振動分析在立式巖石取樣機故障診斷中的運用范文

本站小編為你精心準備了振動分析在立式巖石取樣機故障診斷中的運用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：以立式巖石取樣機的結構為出發點，分析了取樣機的運行工況；采用有限元分析和實驗研究的方法分析了取樣機整機的固有特性，得到了取樣機的固有頻率，驗證了取樣機的實際工作頻率遠離其自振頻率，排除了取樣機的整機共振故障；使用東華DH5922動態測試系統采集取樣機異常振動信號，利用時域、頻域等多種信號處理方法進行分析，結合取樣機的故障機理，實現了對取樣機的故障診斷，診斷出異常振動的原因是取樣軸質量不平衡，并提出了應對措施。

關鍵詞：故障診斷；振動分析；信號處理；巖石取樣機

1引言

如今的設備大多都趨向于高速度、大型化、自動化、復雜化、重載荷和連續運轉[1]。當機械設備出現故障時，將帶來較大的人力和財力損失，甚至造成災難性后果。如果能準確及時地發現設備運行過程中的故障或者對故障的發生做出預警，那么對于保障機械系統安全、穩定地運行，減少或避免重大災難性事故將具有非常重要的意義[2-4]。立式巖石取樣機是進行巖石力學性能研究及實驗的重要基礎設備。在高速擋取樣時，取樣軸振動非常明顯，取樣獲得的巖石樣品質量隨即下降，樣品從原來的的圓柱體會變成橢圓柱體[5-6]。所以，對取樣機進行故障診斷，找出振動過大的原因并提出相應的改善措施對于取樣機的安全、穩定和可靠運轉具有重要意義。以立式巖石取樣機的結構與工作狀況為出發點，通過利用有限元模擬和實驗研究得到設備的模態頻率和振動特性，判斷設備是否存在共振故障；測試不同工況下設備的振動信號，得到振動信號的時、頻域特征，結合取樣機的故障機理，對取樣機進行故障診斷。

2立式巖石取樣機的結構分析

立式巖石取樣機的結構分析可以為故障信號的分析和判斷提供依據。立式巖石取樣機，如圖1所示。主要由三相異步電動機、固定立柱、懸臂、取樣臂、皮帶傳動裝置和控制系統組成；其中控制系統由懸臂控制器和取樣軸控制器組成，取樣臂由套筒和取樣軸組成。在實際取樣時，電動機輸出軸轉動并通過皮帶帶動取樣軸轉動，取樣頭安裝在取樣軸最下端，通過取樣軸控制器，人工控制取樣臂上下，實現取樣。該取樣機的動力源自固定在大立柱上的三相異步電動機，電機功率為1.3kW、1.8kW，轉速為1430r/min、2850r/min，電動機輸出軸端的皮帶輪的周長為c1=38.2cm，取樣臂端的皮帶輪周長為c2=67.1cm，兩個皮帶輪最外端具有相同的線速度。

3立式巖石取樣的固有特性分析

3.1立式巖石取樣機固有特性的數值模擬

采用ANSYS對取樣機的固有特性進行有限元模擬。取樣機全長0.85m，寬0.6m，高1.6m。考慮到懸臂控制器、取樣軸控制器、皮帶傳動裝置和皮帶傳動裝置的外殼對整體機器的剛度和強度影響很小，所以有限元建模時以配重代替。由于取樣機是固定在底座面上的，所以在立柱底座面上施加零位移固定端約束；對于三相異步電動機將其用30kg集中質量單元來代替；選用SOLID187（三維10節點四面體單元）來模擬取樣機。劃分網格之后的三維實體有限元模型，如圖2（a）所示。通過有限元模擬，得到取樣機各階模態頻率及對應振型特征，如表1所示。取樣機第1階到第3階頻率下對應的振型圖，如圖2（b）~圖2（d）所示。從第1振型圖可以看出，取樣機的立柱產生了X方向一階彎曲變形，而懸臂和取樣臂均未出現變形；第2階振型中懸臂出現了扭曲變形；第3階振型中主要是立柱產生了X方向的二階彎曲變形。通過對取樣機各階振型的觀察，可以把變形較為明顯的部位作為取樣機模態實驗的測點。

3.2立式巖石取樣機固有特性的實驗研究

3.2.1測試方案

實驗研究采用單擊激勵測一點響應的方法，采樣系統為東華DH5922測試系統，如圖3所示。振動測試選用DH187壓電式加速度傳感器，選擇加速度傳感器的測點位置在取樣軸處，根據建模時的坐標方向，力錘的敲擊點布置有X和Y兩個方向，X方向的敲擊點主要分布在取樣機的大立柱和取樣臂上，Y方向的敲擊點主要分布在取樣機的懸臂上（貼白色矩形紙的為敲擊點的位置），測點布置設置采樣頻率為500Hz。

3.2.2測試結果

對所有敲擊點進行敲擊后分析頻響曲線，發現都有相同的峰值頻率?，F只分析一個敲擊點的信號，如圖5所示。從圖5（a）中可以看出，頻響函數有三個明顯的峰值點，可以從頻響函數圖中得到三個峰值點對應的頻率，從小到大依次為14.648Hz、32.959Hz、79.346Hz。由于實際的取樣機的地面約束不足，實測的一階模態會包含有較多的剛體模態，而有限元模擬值33.05Hz假定地面完全約束所得，所以實際測得的第一階固有頻率14.648Hz由約束不足引起，并非取樣機的實際模態，故實際分析中將14.648Hz排除在外。

3.3固有特性分析

結果實測頻率與有限元模擬結果的對比，如表2所示。其中相對誤差是模擬值相對于實測值來說?？梢钥闯?，誤差均小于3%。當取樣機的工作頻率接近自振頻率時，將會產生很大的振動，取樣機將無法正常工作。為了保障取樣機安全地工作，實際工作轉速應該避開取樣機的固有頻率。在機器空轉時，激振力頻率分別為13.57Hz和27.04Hz，均避開了取樣機的固有頻率，所以取樣機在運行中不存在機器整體共振現象。

4立式巖石取樣機的振動信號監測及故障診斷

基于信號分析和處理的診斷方法，首先通過在機械設備上安裝傳感器，采集設備的運行的狀態信息；其次，運用時域分析、頻域分許、倒頻譜分析等多種信號處理方法對采集到的振動信號進行分析處理，判斷設備運行的狀態并預測其發展趨勢。開機空轉試運行時，發現取樣軸徑向振動比較大，尤其在高速運轉時，振動特別大，產生了較大的環境噪聲。另外，能不間斷地聽到皮帶傳動裝置套殼被敲打的聲響，于是打開套殼并運行設備，發現皮帶發生嚴重松弛，皮帶一直跳動。

4.1測試和測試方法

在基于振動分析的機械設備故障診斷中，必須對系統的工作狀況進行動態測試，采集機械設備在運轉中的振動信號，它是整個設備故障診斷的大前提。測試系統依然使用東華公司的DH5922振動信號測試系統。取樣機在運行中的振動信號包含了豐富的機器狀態信息，由于實驗條件限制，試驗工況為取樣機分別以轉速814.1r/min和轉速1622.5r/min空轉，測試取樣機在各工況下的振動信號。為了獲得取較為全面的振動數據，考慮到取樣機主體及其主要部件的振動，結合取樣機的結構特點，分別在取樣機懸臂和取樣軸附近布置兩個測點，如圖6所示。測點1測量取樣軸的徑向振動信號，測點2測量垂直于懸臂方向的振動信號。測試參數選擇振動加速度，設置采樣頻率為5000Hz。

4.2振動信號分析

按照布置的測點，分別測量兩檔轉速下取樣機的振動信號。因為各測點信號的均方根大小能夠反映取樣機各測點的振動能量大小，所以用它來表示振動信號的強度。當取樣機某測點信號的振動均方根值很大時，則說明設備很有可能已經發生故障。取樣機各測點時域信號的振動均方根值，如表3所示?？梢钥闯觯谵D速1622.5r/min下，各測點的振動幅值明顯增大。故對于取樣軸和懸臂兩個測點的信號，只研究比較典型的1622.5r/min時的振動數據。

4.3故障診斷

根據取樣軸振動信號的分析結果，取樣軸徑向振動響應主要以基頻27Hz以及其高次諧波成分為主。當取樣軸和套筒之間存在動靜碰磨時，振動信號頻譜圖一般較為復雜，頻譜圖中可能既有轉頻成分又有轉頻的高次諧波成分[7-8]；取樣軸徑向振動信號的功率譜圖正好符合這一特征，所以認為取樣軸振動過大是由于取樣軸和套筒之間存在動靜碰磨。引起碰磨的原因是取樣軸質量不平衡。實際取樣時，取樣軸受到不規則力作用，長期取樣使得取樣軸與套筒之間不斷摩擦，導致套筒和取樣軸產生磨損，隨著取樣軸磨損程度的增加，機器在運行時便會出現取樣軸質量不平衡。若沒有及時處理，便會導致取樣軸和套筒之間動靜碰磨，碰磨又會加劇取樣軸和套筒的磨損，這是一個循環的過程。

5結論

以立式巖石取樣機為研究對象，采用有限元分析和實驗研究的方法分析了取樣機整機的固有特性，排除了取樣機的共振故障；基于取樣機異常振動結構的振動信號分析，診斷出了取樣機的故障位置和狀態，即取樣軸質量不平衡；為了解決該問題，需要對軸質量不平衡做出處理，可以采取現場動平衡的方法來解決。

參考文獻

［1］王國彪，何正嘉，陳雪峰.機械故障診斷基礎研究“何去何從"［J］.機械工程學報，2013，49（1）：63-72.

［2］寇麗萍，王立鵬，戰洪仁.二氧化碳離心壓縮機的振動分析與故障診斷［J］.機械設計與制造，2012（12）：180-182.

［3］雷亞國，何正嘉.混合智能故障診斷與預示技術的應用進展［J］.振動與沖擊，2011，30（9）：129-135.

［5］王天煜，王鳳翔，方程.高速永磁電機機組軸系振動研究［J］.振動與沖擊，2011，30（9）：111-115.

［7］田永偉，楊建剛.旋轉機械動靜碰摩耦合振動分析［J］.機械工程學報，2010，46（7）：102-107.

［9］盧娜，肖志懷，張廣濤.基于自適應多小波與綜合距離評估指數的旋轉機械故障特征提?。跩］.振動與沖擊，2014，33（12）：193-199.

作者：馮海波1，2；殷祥超2；楊永鋒1 單位：1.西北工業大學，2.中國礦業大學