有軸螺旋輸送機振動故障點預判分析

李 兵，張宏哲，李志勇，王秀珍

（鄭州市污水凈化有限公司，河南鄭州 450046）

0 引言

螺旋輸送機在運行過程中的徑向力及摩擦力，對螺旋正常運行具有一定的影響，是構成螺旋刮蹭槽底或槽壁故障的主要原因。有軸螺旋在實際運用中，運行一段時間后會出現結構變形，導致刮蹭槽底或槽壁，最終造成有軸螺旋輸送機出現故障。研究提出利用有限元仿真預判設備故障點，進行結構優化，利用有限元軟件Solidworks 對有螺旋軸進行靜載及負載狀態分析，得出有軸螺旋在不同激振頻率下的振型，通過振型變化判斷有軸螺旋在不同負載狀況下的狀態，推斷出有軸螺旋的故障點。

1 有軸螺旋有限元仿真理論分析

利用有限元軟件Solidworks 對有軸螺旋進行模態仿真分析，通過對有軸螺旋自由模態仿真與約束狀態分析，然后驗證有軸螺旋有限元仿真理論分析法的可行性。以下為有軸螺旋有限元仿真理論分析理論依據：

設系統各坐標做同步諧振動，X=sin（pt+φ）式（2）：

式中 A=（A1A2A3..An）T

將式（2）代入式MK¨+kx=0，并消除sin（pt+φ），得到式（3）：

根據主振型的正交性：

由式（3）和式（4）可知：

其中，K 為剛度系數矩陣；M 為質量矩陣；P2為系統固有頻率矩陣。

2 有軸螺旋光軸的試驗模態分析

圖1 測點分布

以FFT（Fast Fourier Transform，快速傅立葉變換）為基礎，采用結構特性脈沖激勵法，又稱為錘擊法，設備使用流程簡單，易于操作，實驗的核心在力錘撞擊螺旋產生激勵響應，最終采集信號頻譜分析，因此錘頭的選擇尤為重要，錘頭材料主要包括鋼質頭、塑料尼龍頭、橡膠頭等，根據有軸螺旋鋼性要求，采用鋼質錘頭進行激勵。

根據互逆性相關理論，先利用軟件根據現場螺旋的結構形式進行數學建模，并對螺旋主軸結構進行有限元軟件模擬分析，根據各個葉片焊接位置以及振型分析，決定對螺旋劃分18 個區域，每個區域共劃分6 個點，根據各點應變量，了解有軸螺旋使用撓性變形情況，對設備維護人員提供理論指導，因此利用錘擊法對螺旋軸進行激勵得到函數矩陣，共有144 個測點，測點分布如圖1 所示。

圖2 實驗系統組成

圖3 相干曲線等信號和加窗后的時域信號

圖4 無軸螺旋光軸的模態振型

實驗設備采用美國DP 公司信號分析系統及法國N-Modal模態分析系統，系統組成如圖2 所示。

對各測點的頻響函數進行總體平均，然后通過參數識別求出系統的固有頻率和振型。相干曲線、力譜、頻響函數、激勵信號和加窗后的時域信號如圖3 所示，無軸螺旋光軸的模態振型如圖4 所示。

3 有軸螺旋的模態分析

3.1 有軸螺旋的自由模態分析

根據有軸螺旋構件的幾何尺寸條件，依據一定的簡化條件，對污泥氣化項目料倉螺旋軸建立了有軸螺旋構件的有限元網格模型，并利用有限元理論計算了有軸螺旋的軸前四階自由模態固有頻率如圖5 所示。

通過觀察螺旋軸振型變形狀況及位移變化分布云圖得到：深色區域代表易變形區，表示此處易出現螺旋刮蹭槽底或槽壁，因此在設計及運行過程中要對螺旋相配合構件進行結構優化，減少螺旋故障率。

圖5 前四階自由模態固有頻率

圖6 螺旋在工作狀態下主要振型

3.2 受約束螺旋模態分析

螺旋在工作狀態下主要產生以下振型（圖6）。

在工作狀態下，螺旋受到兩支撐軸承約束，由振型位移分布圖可知受約束部位容易產生變形，因此在實際工作狀態下，需要對螺旋兩端進行固定，保證螺旋變形量小，減少螺旋故障。通過螺旋片振型分析，焊接區域為易變形區域，此處存在焊接殘余應力，因此在設備維護過程中，需要定期檢查焊接區域狀況，提前預測螺旋故障。

4 結束語

（1）通過有限元仿真軟件對螺旋進行模態分析，通過螺旋振型變化，能夠提前預判螺旋易出現故障的部位。

（2）通過對螺旋故障部位優化為非標螺旋設計提供了理論參考。