基于振動聲輻射的機械設備故障檢測技術研究

鄭勇

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

以往對機械設備進行故障檢測的時候，基本上都是以振動信號為基礎實現(xiàn)的檢測和分析，而對振動信號加以檢測的相應傳感器在很多工況環(huán)境以及設備當中難以安裝，導致這種方法在使用上存在一定局限性。為了更加全面并有效的實現(xiàn)機械設備故障檢測，本文以振動聲輻射為基礎，研究更為先進的機械設備故障檢測技術，以推動故障檢測技術的進一步發(fā)展。

1 基于振動聲輻射的機械設備故障檢測技術

1.1 聲振耦合有限元

當在流體當中放置相關結構的時候，由于處于振動狀態(tài)的結構與流體發(fā)生一定接觸，在這個過程中與結構存在接觸的流體也會發(fā)出一定振動，進而產(chǎn)生一定聲壓。研究耦合問題，主要就是對結構以及聲場兩者之間的相互作用進行研究，也就是在一個確定的耦合環(huán)境之下，通過科學計算同時獲得聲場分布以及結構振動相關狀況。在空氣場聲振耦合系統(tǒng)當中，將聲場V進行邊界的科學劃分，主要分為聲振的耦合邊界、速度邊界、聲阻抗邊界以及聲壓邊界，分別用?s、?v、?z和?p來表示。在該系統(tǒng)當中耦合邊界位置上，流體實際振動速度與結構法線相應方向振動速度是一致的，用公式表示即為：該公式當中的p0代表的是流體密度，ω代表的是角頻率，p（r）代表的是亥姆霍茲方程相應的解，n代表的是邊界相對應的法線向量，vn（r）代表的是結構法線方向相應振動速度，μn（r）代表的是流體振動速度。之后，通過相關科學公式對聲場V當中任意一個點相應聲壓進行計算。在結構和流體兩者出現(xiàn)耦合的相應Ωse位置處，流體法線方向相應振動速度與結構法線方向相對應振動速度是一樣的，以此為基礎，在相應Ωs邊界位置上，結構相應振動速度能夠被當做聲響附加形式的速度輸入，結合相關因素對聲學方程進行有效調(diào)整，將相關方程公式進行整合之后，得到一個最終矩陣形式耦合方程式，即：通過相關公式以及對應分析，發(fā)現(xiàn)結構在受到一定振動作用之后，會有聲波發(fā)生，而產(chǎn)生的生源輻射聲波可以進一步促使結構發(fā)生振動。

1.2 隨機激勵條件下振動聲學模擬仿真

為了在隨機激勵條件下對振動聲學進行模擬仿真分析，可以利用Actran軟件進行具體的仿真操作。該軟件當中包含了前后處理接口、多種形式的單元庫、求解器、材料庫、問題解決方案以及邊界條件，結合軟件相關功能，可以直接利用正方形結構來簡單、直觀、有效的分析振動聲輻射。

（1）實現(xiàn)模型的建立與參數(shù)的設置。首先，需要通過繪圖軟件實現(xiàn)模型的有效構建，模型當中包括結構體和空氣場結構。模型當中與存在故障的相應結構體進行模擬，并模擬在一定激振條件當中相應結構體實際振動情況和附近聲場具體狀態(tài)。模型當中的激勵面屬于正方體面，該正方體面和豎直方向的聲場面兩者為正對方向；模型當中的故障面也是一個正方體面，該正方體面和水平方向的聲場面屬于正對方向，在正方體面當中存在一條切削縫，表示的是故障面。之后，通過Hypermesh軟件來對模型進行網(wǎng)格劃分，并將劃分結果向Actran軟件當中導入，在這個過程中設置相關參數(shù)，以加載激勵實現(xiàn)具體的分析。

（2）結構振動聲輻射的仿真分析。在對結構振動聲輻射實現(xiàn)仿真分析的時候，主要通過直接頻率響應來激振相對應的故障結構體，并科學分析故障體結構附近聲場情況以及自身振動狀態(tài)。設定加載激勵在100至1500Hz范圍之間，可以得到在激振頻率不同的時候，相應結構體周圍聲場實際的響應情況以及該結構體自身具體的振動模態(tài)。通過對不同激勵頻率下實際情況加以分析，發(fā)現(xiàn)在激勵頻率逐漸變大的過程中，相應結構體具體振動的位移情況呈現(xiàn)出幅度越來越小的趨勢，但是相應聲場當中發(fā)出的聲壓值處于越來越大的趨勢。結構體當中實現(xiàn)裂縫切削的相應位置發(fā)出的振動相對比較小，并且該位置處相應聲壓相對來說也非常小。基于此，可以得出結構體如果自身振動越大，那么相應外界聲場所發(fā)出的具體聲壓也會越來越大。

在激振頻率越來越大的過程中，相應空氣流體當中具體聲壓值也越來越大，按照這個規(guī)律，可以通過傳聲器對結構體附近空氣當中實際聲壓信息以陣列的方式進行有效采集，通過相關聲壓信息對結構體具體的故障位置進行準確判斷。以此為基礎，能夠在故障診斷技術研究過程中，積極對聲學信息加以有效利用，促使故障診斷技術發(fā)展的越來越先進。

（3）結構振動聲輻射的試驗分析。要研究結構振動聲輻射的機械設備故障檢測技術，需要對結構振動和聲輻射兩者之間的關系進行充分了解。上文已經(jīng)對結構振動和聲輻射關系進行初步確定，為了對兩者關系進行進一步的驗證，可以通過結構體以及傳聲器陣列架實現(xiàn)激振試驗分析。實際試驗當中的結構體，和仿真實驗當中相應結構體具有高度一致性，所以在試驗當中需要設置不一樣的激振頻率，獲得相應頻率下結構體具體的振動位移幅值，還有結構體外部具體的聲場聲壓。在不同的頻率之下對結構體進行激振，能夠對聲場聲壓實現(xiàn)具體數(shù)據(jù)的獲取，并對相關數(shù)據(jù)實現(xiàn)均方值的處理。

首先分析與結構體激振面正對方位的相應聲場聲壓，可以發(fā)現(xiàn)處于中間位置的激振點其聲壓是最高的，這一點和仿真結果是一致的。在具體試驗當中，以400Hz頻率來激勵結構體，獲得的尖峰最高數(shù)據(jù)是0.049Pa；以500Hz的頻率對結構體實現(xiàn)激勵，獲得的尖峰最高數(shù)據(jù)是0.0805Pa。

其次，分析與結構體故障面相對的激勵聲壓，發(fā)現(xiàn)以不同的頻率來激振結構體，對故障面正對應的相應位置實際聲壓值相對較小，并且最低可達到0.005Pa，但是除此以外的部位相應聲壓值就會更大一些，其中最高數(shù)值為0.01145Pa，在激振頻率不斷增大的過程中，結構體附近空氣當中的聲壓也處于不斷增大趨勢，這一點和仿真結構也是相同的。

結合相關分析，可以發(fā)現(xiàn)結構體在振動過程中，其附近聲輻射聲壓和具體振動情況屬于正相關的關系，也就是振動激烈程度越來越大的過程中，相應聲場聲壓值也會越來越大，同時，與振動部位距離越小，相應聲場聲壓值也越來越高。通過仿真實驗和真實試驗，有效驗證了聲壓與振動兩者的關系，在實際研究當中可以對這一關系進行有效利用。在對結構故障進行檢測以及分析的時候，可以通過聲壓來實現(xiàn)科學判斷。

1.3 總結分析

上述兩點當中，通過對結構體進行一定頻率的激振，進而獲得一定聲輻射，并科學分析結構體振動與聲輻射兩者之間的關系。利用Actran軟件來對結構體實現(xiàn)振動噪聲仿真，并通過試驗加以分析，發(fā)現(xiàn)在對結構體進行一定頻率的激振過程中，結構體具體的聲壓和其振動存在正相關系，在激振頻率不斷加大過程中，結構體振動程度不斷增加，相應聲場聲壓也會不斷加大?；诖?，在對機械設備進行故障檢測的時候，可以對振動和聲壓兩者關系與規(guī)律進行有效利用，對故障設備進行一定激振，來獲取相應聲壓值，結合具體數(shù)據(jù)來診斷并檢測設備故障。在實際機械設備故障檢測過程中，如果遇到一些工況條件下不能通過傳感器來獲得振動信號的時候，可以利用此技術對設備故障加以檢測，對以往檢測局限進行有效彌補。結合上述的仿真實驗和真實試驗得出的具體結果，獲得了聲學信號利用的具體規(guī)律，為非接觸形式的故障檢測和診斷研究提供了重要的參考依據(jù)。

2 結語

隨著科學技術的快速發(fā)展，機械設備的檢測手段越來越先進，以往基于振動信號來檢測機械設備故障的技術在實際應用當中具有一定局限性。為了更加全面、有效的檢測機械設備故障，本文研究基于振動聲輻射的機械設備故障。通過對振動聲輻射進行仿真實驗和真實試驗，獲得振動和聲壓具體的關系，以此為基礎能夠更好的對聲學信號加以利用，并為非接觸式故障檢測技術研究提供重要依據(jù)，推動相關檢測技術向自動化以及現(xiàn)代化發(fā)現(xiàn)發(fā)展。