起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動與故障診斷分析

倪孝慶

（浙江賽福特特種設(shè)備檢測有限公司，浙江 杭州 3 1 0 0 2 0）

起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動與故障診斷分析

倪孝慶

（浙江賽福特特種設(shè)備檢測有限公司，浙江 杭州 3 1 0 0 2 0）

起重機械是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中不可或缺的運輸設(shè)備，目前起重機械已經(jīng)被廣泛運用在物料安裝、起重等作業(yè)中。起重機械在長期的使用過程中會出現(xiàn)一些問題，其中比較具有代表性的就是機械金屬結(jié)構(gòu)振動與故障，針對該內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析。

起重機械；結(jié)構(gòu)振動；故障診斷

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，起重機械的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，在各種不同環(huán)境下作業(yè)，起重機械在作業(yè)過程中的疲勞問題日益突出。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，疲勞與振動之間的關(guān)系是密不可分的，因此疲勞和振動都會導(dǎo)致設(shè)備在使用壽命期間內(nèi)發(fā)生安全事故，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會造成人員傷亡。

1 振動故障診斷分析

振動與結(jié)構(gòu)運行之間的聯(lián)系十分緊密，將外部激勵施加在結(jié)構(gòu)上，通過對結(jié)構(gòu)振動相應(yīng)信號完成檢測，故障診斷以及損傷模式的識別都可作為評價起重機械金屬結(jié)構(gòu)安全性能的主要參考依據(jù)，故障診斷通過一段時間的發(fā)展，形成了多種不同的方法，其中比較常用的方法有以下幾種。

1.1 專家診斷法

通過專家系統(tǒng)完成對故障狀態(tài)的分析與觀察，對故障的所在進(jìn)行推斷，并且給出相應(yīng)的排除故障的有效方法。專家診斷法需要匯集大量的專家知識，可以實現(xiàn)對隨機出現(xiàn)的故障的合理診斷。但是，在知識的獲取上會面臨一定困難，知識庫的更新速度相對比較緩慢，不同領(lǐng)域?qū)＜业闹R存在一定矛盾點，目前在表達(dá)能力和處理能力上都存在一定局限性。

1.2 模糊診斷法

在模糊診斷法中應(yīng)適當(dāng)?shù)囊肽：壿?，主要作用是克服出現(xiàn)的不精準(zhǔn)性、不確定以及因為噪聲而帶來的影響，因而在對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行處理時，會在時變、時滯等方面表現(xiàn)出一定優(yōu)勢。模糊診斷在具體應(yīng)用過程中的缺點是在診斷復(fù)雜系統(tǒng)過程中，需要構(gòu)建隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則，而從實際情況來看，這個過程難度較大，并且會消耗大量的時間。

1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成對故障的診斷，該診斷的基本思路如下：將故障特征信號作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入點，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出就是最終的診斷結(jié)果。第一，對已知的故障征兆和診斷結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用，實現(xiàn)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線訓(xùn)練，通過這種方式使神經(jīng)網(wǎng)路通過權(quán)值記憶故障征兆與診斷結(jié)果之間形成對應(yīng)關(guān)系。第二，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入端將獲得的故障征兆加入，并獲取最終的診斷結(jié)果。各個故障的類型需要與輸出神經(jīng)元相對比，否則系統(tǒng)將無法顯示新出現(xiàn)的故障類型，對故障的診斷將會造成不良影響。

2 故障診斷研究中存在的主要問題

2.1 診斷方法具有局限型

評估起重機械金屬結(jié)構(gòu)安全，要對設(shè)備運行過程中獲取的各種特征信息進(jìn)行提取，從中獲取故障具有聯(lián)系的征兆，然后在對征兆進(jìn)行利用的基礎(chǔ)上完成對故障的診斷。近幾年，短時傅立葉變換、傅立葉變換等方式的應(yīng)用，目的是對信號進(jìn)行更加合理的處理，對故障特征進(jìn)行提取，最終完成對故障的診斷。

通過大量案例可以發(fā)現(xiàn)，金屬結(jié)構(gòu)在運行過程中會受到磨損，并且該磨損比較微弱，還具有一定的潛在性。系統(tǒng)在運行過程中存在的故障與復(fù)合故障，會因為傳遞路徑情況復(fù)雜，多因素耦合等原因，導(dǎo)致單一信號處理方法無法對故障的原因進(jìn)行追溯。

2.2 故障機理研究內(nèi)容較少

故障機理指的是通過大量的實驗和理論分析反應(yīng)設(shè)備參數(shù)與設(shè)備故障信號之間呈現(xiàn)出的規(guī)律。研究的具體過程如下：

（1）依據(jù)分析對象的物理特點，構(gòu)建一個合理的數(shù)學(xué)模型。

（2）通過仿真獲取最終的響應(yīng)特征。

（3）在對數(shù)據(jù)進(jìn)行充分結(jié)合的基礎(chǔ)下，對模型進(jìn)行修正，最終獲取準(zhǔn)確的故障特征。

分析起重機金屬結(jié)構(gòu)過程中，故障機理研究較少的主要原因有以下幾點：

（1）起重設(shè)備的機構(gòu)比較復(fù)雜，在分析過程中經(jīng)常會涉及到復(fù)雜的力學(xué)和數(shù)學(xué)知識，這增加了分析難度。

（2）故障機理研究難度需要結(jié)合大量的實驗來進(jìn)行，是一件繁瑣的系統(tǒng)工程。

（3）要想準(zhǔn)確表現(xiàn)出這一故障，有待工程實例驗證，而由于故障具有隨機性，因此單一故障特征在實際工程中可遇不可求。

2.3 診斷智能化有待提高

智能診斷系統(tǒng)是起重機械結(jié)構(gòu)診斷與故障診斷的理想方法，而不同的智能診斷方法針對簡單的、特定的故障診斷的缺點與優(yōu)點都各不相同。雖然，目前能夠供人們選用的智能診斷方法種類很多，但是從具體情況來看，多數(shù)診斷方法都需要假定一定的人為設(shè)置參數(shù)和條件，因此要想獲得一種理想的智能診斷系統(tǒng)，還需要不斷加強研究與分析。

3 起重機金屬結(jié)構(gòu)診斷的具體應(yīng)用與思考

3.1 金屬記憶檢測與振動測試

金屬記憶檢測與其它檢測方法相比，不需要磁化工件，應(yīng)力集中部位在磁場作用下能夠呈現(xiàn)磁記憶信號。需要注意的是，如果應(yīng)用該檢測方法，在對工件進(jìn)行磁粉檢測時，若對其進(jìn)行消磁操作，將會致使應(yīng)力集中點出現(xiàn)微弱的記憶信號，該信號則會被磁化后的磁場覆蓋，因此在檢測工件金屬記憶時必須先完成消磁操作。振動特性主要指的是起重機械的消振能力，通常以主梁自振周期或衰減時間衡量振型和自振頻率。以上兩點內(nèi)容也是分析結(jié)構(gòu)剛性的關(guān)鍵指標(biāo)。在荷載下降或者上升時，結(jié)構(gòu)有可能會產(chǎn)生低頻率大幅度振動，對結(jié)構(gòu)的性能會造成不良影響，同時也會對工作人員的心理造成一定程度的干擾，導(dǎo)致作業(yè)無法正常進(jìn)行。當(dāng)開始測試振動時，垂直方向的振動點可以設(shè)置在主梁跨中蓋板處的任意一點上，再將應(yīng)變片粘在檢測上，完成粘貼之后，進(jìn)行速降處理。以上操作可以通過示波器記錄的振動曲線和時間曲線上量測頻率，該頻率就是起重機械的剛度。

3.2 探索起重機械故障診斷內(nèi)容

在對起重機械故障的診斷方面的探索可以從以下兩個方面入手：

（1）實現(xiàn)從單故障研究突破到群故障研究。起重機械的關(guān)鍵部件或金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生磨損、剝落、裂縫等故障往往是先后級聯(lián)或同時發(fā)生，此時振動信號并非幾個單個故障特征信號疊加，而是不同故障信號特征的相互耦合，盲目的以單一故障對金屬結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行判斷，會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。在安全評估起重機械中，單故障主要依靠信號處理，振動信號特征與其它干擾成分頻譜區(qū)分起來相對也比較容易，在故障診斷和識別損傷模式基礎(chǔ)上，對群估值耦合特征的分離與診斷方法進(jìn)行研究，逐步實現(xiàn)對多故障損失模式的診斷與識別。

（2）由零部件研究突破到整機系統(tǒng)能故障研究。起重機械零部件診斷往往只是針對關(guān)鍵性的零部件，該診斷通常只能完成對誘發(fā)性故障診斷，無法對起重機械的系統(tǒng)故障隱患實現(xiàn)根治。因此在面對整機系統(tǒng)故障時，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)的聯(lián)系性和整體性入手，加強對系統(tǒng)內(nèi)部的研究，從而得到零部件故障的結(jié)論，然后依此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)出現(xiàn)故障的根源進(jìn)行更深層探索，找出故障發(fā)生的原因，并且采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決。

4 結(jié)語

起重機械在人們的生活與生產(chǎn)過程中都扮演著重要角色，其在長期應(yīng)用過程中，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)振動，并且會引發(fā)故障，因此需要加強對該方面的研究。雖然，隨著科技的發(fā)展人們對起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動的研究已經(jīng)有所突破，但是仍然存在很多問題有待解決，因此還需要加強對該方面的研究與分析。

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