機(jī)械振動(dòng)在故障檢測(cè)中的應(yīng)用

1、機(jī)械振動(dòng)在故障檢測(cè)中的應(yīng)用趙帥帥200806101材料081機(jī)械振動(dòng)是自然界、工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象，任何一臺(tái) 運(yùn)行著的機(jī)器、儀器和設(shè)備都存在著振動(dòng)現(xiàn)象。通常情況下，機(jī)械振動(dòng)是有害的， 但機(jī)械振動(dòng)也有可利用的一面。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)理論的研究已經(jīng) 發(fā)展到較高水平，在現(xiàn)代生產(chǎn)中，為了使設(shè)備安全運(yùn)行并保證產(chǎn)品質(zhì)量，往往需 要檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行中的振動(dòng)信息，進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)、故障診斷。我介紹幾種比較典型 的運(yùn)用機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行故障檢測(cè)的實(shí)例，進(jìn)而說(shuō)明振動(dòng)檢測(cè)的應(yīng)用?；谡駝?dòng)測(cè)試的離心泵故障診斷離心泵是石化行業(yè)使用的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，其使用范圍越來(lái)越廣，它能否可靠 運(yùn)行直接影響企業(yè)的安全性和經(jīng)

2、濟(jì)性。隨著動(dòng)力裝置的大型化和回轉(zhuǎn)設(shè)備的高速 化，離心泵的振動(dòng)問(wèn)題也日漸顯現(xiàn)。造成設(shè)備振動(dòng)增大的原因主要包括轉(zhuǎn)子的不 平衡，同軸度偏差大或不對(duì)中、機(jī)組同軸度調(diào)整不良、軸承原因、水力波動(dòng)和汽 蝕、共振等。隨著振動(dòng)的加劇，過(guò)大的振動(dòng)容易造成機(jī)器和相關(guān)設(shè)備的損壞。因 此對(duì)離心泵的振動(dòng)進(jìn)行故障診斷就尤為重要。而振動(dòng)測(cè)試是故障診斷的一種重要 方法，以確定機(jī)泵振動(dòng)是否在允許范圍內(nèi)，進(jìn)而確定故障可能存在的部位。筆者 利用雙通道數(shù)據(jù)采集器對(duì)某煉廠離心泵裝置進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，并通過(guò)對(duì)頻譜特征 的分析，為離心泵的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一定的參考依據(jù)。轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損造成的故障引起

3、振動(dòng)，軸承不對(duì)中的頻譜特征是：會(huì)產(chǎn)生基頻、2倍頻且振動(dòng)以軸向?yàn)橹?。因?在對(duì)離心泵進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析時(shí)要結(jié)合其典型故障及特征頻率，從中識(shí)別出各種 故障。本次測(cè)試的使用的儀器有：傳感器、雙通道數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析軟件、 計(jì)算機(jī)，它們之間關(guān)系如圖1，振動(dòng)測(cè)試基本流程圖如圖2所示。對(duì)于機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)測(cè)量而言，可測(cè)量的參數(shù)有位移、速度和加速度三種。 本次測(cè)試參考泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法(GB/T 80971999)中的相關(guān)規(guī)定，選擇速度為測(cè)量參數(shù)，有效值為均方根，該值的大小反映了振動(dòng)能量的大小。本 次測(cè)試數(shù)據(jù)包括振動(dòng)頻譜、振動(dòng)能量、峰值振幅和峰值頻率等。根據(jù)振動(dòng)能量測(cè) 試數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)和各機(jī)器振動(dòng)能

4、量平均值和類(lèi)比值(最小數(shù)據(jù)的倍數(shù))， 如表2所示其中(N / S為未測(cè)項(xiàng))。表葛心泵撮勒醐慎惟值和類(lèi)比值提動(dòng)麓食1寸振動(dòng)旭融平均而 由EC使* H水平垂打A袖而平均H水早KMJ蛹向平地陶心掌1鬲承氏翼N7S5.30.i2囹心系J附廠-1. D73-032.96L272.7!L L4&2.49!.高心聚1基礎(chǔ) 1.M1.451-27L542.11商右和軸承4,09g&B42- 35陶心更1滎盜 11.67h/SN/S12.673.0LO.W5.SI14.235.411. 383.42肉心* 1越州 4.201.92o.tio2.243.07而心泵3勘改 3,QLA 80rvs2-91LOO陶心孳

5、3代。，網(wǎng)tvzsw*n.891.632. 31asiL6II.WI.ooPWLOOLOO高心歸基仙I.Wajio.yBL34從表2中可以看出：這六臺(tái)離心泵，振動(dòng)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)差別較大，由此可 知這幾臺(tái)離心泵運(yùn)行狀態(tài)存在明顯的差異。這六臺(tái)離心泵的中心高為350rmn，轉(zhuǎn) 速為2980r/min，根據(jù)泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法(GB / T80971999)中泵的 分類(lèi)表知，這六臺(tái)離心泵均屬于第三類(lèi)；再結(jié)合泵的振動(dòng)烈度分類(lèi)表得這幾臺(tái)離 心泵的振動(dòng)烈度級(jí)分別為：7. 10、18. 00和4. 50，再查泵的振動(dòng)級(jí)別分類(lèi)表得 它們的振動(dòng)級(jí)別分別為：C、D、B。可以看出2號(hào)離心泵的振動(dòng)狀態(tài)為不合格，所 以

6、應(yīng)該對(duì)2號(hào)離心泵進(jìn)行重點(diǎn)分析。2號(hào)離心泵振動(dòng)速度在水平方向、垂直方向和 總能量值上均最大，分別的類(lèi)比值為：5. 41、1. 43和3. 42倍，在軸承、泵殼 和基礎(chǔ)上的平均值也是最大，分別的類(lèi)比值為：2. 35、14. 23和3. 07倍；2號(hào) 離心泵在軸承處水平方向振動(dòng)速度最大值為：12. 67mm/s，超過(guò)了離心泵振動(dòng) 允許值(7. 10mm/s)，由此可見(jiàn)2號(hào)離心泵整體振動(dòng)速度能量值相對(duì)最大，并且 主要是在水平方向上振動(dòng)能量較大，所以通過(guò)對(duì)其水平方向上的頻譜圖分析來(lái)揭 示該設(shè)備的狀態(tài)和故障類(lèi)型。振動(dòng)測(cè)試和故障診斷技術(shù)是目前較普遍采用的獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的方 法之一。本文在分析介紹離心泵

7、的振動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)某煉廠的離心泵裝置進(jìn) 行了振動(dòng)測(cè)試，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和頻譜的分析，結(jié)合特征頻率，認(rèn)為所測(cè)2號(hào)離 心泵存在轉(zhuǎn)子不平衡故障，為離心泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)維修提供了一定的參考依 據(jù)?；谡駝?dòng)測(cè)試的海洋平臺(tái)損傷診斷研究海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役在惡劣的環(huán)境下，再加上設(shè)計(jì)或使用的不當(dāng)，結(jié)構(gòu)容 易產(chǎn)生各種形式的損傷，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)失效.海洋平臺(tái)損傷檢測(cè)的方法有 很多，采用局部損傷檢測(cè)技術(shù)方法對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷診斷不可靠.基于振 動(dòng)測(cè)試的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是簡(jiǎn)單可行又較為準(zhǔn)確的全局性損傷診斷方法。這種 方法的突出優(yōu)點(diǎn)是利用環(huán)境激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試進(jìn)行損傷診斷，整個(gè)損傷診斷 過(guò)程不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的

8、正常工作?；诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的損傷診斷所使用的指標(biāo)包括結(jié)構(gòu)損傷前后的固有 頻率變化、模態(tài)變化、阻尼變化.固有頻率是結(jié)構(gòu)的一個(gè)本質(zhì)屬性，主要取決于 結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K.當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，其剛度降低，因此固有頻率 就有變化.采用了Lanczos迭代法提取了結(jié)構(gòu)的前n階模態(tài).固有頻率的變化值定 義為、 e損傷越大，其固有頻率的變化也就越大。定義帥，和舟”為破損前和破損后的曲率模態(tài)，則結(jié)構(gòu)上j點(diǎn)處兩種振型曲率之差的絕對(duì)值 為cmsu) =1 兒。)-M)I在破損處，CMS值顯著大于其余部位的值，檢查所有點(diǎn)處的CMS值，就可以確 定破損位置，用曲率模態(tài)振型可以進(jìn)行破損定位，如能布置足夠密的測(cè)

9、點(diǎn)，效果 將更好。運(yùn)用結(jié)構(gòu)損傷前后阻尼的變化來(lái)診斷損傷，主要應(yīng)用于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，由 于通過(guò)模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)確定結(jié)構(gòu)阻尼比的精度不夠，利用阻尼診斷損傷仍舊處 在實(shí)驗(yàn)探索研究階段。用Lanczos迭代法提取了結(jié)構(gòu)的前若干階模態(tài)，同時(shí)考慮 了直接阻尼.通過(guò)計(jì)算分析，得到隨機(jī)波浪力荷載作用下海洋平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)， 同時(shí)用兩個(gè)參數(shù)ARE11和ARE22來(lái)反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，表示如下,-八iii 二s A?尸;i jr% jy 了 j =nN _-式中：項(xiàng)Ft和MAi分別表示損傷前、后方向應(yīng)變的均方根值；頊伍和分別表示損傷前、后Y方向應(yīng)變的均方根值?；诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的全局性損傷診斷技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，

10、與局部 損傷探測(cè)技術(shù)相比，成本較低，操作簡(jiǎn)單，可靠性高.特別對(duì)于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)而 言，局部檢測(cè)技術(shù)實(shí)施起來(lái)困難較大，發(fā)展該技術(shù)顯得更為可行.橋梁損傷的一種振動(dòng)檢測(cè)方法舊有橋梁的老化和一些新建橋梁施工管理的不完善，都為橋梁的安全性能埋 下了隱患。為此，研究者提出了各種各樣的檢測(cè)方法u J，以期能迅速有效的判 斷橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷，以及如果發(fā)生了損傷，如何確定損傷的位置和程度。 在這些方法中，振動(dòng)檢測(cè)方法由于實(shí)施相對(duì)容易且不損傷原結(jié)構(gòu)而倍受青睞。本 文給出的就是橋梁損傷的一種振動(dòng)檢測(cè)方法，它能較好的進(jìn)行損傷定位。在此討論的橋梁結(jié)構(gòu)是基于有限元的梁模型，梁長(zhǎng)為L(zhǎng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)：式中

11、，“為樣本平均值，。為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。選擇適當(dāng)?shù)娘@著性水平，就可以將損傷單位和未損傷單位區(qū)分開(kāi)來(lái)。以 某立交橋?yàn)槔治?，引跨長(zhǎng)80m，標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)：式中，“為樣本平均值，。為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。選擇適當(dāng)?shù)娘@著性水平，就可以將損傷單位和未損傷單位區(qū)分開(kāi)來(lái)。以 某立交橋?yàn)槔治觯玳L(zhǎng)80m，在脈動(dòng)試驗(yàn)中用高靈敏傳感器在箱梁中線(xiàn)中每 隔5m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)該橋進(jìn)行損傷定位，識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖。首先，獲得損傷前后的模態(tài)振型。利用有限元法計(jì)算損傷前的結(jié)構(gòu)的模態(tài)振 型，采用三次樣條插值函數(shù)擬合損傷后的結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。然后，計(jì)算指標(biāo)Z(i=1，2，100)。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，顯著性水平a一般取為0. 05。查 閱標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布數(shù)值表，與a =0. 05相對(duì)應(yīng)的分位數(shù)為1. 96。則給出判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：如果Z1. 96,那么選擇備擇假設(shè)日H1，也就是認(rèn)為j位置有損傷。給出的損傷識(shí)別方法的優(yōu)點(diǎn)在于：分析中只需要模態(tài)振型，不需要頻率、阻 尼等參數(shù)；計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要解方程組；可以識(shí)別出結(jié)構(gòu)中多個(gè)單元的損傷。另外，這一方法還要與傳統(tǒng)的靜測(cè)等方法配合使用，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，才能更好的