Mechanické kmitání škodí strojům i člověku, ale je také užitečným produktem techniky

Mechanické kmitání snižuje spolehlivost, životnost a přesnost funkce mnoha strojírenských výrobků, zbavuje člověka klidu a často ohrožuje jeho zdraví. Může je však i posílit. Dokonalé změření a analýza kmitavého pohybu jsou základním předpokladem pro jeho výrazné omezení i efektivní využití. Senzory parametrů mechanického kmitání mají pro pokrok ve strojírenství a v dalších oborech značný význam. Mechanické kmitání je charakterizováno dráhou (výchylkou), rychlostí nebo zrychlením. Derivací dráhy x podle času t určujeme rychlost kmitavého pohybu dx/dt a druhou derivací dráhy podle času d2x/dt2 určíme zrychlení kmitavého pohybu. Pro lékařské účely související s pohybem člověka v prostoru (v leteckém a kosmickém zdravotnictví) má smysl měřit ještě d3x/dt3 - gradient zrychlení. Jedním senzorem vybaveným jednoduchými obvody elektrické integrace a derivace můžeme změřit libovolný parametr mechanického kmitání. Zdrojem mechanického kmitání s jedinou frekvencí je nejčastěji nevyváženost rotoru pohonné jednotky. Zdrojem mechanického kmitání s více náhodnými složkami mohou být kmity vyvolané nerovnostmi vozovky pod jedoucím silničním vozidlem s nedostatečně odpruženou kabinou pro pasažéry či poryvy větru působícími např. na letoun. Snahou konstruktérů je minimalizovat zdroje mechanického kmitání a jejich působení konstrukčními úpravami v místech, která by mohla být kritická pro poškození stroje, nebo pro zhoršení komfortu jeho obsluhy, resp. užívání. Mechanické kmitání dosahuje vysokých hodnot u málo tlumené rezonance. Ta vzniká při shodě frekvence kmitání generovaného budicím zdrojem a frekvencemi nedostatečně tlumených vlastních kmitů různých součástí mechanické konstrukce, existuje-li mechanicka vazba přenášející s minimálními ztrátami generované kmity. Tuto problematiku může činit složitější řada skutečností. Nedaří se vždy, aby vlastní málo tlumené frekvence všech součástí složité konstrukce strojů nenacházely dostatečnou vazbu na zdroje generovaných kmitů. Situaci komplikuje např. značný rozdíl dynamických charakteristik konstrukcí prázdných a postupně až přeplněných dopravních prostředků. Mechanickou rezonanci lze však pozitivně využít u strojů a zařízení, které generují mechanické kmity pro potřebu člověka tím, že je nahrazováno kmitání vynucené kmitáním rezonančním. Tak tomu je u strojních i ručních sbíječek při dobývání hornin, u zařízení pro zhutňování zeminy, u motorových pil, u rezonančních elektrohydraulických a elektromechanických zkušebních strojů pro únavové zkoušky různých strojů a součástek. V současné době se připravují předpisy a normy, v nichž budou stanovena maximálně přípustná spektra kmitání rukojetí ručních mechanických nástrojů. MĚŘENÍ MECHANICKÉHO KMITÁNÍ Dlouholetá tradice měření mechanického kmitání zejména v leteckém a automobilovém průmyslu přivedla tuto techniku na vysokou úroveň. Jde o konstrukční provedení senzorů s využitím nejvhodnějších mechanicko-elektrických převodů a o elektroniku a software pro automatické zpracování naměřených dat podle požadavků konstruktérů a výpočtářů. Tato měřicí technika byla převážně vyvinuta pro využití v experimentálním strojírenském výzkumu a vývoji při pevnostních měřeních, při měření dynamických charakteristik strojírenských výrobků a jako součást elektrohydralických zkušebních systémů pro životnostní a únavové zkoušky. Nejčastěji je mechanické kmitání měřeno akcelerometry, tedy senzory s měřicím rozsahem pod vlastní frekvencí fo jejich měřicí soustavy, zpravidla od nuly (pokud to dovolí měřicí princip) do ca 0,6 až 0,8 fo (podle jejího tlumení). Akcelerometry měří parametry mechanického kmitání nejčastěji v jedné měřicí ose. Existují však akcelerometry měřící vektor zrychlení v rovině či v prostoru prostřednictvím měření jeho složek dvěma či třemi měřicími systémy v pravoúhlém uspořádání jejich měřicích os. Existují i akcelerometry pro přímé měření torzního zrychlení mechanického kmitání, jehož zdrojem je např. proměnná zátěž rotujícího hřídele. Přenos měřicího signálu z rotujícího hřídele na pevný bod jednoduše umožňuje induktivní princip, i když bezdrátový přenos stovek měřicích signálů s využitím mikroelektroniky je dnes běžně používán např. ve vyspělém leteckém zkušebnictví. Významnou výhodou akcelerometrů je, že jejich měřicí systém vykazuje značnou tuhost ve směru kolmém na měřicí osu, takže příčné působení kmitavého pohybu zpravidla neovlivňuje výsledek měření. Malá hmotnost akcelerometru by neměla nepřípustně zvětšit hmotnost zkoumaného objektu a tak změnit jeho frekvenční charakteristiku. Měřit mechanické kmitání ve strojírenství je aktuální pro bezpečnost a životnost zkoumaných objektů nejčastěji ve frekvenčním rozsahu od nejnižších frekvencí do 100 až 400 Hz, ve speciálních případech (např. u vysokootáčkových lopatkových strojů) do 1500 Hz. Při měření mechanického kmitání obsahujícího více harmonických složek, nebo vykazujícího stochastický charakter v širokém frekvenčním rozsahu, je třeba respektovat velikost časového zpoždění rozdílných frekvenčních složek dostatečně vysokou vlastní frekvencí měřicí soustavy akcelerometru. Jen tak obdržíme dynamickou charakteristiku měřeného objektu odpovídající skutečnosti. Velikost vlastní frekvence měřicího systému akcelerometru nemůže však být libovolně zvyšována. Je limitována především jeho citlivostí. Není všeobecně známo, že při měření kmitavého pohybu o vysokých frekvencích je správnost měřených hodnot limitována nejen frekvenční charakteristikou akcelerometru, nebo jiného typu senzoru vibrací, ale v některých případech i nedostatečnou tuhostí, kterou vykazuje spojení senzoru s měřeným objektem. Měření mechanického kmitání vibrometry ve frekvenčním rozsahu nad vlastní frekvencí jejich měřicího systému bylo do praxe zavedeno pouze při aplikaci indukčního měřicího principu. Měřicí signál je přímo úměrný rychlosti kmitavého pohybu, při kterém protínají závity cívky homogenní magnetické pole permanentního magnetu v senzoru. V tomto případě je často měněn měřený signál jednoduchým elektrickým integračním nebo derivačním obvodem na signál úměrný dráze nebo zrychlení kmitavého pohybu. Na otázku, kdy je třeba ve strojírenské praxi měřit dráhu mechanického kmitání a kdy jeho zrychlení, není jednoznačná odpověď. Pro měření na nejnižších frekvencích to zpravidla bývá dráha (protože zrychlení jsou nepatrná), na vyšších frekvencích roste zpravidla fyzikální význam zrychlení. NEJČASTĚJI POUŽÍVANÉ SENZORY PRO MĚŘENÍ PARAMETRŮ MECHANICKÉHO KMITÁNÍ Na měřicí mechanický systém - hmota, pružina, tlumič- umístěný v senzoru a realizovaný s využitím prvků zvoleného mechanicko-elektrického převodu působí měřené mechanické kmitání převáděné na elektrický signál. Dlouholetá konkurence světově proslulých firem zabývajících se výzkumem, vývojem a výrobou senzorů mechanického kmitání přivedla jejich řešení k dokonalosti a vylučuje překvapení nových převratných řešení. Nejpoužívanější jsou piezoelektrické akcelerometry vyznačující se minimální hmotností, např. 5 až 20 g a nejvyšší vlastní frekvencí měřicího systému až několik desítek kHz. Z fyzikální podstaty tohoto systému však vyplývá, že měřicí rozsah je omezen na nejnižších frekvencích a může být předpokládán např. v hodnotě 2 až 3 Hz. Vposledních letech se rozšířilo používání piezorezistentních akcelerometrů, ve kterých jsou využity křemíkové tenzometry. Tento měřicí systém vykazuje minimální hmotnost, umožňuje měření od nejnižších frekvencí bez omezení zpravidla do frekvencí nad 1 i více kHz. Je dostatečně citlivý. Induktivní akcelerometr generuje měřicí signál při změně polohy elementu magnetického obvodu a umožňuje měření od nejnižších frekvencí. Na vyšších frekvencích je zpravidla omezen vlastní frekvencí měřicí soustavy na frekvenci např. 1 kHz. Jeho hmotnost je vyšší než dříve popsaných senzorů. Indukční senzor není napájen. Měří v konstantním magnetickém poli rychlost kmitavého pohybu měřicí soustavy (cívka a tlumicí závit nakrátko) zavěšené v měřicí ose snímače s vlastní frekvencí cca 10 Hz a poměrným útlumem cca D = 0,7. Měřicí frekvenční rozsah je v dolní částí omezen vlastní frekvencí soustavy a v horní části nároky na mechanické spojení se sledovaným objektem, např do 200 Hz. Je-li snímáno kmitání tímto senzorem drženým v ruce, lze měřit v širším frekvenčním rozsahu. ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH DAT Zatímco se konstrukční provedení senzorů pro měření zrychlení kmitavého pohybu v posledních desetiletích příliš neměnilo, byl zaznamenán rychlý pokrok v elektronice. Hlavní úlohu - měřit a žádaným způsobem zviditelnit frekvenční spektrum měřeného signálu a měřit velikosti jednotlivých harmonických složek spektra v závislosti na režimech funkce zkoumaného objektu - lze nyní běžně provádět s podstatně vyšší přesností. Umožňuje to použití velmi selektivních pásmových propustí s možností šířku propustného pásma nastavovat. U stochastického kmitání se nejčastěji využívá statistických metod zpracování dat. Měření počtu překročení nastavených hladin je prováděno i přenosnými přístroji vybavenými často dalšími funkcemi umožňujícími např. stanovit nevývahu při provozním vyvažování rotorů strojů ve smontovaném stavu metodami tzv. vibrodiagnostiky. Využití mikroelektroniky a softwareových technologií otevřelo v této oblasti zcela nové možnosti a rozšířilo využití senzorů mechanického kmitání v automatizaci. Elektronické systémy s akcelerometry jsou využívány při experimentálním zjišťování spolehlivosti a životnosti různých strojírenských výrobků, inteligentními diagnostickými obvody je např. sledována jejich provozní bezpečnost. V letounech jsou v tzv. černých skříňkách zaznamenávány signály senzorů, které jsou v případě havárie jedním z dokladů o její pravděpodobné příčině. Senzory parametrů kmitavého pohybu jsou cejchovány na elektrodynamických (indukčních) vibrátorech, u kterých v magnetickém poli kmitá cívka napájená střídavým proudem a vybavená kontrolním senzorem parametrů mechanického kmitání. Frekvenční rozsah cejchování je omezen v horní části více faktory konstrukčního uspořádání na frekvencích řádu několika kHz. Existují i cejchovní vibrátory, u kterých kmitání generuje piezoelektrický element. Toto zařízení lze využít ke změření frekvenční charakteristiky akcelerometrů ve frekvenčním rozsahu až několika desítek kHz. Přesnost měření vibrací (podle okolností 1 až 5%) dosahovaná soudobými zařízeními nejčastěji vyhovuje požadavkům praxe. MECHANICKÉ KMITÁNÍ JAKO UKAZATEL PROVOZNÍHO STAVU STROJNÍCH ZAŘÍZENÍ Poruchy velké části strojních zařízení vlivem mechanického kmitání mají jen zřídka náhlý a zcela nečekaný průběh. Naopak, většina z nich jeví delší dobu před vlastní poruchou určité známky změn normálního stavu. Typickým příkladem jsou elektrárenská turbosoustrojí, turbokompresory, velké ventilátory, čerpadla apod. Praxe prokázala, že trvalé měření frekvenčního spektra mechanického kmitání a jeho vybraných částí u sledovaného objektu umožňuje často rozlišit etapu záběhu, etapu bezporuchového chodu při plánované údržbě, etapu, ve které je třeba provést nutnou opravu a okamžik nutného zastavení provozu objektu, které zamezí havárii. Podle druhu provozu je vibrodiagnostika zaměřena nejen na ustálené provozní režimy, ale též na přechodové režimy provozu stroje při jeho spouštění a odstavování a na mimořádné režimy stroje při jeho maximálním výkonu. Dokonalost vibrodiagnostických systémů závisí především na spolehlivosti a přesnosti použitých senzorů a vhodném software použité výpočetní techniky. Návrh stavby vibrodiagnostického systému s automatizací jeho funkcí by měl souviset s odhadem očekávaných nákladů při případné havárii sledovaného objektu způsobených zanedbanou vibrodiagnostikou. Mechanické kmitání zhoršující přesnost obrábění je způsobeno především zvětšením nevývahy obráběcích systémů. Moderní vyvažovací technika dnes umožňuje z jednoho místa sledovat nevývahu u většího počtu obráběcích strojů a signalizovat u kteréhokoliv z nich nepřípustný stav. MECHANICKÉ KMITÁNÍ PŮSOBÍ NA LIDSKÝ ORGANISMUS Organismus člověka je přizpůsoben mechanickému kmitání, které na něho působí při jeho přirozených činnostech, zejména při chůzi a běhu. Některé typy mechanického kmitání, které přinesla civilizace, člověk nesnáší, ale musí jim přivykat. To se týká např. řidičů nákladních vozidel a traktorů, dělníků pracujících se sbíječkami i dalších profesí. Působení prostorových zrychlení o frekvencích kolem 1 Hz při akrobacii sportovních letounů či manévrech bojových letounů, kdy se současně mění směr a rychlost dráhy letu, vyvolává u netrénovaných účastníků takových letů ztrátu prostorové orientace a případně i vědomí. Lékaři na základě mnoha dlouhodobých experimentů určili, které frekvence mechanického kmitání určité velikosti a směru působení činí člověku potíže. Už před třiceti lety byla vydána první norma ISO 2631, ve které jsou stanoveny mezní křivky pro zrychlení mechanického pohybu působícího po dobu jedné minuty až 12 hodin ve frekvenčním rozsahu 1 až 80 Hz na lidský organismus. Týká se to případů, kdy je celé tělo vystaveno zrychlení kmitavého pohybu, přenášenému buď na chodidla nebo hýždě sedícího člověka, nebo na místa podepření ležícího člověka. V normě jsou uvedena tři kritéria: * Omezení pohodlí - je aktuální v osobní dopravě * Snížení výkonnosti - je významné pro obsluhu strojů * Kritická mez působícího zrychlení - při jejím překročení hrozí trvalé poškození zdraví. Zjednodušený mechanický model lidského těla s vyznačením pásem rezonančních frekvencí v jeho jednotlivých částech (podle vědeckých pracovníků prestižní dánské firmy Brüel & Kjaer) ukazuje, že významný frekvenční rozsah mechanického kmitání působícího na lidský organismus je 1 až 100 Hz. V současné době je už zkoumán podstatně větší frekvenční rozsah mechanického kmitání 0,1 až 1500 Hz. V lékařství se využívá mechanické kmitání k masáži (prokrvení) některých partií lidského těla, která zbavuje člověka bolesti a únavy. Budiče mechanického kmitání jsou umísťovány v anatomicky tvarovaných odpočinkových křeslech. Velikým hitem se staly koupele ve vířené vodě, její působení je podobné působení masážního zařízení. OCHRANA PROTI PŮSOBENÍ MECHANICKÉHO KMITÁNÍ Intenzitu mechanického kmitání lze snižovat konstrukčními úpravami, které umožňují zmenšovat zbytkové nevyváženosti točivých strojů a tím i snižovat působení odstředivých sil. Změnou vlastních frekvencí některých částí mechanické konstrukce je zamezeno rezonančnímu kmitání. Šíření mechanického kmitání je omezováno pružným uložením chráněných objektů. Těmi mohou být kabiny pasažérů v dopravních prostředcích a navíc i jejich křesla. V částech světa, kde se vyskytují zemětřesení, jsou před mechanickým kmitáním chráněny i základy budov a jejich stavba se vyznačuje opatřeními, která zvyšují odolnost proti vlivu kmitů vyvolaných zemětřesením. Průvodním jevem mechanického kmitání o vyšších frekvencích je hluk, který může uvádět při značné akustické vazbě do rezonančního kmitání některou součást stroje, např. jeho kryt. Vhodným nátěrem, nebo změnou tuhosti rezonující součásti lze tento efekt omezit, nebo dokonce odstranit. PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ MECHANICKÉHO KMITÁNÍ A DYNAMICKÉ ZKOUŠKY STROJÍRENSKÝCH VÝROBKŮ JSOU PŘÍLEŽITOSTÍ PRO NÁŠ VÝVOJ A HIGH-TECH VÝROBU Snižování mechanického kmitání zvyšující spolehlivost a životnosti strojů a komfort jejich provozu je cílem náročné techniky využívané v dynamických zkušebnách. Její potřeba se nepřetržitě zvyšuje. Vyznačuje se přesnými senzory mechanických veličin, elektronikou pro automatické zpracování naměřených dat a elektrohydraulickými zkušebními stroji a systémy. Nedostatek této techniky je jen z části úspěšně řešen v našem průmyslu. Nepochybně by si však zasloužil větší pozornost a podporu i ze strany státu. . JIŘÍ ČERNOHORSKÝ