機械系統(tǒng)振動變形分析方法研究*

別鋒鋒 裴峻峰 呂鳳霞 劉金梅

(1. 常州大學(xué)機械工程學(xué)院；2. 東北石油大學(xué)中石油HSE重點實驗室)

機械系統(tǒng)振動變形分析方法研究*

別鋒鋒**1裴峻峰1呂鳳霞1劉金梅2

(1. 常州大學(xué)機械工程學(xué)院；2. 東北石油大學(xué)中石油HSE重點實驗室)

提出了一種基于振動變形分析的工作狀態(tài)特征提取方法，利用故障試驗臺證明了振動變形分析方法的有效性，然后對復(fù)雜機械系統(tǒng)的故障診斷方法進(jìn)行研究。分析結(jié)果表明：振動變形分析方法能夠全面、準(zhǔn)確地將機械系統(tǒng)關(guān)鍵部件的狀態(tài)特征提取出來，為故障精密診斷奠定基礎(chǔ)。

機械系統(tǒng) 振動變形分析 故障診斷

現(xiàn)代機械系統(tǒng)的非平穩(wěn)性和非線性特征決定了常規(guī)的振動監(jiān)測和信號處理方法難以實現(xiàn)故障模式的精確定位[1]。復(fù)雜機械系統(tǒng)故障診斷的難點包括振動信號的準(zhǔn)確獲取和故障模式的共性匹配，在動力傳動組件上體現(xiàn)的尤為明顯[2]。

振動變形分析法是以有限的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)為輸入量對機械設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和故障分析，通過建立系統(tǒng)的振動模型，顯示被測設(shè)備整體或其關(guān)鍵部件的實際工作形態(tài)，為最終的精密故障診斷提供手段和依據(jù)。當(dāng)前振動變形分析方法的研究僅局限于結(jié)構(gòu)或幾類典型的動設(shè)備系統(tǒng)(如汽車等的靜、動態(tài)測試)，對于一般動設(shè)備系統(tǒng)的可視化研究與應(yīng)用尚處于試探研究階段[3,4]。將振動變形分析方法應(yīng)用于復(fù)雜動設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，以其多通道振動信號時頻信息為系統(tǒng)故障診斷的基礎(chǔ)，保證信息的準(zhǔn)確性和全面性，以期實現(xiàn)復(fù)雜機械系統(tǒng)振動的精確監(jiān)測和故障模式的準(zhǔn)確定位。

筆者利用故障模擬試驗臺對振動變形分析方法的有效性予以論證，并對復(fù)雜機械系統(tǒng)(柴油發(fā)電機組)的故障診斷方法進(jìn)行研究，以期從系統(tǒng)層面上進(jìn)行振動分析，并由此獲得關(guān)鍵部件的振動特征，為故障精密診斷奠定基礎(chǔ)。

1 振動變形分析

1.1機械系統(tǒng)振動變形理論

振動變形分析是指通過系列實測振動分析系統(tǒng)實際工作時的振動變形，輸出設(shè)備機體運轉(zhuǎn)時的振型，從而對系統(tǒng)工況進(jìn)行量化分析，其核心是對機械系統(tǒng)振動變形(Operation Deflection Shape，ODS)進(jìn)行動態(tài)處理[5]。ODS分析是以測點信號所包含的時頻成分為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)在外界未知激勵下的振動特性，其優(yōu)勢在于當(dāng)無法確定輸入量時可對系統(tǒng)做定性振動分析，輸出結(jié)構(gòu)或動設(shè)備系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時的工作振型[6]。ODS動態(tài)處理是以振動系統(tǒng)中某一點的響應(yīng)代替激振向量，其傳遞函數(shù)為振動系統(tǒng)中某一點的響應(yīng)與參考點響應(yīng)的比值：

(1)

式中Tij(ω)——相對ODS值；

{Xi(ω)}——某個測量點的響應(yīng)(ODS絕對值)；

{Xj(ω)}——參考點的響應(yīng)(ODS參考值)。

可采用相干函數(shù)法對ODS分析的質(zhì)量進(jìn)行檢驗，相干函數(shù)Rij(ω)可表示為：

(2)

式中Gij(ω)——參考點i處Xi(ω)和測點j處Xj(ω)的互功率譜；

Gjj(ω)——測點j處Xj(ω)的自功率譜。

相干函數(shù)Rij(ω)的值越接近于1，信號的一致性越高[7]。利用式(1)并參考自功率譜的有效值，可以求得各實測點和模擬點的ODS絕對值：

(3)

相比于特征頻率振動變形分析法，時域振動變形分析法可以系統(tǒng)地分析故障模式，并對振動信息的傳播途徑進(jìn)行判斷，為振動激勵下各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此在分析往復(fù)、旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)的振動特征時，利用時域振動變形分析法進(jìn)行研究具備可行性。

振動變形分析步驟如圖1所示，首先利用兩點測試法獲取振動信號{Xi(ω)}，然后對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，計算Tij(ω)值；同步進(jìn)行機械系統(tǒng)的仿真建模、特征參數(shù)的選擇與模態(tài)分析；最后進(jìn)行整體振動變形分析。

圖1 振動變形分析步驟

1.2軸系故障模擬試驗臺振動變形分析

通過軸系故障模擬試驗臺來進(jìn)行初步研究。在圓盤處模擬不平衡故障，設(shè)置兩個振動測試點和兩個模擬分析點，由式(1)、(2)獲得部件FRF矩陣，對試驗臺進(jìn)行整體ODS分析(圖2)。ODS分析結(jié)果表明：當(dāng)試驗臺軸系出現(xiàn)已知不平衡故障特征時，工作變形外形特征較為明顯，且垂直徑向動態(tài)變形比水平徑向動態(tài)變形強(圖3)。該方向?qū)崪y信號與模擬分析結(jié)果吻合度較高，二者的相干函數(shù)如圖4所示。

圖2 軸系試驗臺故障模擬測試與ODS分析

圖3 實測與ODS振動信號頻譜圖對比

通過有限的測點信息可以確定所需的多個關(guān)鍵部位的振動信息，從而解決因復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的信息量不足而導(dǎo)致的缺乏系統(tǒng)性的難題，利用ODS法在對軸系故障模擬試驗臺進(jìn)行動態(tài)分析時這種優(yōu)勢有望為復(fù)雜機械系統(tǒng)的故障精密診斷奠定基礎(chǔ)。

圖4 實測與ODS振動信號相干函數(shù)

2 振動測試與分析

2.1結(jié)構(gòu)分析與振動測點布置

選取柴油發(fā)電機組的動力傳動系統(tǒng)作為研究對象，振動測試測點主要布置在柴油機機身部位、曲軸部位和聯(lián)軸節(jié)部位(圖5)。

圖5 振動測點布置示意圖

2.2振動實測分析

所測取的曲軸振動信號時域和時頻圖如圖6

所示，3組信號在低頻段(100Hz附近)分布較為類似。圖6a為曲軸振動出現(xiàn)初期沖擊故障特征時，220Hz頻段出現(xiàn)能量集中；圖6b為沖擊特征加劇(幅值達(dá)到了10g)時，220Hz頻率附近能量增大且更為集中；圖6c為機組停機檢修后監(jiān)測信號，信號振動強度減弱，沖擊成分變得分散，且220Hz頻段能量消失。振動檢測表明了軸系從出現(xiàn)故障、故障加劇、檢修后正常的工作情況，其特征可以清晰地描述，但無法斷定故障部位和故障模式，需要進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)振動變形分析。

a. 初期

b. 中期

c. 正常圖6 曲軸部位振動實測時域與時頻圖

2.3系統(tǒng)振動變形分析

對柴油發(fā)電機組的模型設(shè)置3個振動測試點和5個模擬分析點來獲得其整體工作情況，并以此為依據(jù)分析動力傳動系統(tǒng)的受力平衡狀態(tài)，從而完成系統(tǒng)工況的總體模擬和故障診斷。獲得系統(tǒng)ODS加速度信號，分析模擬點振動特征以獲取振型數(shù)據(jù)。

引入均布激勵，對柴油機組模型整體進(jìn)行振動變形動態(tài)分析，曲軸與機組整體工作變形如圖7所示。由圖7可知：劇烈的振動導(dǎo)致聯(lián)軸節(jié)部(測點5和測點6)出現(xiàn)了較大的形變，推斷該部位受力出現(xiàn)異常，可能是因為與之相配合的部件工作出現(xiàn)了異常。利用以上全部測點進(jìn)行機組系統(tǒng)振動變形分析，得到聯(lián)軸節(jié)-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受力不平衡狀態(tài)下機組系統(tǒng)的工作變形，由圖7可知，機組發(fā)電機部分振動變形較為突出。

圖7 曲軸與機組整體工作變形分析

由式(1)計算所測振動數(shù)據(jù)的ODS相對值，在兩個特征頻率段(220、100Hz)測點振動ODS絕對值與相干系數(shù)見表1。從表1可以看出：聯(lián)軸節(jié)兩端測點振動幅值偏大，且在220Hz附近變化較為明顯；而當(dāng)特征頻段為100Hz時，幅值走勢較為平穩(wěn)。這表明聯(lián)軸節(jié)附近振動出現(xiàn)異常，而220Hz附近可視為其故障特征頻段。

表1 兩個特征頻段系統(tǒng)ODS分析結(jié)果

3 結(jié)論

3.1與實驗?zāi)B(tài)分析相比，振動變形分析的分析精度較高，且其所需的激勵可以由測試獲取的有限點來提供，而不需要全面的測試作為支撐，更具實用性。

3.2振動變形分析有助于解決機械系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的全面振動分析，通過若干實測測點信息可以確定所需要的多個關(guān)鍵部位的振動信息，從而解決復(fù)雜機械系統(tǒng)故障診斷的信息量不足和缺乏系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性分析的問題，為故障機理分析和精密診斷的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

3.3振動變形分析法的精度取決于相干系數(shù)，而結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)動態(tài)特性越難準(zhǔn)確衡量，因此所建立模型的精度是解決問題的關(guān)鍵，也是最終診斷精度的關(guān)鍵所在。

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StudyonVibrationDeformationAnalysisMethodforMechanicalSystem

BIE Feng-feng1, PEI Jun-feng2, LV Feng-xia1, LIU Jin-mei1

(1.CNPCHSEKeyLaboratory,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,China)

The vibration deformation analysis-based extraction method for working condition’s features was proposed; and making use of the fault simulation test rig, the effectiveness of vibration deformation analysis was proved, including the study on the complicated mechanical system’s fault diagnosis method. The analytical results show that this vibration deformation analysis method can entirely and accurately extract key components’ vibration feature of the mechanical system and lay the foundation for fault diagnosis.

mechanical system, vibration deformation analysis, fault diagnosis

*國家自然科學(xué)基金資助項目(51175051)，常州大學(xué)教師基金項目(ZMF13020051)，東北石油大學(xué)青年基金項目(2012QN119)，中石油創(chuàng)新基金項目(2013D-5006-0604)。

**別鋒鋒，男，1979年12月生，副教授。江蘇省常州市，213016。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0188-05

2014-07-18，

2015-03-19)

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