Analiza drgań, diagnostyka, wyważanie – FFT.

    SPIS TREŚCI:

    Wersja ROBOCZA - update: 2014-12-01 21:38
    1. Wstęp
    2. Zbieramy dane: drgań/wibracji.
      • karta dźwiękowa.
      • czujniki: Mikrofon, ACC
      • mocowanie czujnika
    3. Analiza FFT, oprogramowanie.
    4. Diagnostyka łożysk,
    5. Dobieramy wibro-izolator gimbala,
    6. Procedura wyważania silników/śmigieł
    7. Podziękowania.
    8. Literatura.

1. Wstęp.

Każdy właściciel wielo-wirnikowca spotkał się z problemem wyważania śmigieł, silników oraz z drganiami/wibracjami układu napędowego. Pomimo wielu wysiłków odseparowania drgań, wpływają na kamerę psując najlepsze ujęcia filmowe. Stosowane metody wyważania za pomocą magnetycznych wyważarek (śmigiła), laserowych wskaźników, rejestrowanie drgań przez komputer pokładowy FC itp. są bardzo czasochłonne i do końca nie dają odpowiedzi z jakiego typu wibracjami mamy styczność (Hz), jaka jest ich amplituda (energia). Dodam iż komputer pokładowy KFC32 może odczytywać drgania z czujnika ACC z częstotliwością próbkowania 1KHz (ograniczenie czujnika), więc niemożliwe jest programowe filtrowanie częstotliwości powyżej 500Hz.


Co to są drgania/wibracje ?

Drganiami nazywa się zmiany wielkości fizycznej występujące w funkcji czasu i polegające na tym, że jej wartości są na przemian rosnące i malejące względem pewnego poziomu odniesienia. Wibracje (drgania mechaniczne) to niskoczęstotliwościowe drgania akustyczne rozprzestrzeniające się w ośrodkach stałych.

Wibracje są również często źródłem informacji odnośnie stanu technicznego silników (łożysk) i jakości jej wykonywania (niska sztywność). Mogą powodować zakłócenia w prawidłowym działaniu FC komputera pokładowego, gimbala, kamery video, zmniejszać ich trwałość i niezawodność oraz niekorzystnie wpływać na konstrukcje. Wibracje są szkodliwym czynnikiem fizycznym, który należy eliminować lub przynajmniej ograniczać.

Wiemy już, że wibracje/drgania to w zasadzie drgania akustyczne rozchodzące się w ośrodku stałym, czy możemy je zmierzyć bez specjalistycznych urządzeń ? Z pomocą przyjdzie nam zwykły komputer wyposażony w kartę dźwiękową.


2. Pomiar Drgań/Wibracji.

Wspomniałem już w wstępie, drgania to fala akustyczna rozchodząca się w ośrodku stałym. Gdybyśmy dysponowali odpowiednim czujnikiem, to do rejestracji drgań moglibyśmy użyć kartę dźwiękową. Jak się okazuje, nawet mikrofon po małej adaptacji może służyć za czujnik wibracji.

Komputer + karta dźwiękowa.
Większość współczesnych kart dźwiękowych potrafi rejestrować sygnał akustyczny z rozdzielczością 24bitów i częstotliwością próbkowania dochodzącą nawet do 192 000Hz. Częstotliwość próbkowania ma istotne znaczenie podczas analizy sygnałów FFT (Fast Fourier Transform - Szybka Transformata Fouriera, o tym więcej dalszej części). Wpływa na zakres częstotliwości jaki możemy analizować. W ustawieniach systemu Windows możemy skonfigurować wejście karty dźwiękowej do którego podepniemy czujnik oraz parametry próbkowania. Poniżej przykład konfiguracji w systemie Windows 7.

Czujniki: Mikrofon, ACC.
MIKROFON
Do prostego zgrubnego pomiaru drgań możemy użyć zwykłego mikrofonu pojemnościowego, który musimy jednak „ogłuszyć” - znieczulić na wpływ akustycznej fali rozchodzącej się w powietrzu. Wykonamy to za pomocą odrobiny wosku pszczelego, oklejamy nim cały mikrofon. Wystarczy warstwa około 1-2mm. Wosk izoluje drgania powietrza jednak mikrofon nadal pozostaje wrażliwy na fale akustyczne rozchodzące się w ośrodkach stałych. Wystarczy więc przykleić woskiem (przycisnąć) mikrofon do ramienia na którym zainstalowaliśmy silnik i uruchomić rejestrację dźwięku na kanale do którego podpięliśmy mikrofon.
Uwaga:
- taki układ jest wrażliwy na zakłócenia elektryczne generowane przez przewody zasilające silnik
- pomiar drgań w jednej osi
W niskich częstotliwościach wyjątkowo źle sprawuje się tani mikrofon komputerowy. Z powodu jego sporej czułości w niskich częstotliwościach i źle ekranowanego, niesymetrycznego kabla połączeniowego zakłócenia sieciowe będą mocne. W zakresie najniższych częstotliwości pojawiają się pewne składowe zakłócające. Ich obecność wynika po części z niezwykle niskiej częstotliwości granicznej tego zestawu (około – 30 Hz).

ACC
Idealną alternatywą dla mikrofonu pojemnościowego jest czujnik ACC oparty na układzie MMA7361L z analogowymi wyjściami. Czujnik posiada możliwość pomiaru drgań w trzech osiach, dla XY do 6KHz a w osi Y do 3,4KHz. Zakres ten jest wystarczający dla naszych potrzeb. Kolejną zaletą czujnika jest możliwość podpięcia go wprost do wejścia karty dźwiękowej. Układ możemy zasilić 5V z złącza USB. Powinniśmy jeszcze podać stan wysoki na złącze SL - sleep. Poniżej schemat połączeń.
Parametry techniczne: http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf

Mocowanie czujnika
Prawidłowe zamocowanie czujnika to połowa sukcesu. Nie powinniśmy do tego używać taśm klejących, przykręcenie czujnika tez nie zawsze jest możliwe. Z opracowań znalezionych w internecie wynika, iż najlepiej w roli tymczasowego mocowania spisuje się wosk pszczeli. Łatwo go rozrobić w palcach, jest plastyczny, łatwo przylega do różnych powierzchni, nie wpływa na wyniki pomiarów w interesującym nas zakresie częstotliwości.


3. Analiza FFT, oprogramowanie.

Wiemy już jak gromadzić dane odwzorowujące drgania, jednak w jaki sposób można poddawać je analizie? Poniżej, krótkie wyjaśnienie istoty analizy FFT, pozwoliłem sobie zacytować bardzo dobrze opracowanie przygotowane przez Pawła Rzeszucinskiego.

Opis zacytowany ze strony: https://vibrationanalysis.wordpress.com/2011/03/28/do-czego-sluzy-fft/

Z pomocą przychodzi owoc pracy genialnego matematyka i fizyka rodem z Francji: Jeana Baptista Josepha Fouriera. Ten oto pan już w XVIII wieku (!) stwierdził, że każdy sygnał okresowy (czyli powtarzający się z pewną okresowością) może być przedstawiony w formie sumy sygnałów sinusoidalnych o różnych częstotliwościach i różnych amplitudach. Mało tego, nie tylko gołosłownie wygłosił swoją tezę, ale podał magiczny wzór który takową dekompozycję pozwala zrobić samemu (ogólnie dostępny w popularnych wyszukiwarkach internetowych).
Analiza drgań Szybka transformata Fouriera - FFT FFT jest algorytmem, który pozwala nam uprościć obliczenie dyskretnej transformaty Fouriera. Za pomocą tej metody możemy znaleźć widmo częstotliwościowe próbkowanego sygnału analogowego, czyli przejść z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości.

Załóżmy, że sygnał zarejestrowany przez akcelerometer wygląda jak na wykresie 1:


4. Diagnostyka łożysk.

Dysponujemy analizą FFT, mamy wykresy i spory ból głowy bo nadal nie wiemy co z tego wynika. Który pik częstotliwości jest dla nas ważny ? Na co zwrócić uwagę? Poniższy opis powinien sprecyzować kwestię prawidłowej diagnostyki łożysk w silnikach wielowirnikowców. Badamy stan łożysk silnika Emax 3510 600KV, w którym znajdują się dwa łożyska 5x13x4mm o oznaczeniu 695ZZ.

Badania statystyczne wykazują, iż ponad 76% wszystkich uszkodzeń mechanicznych urządzeń elektrycznych jest spowodowane uszkodzonym łożyskiem. Wymiana łożyska jest prostą czynnością, a koszt nowego łożyska jest ułamkiem % wartości całej latającej maszyny. Zbyt późne wykrycie defektu łożyska może doprowadzić do:
- uszkodzenia gniazda łożyska
- udar termiczny silnika, wzrost oporów ruchu
- zwiększenia drgań, rozerwanie śmigła, pęknięcia konstrukcji,
- zmiany widma drganiowego i akustycznego (wibracje obrazu)
- utraty modelu (rozbicie)
Poniżej na rysunku przedstawiono elementy budowy prostego łożyska (bieżnia wewnętrzna oraz zewnętrzna, elementy toczne, koszyk).


5. Dobieramy wibro-izolator gimbala.

Drgający obraz, efekt jello na filmie ? Jak sprawdzić czy dobrane przez nas gumeczki,silikony, inne wibroizolatory działają ? Wystarczy zmierzyć.
- Mocujemy czujnik na kadłubie maszyny, uruchamiamy układ napędowy i dokonujemy pomiaru drgań.
- Mocujemy czujnik na kamerze zamontowanej na gimbalu, uruchamiamy układ napędowy i dokonujemy pomiaru drgań.
Następnie porównujemy oba pomiary. W ten sposób możemy bez wychodzenia na lotnisko dokonywać poprawek w układzie izolującym drgania. Wymieniać gumki na miękkie/twarde, lub zastosować inny materiał sorbothane, moongel lub inne mocowanie.
Poniżej przykład mocowania czujnika na kadłubie oraz na kamerze:


6. Procedura wyważania silników/śmigieł.

Procedura, którą opisał mi kolega airjack. Prosta i genialna zarazem :) ale dorzeczy. Wyważać możemy sam silnik lub silnik z zamocowanym śmigłem. Co potrzebujemy:
- program do analizy VisualAnalyser lub Spectran.
- program do wyznaczania punktu niewyważenia NoPhaseBalance ze strony www.vibronurse.com
- czujnik ACC z podpiętym wyjściem osi X do np, kanału Lewego.
- wzorcowa masa (np. kawałek taśmy izolacyjnej 1cm = ~0.03gram, będzie stanowić dla nas 10 jednostek testowych)

W zależności od stopnia niewyważenia, konieczne może być dobranie innej masy wzorcowej.




Uwaga przy dobrze wyważonych silnikach gdzie w grę wchodzą 0.001grama metoda może nie być skuteczna.


7. Podziękowania.

Dziękuję kolegom Airjack, Marbalon, Pit202, Pilot z forum www.rc-fpv.pl , którzy podzielili się swoją wiedzą i zainspirowali mnie do przygotowania w/w opracowania.


8. Literatura.

Mikrofony pojemnościowe: http://livesound.pl/tutoriale/artykuly/4477-mikrofony-iii-mikrofony-poje...
FFT: https://vibrationanalysis.wordpress.com/2011/03/28/do-czego-sluzy-fft/
http://www.imc.pcz.czest.pl/instytut/pl/3/3.8/materialy/dtmlab/dtmlab_3.pdf
http://digilander.libero.it/i2phd/spectran.html
http://hardandsoftware.mvps.org/sound_card.htm

Literatura 2:
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 92/2011, Paweł Ewert, Czesław T. Kowalski
Instytut Maszyn Napędów i Pomiarów Elektrycznych, NEURONOWY DETEKTOR USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH

Oprogramowanie:
Spectran: http://digilander.libero.it/i2phd/spectran.html






Świadectwo kwalifikacji UAVO licencja VLOS jest niezbędna w przypadku komercyjnego używania dronów np. do wykonywania fotografii lub filmów z powietrza. Zapraszam pilotów dronów na Szkolenie VLOS / BVLOS