机械振动在故障检测中的应用

1、机械振动在故障检测中的应用赵帅帅200806101材料081机械振动是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象，任何一台 运行着的机器、仪器和设备都存在着振动现象。通常情况下，机械振动是有害的， 但机械振动也有可利用的一面。随着现代工业技术的发展，振动理论的研究已经 发展到较高水平，在现代生产中，为了使设备安全运行并保证产品质量，往往需 要检测设备运行中的振动信息，进行工况监测、故障诊断。我介绍几种比较典型 的运用机械振动进行故障检测的实例，进而说明振动检测的应用。基于振动测试的离心泵故障诊断离心泵是石化行业使用的重要动力设备，其使用范围越来越广，它能否可靠 运行直接影响企业的安全性和经

2、济性。随着动力装置的大型化和回转设备的高速 化，离心泵的振动问题也日渐显现。造成设备振动增大的原因主要包括转子的不 平衡，同轴度偏差大或不对中、机组同轴度调整不良、轴承原因、水力波动和汽 蚀、共振等。随着振动的加剧，过大的振动容易造成机器和相关设备的损坏。因 此对离心泵的振动进行故障诊断就尤为重要。而振动测试是故障诊断的一种重要 方法，以确定机泵振动是否在允许范围内，进而确定故障可能存在的部位。笔者 利用双通道数据采集器对某炼厂离心泵装置进行了振动测试，并通过对频谱特征 的分析，为离心泵的故障诊断和状态监测提供了一定的参考依据。转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障引起

3、振动，轴承不对中的频谱特征是：会产生基频、2倍频且振动以轴向为主。因此 在对离心泵进行振动频谱分析时要结合其典型故障及特征频率，从中识别出各种 故障。本次测试的使用的仪器有：传感器、双通道数据采集器、数据分析软件、 计算机，它们之间关系如图1，振动测试基本流程图如图2所示。对于机械设备的振动测量而言，可测量的参数有位移、速度和加速度三种。 本次测试参考泵的振动测量与评价方法(GB/T 80971999)中的相关规定，选择速度为测量参数，有效值为均方根，该值的大小反映了振动能量的大小。本 次测试数据包括振动频谱、振动能量、峰值振幅和峰值频率等。根据振动能量测 试数据，计算得到各测点和各机器振动能

4、量平均值和类比值(最小数据的倍数)， 如表2所示其中(N / S为未测项)。表葛心泵撮勒醐慎惟值和类比值提动麓食1寸振动旭融平均而 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附厂-1. D73-032.96L272.7!L L4&2.49!.高心聚1基础 1.M1.451-27L542.11商右和轴承4,09g&B42- 35陶心更1荥盗 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。，网tvzsw*n.891.632. 31asiL6II.WI.ooPWLOOLOO高心归基仙I.Wajio.yBL34从表2中可以看出：这六台离心泵，振动测试得到的数据差别较大，由此可 知这几台离心泵运行状态存在明显的差异。这六台离心泵的中心高为350rmn，转 速为2980r/min，根据泵的振动测量与评价方法(GB / T80971999)中泵的 分类表知，这六台离心泵均属于第三类；再结合泵的振动烈度分类表得这几台离 心泵的振动烈度级分别为：7. 10、18. 00和4. 50，再查泵的振动级别分类表得 它们的振动级别分别为：C、D、B。可以看出2号离心泵的振动状态为不合格，所 以

6、应该对2号离心泵进行重点分析。2号离心泵振动速度在水平方向、垂直方向和 总能量值上均最大，分别的类比值为：5. 41、1. 43和3. 42倍，在轴承、泵壳 和基础上的平均值也是最大，分别的类比值为：2. 35、14. 23和3. 07倍；2号 离心泵在轴承处水平方向振动速度最大值为：12. 67mm/s，超过了离心泵振动 允许值(7. 10mm/s)，由此可见2号离心泵整体振动速度能量值相对最大，并且 主要是在水平方向上振动能量较大，所以通过对其水平方向上的频谱图分析来揭 示该设备的状态和故障类型。振动测试和故障诊断技术是目前较普遍采用的获取设备运行状态信息的方 法之一。本文在分析介绍离心泵

7、的振动特征的基础上，对某炼厂的离心泵装置进 行了振动测试，通过对测试数据和频谱的分析，结合特征频率，认为所测2号离 心泵存在转子不平衡故障，为离心泵的状态监测和预测维修提供了一定的参考依 据。基于振动测试的海洋平台损伤诊断研究海洋平台结构长期服役在恶劣的环境下，再加上设计或使用的不当，结构容 易产生各种形式的损伤，严重的还会导致平台失效.海洋平台损伤检测的方法有 很多，采用局部损伤检测技术方法对海洋平台结构进行损伤诊断不可靠.基于振 动测试的结构健康监测技术是简单可行又较为准确的全局性损伤诊断方法。这种 方法的突出优点是利用环境激励下的动力响应测试进行损伤诊断，整个损伤诊断 过程不会影响结构的

8、正常工作。基于结构动力特性变化的损伤诊断所使用的指标包括结构损伤前后的固有 频率变化、模态变化、阻尼变化.固有频率是结构的一个本质属性，主要取决于 结构的质量矩阵M和刚度矩阵K.当结构发生损伤后，其刚度降低，因此固有频率 就有变化.采用了Lanczos迭代法提取了结构的前n阶模态.固有频率的变化值定 义为、 e损伤越大，其固有频率的变化也就越大。定义帅，和舟”为破损前和破损后的曲率模态，则结构上j点处两种振型曲率之差的绝对值 为cmsu) =1 儿。)-M)I在破损处，CMS值显著大于其余部位的值，检查所有点处的CMS值，就可以确 定破损位置，用曲率模态振型可以进行破损定位，如能布置足够密的测

9、点，效果 将更好。运用结构损伤前后阻尼的变化来诊断损伤，主要应用于复合材料的结构，由 于通过模态参数识别技术确定结构阻尼比的精度不够，利用阻尼诊断损伤仍旧处 在实验探索研究阶段。用Lanczos迭代法提取了结构的前若干阶模态，同时考虑 了直接阻尼.通过计算分析，得到随机波浪力荷载作用下海洋平台的动力响应， 同时用两个参数ARE11和ARE22来反映结构的响应，表示如下,-八iii 二s A?尸;i jr% jy 了 j =nN _-式中：项Ft和MAi分别表示损伤前、后方向应变的均方根值；顼伍和分别表示损伤前、后Y方向应变的均方根值。基于结构动力特性变化的全局性损伤诊断技术具有较好的应用前景，

10、与局部 损伤探测技术相比，成本较低，操作简单，可靠性高.特别对于海洋平台结构而 言，局部检测技术实施起来困难较大，发展该技术显得更为可行.桥梁损伤的一种振动检测方法旧有桥梁的老化和一些新建桥梁施工管理的不完善，都为桥梁的安全性能埋 下了隐患。为此，研究者提出了各种各样的检测方法u J，以期能迅速有效的判 断桥梁结构是否发生了损伤，以及如果发生了损伤，如何确定损伤的位置和程度。 在这些方法中，振动检测方法由于实施相对容易且不损伤原结构而倍受青睐。本 文给出的就是桥梁损伤的一种振动检测方法，它能较好的进行损伤定位。在此讨论的桥梁结构是基于有限元的梁模型，梁长为L。经过计算可得一个标准化的指标：式中

11、，“为样本平均值，。为样本标准差。选择适当的显著性水平，就可以将损伤单位和未损伤单位区分开来。以 某立交桥为例分析，引跨长80m，标准化的指标：式中，“为样本平均值，。为样本标准差。选择适当的显著性水平，就可以将损伤单位和未损伤单位区分开来。以 某立交桥为例分析，引跨长80m，在脉动试验中用高灵敏传感器在箱梁中线中每 隔5m布置一个测点，对该桥进行损伤定位，识别结果见图。首先，获得损伤前后的模态振型。利用有限元法计算损伤前的结构的模态振 型，采用三次样条插值函数拟合损伤后的结构的模态振型。然后，计算指标Z(i=1，2，100)。根据数理统计学原理，显著性水平a一般取为0. 05。查 阅标准正态分布数值表，与a =0. 05相对应的分位数为1. 96。则给出判断标准如下：如果Z1. 96,那么选择备择假设日H1，也就是认为j位置有损伤。给出的损伤识别方法的优点在于：分析中只需要模态振型，不需要频率、阻 尼等参数；计算相对简单，不需要解方程组；可以识别出结构中多个单元的损伤。另外，这一方法还要与传统的静测等方法配合使用，在传统方法的基础上，结合现有规范，才能更好的