（轮机工程专业论文）挖泥船泥泵在线监测系统的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 挖泥船是航道疏浚与整治、水利工程、防洪抢险、海洋开发及海港建设的 主要工具。目前对挖泥船管理维修的方法主要有定期维修和事后维修。随着 挖泥船性能的不断提高，现有的技术手段和管理措施已不能满足挖泥船技术 管理的要求。对挖泥船的关键设备进行视情维修己成目前研究的发展方向。 利用计算机技术与故障诊断技术，采用监测技术监测关键机电设备的运行状 态，将大幅度降低成本和维修费用，从而取得经济和社会效益。 本文在对挖泥船泥泵进行广泛的调研和深入的理论研究的基础上，进行 了故障诊断新方法的应用研究，并开发了挖泥船泥泵监测与诊断系统。主要 研究内容包括： 1 、介绍了旋转机械中各种典型故障产生的机理及识别特征，对信号处 理及分析的方法进行了研究； 2 、采用有限元方法对泥泵转子轴进行了模态分析和谐响应分析。模态 分析确定了泥泵的振动特性( 固有频率和振型) ；谐响应分析确定了泥泵转 子轴在偏心力的作用下轴截面处的最大响应位移；研究了转子轴的质心位 置、轴承刚度和质量偏心矩对转予轴振动特性的影响； 3 采用轴心轨迹法，实船测量了泥泵轴工作时振动响应值。试验结果 表明：泥泵挖泥时，转子轴的轴心轨迹没有规律性，重复性很差：当吸水时， 泥泵转子轴的轴心轨迹很有规律性，且与理论计算结果较为接近，验证了理 论计算结果的合理性和准确性； 4 、采用虚拟仪器技术研制了泥泵监测系统。该系统由传感器、数据采 集卡及计算机组成，采用分布式并行工作原理，有效地实现了事故追忆功能， 保证了突发性事故数据和信息的捕获。该系统能实时连续地对泥泵运行状态 进行监测。 本文的研究工作对提高挖泥船泥泵的技术管理水平具有十分重要意义， 为对挖泥船泥泵的技术管理方式由定期维修到视情维修的转变提供了技术 手段。 关键词：挖泥船泥泵，有限元方法，状态监测，虚拟仪器 茎堡墨三查兰塑主兰竺丝兰一 a b s t r a c t t h e d r e d g e r i so n eo f m a j o r f a c i l i t i e si nt h jf i e l d so fc h a n n e ld r e d g e ，h y d r o p r o j e c t ，p r e v e n to rc o n t r o lf l o o d ，o c e a nd e v e l o p m e n t ，s e a p o r tc o n s t r u c t i o ne t c a tp r e s e n t ，t h em a n a g e m e n tm a i n t e n a n c em e t h o d so fd r e d g e ra r ep r i m a r yt i m e b a s e dm a i n t e n a n c ea n dr u n t o b r e a k d o w nm a i n t e n a n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fd r e d g e r ，e x i s t i n g m a n a g e m e n tm a i n t e n a n c e m e t h o d sc a n n o ts a r i s f yw i t h r e q u i r e m e n t s o fd r e d g e rm a n a g e m e n t c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c eo f f e r sa n e wd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fd r e d g e rm a n a g e m e n t w i t ht h eh e l po fc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，f a u l t yd i a g n o s i s ，m o n i t o r i n g ，t h ec o n d i t i o no fd r e d g e ri sm o n i t o r e d t h r o u g ht h i sm e t h o d ，t h e c o s to fp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n tc a nb ec u t e f f e c t i v e l y m e a n w h i l e t h ef a c i l i t i e sc a np r o d u c ev a l u ea sm u c h a si tc a ni ni t s l i f ec y c l e i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so f i n v e s t i g a t i o ni nd r e d g e r a n dt h e o r e t i cr e s e a r c h f u r t h e r ，t h em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e mf o rt h ed r e d g e ri sd e v e l o p e d t h e m a j o r c o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 e l e m e n t a r yk n o w l e d g ea n db a s i cc o n c e p t o fv i b r a t i o nd i a g n o s i sa r es u m u p m e a n w h i l e ，s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s a r ei n t r o d u c e d ； 2 t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t o rs y s t e mo ft h ed r e d g ep u m pi na d r e d g e r ( 1 7 5 0m h ) a r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n gf e m ( e l e m e n t f i n i t e m e t h o d ) t h ef e m m o d e lo ft h er o t o rs y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，a n dt h em o d e l a n a l y s i sa n dt h eh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i sa r ec a r r i e do u t t h ei n f l u e n c eo f t h e e c c e n t r i c i t ym a s sm o m e n t ，p o s i t i o no fm a s sc e n t e ra n dt h eb e a r i n gs t i f f n e s st o t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t o rs y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l ； 3 t ov e r i f yt h ee x a c t n e s so ff e ma n dl e a r nt h ep r i n c i p l eo fv i b r a t i o no f d r e d g ep u m pf u r t h e r ，t h eo r b i to ft h er o t o rs h a f to ft h ep u m pi nt h ed r e d g e ri s m e a s u r e d ，t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w ：t h er e p e a to ft h eo r b i to ft h er o t o r s h a f ti s v e r yb a dw h e nd r e d g ep u m pi si nt h ed r e d g i n gm u dc o n d i t i o n b u t i n t h ed r e d g i n gw a t e rc o n d i t i o n ，t h es h a f to r b i to fd r e d g ep u m pc a nb er e p e a t e d i i 武汉理工大学硕士学位论文 v e r yw e l l a n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ef e m c a l c u l a t i o n r e s u l t s ，a n dt h ec o r r e c t i o no f t h ef e mm o d e li sv e r i f i e d ； 4 m o n i t o r i n gs y s t e m f o rt h e d r e d g ep u m pi s c o n s t r u c t e d a d o p t e dt h e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a l lt h es y s t e mc o m p r i s e ss e h s o r s ，a dc a r da n d c o m p u t e r sf o ri n d u s t r y t h et h e o r yo fd i s t r i b u t i o na n dp a r a l l e l a r ea d o p t e di n t h i ss y s t e m ，t h ec o n d i t i o no f d r e d g ep u m p c a nb em o n i t o r e de f f e c t i v e l y ，a n dt h e f a u l tc a nb ed e t e c t e da tt h eb e g i n n i n g 。 t h er e s e a r c hw o r ka b o u tt h ed r e d g e rm o n i t o r i n gi nt h i sp a p e ri ss i g n i f i c a n t f o rm a i n t e n a n c em a n a g e m e n tf o rt h ed r e d g e r a n dw i t ht h eh e l po fr e s e a r c h w o r ka b o v em e n t i o n e d ，m a i n t e n a n c em a n a g e m e n tf o rd r e d g e rw i l lb ec h a n g e d o v e rf r o mt i m eb a s e dm a i n t e n a n c et oc o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：d r e d g e r ，d r e d g ep u m p ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究目的与意义 第1 章绪论 挖泥船是航道疏浚与整治、水利工程、防洪抢险、海洋开发及海港建设的 主要工具，它涉及交通、水利、地质、农林、环保及国防等领域：目前，各种 挖泥船发展的特点【1 是：向大型化发展；市场需求大的绞吸挖泥船已成为成 熟的规模化、标准化系列产品；新技术、新材料、新工艺的应用使挖泥船的 技术水平、质量、寿命日益提高；浅吃水肥大型船型及新概念布局；智能化 疏浚系统和开发自动化仪器仪表促使疏浚全过程自动化操作；便于陆上运输 的集装箱输送船型；适应各种需求的新船型。 目前对设备管理维修的方法主要有定期维修 4 1 ( t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ) 和事后维修( r u n t o b r e a k d o w nm a i m e n a n c e ) 。定期维修就是当设备运行定 时间后，人为地强制对其进行维修的维修方式。这种方式主要存在以下缺点： ( 1 ) 在确定的维修周期内，预计仅有少于2 的设备可能出现故障，9 8 的设 备都有剩余的运行寿命，导致大量的过剩维修；( 2 ) 对于正常的设备，由于 不必要的维修反而增加了故障率。而事后维修是通常在设备运行到出现故障 时才对其进行维修，存在明显的维修不足。 由于挖泥船性能的不断改善和操作及施工自动化程度的不断提高，对挖 泥船机电设备的技术管理的要求越来越高，而目前的技术手段和管理措施已 不能满足挖泥船技术管理的要求。随着现代工业、计算机技术、网络通讯技 术和故障诊断技术的迅速发展，对挖泥船的关键设备进行视情维修 ( c o n d i t i o n b a s e d m a i n t e n a n c e ) 4 1 1 5 1 已成目前研究的发展方向。视情维修是将 定期维修变为定期或连续测量设备的运行状态，当检测结果表明设备需要进 行维修时才进行维修。 泥泵是挖泥船的关键设备，利用计算机技术与故障渗断技术，采用监测 技术监测其运行状态，将大幅度降低生产成本和维修费用，从而取得经济和 社会效益： 1 、可以有效地避免意外事故，消除继发损坏，节约维修费用； 武汉理工大学硕士学位论文 2 、增加泥泵的正常运转时间和提高泥泵的利用率，缩减维修备件的库 存及时间； 3 、实现泥泵的在线监测及故障预报，及时预测设备状态的发展趋势。 l 1 2 国内外发展现状 机械设备状态监测与故障诊断技术是自上世纪6 0 年代中后期以来发展 的一门新兴学科。上世纪6 0 年代以来，电子技术、计算机技术的快速更新 和飞速发展以及f f t ( 快速傅立叶变换) 方法的出现，为这一技术的产生 奠定了直接和必需的基础。 1 2 1 国外发展现状5 3 。 美国是机械设备状态监测与故障诊断技术发展最早、最快的国家，目前 己将此技术成功的应用于航天、航空、军事及机械等工业中。1 9 6 7 年4 月， 在美国宇航局( n a s a n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 的倡导 下，成立了美国机械故障预防小组f m f p g ，m e c h a n i c a lf a u l tp r e v e n t i o n g r o u p ) 。自成立3 年内共公开发表论文9 4 篇，到1 9 7 0 年m f p g 正式划归美 国国家标准局领导( n s b n a t i o n a ls t a n d a r d sb u r e a u ) ，此后平均每年召开两次 会议。近几年来，随着i n t e r n e t 技术和故障诊断技术的快速发展，基于i n t e r n e t 的远程状态监控与故障诊断技术引起了国际国内众多研究者的密切关注和 重视。1 9 9 7 年1 月，斯坦福大学和麻省理工学院联合举办了第一届基于 i n t e r n e t 工业远程诊断技术研讨会。近两年，斯坦福大学和麻省理工学院合 作开始基于i n t e r n e t 的下一代远程诊断技术研究计划( n e x tg e n e r a t i o n r e m o t e d i a g n o s t i c sp r o j e c t ) 。6 0 年代末7 0 年代初，在英国，以r a c o l l a c o t t 为首的英国机器保健中心( u km e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o rc e n t e r ) 开始对机械 设备状态监测与故障诊断技术进行研究，并且在宣传、培训、咨询、资料交 流及诊断技术的开发方面取得了很好的成效。到了1 9 8 2 年创立了沃福森工 业维修公司( w i m u ) ，开展了这方面的研究和咨询活动。而日本在化工、钢 铁、铁路等民用工业部门对这一技术的应用走在了世界的前列。如：日本三 菱重工的m h m s 系统、日立公司在1 9 8 2 年开发的汽轮机寿命诊断装置 h i d i c 0 8 e 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 故障诊断系统从系统结构形式上经历了单机系统、局域分布式系统阶 段，现正向网络化系统发展。随着网络技术，特别是i n t e r n e t i n t r a n e t 及其应 用技术的飞速发展，代表下一代故障诊断技术集成的大范围网络化的故障 诊断系统正在迅速到来。这种新型系统的主要特征是分层网络化。在系统的 下层，采用以现场总线为代表的工业网络连接的网络化智能监测监控单元； 在系统的上层，采用以i n t e r n e t i n t r a n e t 为代表的标准网络连接的网络化智能 故障分析、诊断：预测与管理集成系统。而故障信号与诊断信息可在整个网 络内流动与共享，并可与其他管理信息相融合。目前，分布对象计算的主流 技术包括c o r b a 、d c o m 、j a v a 及它们的结合。将分布对象计算与w e b 相 融合，所形成的分布对象w e b 计算技术具有良好的开放性、扩展性与通用 ： 性。 随着世界科技水平的不断提高，现代科技手段在挖泥船上的应用也越来 越普遍。早在上世纪8 0 年代中期，国外就出现了利用微机对挖泥船操作及 工况的自动控制技术。计算机通过对各种传感器的信息进行搜集和集中处 理，可以实时的显示绞刀在水下挖掘剖面上的位置和与产量有关的各种信息 参数，进而通过操作人员的操纵实现了挖泥工况的自动控制 7 1 。 1 2 2 国内发展现状 在我国，这项技术的起步较晚，大体上经历了2 个阶段：第一阶段是从 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术， 并对一些故障机理和诊断方法展开研究，一些院校和科研单位着手在工业旋 转机械事故方面进行诊断研究。第二阶段是从2 0 世纪8 0 年代初期到现在， 1 9 8 3 年国营工业交通设备管理试行条例【5 】中提出“要根据生产需要，逐 步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监测为基础的预防维修体 制”，正式把设备诊断技术列入企业管理法规。一些科研人员将人工智能、 模糊理论等先进技术引入到设备诊断系统中，并且在信号分析与处理、神经 网络、新型传感器的应用方面取得了很大的成就。2 0 世纪八十年代末，上 海远洋运输公司和交通部标准计量研究所合作开发研制了“船舶维修保养体 系”。在这一阶段，很多设备诊断系统被成功的应用船舶设备诊断与维修中， 并且效果明显。如；为提高上海航道局现有绞吸挖泥船的施工质量与效率， 武汉理工大学硕士学位论文 提高绞吸挖泥船的自动监测、显示和控制水平，1 9 9 9 年初，上海航道局与 上海交大东伟公司共同研制了绞吸挖泥船工况监测系统【7 j ；1 9 9 9 年，华 东船舶工业学院研制了d p 1 和d p 一2 型泥泵保护装置睥j ，通过泥泵与主机的 转速信号，通过单片机实现对主机实时保护；山东石油大学p 1 研究了用振动 信号的小波变换监测泥浆泵的吸入状态。 目前，振动法是进行旋转机械监测与诊断的主要方法，它直接，有效， 并且可靠度高。对于均匀介质的旋转机械( 如水泵机组) ，国内已有很多成 功的监测诊断系统 1 0 】【1 1 】 1 2 【1 3 ) 1 4 】对其进行监测，并能对典型故障进行诊断分 析。但对于泥泵这种工作介质是非均匀的设备，其工作状态不具有规律性， 对其进行监测难度很大，目前国内在这方面开展的研究还较少。 在远程诊断技术方面，我国与国外基本上是同时开始的。国内一些长期 从事机械设备故障诊断技术研究的科研院所，如武汉理工大学、浙江大学等 单位，近年也开始关注并进行了初步研究。将这种新兴的远程诊断技术应用 于船舶机械的监测与诊断中未见报道。 1 3 研究方案 1 ，3 1 课题来源 本文有关挖泥船泥泵的在线监测技术，是“挖泥船机械设备远程诊断系 统的研制”主要研究内容之一，该项目依托于交通部投资、长江航道局开发 建设的具有首冲功能的3 0 0 方自航耙吸式挖泥船。 1 3 2 研究的主要内容 为了全面系统的了解泥泵振动特性，采用有效的监测方法，研制挖泥船 泥泵在线监测系统，拟开展以下工作： 1 、研究旋转机械中各种典型故障产生的机理及识别方法，振动信号的 一般处理及分析方法： 2 、采用有限元方法对泥泵转子轴进行动力学分析。研究泥泵转子轴在 自由振动下的转子振动特性，确定泥泵转子轴的各阶振型及频率；研究泥泵 在叶轮偏心时，转子轴的振动响应情况；讨论泥泵转子轴的质心位置、轴承 4 武汉理工大学硕士学位论文 刚度和质量偏心矩对转子轴振动特性的影响； 3 、采用轴心轨迹法，对泥泵进行实船试验，测量泥泵转子轴在工作时 的振动响应情况； 4 、采用虚拟仪器技术研制泥泵监测系统。本系统由传感器、数据采集 卡及计算机组成，拟采用分布式工作原理，采用数据库和文件两种方法对监 测系统采集的各种数据进行有效的管理，全面地、有效地实现了事故追忆功 能，保证了突发性事故数据和信息的捕获，实时地、连续地对泥泵运行状态 进行监测。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章旋转机械典型故障机理及监测分析方法 本章主要介绍了与泥泵相关的振动理论，典型故障的故障机理及常用的 振动分析方法，为开展泥泵振动监测与诊断奠定理论基础。 2 1 转子不平衡的振动特性 众所周知，由于制造误差、装配误差、材质不均匀等原因造成旋转机械 的不平衡，这种不平衡称为初始不平衡。转子部件在运行中由于腐蚀、磨损、 介质结垢以及转子受疲劳力的作用，使转子的零部件局部损坏、脱落、碎块 飞出等，造成新的转子不平衡。 转子不平衡是旋转机械中最常见的故障之一，不平衡过大，不仅本身会 引起转子振动较大，而且引起转子弯曲造成转子之间不对中，引起新的故障。 此外对油膜的稳定性也有重要的影响【1 6 l 【1 7 1 8 】。所以对旋转机械转子不平衡 量进行监测具有重要的意义。 2 1 1 振动机理” 设转子的质量为m ，偏心质量为m ，偏心距为e ，转予的质心到两轴承 连心线的垂直距离不为零，挠度为a ，如图2 1 所示。 莉 气一。 、 图2 1 转子力学模型 这一具有偏心质量的转子，设其偏心质量集中于c 点，考虑到其外阻 尼的作用，转子以角速度国转动时，其轴心0 的运动微分方程为： m x + c x - i - k x ：m e 国2c o s 伽( 2 1 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 m y + c y + 咖= m e 9 0 2 s i n c o t 令z = x + y，其复数形式的运动方程为 设其特解为： z = 圳8 “一8 最后解出l a l a n0 h = e ( c o l c o 。) 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) t a n 口：( 2 n l _ c o ) ( c o 丁l c o ) ( 2 - 6 ) 1 一沏国。) 2 令：= 击，五2 嚣功2 万c ，善= 卺，有： t a n 0 ：芝 ，(2-8) 1 一 根据上两式，按不同的频率比和阻尼系数的变化，可做出幅频响应图( 图 2 - 2 ) 和相频图( 图2 - 3 ) 。 2 1 2 具有不平衡质量转子的振动特征 由上述分析，具有不平衡质量的转子运动时，具有以下振动特点【1 6 ： l 、偏心质量所产生的激振力与转速成正比，转速越高，激振力越大； 2 、偏心质量所产生的激振力与偏心距成正比： 3 、振幅随频率比按图2 2 所示，幅频响应成曲线变化，通过i 瞄界转速 时，转予的扰度最大，具有最大振幅； 4 、由于存在阻尼，转子系统的位移，总是比激振力相位滞后一个口角 相位。 7 高 武汉理工大学硕士学位论文 3 0 鞑 t _ 日 ，0 1 一o 1 s 铡2 o 泓l 一 加 心 。玑， 1 0 弋鬈 婆 鹜k 、。2 o 图2 - 2 转子不平衡的幅频响应图 = 0 历 墨： _ 一 ：一一c 绘 p 0 7 _ _ _ - _ _ 一。 _ l ，o 眈o 扬 么功 ，= 0 图2 - 3 转子不平衡的相频响应图 实际的转子，由于轴的各向弯曲刚度有差别，特别是由于支承刚度各向 不同，因而转子对不平衡的响应，在x 、y 方向不仅振幅不同，而且相位差 也不是9 0 度，因而转子的轴心轨迹不是圆而是稀圆。其振动信号的主要特 征： 1 振动的时域波形为正弦波； 2 频谱图中，谐波能量集中于基频； 3 振动的强烈程度对工作转速的变化很敏感。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 转子弯曲的故障机理 转子弯曲 17 1 包括转子弓形弯曲和临时弯曲。转子弯曲时，由于弯曲所产 生的力和转子不平衡所产生力相位不同，两者之间相互作用有所抵消，转轴 的振幅将在某个速度下减小。当弯曲的作用小于不平衡时，振幅减小发生在 临界转速以上。转子无论发生弓形弯曲还是临时弯曲，它都要产生与质量偏 心类似的旋转矢量激振力，同时在轴向发生与角频率相等的振动。这两种故 障的机理与转子质量偏心相同。 2 3 转子不对中的故障机理 转子不对中i l6 】是指用联轴节联接起来的两根轴的中心线存在偏差，如 产生轴线平行偏移，轴线角偏移，或者是两者的组合。不对中的作用就像转 子上有一个不定向的预载荷，容易引起轴向振动。对于轴线平行偏移不对中， 其振动频率为转子工频的两倍；对于轴线角偏移不对中，因偏角使联轴器附 加一个弯矩，弯矩的作用是试图减小两轴中心线的偏角。轴旋转一周，弯矩 作用方向交变一次，因此，轴线角偏移不对中增加了轴向力，使转子在轴向 产生工频振动。 综上所述，不对中故障的特征表现为： 1 、转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主，不对中越 严重，二倍频分量所占比例越大； 2 、典型的轴心轨迹为香蕉形； 3 、联轴器不对中时径向振动较大，振动频率为一倍频，振动幅值和相 位稳定： 4 、振动对负荷变化敏感。 2 4 振动信号分析方法 振动信号对于机械状态监测起到重要的作用，通过利用机组的振动分析 对机械故障进行诊断，已成为设备故障诊断的最有效、最常用的方法。用各 种相应的传感器及测量仪器测得设备的振动信号，g g - g 含状态识别与诊断 9 武汉理工大学硕士学位论文 非常有用的各种信息。有效的分析、处理这些信息，从中抽取其特征，建立 它们和机组运行状态之间的联系，是机械故障诊断的基础。如果知道某些特 征与机组的状态或某种故障有较强的依赖关系，就能获得好的诊断效果。信 号分析的目的就是提取与机组运行有关的特征信息【l “，信号分析的基本方法 概括起来分为以下几种。 2 4 1 振动信号的时域分析 时间特征参量2 2 1 的分析计算是振动监测系统的最基本功能，机器运行 状态的振动标准值一般以某一特征参量的确定值形式给出，监测系统随时测 量当前振动信号的相应时间特征值，并与标准值进行比较，实现监测任务。 另外通过对这些特征值的长期发展趋势进行观察分析，可以确定机组振动与 运行参数之间的关系，也可以发现识别一些缓慢产生和变化的故障因素。 在振动监测中，振动测量参数的大小常用以下指标： l 、信号峰值s 。及峰峰值s p p ：峰值是指振动波形上与零线的最大偏高 值。峰峰值是指振动波形相邻的最大值与最小值之差。峰值的检测往往用于 设备或部件的强度考核，峰峰值检测则多用于设备或零件的动态范围考核和 疲劳考核。多数振动表的读数为位移的峰峰值； 2 、信号均值：均值又称为一次矩，它描述了信号的平均变化情况，信 号幅值的摆动中心，代表信号的直流和静态部分。其数学表达式为： 1 ， 以= l i r a 素【x ( t ) d t ( 2 - 9 ) 7 ” 3 、信号有效值s r m s ：即均方根值，是振动测量中用得最多的统计参量 之一，它反映了信号功率的大小。有效值既考虑到了振动时间变化的经历过 程( 峰值与时间历程无关) ，又表示了机械振动能量的大小。i s o 标准规定， 振动速度的均方根值称为“振动烈度”，作为衡量振动强度的一量。对任意 一个振动波形x ( f ) ，其有效值定义为： 广1 一 s 。= ，1 i m 吉卜2 ( t ) d t ( 2 1 0 ) v r 呻1 o 对于周期为t 的周期振动，有效值为： 斤_ _ s 。2 、亭l 石2 ( f ) d ( 2 _ 1 1 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 信号方差盯。2 和标准差s ：方差用来描述信号x ( r ) 相对于均值的波动和变 化情况，反映信号的动态分量，其数学表达式为： 虻2 = 溉亭f z ( ，) 一以 2 席( 2 - 1 2 ) 振动信号若以为采样所得一组离散数据x 1 ，x 2 ，x 。，则这些参数的 指标计算式为： 均值：= 寺一 ( 2 - 1 3 ) 有效值：x 。= j 专粪x ? +( z 。， 方差 见= 上n - 1 兰t = l ( 矿而2 ( 2 - 15 ) 均方根值反映信号的能量大小，方差表示数据的分离程度，它们之间有 如下关系： 皿= j 二一z 。( 2 - 1 6 ) 时间波形有直观、易于理解等特点，由于是最原始的信号，所以包含的 信息量大，缺点是不太容易看出所含信息与故障的联系 2 4 。对于某些故障 信号，其波形有明显的特征，这时可以利用时间波形做出初步判断，比如机 器不平衡故障较为严重时，信号在一个周期内，比转速频率大一倍的高频成 分明显加大，及一周波动两次等f 2 5 】。 2 4 2 振动信号的频域分析方法瞳4 1 振动信号频率域分析主要建立在快速傅立叶变换( f f t ) 技术的基础上， 利用快速傅立叶变换技术可以将振动时间信号中包含的频率成分变换成频 谱表示形式，旋转机械各种常见故障均会产生某一种固定频率或者某一频率 范围的振动，因此通过观察分析振动信号在相应频率( 范围) 处的变化，可 以确定是否故障产生和故障的类型，实现故障的诊断。建立在快速傅立叶变 换基础上的频谱分析技术具有运算速度快、物理概念清晰简单等优点，是目 前振动分析方法中最常用，也是最成熟的技术。 武汉理工大学硕士学位论文 采样信号的付里叶变换是频谱分析的基础内容，设x ( o 连续函数，脉冲 序列函数定义为： 已r f j = 卵一h a ) ( 2 - 1 7 ) 其采样信号可以看作x o ) 与脉冲序列函数的积，设x ( o 的付里叶变换为x ， 由卷积定理可得： f f x ( t ) f 。f r = x r ，js 已r ，j ( 2 一1 8 ) = 等l 。孙) 忘一v 一1 籼 = 兰范x i 卜砖s ) 显然这是一个以4 = 1 f 为周期的周期函数。 因为珊，= 2 矾，故六= 1 a = 刃，2 石，河。= 2 石4 。所以任意一个完整 周期与连续函数x 的付里叶变换相同。这时，若增大采样周期a ，则正减 小，若六 2 正，( 工是连续信号x 俐的付里叶变换的最高频率，称截止频率) ， 采样信号的付里叶变换的各个周期就会互相重叠，产生频率混叠现象。如果 选择采样频率不小于截止频率的两倍，则混叠效应就不会出现。因此在采样 频率满足该条件下，只要保留连续波形的一些采样点，利用这些样本点就可 复现原有信号的付里叶变换。另一个问题是所谓的皱波。由于在计算机采样 序列进行处理时，所采用的采样序列长度必须是有限的，这相当于对采样序 列进行了截断，或引入了矩形窗。因此当应用有限长度的采样序列进行付里 叶变换的卷积，反映在频域上，形成了泄漏，常用的解决方法是；增大矩形 窗函数的宽度；采用其它形式的窗函数，即采用所谓的加窗谱估计法，例如 汉宁窗等。 在应用计算机进行付里叶变换分析时，还必须采用频率采样函数将频域 函数离散化。也就是说，原有的时域函数x ( o 及傅立叶变换珊，分别用时域 中的n 个样本值近似，这两组样本值确定了离散付里叶变换对，该变换对 反映原变换对x ( o 十珊，的特征。应该指出，时域采样得到频域的周期函数， 而频域采样得到时域周期函数。离散付里叶变换相当于将原来的时域和频域 函数都修改成周期函数，n 个时间采样值和n 个频率采样值分别表示时域 波形和频域波形的一个周期 2 6 , 2 7 】。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 振动信号的小波分析方法胆副 傅立叶变换可以将时域信号变换到频域中的谱，其不足之处在于它只适 用于稳态信号分析，而非稳态信号在工程领域中是广泛存在的。加窗傅立叶 变换是为了适应非稳态信号发展起来的一种改进方法，可由于窗函数的大小 和形状是固定的，因此难以适应信号频率高低不同的要求，实际中，要求对 低频信号采用宽时窗，高频信号采用窄时窗，以提高谱线分辨率，小波分析 的基本思想是采用时窗宽度可调的小波函数替代原傅立叶变换中的窗函数， 符合高频信号的分辨率较高的要求，而用小波变换适当离散化后能构成标准 正交系，这在理论和应用上具有极为重要的意义。它的主要特点之一是具用 用多重分辨率来刻划信号局部特征的能力，从而适于探测正常信号中夹带的 瞬态反常现象并展示其成分，这在旋转机械状态监测中具有重要意义【2 ”。 2 4 4 分析结果显示技术” 1 、时间趋势：将测量分析结果，如振动信号特征值、频率成分等，以 时间函数形式表示出来则可以清楚显示设备长时间运行状况，发现并确定故 障发生发展规律，进一步借助函数插值法可以对故障发展趋势进行预测； 2 、三维谱图( 级联图、瀑布图) ：将振动信号多次频谱分析结果沿第三 个坐标轴方向以时间函数形式( 级联图) 或转速函数形式( 瀑布图) 给出， 对不同条件状态下振动信号的频谱进行直接比较，可以清楚看出各振动频率 成分与某些工作参数( 如转速、功率、温度及时问) 的关系，也可以区分振 动信号中不同类型激励源的影响； 3 、波特图：给出振动信号幅值、相位随频率或转速的变化规律，适用 于分析确定机械结构的振动传递特性、共振频率及临界转速； 4 、极坐标图：将振动信号中某频率成分，特别是基波成分的幅值和相 位信息以矢量形式表达在极坐标中，可以提供与波特图相同的信息，用于分 析机械结构的共振特性以及转子系统的升降速规律； 5 、轴心振动轨迹图【2 6 】：将转子轴上两个互相垂直传感器所获振动时间 信号在平面图中同时给出，纵横轴分别为一个信号的幅值，则可获得轴心轨 迹变化曲线，根据轨迹曲线形状和变化可以判断转轴工作状况，分析识别某 些转子故障。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 振动评价标准h 1 振动监测系统的基本功能是将当前机组振动水平与某极限值进行比较， 振动超过设定值则进行报警，以实现对机组的保护。目前国际国内制订了许 多适用于不同目的和场合的振动标准，分别对测量变量、测量位置、振动极 限和评价标准等进行限定。 德国工程协会于六十年代初公布的“v d i 一2 0 5 6 机器振动评价规范”是 国际上第一个进行机器振动评价可以参照的标准。该标准将机器按类型划 分，给出统一的振动测量方法、评价指标以及评价尺度，将机器振动水平分 为“好”、“可用”、“仍然允许”和“不允许”四个档次，每个振动水平档次 规定明确的振动值。1 9 6 4 年经修改正式定稿出版，成为机器振动测量评价 标准的奠基石。在这个标准的基础上，国际标准化组织于八十年代先后制订 如下两个类似标准： i s o2 3 7 2 转速为1 0 - 2 0 0 转秒的机器的机械振动评价标准基础 i s o3 9 4 5 转速为1 0 - 2 0 0 转秒的机器的机械振动测量与评价 这些标准主要存在两个问题，一是标准只涉及机器静止部件如轴承座的 测量和评价，对于回转机械其测量评价精度有限，二是振动状态评价量值中， 没有包含振动水平的更多解释以及应当采取措施的信息。针对这些问题，德 国工程协会进一步于八十年代初又制订公布了对回转机械特别是透平机械 进行振动测量评价的标准“v d i2 0 5 9 ”，新标准给出了回转机械相对轴振 动的测量评价方法，对振动水平按a ，b ，c ，d 划分成四个区，并对每一 区振动状况给了简短解释，帮助机器操作人员进行判断： a 区新机器的振动水平一般应处在此区； b 区一机器可以长期连续运行而不加任何限制； c 区一机器不适合长期连续运行，但可以在一定时间内连续运行，直到 适当时机对机器采取适当措施； d 区机器很可能会产生故障和损坏。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章泥泵转子轴的有限元分析 本章主要完成泥泵转子轴的三维有限元分析。首先简要介绍了有限元方 法及其分析的主要过程；然后利用有限元软件a n s y s 对本文研究的泥泵转 子轴进行了模态分析和谐响应分析，并讨论了轴承刚度、质量偏心矩和质心 位置对转子轴振动的影响。 3 1 有限元法简介3 有限元方法是利用电子计算机的一种数值分析方法。它在工程技术领域 中的应用十分广泛。几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求 得满意的数值结果。虽然这一方法起源于结构分析，但是它已经被推广到其 他领域中的许多问题。它的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并 在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组 单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元假 设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些 变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中 的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。经求解就可咀利用解 得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体的场函数。 3 1 1 有限元技术的发展n 郇口劬 有限元法始于本世纪四十年代初期，当时数学家r c o u r n a t 用三角形单 元计算棱杆的扭转问题，m j t u r n e r 将这一方法运用到工程设计中并加以推 广，在五十年代中期，他们用平面分析法求解了复杂的飞机结构问题。他们 得到的有限元方程属于以节点位移为未知量的矩阵位移法。m j t u r n e r 的顾 问r c o u r a n t 把这种新的工程计算方法拓广到土木工程上，并在一篇题为“平 面分析的有限单元法”论文中首先使用“有限元法”( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 这个名称。初期的有限元都是以单一的位移场作为未知量，它在单元间边界 上满足协调条件，故称之为位移元或协调元。位移元有列式简单、计算量小、 武汉理工大学硕士学位论文 易于在计算机上实施的优点。当然也有其缺陷，对于平板弯曲问题与薄壳问 题，在引用变分法时，位移元要求挠度及其导数都连续，这样很难建立单元 内插值形函数。另外，位移元对于奇异性问题效率较低，对不可压缩材料存 在“自锁”现象。 六十年代中期，美国麻省理工学院卞学磺教授提出了一种新的有限元模 型。最初，这种模型基于最小余能列式，在单元内部假设应力，同时独立的 在单元边界上假设位移。由于不需要单元内部位移，所以前面提到的问题都 不存在了。1 9 7 6 年，卞学磺教授将这一模型取名为“杂交应力模型”。1 9 6 8 年，卞学璜和董平提出在单元邻界上为了保持单元间面力平衡，约束条件要 由一个新的独立变量即单元邻界上的协调位移作为拉氏乘子引入，于是得到 修正的余能原理。由此以后，借助于单元边界上的拉氏乘子建立起来的有限 元都称之为“杂交元”。杂交元避免了“白锁”问题，对非线性问题如弹塑 性问题或蠕变问题，杂交应力元的精度相对位移元来说，也有需要改进的地 方。例如，假设应力时，往往有许多可能，而应力与位移搭配不当，就会出 现多余机动模式。 七十年代初，e l w l s o n 等人提出了非协调单元，即在单元位移插值中 附加内部节点的位移项，使插值函数中的二次项趋于完备，从而改进了位移 等参元的计算精度。但它对任意形状的单元不能通过补片试验。r l t a y l o r 给出了通过补片试验的补救方法，即用等参座标元点处的雅可比来代替雅可 比矩阵。 八十年代初，唐立民、陈万吉等人提出了拟协调元，它通过对几何方程 的加权积分进行离散来得到假设的应力参数与节点位移的关系。这里应力与 应变有相同的插值函数。从变分法来看，拟协调元是基于h u w a s h i z u 广义 变分原理，以位移场、应力场、应变场为变量的多变量有限元。 到现在，基于有限元技术的大型通用程序已发展得非常完善，广泛的应” 用于各个工程领域。 3 1 2 有限元常用术语曲乱 1 、单元：结构单元网格划分中的每一个小块体称为一个单元。常见的 单元类型有线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元等。由于单元 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 是组成有限元模型的基础，因此单元的类型对于有限元分析是至关重要的。 一个有限元程序所提供的单元种类越多，这个程序的功能则越强大； 2 、节点：确定单元形状的点就叫节点。例如线段单元只有两个节点， 三角形单元有三个或者六个节点，四边形单元至少有四个节点等； 3 、载荷：工程结构所受到的外在施加的力称