實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和有限元分析的軋機(jī)故障診斷

□ 楊 玻

隨著結(jié)構(gòu)故障技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和有限元分析作為故障診斷的重要方法也得到了廣泛的應(yīng)用。在處理結(jié)構(gòu)振動問題時，需要了解結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析能夠掌握動態(tài)特性參數(shù)，對理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，使分析精度得到保證。有限元方法計(jì)算能夠得出結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)，但建立模型時需要加入人為假設(shè)，難以與實(shí)際結(jié)構(gòu)情況相匹配，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況往往存在一定偏差，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基于實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)更為準(zhǔn)確，二者結(jié)合能夠使故障診斷更為準(zhǔn)確，符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)與有限元分析概述

因?yàn)檎駝幽B(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的特性之一，利用模態(tài)分析可以掌握結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性，從而了解結(jié)構(gòu)在振源作用下的振動響應(yīng)情況，所以模態(tài)分析是軋機(jī)等設(shè)備故障診斷的有效方法。首先，對靜止?fàn)顟B(tài)下的結(jié)構(gòu)物人為激振，測量其激振力和振動響應(yīng)，通過FFT分析得到機(jī)械導(dǎo)納函數(shù)，然后利用模態(tài)分析理論對函數(shù)曲線擬合，識別模態(tài)參數(shù)，建立模態(tài)模型，最后基于模態(tài)疊加原理能夠預(yù)言結(jié)構(gòu)物振動響應(yīng)歷程。

模態(tài)分析主要有四個過程，一是施加一定動態(tài)激勵來采集動態(tài)數(shù)據(jù)，需要采取一定的激勵方法如瞬態(tài)激勵、穩(wěn)態(tài)激勵對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行動態(tài)激勵，用相應(yīng)的識別方法獲取模態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行譜分析等時域或頻域信號處理。二是要建立結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，基于現(xiàn)有條件建立模型，為識別參數(shù)提供依據(jù)。三是要利用頻域法、時域法等方法進(jìn)行參數(shù)識別，需要注意參數(shù)識別方法與激勵方法相對應(yīng)，對結(jié)果準(zhǔn)確性起決定性作用的是頻響數(shù)據(jù)的可靠性。四是得出結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)模型，用動畫的方法在幾何形狀上疊加振形。在模態(tài)分析的過程中，需要激振拾振裝置、FFT分析儀、計(jì)算機(jī)等硬件和模態(tài)分析軟件的支持。

結(jié)構(gòu)動力修改包含兩個含義，其一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改會產(chǎn)生怎樣的動力學(xué)特性變化，其二是要求結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)特定轉(zhuǎn)變，如何修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有限元計(jì)算模型內(nèi)較容易完成第一個含義的修改，而第二個含義的修改處理難度較大，由于結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，通常需要基于實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析與有限元分析的結(jié)合，一般是基于有限元分析模型確定模態(tài)實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)、激勵點(diǎn)等，對測試模態(tài)參數(shù)辨識命名，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果修改有限元分析模型，基于有限元模型仿真分析模態(tài)實(shí)驗(yàn)條件引起的誤差，消除附加質(zhì)量、剛度等引起的誤差，并可分析解決模態(tài)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。其中利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對有限元分析結(jié)果進(jìn)行校正，主要是修正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、子結(jié)構(gòu)校正因子、結(jié)構(gòu)矩陣元素以及剛度矩陣、質(zhì)量矩陣的修正。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和有限元分析在軋機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

(一)軋機(jī)故障情況。某臺熱連軋機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，使機(jī)架和液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行受到干擾，需要及時診斷軋機(jī)異常振動原因，并采取措施加以排除，以保證設(shè)備和人員安全，嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量。

(二)軋機(jī)故障原因分析。熱連軋機(jī)異常振動的原因一般是機(jī)架摩擦力狀況不佳、閥架和連接部位松動、輥縫測試用位移傳感器松動、伺服系統(tǒng)功能異常等。為準(zhǔn)確掌握該熱連軋機(jī)異常振動的真實(shí)原因，利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和有限元分析方法，對熱連軋機(jī)機(jī)架和傳感器殼進(jìn)行現(xiàn)場測試，得到相應(yīng)的模態(tài)特性數(shù)據(jù)，進(jìn)而找到異常振動原因，并制定解決措施，使軋機(jī)故障得以排除。

(三)具體處理過程。第一步，對軋機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測試。傳感器殼固定于該熱連軋機(jī)機(jī)架上，因此需要考慮機(jī)架振動后才能考慮傳感器殼振動，還需考慮位移傳感器桿的運(yùn)動。基于熱連軋機(jī)受力特點(diǎn)，根據(jù)載荷傳遞系統(tǒng)將軋機(jī)分為兩個系統(tǒng)進(jìn)行振動分析，其一是軋機(jī)主傳動系統(tǒng)，主要是扭轉(zhuǎn)振動，其二是軋機(jī)工作機(jī)座系統(tǒng)，主要是垂直振動。動力學(xué)特性測試的目的是找到異常振動的原因，因此需要了解機(jī)架、傳感器殼、傳感器桿、液壓壓下系統(tǒng)等部位的動力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測試選用帶力傳感器的大力錘用多點(diǎn)多次瞬態(tài)激勵方法進(jìn)行動態(tài)激勵，采樣記錄力脈沖信號和響應(yīng)信號，利用計(jì)算機(jī)處理獲得直接導(dǎo)納與傳遞導(dǎo)納。在正式測試前要試敲，以合理確定敲擊點(diǎn)位置和力脈沖大小、時間等參數(shù)，測試儀器包括模態(tài)測試分析儀、大力錘、數(shù)據(jù)采集分析儀、電荷放大器、加速度計(jì)等。機(jī)架測試選擇單點(diǎn)激勵6點(diǎn)響應(yīng)的方式，傳感器殼采用單點(diǎn)激勵9點(diǎn)響應(yīng)的方式，分別設(shè)置6個和9個響應(yīng)點(diǎn)，各響應(yīng)點(diǎn)均布置3向加速度計(jì)，記錄激勵信號和響應(yīng)信號，進(jìn)而計(jì)算出頻響函數(shù)，得出模態(tài)頻率。根據(jù)這些結(jié)果可以得出:機(jī)架振動響應(yīng)和傳感器殼振動響應(yīng)都為垂直振動，且存在117Hz固有頻率，符合自激振動的特點(diǎn)，因此可得出熱連軋機(jī)異常振動的原因是機(jī)架、傳感器殼的自激振動，進(jìn)一步引起了傳感器桿和殼的不合理相對運(yùn)動。

第二步，對軋機(jī)進(jìn)行動力學(xué)修改。確定問題根源后，需要進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化修改，考慮到傳感器殼體積小，將其作為動力學(xué)修改對象。一是需要建立傳感器殼的動力學(xué)模型，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對有限元模型進(jìn)行修正，比較分析實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)和計(jì)算所得的模態(tài)特性，修正驗(yàn)證模型的正確性，二是基于有限元分析指導(dǎo)傳感器殼的動力學(xué)修改。三是確定修改方案為減小傳感器殼底圓盤開孔尺寸，增加其剛度，方案實(shí)施后進(jìn)行現(xiàn)場檢驗(yàn)，該臺熱連軋機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，未再出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，故障排除。

三、結(jié)語

綜上所述，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和有限元分析是結(jié)構(gòu)振動研究的有效方法，上文中通過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和有限元模型分析對軋機(jī)故障進(jìn)行診斷和動力學(xué)修改，取得了較好的效果，證明實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和有限元分析能夠提供可靠的理論根據(jù)，還可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改、優(yōu)化等工作。

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