) датчика заподлицо с по­ верхностью сооружения. Чтобы уменьшить влияние неровностей поверх­ ности бетона на показания датчика, прибегают к искусственному соз­ данию гладкой поверхности в окрестности датчика путем установки вокруг него металлического кольца диаметром не менее трех диамет­ ров приемной части датчика. Как правило, при отсутствии датчика его место закрывается заглушкой.

По окончании бетонирования составляют исполнительную схему, в которой указывают фактические расстояния между гнездами и рас­ стояния от гнезд до осей сооружения, а также индивидуальные откло­ нения конструкции гнезд от проекта, если они имеют место (например, несовпадение внешней поверхности деталей гнезда с поверхностью

181