別鋒鋒 裴峻峰 呂鳳霞 劉金梅

(1. 常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2. 東北石油大學(xué)中石油HSE重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)變形分析方法研究*

別鋒鋒**1裴峻峰1呂鳳霞1劉金梅2

(1. 常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2. 東北石油大學(xué)中石油HSE重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

提出了一種基于振動(dòng)變形分析的工作狀態(tài)特征提取方法，利用故障試驗(yàn)臺(tái)證明了振動(dòng)變形分析方法的有效性，然后對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的故障診斷方法進(jìn)行研究。分析結(jié)果表明：振動(dòng)變形分析方法能夠全面、準(zhǔn)確地將機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵部件的狀態(tài)特征提取出來(lái)，為故障精密診斷奠定基礎(chǔ)。

機(jī)械系統(tǒng) 振動(dòng)變形分析 故障診斷

現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的非平穩(wěn)性和非線性特征決定了常規(guī)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和信號(hào)處理方法難以實(shí)現(xiàn)故障模式的精確定位[1]。復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)故障診斷的難點(diǎn)包括振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確獲取和故障模式的共性匹配，在動(dòng)力傳動(dòng)組件上體現(xiàn)的尤為明顯[2]。

振動(dòng)變形分析法是以有限的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入量對(duì)機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障分析，通過(guò)建立系統(tǒng)的振動(dòng)模型，顯示被測(cè)設(shè)備整體或其關(guān)鍵部件的實(shí)際工作形態(tài)，為最終的精密故障診斷提供手段和依據(jù)。當(dāng)前振動(dòng)變形分析方法的研究?jī)H局限于結(jié)構(gòu)或幾類(lèi)典型的動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)(如汽車(chē)等的靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試)，對(duì)于一般動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)的可視化研究與應(yīng)用尚處于試探研究階段[3,4]。將振動(dòng)變形分析方法應(yīng)用于復(fù)雜動(dòng)設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，以其多通道振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻信息為系統(tǒng)故障診斷的基礎(chǔ)，保證信息的準(zhǔn)確性和全面性，以期實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)的精確監(jiān)測(cè)和故障模式的準(zhǔn)確定位。

筆者利用故障模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)振動(dòng)變形分析方法的有效性予以論證，并對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)(柴油發(fā)電機(jī)組)的故障診斷方法進(jìn)行研究，以期從系統(tǒng)層面上進(jìn)行振動(dòng)分析，并由此獲得關(guān)鍵部件的振動(dòng)特征，為故障精密診斷奠定基礎(chǔ)。

1 振動(dòng)變形分析

1.1機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)變形理論

振動(dòng)變形分析是指通過(guò)系列實(shí)測(cè)振動(dòng)分析系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的振動(dòng)變形，輸出設(shè)備機(jī)體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振型，從而對(duì)系統(tǒng)工況進(jìn)行量化分析，其核心是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)變形(Operation Deflection Shape，ODS)進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理[5]。ODS分析是以測(cè)點(diǎn)信號(hào)所包含的時(shí)頻成分為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)在外界未知激勵(lì)下的振動(dòng)特性，其優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)無(wú)法確定輸入量時(shí)可對(duì)系統(tǒng)做定性振動(dòng)分析，輸出結(jié)構(gòu)或動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作振型[6]。ODS動(dòng)態(tài)處理是以振動(dòng)系統(tǒng)中某一點(diǎn)的響應(yīng)代替激振向量，其傳遞函數(shù)為振動(dòng)系統(tǒng)中某一點(diǎn)的響應(yīng)與參考點(diǎn)響應(yīng)的比值：

(1)

式中Tij(ω)——相對(duì)ODS值；

{Xi(ω)}——某個(gè)測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)(ODS絕對(duì)值)；

{Xj(ω)}——參考點(diǎn)的響應(yīng)(ODS參考值)。

可采用相干函數(shù)法對(duì)ODS分析的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，相干函數(shù)Rij(ω)可表示為：

(2)

式中Gij(ω)——參考點(diǎn)i處Xi(ω)和測(cè)點(diǎn)j處Xj(ω)的互功率譜；

Gjj(ω)——測(cè)點(diǎn)j處Xj(ω)的自功率譜。

相干函數(shù)Rij(ω)的值越接近于1，信號(hào)的一致性越高[7]。利用式(1)并參考自功率譜的有效值，可以求得各實(shí)測(cè)點(diǎn)和模擬點(diǎn)的ODS絕對(duì)值：

(3)

相比于特征頻率振動(dòng)變形分析法，時(shí)域振動(dòng)變形分析法可以系統(tǒng)地分析故障模式，并對(duì)振動(dòng)信息的傳播途徑進(jìn)行判斷，為振動(dòng)激勵(lì)下各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此在分析往復(fù)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)特征時(shí)，利用時(shí)域振動(dòng)變形分析法進(jìn)行研究具備可行性。

振動(dòng)變形分析步驟如圖1所示，首先利用兩點(diǎn)測(cè)試法獲取振動(dòng)信號(hào){Xi(ω)}，然后對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，計(jì)算Tij(ω)值；同步進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的仿真建模、特征參數(shù)的選擇與模態(tài)分析；最后進(jìn)行整體振動(dòng)變形分析。

圖1 振動(dòng)變形分析步驟

1.2軸系故障模擬試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)變形分析

通過(guò)軸系故障模擬試驗(yàn)臺(tái)來(lái)進(jìn)行初步研究。在圓盤(pán)處模擬不平衡故障，設(shè)置兩個(gè)振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)和兩個(gè)模擬分析點(diǎn)，由式(1)、(2)獲得部件FRF矩陣，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行整體ODS分析(圖2)。ODS分析結(jié)果表明：當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)軸系出現(xiàn)已知不平衡故障特征時(shí)，工作變形外形特征較為明顯，且垂直徑向動(dòng)態(tài)變形比水平徑向動(dòng)態(tài)變形強(qiáng)(圖3)。該方向?qū)崪y(cè)信號(hào)與模擬分析結(jié)果吻合度較高，二者的相干函數(shù)如圖4所示。

圖2 軸系試驗(yàn)臺(tái)故障模擬測(cè)試與ODS分析

圖3 實(shí)測(cè)與ODS振動(dòng)信號(hào)頻譜圖對(duì)比

通過(guò)有限的測(cè)點(diǎn)信息可以確定所需的多個(gè)關(guān)鍵部位的振動(dòng)信息，從而解決因復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的信息量不足而導(dǎo)致的缺乏系統(tǒng)性的難題，利用ODS法在對(duì)軸系故障模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)這種優(yōu)勢(shì)有望為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的故障精密診斷奠定基礎(chǔ)。

圖4 實(shí)測(cè)與ODS振動(dòng)信號(hào)相干函數(shù)

2 振動(dòng)測(cè)試與分析

2.1結(jié)構(gòu)分析與振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

選取柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)主要布置在柴油機(jī)機(jī)身部位、曲軸部位和聯(lián)軸節(jié)部位(圖5)。

圖5 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2振動(dòng)實(shí)測(cè)分析

所測(cè)取的曲軸振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和時(shí)頻圖如圖6

所示，3組信號(hào)在低頻段(100Hz附近)分布較為類(lèi)似。圖6a為曲軸振動(dòng)出現(xiàn)初期沖擊故障特征時(shí)，220Hz頻段出現(xiàn)能量集中；圖6b為沖擊特征加劇(幅值達(dá)到了10g)時(shí)，220Hz頻率附近能量增大且更為集中；圖6c為機(jī)組停機(jī)檢修后監(jiān)測(cè)信號(hào)，信號(hào)振動(dòng)強(qiáng)度減弱，沖擊成分變得分散，且220Hz頻段能量消失。振動(dòng)檢測(cè)表明了軸系從出現(xiàn)故障、故障加劇、檢修后正常的工作情況，其特征可以清晰地描述，但無(wú)法斷定故障部位和故障模式，需要進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)振動(dòng)變形分析。

a. 初期

b. 中期

c. 正常圖6 曲軸部位振動(dòng)實(shí)測(cè)時(shí)域與時(shí)頻圖

2.3系統(tǒng)振動(dòng)變形分析

對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的模型設(shè)置3個(gè)振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)和5個(gè)模擬分析點(diǎn)來(lái)獲得其整體工作情況，并以此為依據(jù)分析動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的受力平衡狀態(tài)，從而完成系統(tǒng)工況的總體模擬和故障診斷。獲得系統(tǒng)ODS加速度信號(hào)，分析模擬點(diǎn)振動(dòng)特征以獲取振型數(shù)據(jù)。

引入均布激勵(lì)，對(duì)柴油機(jī)組模型整體進(jìn)行振動(dòng)變形動(dòng)態(tài)分析，曲軸與機(jī)組整體工作變形如圖7所示。由圖7可知：劇烈的振動(dòng)導(dǎo)致聯(lián)軸節(jié)部(測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)6)出現(xiàn)了較大的形變，推斷該部位受力出現(xiàn)異常，可能是因?yàn)榕c之相配合的部件工作出現(xiàn)了異常。利用以上全部測(cè)點(diǎn)進(jìn)行機(jī)組系統(tǒng)振動(dòng)變形分析，得到聯(lián)軸節(jié)-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受力不平衡狀態(tài)下機(jī)組系統(tǒng)的工作變形，由圖7可知，機(jī)組發(fā)電機(jī)部分振動(dòng)變形較為突出。

圖7 曲軸與機(jī)組整體工作變形分析

由式(1)計(jì)算所測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)的ODS相對(duì)值，在兩個(gè)特征頻率段(220、100Hz)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)ODS絕對(duì)值與相干系數(shù)見(jiàn)表1。從表1可以看出：聯(lián)軸節(jié)兩端測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值偏大，且在220Hz附近變化較為明顯；而當(dāng)特征頻段為100Hz時(shí)，幅值走勢(shì)較為平穩(wěn)。這表明聯(lián)軸節(jié)附近振動(dòng)出現(xiàn)異常，而220Hz附近可視為其故障特征頻段。

表1 兩個(gè)特征頻段系統(tǒng)ODS分析結(jié)果

3 結(jié)論

3.1與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析相比，振動(dòng)變形分析的分析精度較高，且其所需的激勵(lì)可以由測(cè)試獲取的有限點(diǎn)來(lái)提供，而不需要全面的測(cè)試作為支撐，更具實(shí)用性。

3.2振動(dòng)變形分析有助于解決機(jī)械系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的全面振動(dòng)分析，通過(guò)若干實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)信息可以確定所需要的多個(gè)關(guān)鍵部位的振動(dòng)信息，從而解決復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)故障診斷的信息量不足和缺乏系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性分析的問(wèn)題，為故障機(jī)理分析和精密診斷的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

3.3振動(dòng)變形分析法的精度取決于相干系數(shù)，而結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)特性越難準(zhǔn)確衡量，因此所建立模型的精度是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，也是最終診斷精度的關(guān)鍵所在。

[1] 陳予恕，黃文虎，高金吉，等. 機(jī)械裝備非線性動(dòng)力學(xué)與控制的關(guān)鍵技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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StudyonVibrationDeformationAnalysisMethodforMechanicalSystem

BIE Feng-feng1, PEI Jun-feng2, LV Feng-xia1, LIU Jin-mei1

(1.CNPCHSEKeyLaboratory,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,China)

The vibration deformation analysis-based extraction method for working condition’s features was proposed; and making use of the fault simulation test rig, the effectiveness of vibration deformation analysis was proved, including the study on the complicated mechanical system’s fault diagnosis method. The analytical results show that this vibration deformation analysis method can entirely and accurately extract key components’ vibration feature of the mechanical system and lay the foundation for fault diagnosis.

mechanical system, vibration deformation analysis, fault diagnosis

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175051)，常州大學(xué)教師基金項(xiàng)目(ZMF13020051)，東北石油大學(xué)青年基金項(xiàng)目(2012QN119)，中石油創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013D-5006-0604)。

**別鋒鋒，男，1979年12月生，副教授。江蘇省常州市，213016。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0188-05

2014-07-18，

2015-03-19)

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