基于應變能的振動篩橫梁在線損傷識別

朱 艷，李曙生，曹元軍

(泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300)

基于應變能的振動篩橫梁在線損傷識別

朱 艷，李曙生，曹元軍

(泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300)

為快速、準確識別振動篩橫梁的在線損傷位置，提出了基于應變能歸一化算法的在線損傷識別方法，并通過實驗驗證了其可行性。實驗結果表明：該方法可實現振動篩橫梁在線損傷的識別，且能夠快速、準確地識別損傷位置，對其實時故障監測有一定的指導意義。

振動篩橫梁；損傷識別；應變能；歸一化算法

煤炭對我國經濟發展起著巨大的推動作用，振動篩是煤炭篩分的重要工具[1]，因此保證振動篩的正常運行對于煤炭高效篩分有重要意義。振動篩運行時振動頻率較高，振動篩橫梁既要承受較大的交變激振力，又要承受物料的重力和沖擊，很容易產生疲勞裂紋[2]。如果疲勞的振動篩橫梁在短時間內斷裂，不但會影響正常生產，而且會給工人生命財產帶來嚴重威脅，因此對振動篩橫梁裂紋的快速、準確識別顯得尤為重要。

基于模態分析的損傷識別方法[3-5]在工程實踐中得到了廣泛應用，并取得了較好的診斷效果。但是該方法只能在設備停歇期間對其進行診斷，且具有一定的滯后性，不但使設備使用效率下降，而且不能起到及時預防的作用。基于應變歸一化算法的損傷識別方法使振動篩橫梁在線損傷識別成為可能。將振動篩橫梁簡化成簡支梁，在對其各檢測點應變能進行歸一化處理的基礎上得到應變能損失指標，通過對比各檢測點損傷前后的應變能損失指標變化，快速、準確識別振動篩橫梁在線損傷位置。

1 應變能歸一化算法

1.1 損傷識別模型的建立

振動篩是一種振動頻率較高的篩分設備，其工作過程中橫梁要承受很大的外力作用，很容易產生疲勞，進而發生斷裂，給設備正常運行和工人人身安全帶來很大威脅。為了快速、準確識別振動篩橫梁在線損傷位置，及時預防不安全事故的發生，需要對其受力和各檢測點應變能進行分析。振動篩橫梁簡化后的受力模型如圖1所示。

F—簡支梁受力； L—簡支梁長度;x—簡支梁某點到端面的距離

根據材料力學分析可知：

(1)

(2)

(3)

式中：w(x)為擾度，mm；E為彈性模量，MPa；I為慣性矩，kg·m2；M(x)為彎矩，N·m；σ(x)為應力，MPa；W(x)為抗彎截面系數，mm3；ε(x)為應變。

振動篩橫梁為等截面矩形梁，其抗彎截面系數為常數，可用式(4)表示。

(4)

式中：W為抗彎截面系數，mm3；b為矩形截面的寬度，mm；h為矩形截面的高度，mm。

整理式(1-4)，可得：

(5)

振動篩工作時，如果橫梁出現疲勞裂紋，將會導致裂紋附近區域的剛度減小，擾度增大。由式(5)可知，擾度與應變成正比，所以裂紋處的應變也會增大。因此，可利用振動篩橫梁損傷前后各檢測點應變能的變化來識別其損傷位置。

綜合式(1-5)可得到振動篩橫梁不同位置的應變能，定義其任意截面處的應變能為

(6)

式中：Eε為振動篩橫梁任意截面處的應變能；T為采樣時間，s；ε(t)為應變；t為時間， s。

1.2 操作方法

(1)在振動篩橫梁上選取n個檢測點，通過應變片傳感器測量不同檢測點的應變信號，通過式(6)計算各檢測點的應變能，其離散形式為

(7)

式中：Eε(j)為檢測點處的應變能；εi(t)為應變；Δt為采樣時間間隔，s；N為采樣點個數。

(2)對各檢測點應變能進行歸一化處理，可得到應變能損失指標Kdr，

(8)

式中：n為檢測點個數。

(3)對比各檢測點損傷前后Kdr的變化，檢查變化較大的檢測點是否存在損傷，判斷振動篩橫梁具體損傷位置。

2 可行性驗證

2.1 實驗裝置

以橫梁長為635 mm、寬為10 mm、高為15 mm的直線振動篩模型為對象，驗證基于應變能歸一化算法的損傷識別方法的可行性。實驗裝置由簡支梁、激振器、應變片、電橋轉換電路、PCI-6023E數據采集卡、計算機組成，結構簡圖如圖2所示。

1—激振器；2—應變片；3—簡支梁

將接觸式激振器安裝在支架上，調節激振器的高度，使其接觸頭對簡支梁產生一定的預壓力，以激振桿上的紅線與激振器端面齊平為宜。在簡支梁表面先后鋸出一、兩條微小縫隙來模擬疲勞裂紋，并在其上均勻的選取9個檢測點，每個檢測點上下對稱位置布置兩個應變片，將應變片接入電橋轉換電路(圖3)。電橋轉換電路將應變信號轉換為標準電壓信號后輸出，輸出信號可用式(9)表示。

(9)

式中：E0為電橋輸出電壓，V；S為應變片靈敏度；Ei為電橋輸入電壓，V；ε為應變。

R—電橋固定電阻；R1、R2—應變片電阻；Ei—電橋輸入電壓；Eo—電橋輸出電壓

2.2 試驗結果及分析

采用Labview虛擬儀器軟件平臺[6-8]，對式(6)—(8)進行編程，應變數據采樣程序[9-10]如圖4所示，故障分析處理程序如圖5所示。

圖4 應變數據采樣程序

圖5 故障分析處理程序

通過計算可得到簡支梁應變能損失指標的變換曲線，對比不同檢測點的應變能損失指標，判斷其具體損傷位置。裂紋位于0.6L處的簡支梁應變能損失指標變化曲線如圖6所示。由圖6可知：遠離簡支梁損傷位置(0.6L處)的檢測點Kdr是負值，而簡支梁損傷位置的檢測點Kdr是正值，且Kdr最大并伴有拐點。

圖6 裂紋位于0.6 L處的應變能損失指標變化曲線Fig.6 Curve of strain energy loss index change when crack is in 0.6 L

裂紋位于0.4L、0.6L處的簡支梁應變能損失指標變化曲線如圖7所示。由圖7可知：對于多裂紋簡支梁來說，每個裂紋處(0.4L、0.6L)的Kdr都最大且伴有拐點。

圖7 裂紋位于0.4 L、0.6 L處的應變能損失指標變化曲線

對于簡支梁來說，無論是存在一處還是多處裂紋，只要存在裂紋，裂紋處的應變就會增大，應變能損失指標也會發生相應變化，根據其變化即可準確判斷損傷位置。這說明基于應變能歸一化算法的損傷識別方法具有很大的可行性，可為振動篩橫梁實時故障監測提供一定理論依據。

3 結論

以簡支梁應變信號為基礎，建立基于應變能歸一化算法的振動篩橫梁在線損傷識別模型，并通過實驗驗證該方法的可行性。實驗結果說明，該方法可快速、準確識別振動篩橫梁在線損傷的位置，具有很大的可行性，對其實時故障監測有一定的指導意義。

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[3] 王璋奇,賈建援.懸臂梁裂紋參數的識別方法[J]. 機械強度，2002(2)：225-227.

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[6] 張 毅.虛擬儀器技術分析與應用[M].北京:機械工業出版社,2004.

[7] 雷 勇.虛擬儀器設計與實踐[M].北京:電子工業出版社,2005.

[8] 陸綺榮.基于虛擬儀器技術個人實驗室的構建[M].北京:電子工業出版社,2006.

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On-line damage identification of vibrating screen beam based on strain energy

ZHU Yan，LI Shu-sheng ，CAO Yuan-jun

(Taizhou Polytechnic College, Taizhou ,Jiangsu 225300,China)

To identify quickly, accurately on-line damage location, an on-line damage identification method is proposed based on the strain energy normalization algorithm, and then its feasibility is validated by experiment. The experimental results show that this method can quickly, accurately identify the damage location of vibrating screen beam to accomplish on-line damage identification; which can be significant for the real-time monitoring fault of vibrating screen beam.

vibrating screen beam; damage identification; strain energy; normalization algorithm

1001-3571(2015)01-0071-03

TD948.9；TH237+.6

A

2015-01-15

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.021

泰州職業技術學院博碩專項科研基金項目(TZYBS-14-3)

朱 艷(1985—)，女，江蘇省泰州市人，講師，從事機械故障診斷方面的研究。

E-mail：xiaoyanzhu1985@163.com Tel：15366717300