機械振動在故障檢測中的應(yīng)用

1、機械振動在故障檢測中的應(yīng)用趙帥帥200806101材料081機械振動是自然界、工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象，任何一臺 運行著的機器、儀器和設(shè)備都存在著振動現(xiàn)象。通常情況下，機械振動是有害的， 但機械振動也有可利用的一面。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，振動理論的研究已經(jīng) 發(fā)展到較高水平，在現(xiàn)代生產(chǎn)中，為了使設(shè)備安全運行并保證產(chǎn)品質(zhì)量，往往需 要檢測設(shè)備運行中的振動信息，進行工況監(jiān)測、故障診斷。我介紹幾種比較典型 的運用機械振動進行故障檢測的實例，進而說明振動檢測的應(yīng)用?；谡駝訙y試的離心泵故障診斷離心泵是石化行業(yè)使用的重要動力設(shè)備，其使用范圍越來越廣，它能否可靠 運行直接影響企業(yè)的安全性和經(jīng)

2、濟性。隨著動力裝置的大型化和回轉(zhuǎn)設(shè)備的高速 化，離心泵的振動問題也日漸顯現(xiàn)。造成設(shè)備振動增大的原因主要包括轉(zhuǎn)子的不 平衡，同軸度偏差大或不對中、機組同軸度調(diào)整不良、軸承原因、水力波動和汽 蝕、共振等。隨著振動的加劇，過大的振動容易造成機器和相關(guān)設(shè)備的損壞。因 此對離心泵的振動進行故障診斷就尤為重要。而振動測試是故障診斷的一種重要 方法，以確定機泵振動是否在允許范圍內(nèi)，進而確定故障可能存在的部位。筆者 利用雙通道數(shù)據(jù)采集器對某煉廠離心泵裝置進行了振動測試，并通過對頻譜特征 的分析，為離心泵的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測提供了一定的參考依據(jù)。轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損造成的故障引起

3、振動，軸承不對中的頻譜特征是：會產(chǎn)生基頻、2倍頻且振動以軸向為主。因此 在對離心泵進行振動頻譜分析時要結(jié)合其典型故障及特征頻率，從中識別出各種 故障。本次測試的使用的儀器有：傳感器、雙通道數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析軟件、 計算機，它們之間關(guān)系如圖1，振動測試基本流程圖如圖2所示。對于機械設(shè)備的振動測量而言，可測量的參數(shù)有位移、速度和加速度三種。 本次測試參考泵的振動測量與評價方法(GB/T 80971999)中的相關(guān)規(guī)定，選擇速度為測量參數(shù)，有效值為均方根，該值的大小反映了振動能量的大小。本 次測試數(shù)據(jù)包括振動頻譜、振動能量、峰值振幅和峰值頻率等。根據(jù)振動能量測 試數(shù)據(jù)，計算得到各測點和各機器振動能

4、量平均值和類比值(最小數(shù)據(jù)的倍數(shù))， 如表2所示其中(N / S為未測項)。表葛心泵撮勒醐慎惟值和類比值提動麓食1寸振動旭融平均而 由EC使* H水平垂打A袖而平均H水早KMJ蛹向平地陶心掌1鬲承氏翼N7S5.30.i2囹心系J附廠-1. D73-032.96L272.7!L L4&2.49!.高心聚1基礎(chǔ) 1.M1.451-27L542.11商右和軸承4,09g&B42- 35陶心更1滎盜 11.67h/SN/S12.673.0LO.W5.SI14.235.411. 383.42肉心* 1越州 4.201.92o.tio2.243.07而心泵3勘改 3,QLA 80rvs2-91LOO陶心孳

5、3代。，網(wǎng)tvzsw*n.891.632. 31asiL6II.WI.ooPWLOOLOO高心歸基仙I.Wajio.yBL34從表2中可以看出：這六臺離心泵，振動測試得到的數(shù)據(jù)差別較大，由此可 知這幾臺離心泵運行狀態(tài)存在明顯的差異。這六臺離心泵的中心高為350rmn，轉(zhuǎn) 速為2980r/min，根據(jù)泵的振動測量與評價方法(GB / T80971999)中泵的 分類表知，這六臺離心泵均屬于第三類；再結(jié)合泵的振動烈度分類表得這幾臺離 心泵的振動烈度級分別為：7. 10、18. 00和4. 50，再查泵的振動級別分類表得 它們的振動級別分別為：C、D、B?？梢钥闯?號離心泵的振動狀態(tài)為不合格，所 以

6、應(yīng)該對2號離心泵進行重點分析。2號離心泵振動速度在水平方向、垂直方向和 總能量值上均最大，分別的類比值為：5. 41、1. 43和3. 42倍，在軸承、泵殼 和基礎(chǔ)上的平均值也是最大，分別的類比值為：2. 35、14. 23和3. 07倍；2號 離心泵在軸承處水平方向振動速度最大值為：12. 67mm/s，超過了離心泵振動 允許值(7. 10mm/s)，由此可見2號離心泵整體振動速度能量值相對最大，并且 主要是在水平方向上振動能量較大，所以通過對其水平方向上的頻譜圖分析來揭 示該設(shè)備的狀態(tài)和故障類型。振動測試和故障診斷技術(shù)是目前較普遍采用的獲取設(shè)備運行狀態(tài)信息的方 法之一。本文在分析介紹離心泵

7、的振動特征的基礎(chǔ)上，對某煉廠的離心泵裝置進 行了振動測試，通過對測試數(shù)據(jù)和頻譜的分析，結(jié)合特征頻率，認為所測2號離 心泵存在轉(zhuǎn)子不平衡故障，為離心泵的狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測維修提供了一定的參考依 據(jù)?；谡駝訙y試的海洋平臺損傷診斷研究海洋平臺結(jié)構(gòu)長期服役在惡劣的環(huán)境下，再加上設(shè)計或使用的不當(dāng)，結(jié)構(gòu)容 易產(chǎn)生各種形式的損傷，嚴重的還會導(dǎo)致平臺失效.海洋平臺損傷檢測的方法有 很多，采用局部損傷檢測技術(shù)方法對海洋平臺結(jié)構(gòu)進行損傷診斷不可靠.基于振 動測試的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是簡單可行又較為準(zhǔn)確的全局性損傷診斷方法。這種 方法的突出優(yōu)點是利用環(huán)境激勵下的動力響應(yīng)測試進行損傷診斷，整個損傷診斷 過程不會影響結(jié)構(gòu)的

8、正常工作。基于結(jié)構(gòu)動力特性變化的損傷診斷所使用的指標(biāo)包括結(jié)構(gòu)損傷前后的固有 頻率變化、模態(tài)變化、阻尼變化.固有頻率是結(jié)構(gòu)的一個本質(zhì)屬性，主要取決于 結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K.當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，其剛度降低，因此固有頻率 就有變化.采用了Lanczos迭代法提取了結(jié)構(gòu)的前n階模態(tài).固有頻率的變化值定 義為、 e損傷越大，其固有頻率的變化也就越大。定義帥，和舟”為破損前和破損后的曲率模態(tài)，則結(jié)構(gòu)上j點處兩種振型曲率之差的絕對值 為cmsu) =1 兒。)-M)I在破損處，CMS值顯著大于其余部位的值，檢查所有點處的CMS值，就可以確 定破損位置，用曲率模態(tài)振型可以進行破損定位，如能布置足夠密的測

9、點，效果 將更好。運用結(jié)構(gòu)損傷前后阻尼的變化來診斷損傷，主要應(yīng)用于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，由 于通過模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)確定結(jié)構(gòu)阻尼比的精度不夠，利用阻尼診斷損傷仍舊處 在實驗探索研究階段。用Lanczos迭代法提取了結(jié)構(gòu)的前若干階模態(tài)，同時考慮 了直接阻尼.通過計算分析，得到隨機波浪力荷載作用下海洋平臺的動力響應(yīng)， 同時用兩個參數(shù)ARE11和ARE22來反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，表示如下,-八iii 二s A?尸;i jr% jy 了 j =nN _-式中：項Ft和MAi分別表示損傷前、后方向應(yīng)變的均方根值；頊伍和分別表示損傷前、后Y方向應(yīng)變的均方根值?；诮Y(jié)構(gòu)動力特性變化的全局性損傷診斷技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，

10、與局部 損傷探測技術(shù)相比，成本較低，操作簡單，可靠性高.特別對于海洋平臺結(jié)構(gòu)而 言，局部檢測技術(shù)實施起來困難較大，發(fā)展該技術(shù)顯得更為可行.橋梁損傷的一種振動檢測方法舊有橋梁的老化和一些新建橋梁施工管理的不完善，都為橋梁的安全性能埋 下了隱患。為此，研究者提出了各種各樣的檢測方法u J，以期能迅速有效的判 斷橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷，以及如果發(fā)生了損傷，如何確定損傷的位置和程度。 在這些方法中，振動檢測方法由于實施相對容易且不損傷原結(jié)構(gòu)而倍受青睞。本 文給出的就是橋梁損傷的一種振動檢測方法，它能較好的進行損傷定位。在此討論的橋梁結(jié)構(gòu)是基于有限元的梁模型，梁長為L。經(jīng)過計算可得一個標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)：式中

11、，“為樣本平均值，。為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。選擇適當(dāng)?shù)娘@著性水平，就可以將損傷單位和未損傷單位區(qū)分開來。以 某立交橋為例分析，引跨長80m，標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)：式中，“為樣本平均值，。為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。選擇適當(dāng)?shù)娘@著性水平，就可以將損傷單位和未損傷單位區(qū)分開來。以 某立交橋為例分析，引跨長80m，在脈動試驗中用高靈敏傳感器在箱梁中線中每 隔5m布置一個測點，對該橋進行損傷定位，識別結(jié)果見圖。首先，獲得損傷前后的模態(tài)振型。利用有限元法計算損傷前的結(jié)構(gòu)的模態(tài)振 型，采用三次樣條插值函數(shù)擬合損傷后的結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。然后，計算指標(biāo)Z(i=1，2，100)。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計學(xué)原理，顯著性水平a一般取為0. 05。查 閱標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布數(shù)值表，與a =0. 05相對應(yīng)的分位數(shù)為1. 96。則給出判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：如果Z1. 96,那么選擇備擇假設(shè)日H1，也就是認為j位置有損傷。給出的損傷識別方法的優(yōu)點在于：分析中只需要模態(tài)振型，不需要頻率、阻 尼等參數(shù)；計算相對簡單，不需要解方程組；可以識別出結(jié)構(gòu)中多個單元的損傷。另外，這一方法還要與傳統(tǒng)的靜測等方法配合使用，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，才能更好的