振动分析在立式岩石取样机故障诊断中的运用范文

摘要：以立式岩石取样机的结构为出发点，分析了取样机的运行工况；采用有限元分析和实验研究的方法分析了取样机整机的固有特性，得到了取样机的固有频率，验证了取样机的实际工作频率远离其自振频率，排除了取样机的整机共振故障；使用东华DH5922动态测试系统采集取样机异常振动信号，利用时域、频域等多种信号处理方法进行分析，结合取样机的故障机理，实现了对取样机的故障诊断，诊断出异常振动的原因是取样轴质量不平衡，并提出了应对措施。

关键词：故障诊断；振动分析；信号处理；岩石取样机

1引言

如今的设备大多都趋向于高速度、大型化、自动化、复杂化、重载荷和连续运转[1]。当机械设备出现故障时，将带来较大的人力和财力损失，甚至造成灾难性后果。如果能准确及时地发现设备运行过程中的故障或者对故障的发生做出预警，那么对于保障机械系统安全、稳定地运行，减少或避免重大灾难性事故将具有非常重要的意义[2-4]。立式岩石取样机是进行岩石力学性能研究及实验的重要基础设备。在高速挡取样时，取样轴振动非常明显，取样获得的岩石样品质量随即下降，样品从原来的的圆柱体会变成椭圆柱体[5-6]。所以，对取样机进行故障诊断，找出振动过大的原因并提出相应的改善措施对于取样机的安全、稳定和可靠运转具有重要意义。以立式岩石取样机的结构与工作状况为出发点，通过利用有限元模拟和实验研究得到设备的模态频率和振动特性，判断设备是否存在共振故障；测试不同工况下设备的振动信号，得到振动信号的时、频域特征，结合取样机的故障机理，对取样机进行故障诊断。

2立式岩石取样机的结构分析

立式岩石取样机的结构分析可以为故障信号的分析和判断提供依据。立式岩石取样机，如图1所示。主要由三相异步电动机、固定立柱、悬臂、取样臂、皮带传动装置和控制系统组成；其中控制系统由悬臂控制器和取样轴控制器组成，取样臂由套筒和取样轴组成。在实际取样时，电动机输出轴转动并通过皮带带动取样轴转动，取样头安装在取样轴最下端，通过取样轴控制器，人工控制取样臂上下，实现取样。该取样机的动力源自固定在大立柱上的三相异步电动机，电机功率为1.3kW、1.8kW，转速为1430r/min、2850r/min，电动机输出轴端的皮带轮的周长为c1=38.2cm，取样臂端的皮带轮周长为c2=67.1cm，两个皮带轮最外端具有相同的线速度。

3立式岩石取样的固有特性分析

3.1立式岩石取样机固有特性的数值模拟

采用ANSYS对取样机的固有特性进行有限元模拟。取样机全长0.85m，宽0.6m，高1.6m。考虑到悬臂控制器、取样轴控制器、皮带传动装置和皮带传动装置的外壳对整体机器的刚度和强度影响很小，所以有限元建模时以配重代替。由于取样机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约束；对于三相异步电动机将其用30kg集中质量单元来代替；选用SOLID187（三维10节点四面体单元）来模拟取样机。划分网格之后的三维实体有限元模型，如图2（a）所示。通过有限元模拟，得到取样机各阶模态频率及对应振型特征，如表1所示。取样机第1阶到第3阶频率下对应的振型图，如图2（b）~图2（d）所示。从第1振型图可以看出，取样机的立柱产生了X方向一阶弯曲变形，而悬臂和取样臂均未出现变形；第2阶振型中悬臂出现了扭曲变形；第3阶振型中主要是立柱产生了X方向的二阶弯曲变形。通过对取样机各阶振型的观察，可以把变形较为明显的部位作为取样机模态实验的测点。

3.2立式岩石取样机固有特性的实验研究

3.2.1测试方案

实验研究采用单击激励测一点响应的方法，采样系统为东华DH5922测试系统，如图3所示。振动测试选用DH187压电式加速度传感器，选择加速度传感器的测点位置在取样轴处，根据建模时的坐标方向，力锤的敲击点布置有X和Y两个方向，X方向的敲击点主要分布在取样机的大立柱和取样臂上，Y方向的敲击点主要分布在取样机的悬臂上（贴白色矩形纸的为敲击点的位置），测点布置设置采样频率为500Hz。

3.2.2测试结果

对所有敲击点进行敲击后分析频响曲线，发现都有相同的峰值频率。现只分析一个敲击点的信号，如图5所示。从图5（a）中可以看出，频响函数有三个明显的峰值点，可以从频响函数图中得到三个峰值点对应的频率，从小到大依次为14.648Hz、32.959Hz、79.346Hz。由于实际的取样机的地面约束不足，实测的一阶模态会包含有较多的刚体模态，而有限元模拟值33.05Hz假定地面完全约束所得，所以实际测得的第一阶固有频率14.648Hz由约束不足引起，并非取样机的实际模态，故实际分析中将14.648Hz排除在外。

3.3固有特性分析

结果实测频率与有限元模拟结果的对比，如表2所示。其中相对误差是模拟值相对于实测值来说。可以看出，误差均小于3%。当取样机的工作频率接近自振频率时，将会产生很大的振动，取样机将无法正常工作。为了保障取样机安全地工作，实际工作转速应该避开取样机的固有频率。在机器空转时，激振力频率分别为13.57Hz和27.04Hz，均避开了取样机的固有频率，所以取样机在运行中不存在机器整体共振现象。

4立式岩石取样机的振动信号监测及故障诊断

基于信号分析和处理的诊断方法，首先通过在机械设备上安装传感器，采集设备的运行的状态信息；其次，运用时域分析、频域分许、倒频谱分析等多种信号处理方法对采集到的振动信号进行分析处理，判断设备运行的状态并预测其发展趋势。开机空转试运行时，发现取样轴径向振动比较大，尤其在高速运转时，振动特别大，产生了较大的环境噪声。另外，能不间断地听到皮带传动装置套壳被敲打的声响，于是打开套壳并运行设备，发现皮带发生严重松弛，皮带一直跳动。

4.1测试和测试方法

在基于振动分析的机械设备故障诊断中，必须对系统的工作状况进行动态测试，采集机械设备在运转中的振动信号，它是整个设备故障诊断的大前提。测试系统依然使用东华公司的DH5922振动信号测试系统。取样机在运行中的振动信号包含了丰富的机器状态信息，由于实验条件限制，试验工况为取样机分别以转速814.1r/min和转速1622.5r/min空转，测试取样机在各工况下的振动信号。为了获得取较为全面的振动数据，考虑到取样机主体及其主要部件的振动，结合取样机的结构特点，分别在取样机悬臂和取样轴附近布置两个测点，如图6所示。测点1测量取样轴的径向振动信号，测点2测量垂直于悬臂方向的振动信号。测试参数选择振动加速度，设置采样频率为5000Hz。

4.2振动信号分析

按照布置的测点，分别测量两档转速下取样机的振动信号。因为各测点信号的均方根大小能够反映取样机各测点的振动能量大小，所以用它来表示振动信号的强度。当取样机某测点信号的振动均方根值很大时，则说明设备很有可能已经发生故障。取样机各测点时域信号的振动均方根值，如表3所示。可以看出，在转速1622.5r/min下，各测点的振动幅值明显增大。故对于取样轴和悬臂两个测点的信号，只研究比较典型的1622.5r/min时的振动数据。

4.3故障诊断

根据取样轴振动信号的分析结果，取样轴径向振动响应主要以基频27Hz以及其高次谐波成分为主。当取样轴和套筒之间存在动静碰磨时，振动信号频谱图一般较为复杂，频谱图中可能既有转频成分又有转频的高次谐波成分[7-8]；取样轴径向振动信号的功率谱图正好符合这一特征，所以认为取样轴振动过大是由于取样轴和套筒之间存在动静碰磨。引起碰磨的原因是取样轴质量不平衡。实际取样时，取样轴受到不规则力作用，长期取样使得取样轴与套筒之间不断摩擦，导致套筒和取样轴产生磨损，随着取样轴磨损程度的增加，机器在运行时便会出现取样轴质量不平衡。若没有及时处理，便会导致取样轴和套筒之间动静碰磨，碰磨又会加剧取样轴和套筒的磨损，这是一个循环的过程。

5结论

以立式岩石取样机为研究对象，采用有限元分析和实验研究的方法分析了取样机整机的固有特性，排除了取样机的共振故障；基于取样机异常振动结构的振动信号分析，诊断出了取样机的故障位置和状态，即取样轴质量不平衡；为了解决该问题，需要对轴质量不平衡做出处理，可以采取现场动平衡的方法来解决。

参考文献

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［2］寇丽萍，王立鹏，战洪仁.二氧化碳离心压缩机的振动分析与故障诊断［J］.机械设计与制造，2012（12）：180-182.

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［5］王天煜，王凤翔，方程.高速永磁电机机组轴系振动研究［J］.振动与冲击，2011，30（9）：111-115.

［7］田永伟，杨建刚.旋转机械动静碰摩耦合振动分析［J］.机械工程学报，2010，46（7）：102-107.

［9］卢娜，肖志怀，张广涛.基于自适应多小波与综合距离评估指数的旋转机械故障特征提取［J］.振动与冲击，2014，33（12）：193-199.

作者：冯海波1，2；殷祥超2；杨永锋1 单位：1.西北工业大学，2.中国矿业大学