МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

РЕФЕРАТ

100 с., 100 рис., 10 табл., 10 источников.

Ключевые слова: вибрация, виброизмерение, средство измерений, платформа, контрольные точки измерения, спектр сигнала, уровень вибраций, децибел, измерительный преобразователь, средство измерений.

В данной научно-исследовательской работе были проведены измерения параметров вибраций в частотном диапазоне от 0 до 100 Гц в различных контрольных точках исследуемых объектов. Контрольные точки выбирались после проведения предварительных эскизных исследований по согласованию с Заказчиком. Записанные временные реализации вибропроцессов разлагались на гармонические составляющие с дискретизацией по частоте в 0,5 Гц. В результате анализа спектров выяснилось, что гармонические составляющее выше 15 Гц в исследуемых сигналах практически отсутствуют. Доля гармонических составляющих выше 10 Гц составляет не более 0,1 % от всего массива данных. Виброперемещения в этом диапазоне частот не превышают одного микрона и находятся на пороге чувствительности измерительной аппаратуры. Выяснено, что наибольшие виброперемещения находятся на частоте порядка 0,5 Гц и ближайших кратных гармониках. Причина этого эффекта пока достоверно не установлена.

СОДЕРЖАНИЕ

		Стр.

	Задание ………………………………………………………………....	5
	Введение ………………………………………………………………..	6
1.	Термины и определения …………………………………………….....
2.	Требования к измерительной аппаратуре …………………………...
3.	Общие методические вопросы ………………………………………..
4.	Результаты обработки экспериментальных данных ………………...
5.	Заключение …………………………………………………………….
	Приложения:
	П 1. Виброперемещения точек измерения платформы 1 ……...
	П 2. Виброперемещения точек измерения платформы 2 ……...
	П 3. Виброперемещения точек измерения платформы 3 ……...
	П 4. Виброперемещения точек измерения платформы 4 ……...
	П 5. Виброперемещения точек измерения платформы 5 ……...
	П 6. Виброперемещения точек измерения платформы 6 ……...

ВВЕДЕНИЕ

Цель проведения данной научно – исследовательской работы заключается в нахождении наиболее оптимальных, с точки зрения наименьших уровней вибрации, мест установки прецизионного технологического оборудования для получения сверхчистых материалов используемых в электронной промышленности. При этом возникают следующие задачи:

-выбор соответствующей контрольно-измерительной аппаратуры, удовлетворяющей условиям проведения измерений;

-калибровка первичных преобразователей вибросигнала и оценка погрешностей преобразования;

-разработка методики анализа полигармонических нестационарных вибропроцессов;

-выделение информативных составляющих исследуемых процессов из шумов.

Все поставленные задачи были успешно решены и выработаны некоторые рекомендации по выбору опорных точек крепления технологического оборудования. Наиболее трудоемкой и кропотливой задачей была разработка методики анализа нестационарных вибропроцессов. В основу ее был положен спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье с частотой дискретизации 0,5 Гц. Однако, поскольку исследуемые процессы были нестационарными, измерения и запись временных реализаций в каждой контрольной точке проводились несколько раз. Из полученных реализаций выбирались те, которые характеризовались наибольшими амплитудами виброперемещений. Затем эти реализации, полученные во временной области представлялись в частотной области и оценивался вклад каждой гармоники. Кроме этого подсчитывались средние и действующие значения виброперемещений на каждой гармонике отдельно. При этом предполагалось, что распределение виброперегрузок на каждой из гармоник подчиняется нормальному закону. Для выделения наиболее информативных гармоник спектра выполнялся кепстральный анализ, а также рассчитывался уровень превышения или демпфирования в децибелах отдельных гармонических составляющих спектра по отношению к заданным в техническом задании.

1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Вибрация – процесс полигармонических механических колебаний, характеризующийся изменением во времени амплитуды частоты и фазы.

Спектральный анализ – определение спектра частот и коэффициентов Фурье по заданным периодическим функциям.

Уровень вибраций – уровень интенсивности колебаний, характеризующийся соотношением между измеренным значением параметра процесса и некоторым стандартным значением, которое соответствует нулевому уровню. Поскольку параметры вибраций могут в одном и том же процессе меняться на несколько порядков, то для их оценки вводят логарифмическую шкалу.

Децибел – логарифмическая шкала, где за уровень вибраций принимается десятичный логарифм отношения измеряемой величины к ее стандартному значению. Возрастание уровня вибрации на 1 децибел (дБ) соответствует увеличению его в 10^0,1 =1,57 раз. Если измеряется виброускорение, виброскорость или виброперемещение, логарифмический уровень дБ, где V₀ – значение, соответствующее нулевому уровню.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Платформа – условное наименование объекта исследований, в данном случае поверхность пола, на котором размещено технологическое оборудование.

Кепстр – выбеленный спектр, натуральный логарифм отношения уровней гармонических составляющих спектра к пороговому уровню , характеризующего чувствительность первичного измерительного преобразователя,. Позволяет выявить информативные составляющие спектра в высокочастотной области, недоступной в спектральном анализе.

2. ТРЕБОВАНИЯ К ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ

Диапазон частот измерений вибрации, воздействующей на чувствительное оборудование, - от долей Гц до 200 Гц. Как правило, большая часть мощности такой вибрации сосредоточена в диапазоне ниже 100 Гц, поскольку в этом диапазоне максимальный отклик элементов конструкции здания.

Уровень вибрации и ее длительность определяются, в первую очередь, видом источника, его расстоянием до объекта воздействия (оборудования) и частотной характеристикой элементов конструкции здания, где это оборудование установлено. Диапазон возможных значений вибрации, выраженный в единицах скорости, - от 0,001 до 10 мм/с.

Чтобы определить режим вибрационного воздействия, которому подвергается оборудование в помещении, необходимо располагать точными и полными результатами измерений. Вибрацию измеряют в точках, максимально близких к областям контакта оборудования или его основания к полу. Чтобы описать условия воздействия на оборудование крупных размеров, необходимо использовать большое число точек измерений. Для измерений вибрации могут быть использованы датчики скорости или акселерометры. Поскольку в техническом задании уровень вибрации порядка достаточно низкий, порядка нескольких микрометров и меньше, датчики должны иметь большой коэффициент преобразования. Коэффициент преобразования для акселерометров должен быть 100 мВ/(м/с²) и 25мВ/(мм/с) для велосиметров.

Собственный шум измерительной цепи (включая электромагнитные помехи), определенный как среднеквадратичное значение в диапазоне частот от 0,5 до 200 Гц, должен быть не более 5% максимального значения измеренной вибрации. Для уменьшения влияния электромагнитных помех использовались средства измерений с автономными источниками питания. Диапазон частот измерений, определяемый по уровню спада частотной характеристики на 3 дБ должен быть от 0,5 Гц до 300 Гц. Крутизна спада частотной характеристики по обеим сторонам – 12 дБ/октава. Такая частотная характеристика реализована комбинацией фильтров Баттенворта второго порядка. Частота дискретизации цифровой измерительной системы 2 кГц.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

При обработке экспериментальных данных все измеренные виброперемещения представлялись в виде временных реализаций, когда исследуемый процесс был представлен функциями времени и тот же процесс далее представлялся в частотной области. Представление исследуемых процессов в частотной области оказалось более информативным, так как позволило с высокой точностью оценить вклад каждой гармонической составляющей.

В таблице 2 приведены значения предельно допускаемых и максимальных фактических уровней виброперемещений платформ. В таблице 3 приведены фактические уровни вибраций, выраженные в децибелах нв всех исследуемых объектах во всех контрольных точках до седьмой гармоники включительно.

Таблица 2
Предельно допускаемые и максимальные фактические уровни виброперемещений платформ
Корпус	Платформа		Предельный допускаемый уровень виброперемещений (мкм) в диапазоне частот			Максимальный фактический уровень виброперемещений (мкм) в диапазоне частот
	№ п/п	Условное название
	№ п/п	Условное название	0 - 5 Гц	5 - 10 Гц	5 - 20 Гц	0 - 5 Гц	5 - 10 Гц	5 - 20 Гц
№ 35/2	1	Установка ЭМ 5084А (бокс)	-	-	-	1289	2,5	2,5
№ 36	2	Установка ЭМ 584А	8	-	2	895	1	1
	3	«Чистый коридор»	-	-	-	640	6,5	6,5
	4	Комната № 107	-	-	-	153	1,8	1,8
	5	Lasarray (модуль 1,б)	-	-	-	689	2	2
	6	Стиральная машина	2	0,5	-	323	1,2	1,2

Предварительный анализ спектров показал, что высокочастотные гармонические составляющие, начиная с седьмой гармоники и выше являются не информативными и виброперемещения в этом диапазоне частот порядка 1-2 мкм и находятся на пределе чувствительности первичного преобразователя. Однако при дальнейшей кепстральной обработке полученных спектров, выяснилось, что информативные сигналы присутствуют даже в гармонических составляющих вплоть до 20 Гц. Кепстральное представление сигналов позволяет идентифицировать локальные источники вибрации и шума в отдельных объектах контроля.

На рисунке 1 представлен эскиз корпуса № 35/2. платформы № 1. Установка ЭМ 5084А (бокс). Измерения параметров вибрации проводились в восьми контрольных точках. Результаты измерений и спектральное представление измеренных сигналов приведены на рисунках (2-17).

Рассмотрим и проведем краткий анализ виброперемещений в четырех контрольных точках первой платформы.

В первой контрольной точке наибольший допустимый уровень виброперемещений должен составлять 8 мкм на главной гармонике (0,5 Гц). В действительности его среднее действующее значение составляет 146 мкм, что превышает допустимый уровень на 30 с лишним децибел. Вторая гармоника (1 Гц) составляет 54 мкм, что превышает допустимый уровень виброперемещений на 25 децибел. Третья гармоника (1,5 Гц) превышает допустимый уровень на 20 децибел. Четвертая (2 Гц) – на 15 децибел. Пятая (2,5 Гц) – на 13 децибел. Шестая (3 Гц) – 10 децибел, седьмая (3,5 Гц) на три децибела. На более высоких гармониках уровень виброперемещений – ниже допустимого на 5 – 10 децибел, а на гармониках свыше 4 Гц виброперемещения не превышают 1 мкм. Анализ кепстра показал следующее. Первое – эффективное гашение вибрации начинается с пяти Герц, а не с четырех, как в спектральном представлении. Второе – наиболее эффективные гашение оказывается на частотах 8, 9, 9,5 Гц, а не только на частоте 8 Гц как в спектральном представлении.

Во второй контрольной точке на этой же платформе на частоте 0,5 Гц уровень виброперемещений превышает допустимый (8 мкм) на 30 децибел, на второй гармонике, на частоте 1 Гц – на 20 децибел, на третьей, 1,5 Гц –на 12 децибел, а на четвертой, 2 Гц, 6 децибел, пятой – на четыре децибела. На остальных гармониках уровень виброперемещений на превышает допустимый. В последующих гармониках виброперемещения не превышают 1мкм и находятся на пороге чувствительности аппаратуры. Здесь, в отличие от первой контрольной точки в спектральном представлении, критическая гармоника соответствует частоте 3 Герца, а в кепстральном – 4 Гц. Критической гармоникой, или частотой называется такая гармоника, которая соответствует переходу вибропроцесса в режим демпфирования. Такой эффект, характеризующий несоответствие критических частот в спектральном и кепстральном представлениях, вероятнее всего вызывается образованием стоячих волн в данной строительной конструкции. В третьей контрольной точке наблюдается резкое повышение виброактивности на частоте 0.5 Гц – 44 децибела, на частоте 1 Гц – 30 децибел, на частоте 1.5 Гц – 24 децибела, а на более высоких гармонических составляющих уровень виброперемещений в пределах норм. Критическая частота в спектральном представлении соответствует 4 Гц, в кепстральном 5 Гц. Наиболее эффективное гашение вибросигнала наблюдается на гармониках 12 Гц и 13 Гц. В четвертой точке этой же платформы на первой гармонике, 0,5 Гц превышение составляет 41 децибел, практически тот же самый уровень, что и в третьей точке. Вторая гармоника превышает допустимый уровень на 35 децибел, третья – на 24 децибела, четвертая на 17 децибел, пятая на 12 децибел, шестая – на 4 децибела, седьмая на 2 дБ. Следующие находятся в пределах допустимых значений. Критическая частота в этой точке в спектральном представлении – 4 Гц, в кепстральном – 5,5 Гц. В контрольной точке 5 на гармонике 0,5 Гц уровень вибрации превышает допустимый на 22 децибела и только в критической точке, на частоте 4 Гц он находится в пределах допуска. на более высокочастотных гармониках вплоть до частоты 20 Гц он превышает допустимый, в среднем, на 7 децибел. Кроме этого кепстральное представление исследуемого сигнала позволило выявить частотную модуляцию с девиацией частоты примерно 6,5 Гц, что характеризует влияние в данной точке на процесс измерения посторонних источников. В контрольной точке 6 наибольшее превышение уровня допустимых вибраций на частоте 0,5 Гц составляет 33 децибела, а начиная с критической частоты, 3 Гц уровень вибрации в пределах допустимых значений в спектральном представлении. В кепстральном – начиная с 4 Гц. В точке 7 превышение на частоте 0,5 Гц на 33 децибела, критическая частота 4 – 5 Гц. В точке 8 превышение на 0,5 Гц достигает 33 дБ. Критические точки = 3,5 и 4,5 Гц.

Таким образом на платформе 1 во всех контрольных точках выявлено наличие скрытых стоячих волн различных частот, которые вызываются различными источниками, расположенными за пределами данной зоны.

Рассмотрим характеристики виброперемещений платформы 2 в различных контрольных точках. В первой контрольной точке уровень виброперемещений на частоте 0,5 Гц превышает допустимый на 30 децибел, что характерно для всех контрольных точек платформы 1. Однако имеются некоторые особенности. Например, на частоте 2 Гц усиливается уровень виброперемещений на 4 децибела по сравнению с уровнем соответствующем частоте 1,5 Гц. Кроме этого четко прослеживается амплитудная модуляция вибропроцесса с частотой 6 Гц. В третьих здесь наблюдается гораздо большее расхождение критических частот – на 3 Гц по сравнению с первой платформой.

Во второй контрольной точке этой же платформы наблюдаем следующее. Снижение на частоте 0,5 Гц уровня виброперемещений до 17 децибел. Критические частоты 2 Гц и 4 Гц в спектральном и кепстральном представлениях соответственно. В кепстральном представлении замечается слабо выраженная амплитудная модуляция с частотой порядка 4 Гц.

В третьей контрольной точке заметен процесс дальнейшего снижения уровня вибропеоремещений на частоте 0,5 Гц, до 12 децибел. На частоте 2 Гц и вспектральном и кепстральном представлениях заметен небольшой подъем амплитуды веброперемещений – на 2 мкм. Критические частоты здесь почти совпадают – 4 Гц. в кепстральном представлении заметна слабовыраженная амплитудная модуляция – 4 Гц. В четвертой точке снижение уровня вибрации на частоте 0,5 Гц достигает уже 6 децибел и в диапазоне более высших по частоте гармоник находится в пределах нормы. Процесс явно нестационарный и кепстральное представление не позволяет выявить критическую частоту, но выявляет новую закономерность – частота амплитудной модуляции меняется по закону 2. В пятой контрольной точке начинается повышение уровня вибрации на частоте 0,5 Гц до 19 децибел. В кепстральном представлении обнаруживается стационарная частота амплитудной модуляции – 4Гц. Критические частоты в обоих представлениях спектральном и кепстральном совпадают. В шестой контрольной точке наблюдается резкое возрастание - до 36 децибел амплитуды виброперемещений на частоте 0,5 Гц. Только на частоте 4 Гц уровень виброперемещений достигает нормы. Кепстр показывает амплитудную модуляцию частотой 9 Гц.

Таким образом на второй платформе во всех контрольных точках, также как и на первой платформе выявлено превышение допустимых уровней вибрации на частоте 0,5 Гц различной степени тяжести. Кроме этого характер вибрации на второй платформе имеет особенности. Во первых процессы более нестационарные чем на первой платформе. Во вторых в четвертой контрольной точке выявлено минимальное превышение допустимого уровня перемещений – 6 децибел, причина которого не ясна.

Рассмотрим амплитудный спектр виброперемещений точки 1 платформы 3. Так как допустимый уровень вибраций на данной платформе не регламентирован, то расчет затухания в децибелах не проводился. Кепстральное представление вибросигнала в данной точке позволяет выявить критическую частоту 6 Гц. Вибросигнал в данной точке нестационарный и является суперпозицией сигналов от нескольких источников. В точке 2 вибросигнал крайне неустойчивый, и обнаруживается слабо выраженная частотная модуляция с модулирующей частотой 6 Гц. Кепстральное представление сигнала позволило выявить в этой точке нелинейные эффекты в низкочастотном диапазоне до 6 Гц. В контрольной точке 3 явно выраженных нелинейных эффектов не обнаружено, однако заметна частотная модуляция с девиацией частоты порядка 4 Гц. В точке 4 обнаружена нелинейность во всем информативном диапазоне частот. Возможно это вызвано суперпозицией стоячих и бегущих волн различных по частотам, амплитудам и фазам.

Рассмотрим характер вибрации в контрольных точках четвертой платформы. В первой контрольной точке на частоте 4 Гц и выше вибросигнал удовлетворяет нормам указанных в технических условиях. Но характер вибропроцесса явно нелинейный, что подтверждается кепстральным представлением. Во второй точке нелинейность также присутствует на тех же самых гармонических составляющих 3,5 и 4,5 Гц. Кроме этого присутствует частотная модуляция с девиацией 4 Гц. В третьей точке процесс явно нестационарный с высокой степенью нелинейности, проявляющейся на гармониках 2,5; 4,5; 6 Гц. В четвертой точке данной платформы процесс аналогичный.

На платформе 5 в первой контрольной точке наблюдается подъем амплитуды четвертой гармоники по сравнению с третьей на 4 мкм, что опять можно объяснить наличием нелинейных участков. Во второй контрольной точке явно выраженных нелинейных участков не обнаружено. Уровень вибрации в диапазоне свыше 2,5 Гц находится в допустимых пределах, а на частотах свыше 5 Гц происходит эффективное гашение вибросигналов. В третьей контрольной точке эффективное гашение вибрации начинается с шестой гармоники. На двенадцатой гармонике обнаружен небольшой подъем амплитуды, на 0,5 мкм, что можно объяснить ошибкой оператора. В контрольной точке 4 критическая частота соответствует 7 Гц, что характерно для всех точек данной платформы. В точке 5 нелинейных эффектов не обнаружено, и начиная с девятой гармоники виброперемещения не превышают 1 мкм, а критическая частота 4,5 Гц.

Рассмотрим характер вибросигналов, записанных в контрольных точках последней шестой платформы. Вибросигнал в первой контрольной точке стационарный без видимых нелинейных искажений. Начиная с десятой гармоники виброперемещения не превышают 0,7 мкм. На 14-й гармонике и выше вибросигнал не превышает 0,1 мкм. Во второй контрольной точке сказывается небольшая нелинейность, проявляющаяся на шестой и седьмой гармониках. В третьей точке нелинейность не проявляется явно и, начиная с восьмой гармоники, виброперемещения не превышают 0,9 мкм. Частотная модуляция слабо выражена и соответствует девиации 4 Гц. Виброперемещения в четвертой контрольной точке начиная с двенадцатой гармоники не превышают 0,7 мкм. Какая либо модуляция здесь не наблюдается.

Заключение

В данной работе экспериментально исследовались процессы возникновения синхронизации в производственных помещениях и ее влияние на виброактивность платформ, на которых устанавливалось технологическое оборудование для получения сверхчистых материалов с целью совершенствования наноиндустрии. С помощью кепстрального представления исследуемых процессов жесткой синхронизации на данных объектах не обнаружено. Присутствует пульсирующая синхронизация, когда два или несколько источников вибрации – несбалансированных роторов электродвигателей работают на близких частотах с разницей в доли герц. Причем растройка по частоте вращения роторов не остается постоянной, а меняется в процессе работы и может принимать положительные и отрицательные значения.

Кроме проведенных спектральных и кепстральных исследований вибросигналов были проведены расчеты энергозависимых гармонических составляющих вибросигналов. Оказалось, что наиболее энергонасыщенными являются низкочастотные гармоники. Первая гармоника – 0,5 Гц является наиболее энергонасыщенной по сравнению с остальными. Этот эффект можно объяснить наличием биений вибросигналов от различных источников.

Такой анализ был проведен по всем исследуемым объектам и во всех контрольных точках. Все полученные значения превышающие допустимый уровень вибрации приведены в сводной таблице 3.

Корпус	Платформа		Предельный допускаемый уровень виброперемещений в диапазоне частот
	№ п/п	Условное название
	№ п/п	Условное название	0 -5 Гц	5 – 10 Гц	5 – 20 Гц
№ 35/2	1	Установка ЭМ 5084А (бокс)	2 мкм	0,5 мкм	-
№ 36	2	Установка ЭМ 584А	8 мкм	-	2 мкм
	3	«Чистый коридор»	-	-	-
	4	Комната № 107	-	-	-
	5	Lasarray (модуль 1,б)	-	-	-
	6	Стиральная машина	-	-	-