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太原理工大学硕士研究生学位论文 振动筛结构损伤故障诊断 摘要 随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化、高速 化、自动化和智能化，它本身的规模越来越大，性能越来越高，功能越 来越多，结构也越来越复杂，其结果是一旦发生事故，不仅会造成经济 上的巨大损失，而且还会导致其他一些严重的问题。因此，广泛地开展 z ， 设备状态监测和故障诊断工作，选择合理的设备维修体制，有利于促进 设备的安全运行周期，保证产品的质量，稳定生产，节省设备的运行费 用以及增加社会经济效益。 在很多情况下，振动是一种不必要和有害的现象。但在某些场合， 振动是有益的。利用振动可有效地完成许多工艺过程，或用来提高某些 机器的工作效率。振动机械在工业的各个部门已发挥了重要的作用。随 着煤炭深加工技术的推广和应用，很多洗煤厂建立起来，工业振动筛是 洗煤厂的振动机械。直线振动筛是典型的振动利用设备。利用振动特性 来满足生产中工艺过程和工作过程的要求。在工作过程中，环境恶劣， 复杂的承载条件与长时问的连续工作，下横梁断裂损伤经常发生，设备 结构的损伤是不可避免的。为了避免重大恶性事故发生，减少经济损失， 振动结构损伤的在线监测是十分必要的。 振动筛由于利用振动原理工作，其动态特性及结构强度对它能否有 效工作有着十分重要的意义。通常来说结构的损伤一定会引起结构某些 太原理工大学硕士研究生学位论文 物理特性的改变( 如刚度、质量和阻尼) ，由模态分析理论可知，伴随系 统特性的改变必然有模态参数的改变( 如固有频率、模态振型和模态阻尼 等) 。这种关系已经被广泛地运用到工程结构的动力检测和结构健康监测 中。我们希望通过对振动筛结构损伤和未损伤两种情况下固有频率和振 型的研究，利用他们的改变量来确定损伤部位和损伤程度。 对振动筛及其下横梁进行有限元动力学分析，得出构件的模态频率 和振型，结合在线损伤检测分析结果，对其应用的合理性进行评价。本 文论述了基于模态分析理论的损伤识别技术，将静力问题视为动力问题 的特例，将动力问题分解为各阶模态下的静力问题，实现静动力问题的 统一，从而预测结构在所处的工作环境下可能发生破坏的部位、性质， 为结构的设计、结构的裂纹故障诊断及结构状态监测等研究工作指出方 向。 关键词：振动筛，损伤识别，振动测试，模态分析，有限元分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h ed a m a g ed e t e c t l 0 n o fl i n e a rv i b r a t i n gs c r e e ns t r u c t u r e a n df a u i jd i a g n o s i s a b s t r a c t a l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r ya n ds c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , p r o d u c t i o ne q u i p m e n t sb e c o m eb i g g e ra n db i g g e rw i t hg o o d p e r f o r m a n c ea n dm a n yf u n c t i o n s m o r e o v e r ，t h e i rs t r u c t u r ei sa l s o m o r e c o m p l e x t h a ne v e r a l lo ft h e s er e s u l t sf r o ma u t o m a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z a t i o n o fp r o d u c t i o ne q u i p m e n t sw i t hh i 曲e f f i c i e n c ya n dl a r g es c a l ed a yb yd a y o n c es o m e t h i n gi sw r o n gw i t he q u i p m e n t s ，t h i sw i l lr e s u l ti nn o to n l yh e a v y e c o n o m i c a ll o s sb u ta l s oo t h e rs o m ei m p o r t a n tq u e s t i o n s c o n d i t i o n a lm o n i t o r a n df a u l td i a g n o s i s w i d e l y a sw e l la sr e a s o n a b l es e r v i c e s y s t e mi s a d v a n t a g e o u s t o p r o m o t i n g t h es a f e o p e r a t i o nc y c l e o f e q u i p m e n t s m e a n w h i l e ，i ti sn e c e s s a r yf o rh i 曲p r o d u c tq u a l i t ya n ds t a b l ep r o d u c t i o n w h i c hc a ns a v e st h eo p e r a t i n gc o s to fe q u i p m e n t sa n dt h ei n c r e a s es o c i a l e c o n o m y b e n e f i t s i nm a n yc a s e s ，t h ev i b r a t i o ni su s e l e s sa n dt h eh a r m f u l o nt h ec o n t r a r y , t h ev i b r a t i o ni sb e n e f i c i a li nc e r t a i ns i t u a t i o n s m a n yt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e s m a yb ef i n i s h e de f f e c t i v e l yo rt h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo fs o m em a c h i n e sm a y b ep r o m o t e du s i n gt h ev i b r a t i o n v i b r a t i o nm a c h i n e r yh a sp l a y e da ni m p o r t a n t r o l ei nv a r i o u si n d u s t r yd e p a r t m e n t s a l o n gw i t ht h ep r o m o t i o na n dt h e a p p l i c a t i o n i nc o a li n t e n s i v ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , m a n yc o a lp r e p a r i n g i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 p l a n t sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h ei n d u s t r yv i b r a t i n gs c r e e n sa r ev i b r a t i o n m a c h i n e r yo nl a r g e s c a l eo fc o a lp r e p a r i n gp l a n t s t h el i n ev i b r a t i n gs c r e e n s a r et h et y p i c a le q u i p m e n tu s i n gv i b r a t i o n v i b r a t i n gs c r e e n ss a t i s f yt h en e e d s o fw o r kp r o c e s sa n dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s su s i n gt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ec r o s s b e a mg e t sd a m a g e df r e q u e n t l y , a n dt h es t r u c t u r eo fe q u i p m e n t si s d a m a g e db e c a u s eo fb a de n v i r o n m e n ta n dc o m p l e xl o a db e a r i n gc o n d i t i o n a n dc o n t i n u o u sw o r kf o rt h el o n gt i m e i no r d e rt oa v o i dt h es i g n i f i c a n t m a l i g n a n ta c c i d e n ta n dr e d u c ee c o n o m i cl o s s ，t h e o n - l i n em o n i t o rf o r v i b r a t i o ns t r u c t u r ei se s s e n t i a l a sar e s u l to fr u nu s i n gv i b r a t i o np r i n c i p l e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho fv i b r a t i n gs c r e e ni se x t r e m e l ys i g n i f i c a n tt oi t s e f f e c t i v ew o r k u s u a l l yt h ed a m a g e ds t r u c t u r ec a nc a u s ep h y s i c a lp r o p e r t y c h a n g e so fs t r u c t u r ec e r t a i n l y , f o re x a m p l er i g i d i t y , q u a l i t ya n dd a m p i n g a c c o r d i n g t ot h em o d a la n a l y s i st h e o r y , t h ep e r f o r m a n c ec h a n g e so f f o l l o w i n gs y s t e mw i l lb r i n ga b o u tt h ec h a n g e so f m o d a lp a r a m e t e ri n e v i t a b l y , f o re x a m p l em o d a lf r e q u e n c y , m o d es h a p e s ，m o d a ld a m p i n ga n ds oo n t h e k i n d so fr e l a t i o n sh a v eb e i n ga p p l i e di np o w e re x a m i n a t i o no fe n g i n e e r i n g s t r u c t u r ea n di nh e a l t hm o n i t o ro fs t r u c t u r ew i d e l y t h ed a m a g es p o ta n dt h e e x t e n to fd a m a g ec a nb ed e t e r m i n e db yu s eo fi n c r e m e n ta f t e rr e s e a r c ho n n a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d es h a p e s t h ef i n i t ee l e m e n td y n a m i c sa n a l y s i si sb e i n gd o n ef o rv i b r a t i n gs c r e e n c r o s sb e a m y o uc a no b t a i nt h em o d a l i t yf r e q u e n c ya n dv i b r a t i n gs t y l e o nt h e b a s i so ft h ea n a l y s i sr e s u l to fo n - l i n ed a m a g ee x a m i n a t i o n , c o m m e n to n a p p l i c a t i o nr a t i o n a l i t y c a nb em a d e t h er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g ya b o u t d a m a g eh a sb e e ne l a b o r a t e db a s e d0 1 1m o d a la n a l y s i st h e o r yi nt h i sa r t i c l e a u t h o rr e g a r d st h es t a t i cq u e s t i o na st h ee x c e p t i o n a lc a s eo ft h ep o w e r q u e s t i o n f u r t h e r m o r e ，a u t h o r r e s o l v e st h ep o w e r q u e s t i o ni n t os t a t i cq u e s t i o n 太原理工大学硕士研究生学位论文 u n d e rv a r i o u ss t e p sm o d a la n du n i f i e st h es t a t i cq u e s t i o na n d p o w e rq u e s t i o n s oa st of o r e c a s td e s t r u c t i o ns p o ta n dp r o p e r t yw h i c hm a yd ed a m a g e df o r s t r u c t u r eu n d e rt h ew o r k i n gc o n d i t i o n s t h i sw i l ld i r e c tt h er e s e a r c hw o r kf o r s t r u c t u r ed e s i g na n df a u l t s d i a g n o s i sf o rc r a c k sa n dc o n d i t i o nm o n i t o ro f s t r u c t u r e k e yw o r d s ：v i b r a t i o ns c r e e n ，d a m a g ed e t e c t i o n ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ， m o d a la n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s y 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题的目的和研究意义 第一章绪论 在很多情况下，振动是一种不必要的和有害的现象。但在某些场合，振动是有 益的。利用振动可有效地完成许多工艺过程，或用来提高某些机器的工作效率。最 近3 0 多年来，振动机械得到了迅速的发展，它们在矿山和冶金工厂、选煤厂、化 工厂、发电厂、铸造厂、建筑工地、水泥厂以及粮食和食品加工厂中得到了广泛的 应用。振动机械在工业的各个部门已发挥了重要的作用。振动机械通常由激振器、 工作机体及弹性组件三个部分组成【”。 工程实际中，几乎所有设备都处在振动环境中，并以各自特有的形态进行着振 动，这不仅有碍产品功能的发挥，而且还会损害操作者的身心健康，污染环境。同 时，随着科学技术的发展，产品结构也日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高， 为使产品能够安全可靠地工作，必须保证结构系统具有良好的动态特性。因此，必 须对机械产品和设备进行动态分析、设计，以满足机械结构静、动态特性与低振动、 低噪声的要求。 随着现代工业及科学技术的发展，生产设备日趋大型化、高速化、自动化和智 能化，传统的故障诊断技术正面临着挑战。现代化工业生产一旦因故障停机损失巨 大。近年来因关键设备故障而引起的灾难性故障时有发生，例如：1 9 8 4 年1 2 月位 于印度博帕尔市的美国碳化物公司农药厂，发生毒气泄漏事件，造成2 0 0 0 多人死 亡，2 0 多万人受害，成为世界工业史上最大的恶性事故；1 9 8 6 年1 月2 8 日美国航 天飞机“挑战者”号的空中爆炸事件，导致7 名宇航员全部遇难，损失总计达1 2 亿美元。我国机械设备也发生过类似的事故，倒1 9 8 5 年大同电厂和1 9 8 8 年秦岭电 厂的2 0 m w 汽轮发电机组的严重的断轴毁机事件。因此，广泛地开展设备状态监测 和故障诊断工作，选择合理的设备维修体制，有利于促进设备的安全运行周期，保 证产品的质量，稳定生产，节省设备的运行费用以及增加社会经济效益。 随着煤炭深加工技术的推广和应用，越来越多的洗煤厂建立起来，作为洗选重要 太原理工大学硕士研究生学位论文 辅助设备的振动筛向着大型化、自动化、集成化、智能化方向发展发展。而大型振动 筛昂贵的价格与较低的使用寿命，再加上设备损坏维修等原因，直接影响了设备生产 效率发挥，提高了生产成本。振动筛损坏形式主要有下横梁断裂、两侧筛帮开裂、排 料口横梁及前帮开裂。工作过程中，振动筛承受激振器产生的激振力、物料在筛面上 运动的作用力等，在这些力的作用下，振动筛各结构件的多阶固有模态被激发出来。 各构件要承受过大的交变应力，在应力集中的部位过早地产生疲劳裂纹直至发生疲劳 断裂，这种现象尤其是在大型振动筛上经常发生本文按照工业应用设计振动筛，在 有限元动力学分析的基础上进行模态试验，根据实验模态分析的结果，找出了影响振 动筛疲劳寿命的薄弱部位【2 ，3 1 。 1 2 国内外结构损伤识别及设备诊断技术的发展概况 1 2 1 结构损伤识别技术文献综述 结构中的损伤可定义为“结构在服务期内其承载能力的下降”。承载能力的下 降通常是由结构构件内部或构件之间连接出现损伤而引起的。结构原有形态的破 坏，结构损伤在物理状态空间表现为刚度降低、柔度增大；在模态状态空间表现为 固有频率降低f 4 0 】。结构损伤识别技术可分为局部损伤识别( l o c a ld a m a g e i d e n t i f i c a t i o n ) 技术和全局损伤识别( g l o b a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ) 技术局部损伤 以各部分的局部状态为检测内容，通过对结构的局部部位进行集中检测，实现对结 构缺损状况的了解，主要依赖经验目测以及成熟的无损检测技术，例如无线电成像、 光纤、x 射线、声发射以及超声波技术。但这些传统的无损检测方法主要用于材料 的检测，只能检测细部结构的一些损伤情况，往往用于已经对结构的某些构件或部 位产生怀疑时，对这些结构构件或部位进行详尽地检测，而且一般也要求能触及被 测构件。因此这些方法对大型复杂结构是不实用的，而且无法给出整体结构的受损 程度信息 6 1 。全局损伤识别试图对整个结构进行结构反应信息的有效采集以及分析 系统的处理来获得对整个结构状况的了解，其中包括结构的刚度、质量分布情况、 结构的动力特性等等。另外，重大工程结构上布置的监测元件，既有局部检测元件， 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 亦有整体监测元件。如进行位移、速度和加速度等监测的结构整体性态传感器和进 行应力、应变、累积耗能、裂纹等监测的结构局部性态传感器。 结构探伤最早被应用于机械、航空领域。对于由连杆、轴承、齿轮等一系列零 件组成的大型机械，人们很早就开始对它们进行结构故障诊断( f a u l td i a g n o s i s ) 。 后来在2 0 世纪6 0 年代初期，由于航空、军工的需要，结构的损伤检测发展起来， 并发展了一系列的无损检测( n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n ) 技术【”。8 0 年代以后， 计算机技术、信息技术和人工智能等学科的知识不断被应用到结构损伤检测中，人 们不仅应用各种检测手段和检测工具在现场对结构进行测试，还应用各种理论方法 在计算机上结合有限元计算对结构的损伤状态进行分析，来识别在现场无法察觉的 结构损伤，后来发展出了一门专门的技术损伤识别。 一般来讲，结构损伤在线检测是对结构进行长期在线监测，以实时、动态地了 解结构性能，对结构安全性做出即时评估。近年来国际上出现了针对重要工程结构 的长期在线监测系统。长期在线监测系统是由永久性安装在结构上的传感器和数据 采集输出等软硬件设备组成的系统，它以结构的荷载、环境、响应等为监测对象， 为及时地评价结构的健康状态提供了丰富的资料，可实时地通过现场安装的损伤检 测仪器和计算机辅助完成的损伤识别技术对结构的健康状态做出评价。长期在线结 构健康监测系统极大地推动了损伤检测和损伤识别技术的发展。 美国在2 0 世纪8 0 年代中后期开始在多座桥梁上布设传感器，监测环境荷载、 结构振动和局部应力状态，用以验证设计假定、监视施工质量和实时评定服役安全 状态，例如，佛罗里达州的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 桥上安装了5 0 0 多个传感器， 可以通过近距离及远距离两种方式，采集桥梁各阶段的位移、应变、温度信息，并 通过这些信息分析结构及材料随时间变化的规律哺】。 丹麦对总长1 7 2 6 m 的g r e a tb e l t 跨海斜拉桥进行了施工阶段及通车首年的监测， 目的是通过监测数据来分析关键的设计参数，掌握施工最不利阶段结构的受力状态 以及获取运营后对结构进行维修所需的桥梁健康记录【9 】。 结构损伤问题一直是困扰工程界的实际问题，围绕着怎样有效解决结构损伤检 测问题引发了学术界极大的研究兴趣。避免结构发生事故，延长结构的使用寿命， 提高结构整体可靠性、安全性是目前普遍关注的热点。从2 0 世纪7 0 年代初到现在， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 为了解决大型结构早期损伤识别问题，人们进行了大量的研究工作，提出了许多种 方法。下面叙述这些损伤识别方法各自的特点。 1 结构固有频率变化的损伤识别技术船1 2 1 固有频率是模态参数中最容易获得的一个参数，而且识别精度高。这种方法的 特点是：认为结构发生损伤时，仅刚度降低，而忽略质量的变化。并在结构损伤前建 立一个修正的理论模型，发生破损以后的任二阶频率改变量之比仅是破损位置的函 数，而与破损大小无关。其损伤识别的步骤为： ( 1 ) 根据理论模型，先假设结构可能有一组损伤位置的方案，并计算每个理论 方案所对应的任意二个频率改变量之比； ( 2 ) 计算实验测量的任意二个频率改变量之比； ( 3 ) 将上述理论比值与实验比值进行比较，找出与实测最为接近的理论值，则 该值对应的损伤方案即为实际结构的损伤状态。于是获得了结构的损伤位置。 利用固有频率的变化进行损伤识别的优点是：测试时，固有频率容易获得且测 试精度比较高。工程实践表明该类技术在应用上有一些不足：固有频率对结构早期 损伤有时并不十分敏感，利用固有频率的变化无法识别结构的小损伤【1 3 1 。 2 结构振型变化的损伤识别技术 虽然振型的测试技术精度低于固有频率，但振型包含更多的损伤信息。利用振 型变化识别结构损伤常用的方法有： 1 ) 模态置信度( m a c 、c o m a c ) 判据法m a c ( m o d a la s s u r a n c ec r i t e r i o n ) 被广泛用来衡量两种不同来源的模态相关性，还有c o m a c ( c o o r d i n a t em a c ) 方 法等。该方法是利用模态置信判据进行损伤识别，其原理是：当损伤未发生时，模 态置信度判据为l ：可一旦破坏发生，由于振型的变化，模态置信度判据不等于l 。 2 ) 模态正交法该方法利用模态正交条件进行损伤识别，当结构无损伤时，模 态满足正交条件；当结构发生损伤时，则不满足正交条件。由于该方法要用到模态 矩阵( 刚度矩阵、质量矩阵) ，就涉及到测量模态的插值扩阶或模态减缩问题。 3 ) 振型曲率法如果结构出现破损，则破损处的刚度会降低，而曲率便会增大。 振型曲率的变化随着曲率的增大而增大。因此，可以根据振型曲率的变化确定损伤 发生的位置。这种方法以振型曲率作为定位参数。该方法的不足之处是需要非常邻 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 近的测点，以便利用中心差分法求解曲率模态，就要求足够密的测点，或者要求精 度非常好的插值扩阶模态，否则将增大曲率模态振型的误差f 1 4 】。 4 ) 振型变化图形法 该方法以振型相对变化量作为定位参数，即损伤前后振型的差值与损伤前振型 的比值。当发生破损时，受到影响的自由度上的振型相对变化量在损伤区域内就会 出现比较大的值，所以可以用来识别损伤位置。实际上在应用中面l 晦着测量振型不 完整( 测量的振型、自由度个数均小于分析模型的个数) 和噪声的影响问题，当缺 少破损影响较大的测量模态时，该技术将不能识别结构的损伤。 、 3 柔度变化的损伤识别技术 、 许多研究者( 如p a n d e y a k 等) 在利用柔度变化进行损伤诊断方面做了有益的 研究 1 s - 1 6 主要原理是：在模态满足归一化的条件下，柔度矩阵是频率的倒数和振 型的函数。随着频率的增大，柔度矩阵中高频率的倒数影响可以忽略不计。这样只 要测量前几个低阶模态参数和频率就可获得精度较好的矩阵。根据获得损伤前后的 两个柔度矩阵的差值矩阵，求出差值矩阵中各列中的最大元素，通过检查每列中的 最大元素就可找出损伤的位置旧。 4 应变能变化的损伤识别技术 通过计算结构损伤前后的模态应交能( m o d a ls t r a i ne n e r g y ：m s e ) 来实现损伤单 元的识别、结构单元模态应变能的分布、与单元刚度和单元对应的振型分量有关。 如果某单元发生损伤，那么结构损伤前后此单元的模态应变能变化应该最大。基于 这一思想，1 9 9 1 年，t a t 对一平面桁架的损伤进行了识别。研究中发现，某些杆件 对某阶振型的m s e 值为0 ，那么用这阶振型什算出的单元m s e 变化就无从探测结 构这些单元的损伤。同样利用单元模态应变能的变化，s h i ，l a w 分别通过实验验证 了这一方法的有效性【1 睨”。 5 位移、应变模态参数变化的损伤识别技术 利用应变模态概念对一个五层钢框架进行损伤识别，实测损伤结构的一阶振型 与未损伤结构的一阶振型相比，从而识别结构的损伤。应变模态比位移模态更具局 部化特征，能够探测结构细微的局部损伤。 1 9 9 0 年，清华大学李德葆教授提出用角位移模态对结构损伤更为敏感的应变模 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 态来识别结构的损伤阱】。湖南大学的周先雁通过对框架结构的实验，用应变模态实 现了结构损伤位置的识别刚。 采用应变模态的好处：可免去由位移到应变计算过程中所带来的误差；可 以直接研究某些关键点的应变，如应力集中问题，局部结构变动对变动区附近的影 响问题，这是位移模态分析所无法办到的。 6 刚度变化的损伤识别技术 当一个结构发生损伤时，刚度矩阵一般提供的信息比质量矩阵多也有很多人 在研究利用刚度矩阵的变化进行损伤识别，因为结构发生较大的损伤时，其刚度将 发生显著的变化。但当结构发生微小的损伤( 如小于5 ) 时，这类方法将无法进行 损伤识别。在进行结构损伤诊断时，由于损伤多表现为刚度的下降，很自然地想到 要利用刚度矩阵来判断结构损伤。 7 频响函数变化的损伤识别技术 m a i anm m 等人【2 4 】讨论了采用测量频响函数来检测结构损伤的问题。根据损 伤前后的频响函数来识别结构刚度矩阵的变化。数值模拟显示，只用低阶模态的参 数还不足以识别结构的损伤位置，高阶模态在识别损伤位置中起着重要作用。 清华大学李德葆提出用传递函数对海洋平台结构进行损伤检测，但在工程实际 中，传递函数法要测试结构的传递函数矩阵，这对于复杂结构难以实现瞄l 。同济大 学李杰采用结构地震响应的时域数据建立结构参数与结构响应之间的函数关系，对 结构的损伤进行了有效的识别，同时通过地震动反演，提出了时域法识别结构损伤 的统计平均概念。 8 统计信息的结构损伤识别技术吲 在系统分析中，损伤可以看作是系统的一种附加激励，它引起系统输出信号的 改变。由于测量的是结构的输出信号，根据输出信号求附加激励，必须考虑输出信 号中的噪声问题，特别是结构的小损伤引起输出信号的变化可能被噪声信号所淹 没。于是，出现了基于统计信息方法的损伤识别技术。 t r e n d a f i l o v ei 等人提出了利用统计模式识别的方法进行损伤识别，根据损伤概 率的大小来确定损伤的发生。1 9 9 9 年，h e r m a n sl 等人在随机子空间的基础上提出 利用假设检验法进行损伤识别的技术。1 9 9 7 年，h o o ns h o n 和l a w , 1 9 9 9 年v a n i c 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 和b e c k 等人，根据贝叶斯估计原理，先后提出了二种不同的损伤检测的预报设想。 h o o ns h o n 在2 0 0 0 年第1 7 届国际模态分析会议上提出了利用统计过程控制进行连 续监测损伤的方法。但是，该方法没有考虑体积力或面积力等环境激励对工作模态 参数的影响。 除上述损伤识别技术之外，还有小波变换法、神经网络法和遗传算法等损伤识 别的方法。 损伤识别技术的发展趋势基本围绕下面四个问题：判断损伤是否存在、如何确定 结构的损伤位置、计算损伤量的大小、解决损伤对结构寿命的影响问题等。对于大型 结构，大损伤对系统参数有较大的影响，而小损伤对系统参数影响较小。再加上噪声 的影响，有时无法诊断出小损伤。然而，有些大型振动结构、高层建筑、大型桥梁等， 小损伤在较短的时间内发展为大损伤，虽然小损伤对系统参数影响较小，但对局部参 数影响较大所以，在实用和理论上，这是一个很值得研究的课题。 1 2 2 设备状态监测与诊断技术的发展 设备诊断技术建立在基本理论、物理机制、数学方法、技术手段和组织管理等 方面的一个新技术，主要就是为了对设备实现预测维修，通过监测获得设备的运行 状态，根据获得的状态判断设备运行是否正常，如果不正常，经过分析与判断，指 出故障部位，故障原因，便于管理人员维修；或者在故障未发生之前，提出可能发 生故障的预报，便于管理人员尽早采取措施，避免发生故障。 设备维修体制的发展【2 8 】可以分为三个阶段： 1 ) 事后维修：即设备坏了以后才维修。这种维修方式的缺点是：如果要产生 废品则废品已经产生；如果要引发事故，则事故已成为现实；坏了之后才考虑维修 所需的各种器件，势必延长停机时间，增加生产损失：坏了才修，机器可能受到过 度损伤，也会增加维修费用。所以这种维修方式被称为不足维修。 2 ) 定期维修：我国的定期维修体制是5 0 年代中期从苏联大量引进设备和技术 的同时引进的维修方式。以时间为依据，实现定期小修、中修、大修，在很大程度 上防止了事故的发生但在实践中常常出现两种情况，其一是维修时间尚未到达， 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 设备已经出现了故障，这实质上和事后维修没有区别，也称为维修不足。其二是维 修时间虽已到达，但设备还完好无损，于是也只好依据维修制度进行维修。这样一 来，不该停机停下来了，不该拆换的拆换了，甚至在维修中造成人为的新的故障。 显然这种情况下的维修是多余的，称为过剩维修维修不足和过剩维修都会造成很 大的经济损失，严重影响生产安全。为了避免这两种情况，出现了预测维修。 3 ) 预测维修：随着电子技术和计算机的发展，设备也变的更加复杂，对设备 安全可靠运行的要求更高。利用计算机连续或定期监测设备状态，诊断设备故障， 判定故障类型、部位、严重程度、变化趋势，使维修人员能在维修之前作好有关准 备，做到该修才修，如果要修，也是有针对性的维修。预测维修体制是保障设备经 济安全运行的最佳维修体制。 设备诊断技术主要就是为了满足预测维修的需要，通过各种监测手段，判别其 工作是否正常；如果不正常，经过分析与判断，指出故障部位，故障原因，便于管 理人员维修；或者在故障未发生之前，指出可能发生故障的预报，便于管理人员尽 早采取措施，避免发生故障。 在经历了依靠人的感官及经验判断设备振动状态及故障之后，使用广泛的是简 易诊断仪器仪表。它是对某单一的振动信号进行检测，计算出某一特征参数。当特 征参数小于允许值时便认为正常，否则为异常。常常用超过允许值的大小来表示机 器故障的严重程度。常用的简易测振仪表可分为三大类：位移型涡流式轴、速度型 传感器、加速度型传感器。这类仪器如数字式测振仪b z 一8 7 0 1 、b z - - - - 9 1 0 2 ，测振 仪g 弘_ 4 b ，振动分析仪z d 卜1 等。 随着技术的发展，出现用于设备状态监测、故障诊断的专用信号分析仪。如频 谱分析仪。这些信号分析仪大多具有f f t 分析功能，可给出所测点振动大小，进 行时域和频域分析，常带有显示、打印等功能。如s d 3 8 0 z ( 美国) ，h p 3 5 6 2 a ( 美 国) 等。这些仪器经过不断发展，功能不断强大，可靠性也越来越高，己在各行各 业得到使用。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 本文的主要工作 1 )本论文介绍了模态分析理论和有限元求解思路。模态分析理论指导下的结 构损伤识别方法，对己知结构的损伤位置有一个大致估计，从而做到有的放矢，为 结构可靠性分析、故障诊断及状态监测提供正确的理论指导。 2 )大型直线振动筛是洗煤厂的主要设备之一，作为振动机械，不仅工作强度 大，且工作环境十分恶劣，连续工作使其结构极易产生疲劳断裂。因此及时发现结 构的早期损伤，对合理地安排设备的维修、更换，以避免重大的人身事故及设备严 重损伤是具有非常重要的现实意义的。本课题的研究目标是采用对振动筛的结构进 行系统动力学工况监测与在线检测相结合的方式确定结构损伤的部位与损伤的程 度。 3 )下横梁作为振动筛的重要结构，是振动筛的主要承载部件，是易发生疲劳 损伤的结构。本文将振动筛整体作为损伤结构识别的研究目标。用有限元分析软件 a n s y s 对振动筛进行了模态分析，得出了的模态频率和振型。 4 )详细介绍了试验模态分析方法，并设计和实现了试验方案，得到了实验结 果，为理论计算提供了准则。较详细地论述了基于模态分析理论的损伤识别技术， 将静力问题视为动力问题的特例，将动力问题分解为各阶模态下的静力问题，实现 静动力问题的统一，从而预测结构在所处的工作环境下可能发生破坏的部位、性质， 为结构的设计、结构的裂纹故障诊断及结构状态监测等研究工作指出方向。 5 )采用激振器随机激励和冲击力锤两种激励方式得到振动筛模态结构参数， 并进行比较。通过模态分析找出影响振动筛疲劳寿命的薄弱环节，为故障诊断提供 依据。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章振动信号测试与分析研究 测试的基本任务是获取有用信息。测试信号中既含有用信息，也含有大量干扰 噪声。信号处理的任务就是对信号施加适当的加工变换，滤除干扰噪声，提取有用 信息。信号处理技术始于2 0 世纪4 0 年代，6 0 年代后微电子集成技术的发展，使信 号处理的研究不局限于般理论和方法研究，还出现了许多新的实现方法与算法， 现在其理论方法日趋系统化。通常把研究信号的构成和特征值称为信号分析；把信 号经过必要的加工变换，以期获得有用信息的过程称为信号处理。振动测试技术是 通过对正在运转过程中的机械设备产生的振动进行测试或用人为的激振试验法测 量设备对标准激励振动信号的传递特性来分析系统( 结构) 的特征参数以判断设备 的故障存在与否。 2 1 振动信号分析基础 2 1 1 信号的分类 信号是指利用传感器进行测量所获得的位移、速度、加速度、温度、应力、应 变、压力等数据。对于简单的原始信号，往往只能提供十分有限的信息。因此，信 号必须经过适当的加工处理才能够表现出我们所感兴趣的特征信息。信号处理方法 和技术就是用来对原始信号行适当的转换，从而形成特征更加明显和易于分析的 “新信号”的一种技术例 按描述信号的独立变量取值是否连续，可将信号分为模拟信号、数字信号。 模拟信号是指随时间连续变化的信号，例如正弦信号工( f ) = 4 s i n ( 耐+ 妒) 。模拟 信号有两种类型，一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由仪器、变送 器输出的电流信号。这些模拟信号经过采样和a d 转换以后将数据传送到计算机， 需要进行数据的正确性判断、标度变换、线性化等处理。模拟信号便于传输，但是 它对干扰很敏感，传输过程中信号的幅值和相位容易发生畸变。 太原理工大学硕士研究生学位论文 数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信 号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0 就是1 ，这可由脉冲的有无来实 现。数字信号可以由某些类型的传感器输出，如扭矩传感器，它在线路上的传送可 以是并行方式传送，也可以是串行方式传送。数字信号对线路上的干扰信号不敏感， 因为只需要检测脉冲信号的有无来确定信息。数字信号进入计算机以后，常常需要 进行码制转换的处理，如b c d 码转换成a s c h 码，以便显示数字信号也可从另 外一个角度将信号分为确定性信号和非确定性信号。确定信号是指能以时间函数表 示的信号，在其定义域内的任意时刻都有确定的数值。确定性信号又可分为周期信 号和非周期信号。非确定性信号也称随机信号，它所描述的是一个随机过程，它的 变化过程无法用确定的时间关系式来描述，不能预测其未来任何瞬时值。然而，其 值的变化服从统计规律，借助概率统计的方法可以找出其统计特征。工程信号中许 多信号都可以当作随机信号来处理，如汽车行驶所产生的振动信号，电路中的噪声 信号等。 2 1 2 信号采样与量化误差【3 0 】 把模拟信号转换为数字信号的过程称为模数( a d ) 转换过程。如图2 - 1 所示， 该过程包括了采样、量化、编码等过程，这是数字信号分析的必要过程。采样也称 抽样，是利用采样脉冲序列6 ( t ) 从模拟信号x ( t ) 中抽取一系列的离散样值，使之成 为采样信号x g f 勋= 1 ，2 ，3 ) 的过程。f 称为采样间隔，r = 正，称为采样频率。 采样实质上是将模拟信号x ( 0 按一定的时间间隔at 逐点取其瞬时值。它可以描述 为采样脉冲序列占o ) 与模拟信号x ( f ) 相乘的结果。 量化又称幅值量化，把采样信号工g f ) 经过舍入的方法变为只有有限个有效数 字的数的过程称为量化。若信号x o ) 可能出现的最大值为a ，若将其分为d 个间隔， 则每个间隔长度为g = a d ，g 称为量化步长或量化增量。当采样信号落在某一个 小间隔内，经过舍入方法的量化以后，必然会产生量化误差。可见量化误差的最大 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 值为o 5 9 。一般量化误差的大小取决与d 转换的位数，其位数越高，量化增量 就越小，量化误差也越小。 所谓信号采样，也称抽样或取样。采样的基本问题是如何确定合理的采样网隔 f 以及取样长度丁，以保证采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号 石( r ) 。一般来说，采样频率正越高，采集的离散点越密集，所获得的数字信号就越 逼近原始信号。然而，当采样长度r 一定时，f 越高，数据量= f 就越大，所 需的计算机存储量和计算量就越大；反之，当采样频率降低到一定程度，就会丢失 或歪曲原来信号的信息。采样定理指出带限信号不丢失信息的最低采样频率为： 正 厶( 2 1 ) 式中，厶原始信号中最高频率成分的频率。若采样频率不满足此定理，将会产 生频率混叠现象。 a t2 a t3 t 枷 模报信号b 脉冲序列 t 采样d 量化 e 糖码 图2 - i 采样过程原理图 f i g u r e2 - 1t h ep r i n c i p l ec h a r to f s a m p l i n g 1 3 差 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 3 振动测试信号数字化处理 振动分析检测方法是检测机械结构及其系统装置振动信号是否异常的一种常 用检测方法，它有时域法( 时域解调分析法，如时域波形分析、时域调制包络分 析等) 、频域法( 频谱分析法， 如功率谱、细化谱、相干谱和倒频谱法等) 和时频 法( 如w i g n e r - v i l l 分布、短时傅立叶分析、小波分析等) 等。它是非常重要和被广 泛采用的一种常用方法。该方法已经成功研制出包括c r a s ( 随机振动信号分析系 统) 在内的许多优秀的软件和硬件系统。含有裂纹的大型结构如板、梁、壳、支架 等一直是力学和机械工作者的研究目标，因为它涉及到大型结构的工作可靠性与安 全性。目前研究裂纹结构的通用方法是有限元分析法。有限元法的发展较快，如 a n s y s ，可以对裂纹裂尖应力场进行详细有效的分析模拟。 一般来讲，结构损伤监测与诊断的特征可以通过量化指标来衡量，这些量化指 标称为特征参数，