基于動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)的裝配式鋼桁架橋動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷

徐 磊，何曉暉，王 強(qiáng)，陳華明，張 濤

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

裝配式鋼桁架橋是一種能快速架設(shè)、撤收，且靈活機(jī)動(dòng)的橋梁，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠承受的最大載荷級(jí)別高、互換性好以及地形適應(yīng)能力強(qiáng)[1-3]。裝配式鋼桁架橋不僅在軍事運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面具有重要作用，在平時(shí)的交通工程建設(shè)保障中也發(fā)揮著重要作用。而動(dòng)力系統(tǒng)作為裝配式鋼桁架橋的重要組成部分，其工作狀況直接影響橋梁是否正常工作[4-5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷越來(lái)越多與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合。李清川基于小波包和最小二乘法支持的向量對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行了故障診斷，能夠很好地消除噪聲[6-7]。程思嘉,張昌宏針對(duì)數(shù)/模混合電路故障的特點(diǎn)，采用將粒子群算法與最小二乘支持向量機(jī)相結(jié)合的故障診斷方法，在保證診斷過(guò)程準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多類故障的快速診斷。在診斷過(guò)程中，支持向量機(jī)的參數(shù)尋優(yōu)過(guò)程存在隨意性、盲目性和效率低等問(wèn)題，采用改進(jìn)的粒子群算法優(yōu)化支持向量機(jī)的參數(shù)，建立基于支持向量機(jī)的故障分類模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其他方法相比，該方法提高了故障診斷的精度，具有明顯的實(shí)用價(jià)值[8]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用使得故障診斷結(jié)果更為精確，司景萍等在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷時(shí)運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能診斷專家系統(tǒng)，給出了一種較為精確和快速的診斷方法[9]。

本文基于動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì)裝配式鋼桁架橋動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，先采用加速度傳感器對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再對(duì)通過(guò)加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，然后運(yùn)用測(cè)試信號(hào)分析原理進(jìn)一步分析，最終得到故障診斷結(jié)果。

1 動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)的基本流程如圖1所示，首先確定診斷對(duì)象為裝配式鋼桁架橋的動(dòng)力系統(tǒng)，然后確定傳感器的類型和位置，通過(guò)其信號(hào)輸出線輸入到數(shù)據(jù)分析采集系統(tǒng)里，之后把試驗(yàn)數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)于硬盤中，等采集結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，運(yùn)用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析方法得到診斷結(jié)果[10-12]。

布置好傳感器收集到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障情況。如圖2所示，為了大大提高診斷效率，對(duì)所測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)信號(hào)與氣缸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，確定氣缸疑似故障；然后對(duì)疑似故障氣缸信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析和小波分析，提取出振動(dòng)信號(hào)故障特征參量，最后依據(jù)這些故障特征對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障診斷。

裝配式鋼桁架橋的動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)多層系統(tǒng)，由配氣機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、燃?xì)庀到y(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成，具有子系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、零件級(jí)及部(組、件)級(jí)四個(gè)層次。由于傳遞路徑復(fù)雜，激振源多等因素，所以測(cè)點(diǎn)選擇要盡量接近需要檢測(cè)的診斷部件，這樣才能充分反映部件的狀態(tài)信息，而所測(cè)的信號(hào)應(yīng)具有對(duì)故障敏感、信噪比高等特點(diǎn)，而且還要有利于傳感器的安裝，盡量不干擾機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)，這樣便能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用[13-15]。

根據(jù)機(jī)器不同待測(cè)點(diǎn)的部位檢測(cè)分析，可知最為敏感的振動(dòng)地方為機(jī)身上靠近缸的待測(cè)點(diǎn)和各缸的缸蓋，而且缸蓋上緊固的螺釘離氣閥較近且利于傳感器安裝，所以振動(dòng)診斷待測(cè)點(diǎn)選為缸蓋上的緊固螺釘和機(jī)身上靠近缸頭的地方。傳感器布置如圖3所示。

正常與故障的幅值比對(duì)的時(shí)域波形區(qū)別不明顯，故障不易分辨。因此，應(yīng)該對(duì)所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特征進(jìn)行時(shí)域分析，得到正常情況下的時(shí)域特征圖，然后用故障情況下的時(shí)域特征參量與其對(duì)比，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的故障所在的位置。

2 實(shí)裝試驗(yàn)研究

對(duì)某型裝配式鋼桁架橋的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)裝試驗(yàn)研究。傳感器實(shí)裝布置如圖4所示。

布置好傳感器收集到數(shù)據(jù)后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障情況。圖5～圖7為發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在600、1 000、1 500、2 000和2 300 r/min時(shí)振動(dòng)加速度的總趨勢(shì)信號(hào)圖的一部分。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)四個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理得到的結(jié)果如表1所示。

將表中數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析繪成圖像如圖8和圖9所示。

由圖8可知，各測(cè)點(diǎn)最大加速度、最小加速度和平均加速度的數(shù)值大小均隨轉(zhuǎn)速的提高而增加，其增加趨勢(shì)滿足一定的線性規(guī)律，可以作為故障發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均加速度可上下浮動(dòng)20%，如超過(guò)此值，即認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)有故障。對(duì)圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得各測(cè)點(diǎn)最大浮動(dòng)值為15.51%，故無(wú)故障。另一方面，由圖9可知，四個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均加速度值也隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，其實(shí)測(cè)值均低于發(fā)動(dòng)機(jī)的下限閾值，表明此次對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷的結(jié)果為：該發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況良好，無(wú)故障[16-18]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)各測(cè)點(diǎn)在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)幅值

測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)最大加速度/g最小加速度/g平均值/g最大浮動(dòng)/%測(cè)點(diǎn)360011.12-10.6710.902.111 00016.82-12.3514.5915.351 50020.87-16.3718.6212.082 00028.51-38.1733.3413.892 30030.90-41.2036.0514.01測(cè)點(diǎn)460011.90-8.9710.4414.081 00012.66-10.8711.777.651 50013.04-15.0514.057.122 00018.73-21.8820.317.732 30028.98-24.1626.569.04

4 結(jié)論

對(duì)采用動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行時(shí)域分析可以有效反應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可得出當(dāng)前測(cè)點(diǎn)位置上系統(tǒng)運(yùn)行狀況，得出裝配式鋼桁架橋動(dòng)力系統(tǒng)診斷的最終結(jié)果，為裝配式鋼桁架橋的動(dòng)力系統(tǒng)的故障診斷提供了一個(gè)有效且應(yīng)用性強(qiáng)的方法。