基于振動聲輻射的機(jī)械設(shè)備故障檢測技術(shù)研究

鄭勇

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

以往對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障檢測的時(shí)候，基本上都是以振動信號為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的檢測和分析，而對振動信號加以檢測的相應(yīng)傳感器在很多工況環(huán)境以及設(shè)備當(dāng)中難以安裝，導(dǎo)致這種方法在使用上存在一定局限性。為了更加全面并有效的實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備故障檢測，本文以振動聲輻射為基礎(chǔ)，研究更為先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備故障檢測技術(shù)，以推動故障檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 基于振動聲輻射的機(jī)械設(shè)備故障檢測技術(shù)

1.1 聲振耦合有限元

當(dāng)在流體當(dāng)中放置相關(guān)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，由于處于振動狀態(tài)的結(jié)構(gòu)與流體發(fā)生一定接觸，在這個(gè)過程中與結(jié)構(gòu)存在接觸的流體也會發(fā)出一定振動，進(jìn)而產(chǎn)生一定聲壓。研究耦合問題，主要就是對結(jié)構(gòu)以及聲場兩者之間的相互作用進(jìn)行研究，也就是在一個(gè)確定的耦合環(huán)境之下，通過科學(xué)計(jì)算同時(shí)獲得聲場分布以及結(jié)構(gòu)振動相關(guān)狀況。在空氣場聲振耦合系統(tǒng)當(dāng)中，將聲場V進(jìn)行邊界的科學(xué)劃分，主要分為聲振的耦合邊界、速度邊界、聲阻抗邊界以及聲壓邊界，分別用?s、?v、?z和?p來表示。在該系統(tǒng)當(dāng)中耦合邊界位置上，流體實(shí)際振動速度與結(jié)構(gòu)法線相應(yīng)方向振動速度是一致的，用公式表示即為：該公式當(dāng)中的p0代表的是流體密度，ω代表的是角頻率，p（r）代表的是亥姆霍茲方程相應(yīng)的解，n代表的是邊界相對應(yīng)的法線向量，vn（r）代表的是結(jié)構(gòu)法線方向相應(yīng)振動速度，μn（r）代表的是流體振動速度。之后，通過相關(guān)科學(xué)公式對聲場V當(dāng)中任意一個(gè)點(diǎn)相應(yīng)聲壓進(jìn)行計(jì)算。在結(jié)構(gòu)和流體兩者出現(xiàn)耦合的相應(yīng)Ωse位置處，流體法線方向相應(yīng)振動速度與結(jié)構(gòu)法線方向相對應(yīng)振動速度是一樣的，以此為基礎(chǔ)，在相應(yīng)Ωs邊界位置上，結(jié)構(gòu)相應(yīng)振動速度能夠被當(dāng)做聲響附加形式的速度輸入，結(jié)合相關(guān)因素對聲學(xué)方程進(jìn)行有效調(diào)整，將相關(guān)方程公式進(jìn)行整合之后，得到一個(gè)最終矩陣形式耦合方程式，即：通過相關(guān)公式以及對應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在受到一定振動作用之后，會有聲波發(fā)生，而產(chǎn)生的生源輻射聲波可以進(jìn)一步促使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。

1.2 隨機(jī)激勵(lì)條件下振動聲學(xué)模擬仿真

為了在隨機(jī)激勵(lì)條件下對振動聲學(xué)進(jìn)行模擬仿真分析，可以利用Actran軟件進(jìn)行具體的仿真操作。該軟件當(dāng)中包含了前后處理接口、多種形式的單元庫、求解器、材料庫、問題解決方案以及邊界條件，結(jié)合軟件相關(guān)功能，可以直接利用正方形結(jié)構(gòu)來簡單、直觀、有效的分析振動聲輻射。

（1）實(shí)現(xiàn)模型的建立與參數(shù)的設(shè)置。首先，需要通過繪圖軟件實(shí)現(xiàn)模型的有效構(gòu)建，模型當(dāng)中包括結(jié)構(gòu)體和空氣場結(jié)構(gòu)。模型當(dāng)中與存在故障的相應(yīng)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行模擬，并模擬在一定激振條件當(dāng)中相應(yīng)結(jié)構(gòu)體實(shí)際振動情況和附近聲場具體狀態(tài)。模型當(dāng)中的激勵(lì)面屬于正方體面，該正方體面和豎直方向的聲場面兩者為正對方向；模型當(dāng)中的故障面也是一個(gè)正方體面，該正方體面和水平方向的聲場面屬于正對方向，在正方體面當(dāng)中存在一條切削縫，表示的是故障面。之后，通過Hypermesh軟件來對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將劃分結(jié)果向Actran軟件當(dāng)中導(dǎo)入，在這個(gè)過程中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，以加載激勵(lì)實(shí)現(xiàn)具體的分析。

（2）結(jié)構(gòu)振動聲輻射的仿真分析。在對結(jié)構(gòu)振動聲輻射實(shí)現(xiàn)仿真分析的時(shí)候，主要通過直接頻率響應(yīng)來激振相對應(yīng)的故障結(jié)構(gòu)體，并科學(xué)分析故障體結(jié)構(gòu)附近聲場情況以及自身振動狀態(tài)。設(shè)定加載激勵(lì)在100至1500Hz范圍之間，可以得到在激振頻率不同的時(shí)候，相應(yīng)結(jié)構(gòu)體周圍聲場實(shí)際的響應(yīng)情況以及該結(jié)構(gòu)體自身具體的振動模態(tài)。通過對不同激勵(lì)頻率下實(shí)際情況加以分析，發(fā)現(xiàn)在激勵(lì)頻率逐漸變大的過程中，相應(yīng)結(jié)構(gòu)體具體振動的位移情況呈現(xiàn)出幅度越來越小的趨勢，但是相應(yīng)聲場當(dāng)中發(fā)出的聲壓值處于越來越大的趨勢。結(jié)構(gòu)體當(dāng)中實(shí)現(xiàn)裂縫切削的相應(yīng)位置發(fā)出的振動相對比較小，并且該位置處相應(yīng)聲壓相對來說也非常小。基于此，可以得出結(jié)構(gòu)體如果自身振動越大，那么相應(yīng)外界聲場所發(fā)出的具體聲壓也會越來越大。

在激振頻率越來越大的過程中，相應(yīng)空氣流體當(dāng)中具體聲壓值也越來越大，按照這個(gè)規(guī)律，可以通過傳聲器對結(jié)構(gòu)體附近空氣當(dāng)中實(shí)際聲壓信息以陣列的方式進(jìn)行有效采集，通過相關(guān)聲壓信息對結(jié)構(gòu)體具體的故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。以此為基礎(chǔ)，能夠在故障診斷技術(shù)研究過程中，積極對聲學(xué)信息加以有效利用，促使故障診斷技術(shù)發(fā)展的越來越先進(jìn)。

（3）結(jié)構(gòu)振動聲輻射的試驗(yàn)分析。要研究結(jié)構(gòu)振動聲輻射的機(jī)械設(shè)備故障檢測技術(shù)，需要對結(jié)構(gòu)振動和聲輻射兩者之間的關(guān)系進(jìn)行充分了解。上文已經(jīng)對結(jié)構(gòu)振動和聲輻射關(guān)系進(jìn)行初步確定，為了對兩者關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，可以通過結(jié)構(gòu)體以及傳聲器陣列架實(shí)現(xiàn)激振試驗(yàn)分析。實(shí)際試驗(yàn)當(dāng)中的結(jié)構(gòu)體，和仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中相應(yīng)結(jié)構(gòu)體具有高度一致性，所以在試驗(yàn)當(dāng)中需要設(shè)置不一樣的激振頻率，獲得相應(yīng)頻率下結(jié)構(gòu)體具體的振動位移幅值，還有結(jié)構(gòu)體外部具體的聲場聲壓。在不同的頻率之下對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行激振，能夠?qū)β晥雎晧簩?shí)現(xiàn)具體數(shù)據(jù)的獲取，并對相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)均方值的處理。

首先分析與結(jié)構(gòu)體激振面正對方位的相應(yīng)聲場聲壓，可以發(fā)現(xiàn)處于中間位置的激振點(diǎn)其聲壓是最高的，這一點(diǎn)和仿真結(jié)果是一致的。在具體試驗(yàn)當(dāng)中，以400Hz頻率來激勵(lì)結(jié)構(gòu)體，獲得的尖峰最高數(shù)據(jù)是0.049Pa；以500Hz的頻率對結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)激勵(lì)，獲得的尖峰最高數(shù)據(jù)是0.0805Pa。

其次，分析與結(jié)構(gòu)體故障面相對的激勵(lì)聲壓，發(fā)現(xiàn)以不同的頻率來激振結(jié)構(gòu)體，對故障面正對應(yīng)的相應(yīng)位置實(shí)際聲壓值相對較小，并且最低可達(dá)到0.005Pa，但是除此以外的部位相應(yīng)聲壓值就會更大一些，其中最高數(shù)值為0.01145Pa，在激振頻率不斷增大的過程中，結(jié)構(gòu)體附近空氣當(dāng)中的聲壓也處于不斷增大趨勢，這一點(diǎn)和仿真結(jié)構(gòu)也是相同的。

結(jié)合相關(guān)分析，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體在振動過程中，其附近聲輻射聲壓和具體振動情況屬于正相關(guān)的關(guān)系，也就是振動激烈程度越來越大的過程中，相應(yīng)聲場聲壓值也會越來越大，同時(shí)，與振動部位距離越小，相應(yīng)聲場聲壓值也越來越高。通過仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)試驗(yàn)，有效驗(yàn)證了聲壓與振動兩者的關(guān)系，在實(shí)際研究當(dāng)中可以對這一關(guān)系進(jìn)行有效利用。在對結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行檢測以及分析的時(shí)候，可以通過聲壓來實(shí)現(xiàn)科學(xué)判斷。

1.3 總結(jié)分析

上述兩點(diǎn)當(dāng)中，通過對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行一定頻率的激振，進(jìn)而獲得一定聲輻射，并科學(xué)分析結(jié)構(gòu)體振動與聲輻射兩者之間的關(guān)系。利用Actran軟件來對結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)振動噪聲仿真，并通過試驗(yàn)加以分析，發(fā)現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行一定頻率的激振過程中，結(jié)構(gòu)體具體的聲壓和其振動存在正相關(guān)系，在激振頻率不斷加大過程中，結(jié)構(gòu)體振動程度不斷增加，相應(yīng)聲場聲壓也會不斷加大。基于此，在對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障檢測的時(shí)候，可以對振動和聲壓兩者關(guān)系與規(guī)律進(jìn)行有效利用，對故障設(shè)備進(jìn)行一定激振，來獲取相應(yīng)聲壓值，結(jié)合具體數(shù)據(jù)來診斷并檢測設(shè)備故障。在實(shí)際機(jī)械設(shè)備故障檢測過程中，如果遇到一些工況條件下不能通過傳感器來獲得振動信號的時(shí)候，可以利用此技術(shù)對設(shè)備故障加以檢測，對以往檢測局限進(jìn)行有效彌補(bǔ)。結(jié)合上述的仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)試驗(yàn)得出的具體結(jié)果，獲得了聲學(xué)信號利用的具體規(guī)律，為非接觸形式的故障檢測和診斷研究提供了重要的參考依據(jù)。

2 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的檢測手段越來越先進(jìn)，以往基于振動信號來檢測機(jī)械設(shè)備故障的技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中具有一定局限性。為了更加全面、有效的檢測機(jī)械設(shè)備故障，本文研究基于振動聲輻射的機(jī)械設(shè)備故障。通過對振動聲輻射進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)試驗(yàn)，獲得振動和聲壓具體的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)能夠更好的對聲學(xué)信號加以利用，并為非接觸式故障檢測技術(shù)研究提供重要依據(jù)，推動相關(guān)檢測技術(shù)向自動化以及現(xiàn)代化發(fā)現(xiàn)發(fā)展。