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摘要：以立式巖石取樣機(jī)的結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，分析了取樣機(jī)的運(yùn)行工況；采用有限元分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法分析了取樣機(jī)整機(jī)的固有特性，得到了取樣機(jī)的固有頻率，驗(yàn)證了取樣機(jī)的實(shí)際工作頻率遠(yuǎn)離其自振頻率，排除了取樣機(jī)的整機(jī)共振故障；使用東華DH5922動態(tài)測試系統(tǒng)采集取樣機(jī)異常振動信號，利用時(shí)域、頻域等多種信號處理方法進(jìn)行分析，結(jié)合取樣機(jī)的故障機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了對取樣機(jī)的故障診斷，診斷出異常振動的原因是取樣軸質(zhì)量不平衡，并提出了應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：故障診斷；振動分析；信號處理；巖石取樣機(jī)

1引言

如今的設(shè)備大多都趨向于高速度、大型化、自動化、復(fù)雜化、重載荷和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。當(dāng)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，將帶來較大的人力和財(cái)力損失，甚至造成災(zāi)難性后果。如果能準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程中的故障或者對故障的發(fā)生做出預(yù)警，那么對于保障機(jī)械系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，減少或避免重大災(zāi)難性事故將具有非常重要的意義[2-4]。立式巖石取樣機(jī)是進(jìn)行巖石力學(xué)性能研究及實(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)設(shè)備。在高速擋取樣時(shí)，取樣軸振動非常明顯，取樣獲得的巖石樣品質(zhì)量隨即下降，樣品從原來的的圓柱體會變成橢圓柱體[5-6]。所以，對取樣機(jī)進(jìn)行故障診斷，找出振動過大的原因并提出相應(yīng)的改善措施對于取樣機(jī)的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。以立式巖石取樣機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作狀況為出發(fā)點(diǎn)，通過利用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究得到設(shè)備的模態(tài)頻率和振動特性，判斷設(shè)備是否存在共振故障；測試不同工況下設(shè)備的振動信號，得到振動信號的時(shí)、頻域特征，結(jié)合取樣機(jī)的故障機(jī)理，對取樣機(jī)進(jìn)行故障診斷。

2立式巖石取樣機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

立式巖石取樣機(jī)的結(jié)構(gòu)分析可以為故障信號的分析和判斷提供依據(jù)。立式巖石取樣機(jī)，如圖1所示。主要由三相異步電動機(jī)、固定立柱、懸臂、取樣臂、皮帶傳動裝置和控制系統(tǒng)組成；其中控制系統(tǒng)由懸臂控制器和取樣軸控制器組成，取樣臂由套筒和取樣軸組成。在實(shí)際取樣時(shí)，電動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動并通過皮帶帶動取樣軸轉(zhuǎn)動，取樣頭安裝在取樣軸最下端，通過取樣軸控制器，人工控制取樣臂上下，實(shí)現(xiàn)取樣。該取樣機(jī)的動力源自固定在大立柱上的三相異步電動機(jī)，電機(jī)功率為1.3kW、1.8kW，轉(zhuǎn)速為1430r/min、2850r/min，電動機(jī)輸出軸端的皮帶輪的周長為c1=38.2cm，取樣臂端的皮帶輪周長為c2=67.1cm，兩個(gè)皮帶輪最外端具有相同的線速度。

3立式巖石取樣的固有特性分析

3.1立式巖石取樣機(jī)固有特性的數(shù)值模擬

采用ANSYS對取樣機(jī)的固有特性進(jìn)行有限元模擬。取樣機(jī)全長0.85m，寬0.6m，高1.6m。考慮到懸臂控制器、取樣軸控制器、皮帶傳動裝置和皮帶傳動裝置的外殼對整體機(jī)器的剛度和強(qiáng)度影響很小，所以有限元建模時(shí)以配重代替。由于取樣機(jī)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約束；對于三相異步電動機(jī)將其用30kg集中質(zhì)量單元來代替；選用SOLID187（三維10節(jié)點(diǎn)四面體單元）來模擬取樣機(jī)。劃分網(wǎng)格之后的三維實(shí)體有限元模型，如圖2（a）所示。通過有限元模擬，得到取樣機(jī)各階模態(tài)頻率及對應(yīng)振型特征，如表1所示。取樣機(jī)第1階到第3階頻率下對應(yīng)的振型圖，如圖2（b）~圖2（d）所示。從第1振型圖可以看出，取樣機(jī)的立柱產(chǎn)生了X方向一階彎曲變形，而懸臂和取樣臂均未出現(xiàn)變形；第2階振型中懸臂出現(xiàn)了扭曲變形；第3階振型中主要是立柱產(chǎn)生了X方向的二階彎曲變形。通過對取樣機(jī)各階振型的觀察，可以把變形較為明顯的部位作為取樣機(jī)模態(tài)實(shí)驗(yàn)的測點(diǎn)。

3.2立式巖石取樣機(jī)固有特性的實(shí)驗(yàn)研究

3.2.1測試方案

實(shí)驗(yàn)研究采用單擊激勵測一點(diǎn)響應(yīng)的方法，采樣系統(tǒng)為東華DH5922測試系統(tǒng)，如圖3所示。振動測試選用DH187壓電式加速度傳感器，選擇加速度傳感器的測點(diǎn)位置在取樣軸處，根據(jù)建模時(shí)的坐標(biāo)方向，力錘的敲擊點(diǎn)布置有X和Y兩個(gè)方向，X方向的敲擊點(diǎn)主要分布在取樣機(jī)的大立柱和取樣臂上，Y方向的敲擊點(diǎn)主要分布在取樣機(jī)的懸臂上（貼白色矩形紙的為敲擊點(diǎn)的位置），測點(diǎn)布置設(shè)置采樣頻率為500Hz。

3.2.2測試結(jié)果

對所有敲擊點(diǎn)進(jìn)行敲擊后分析頻響曲線，發(fā)現(xiàn)都有相同的峰值頻率。現(xiàn)只分析一個(gè)敲擊點(diǎn)的信號，如圖5所示。從圖5（a）中可以看出，頻響函數(shù)有三個(gè)明顯的峰值點(diǎn)，可以從頻響函數(shù)圖中得到三個(gè)峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率，從小到大依次為14.648Hz、32.959Hz、79.346Hz。由于實(shí)際的取樣機(jī)的地面約束不足，實(shí)測的一階模態(tài)會包含有較多的剛體模態(tài)，而有限元模擬值33.05Hz假定地面完全約束所得，所以實(shí)際測得的第一階固有頻率14.648Hz由約束不足引起，并非取樣機(jī)的實(shí)際模態(tài)，故實(shí)際分析中將14.648Hz排除在外。

3.3固有特性分析

結(jié)果實(shí)測頻率與有限元模擬結(jié)果的對比，如表2所示。其中相對誤差是模擬值相對于實(shí)測值來說。可以看出，誤差均小于3%。當(dāng)取樣機(jī)的工作頻率接近自振頻率時(shí)，將會產(chǎn)生很大的振動，取樣機(jī)將無法正常工作。為了保障取樣機(jī)安全地工作，實(shí)際工作轉(zhuǎn)速應(yīng)該避開取樣機(jī)的固有頻率。在機(jī)器空轉(zhuǎn)時(shí)，激振力頻率分別為13.57Hz和27.04Hz，均避開了取樣機(jī)的固有頻率，所以取樣機(jī)在運(yùn)行中不存在機(jī)器整體共振現(xiàn)象。

4立式巖石取樣機(jī)的振動信號監(jiān)測及故障診斷

基于信號分析和處理的診斷方法，首先通過在機(jī)械設(shè)備上安裝傳感器，采集設(shè)備的運(yùn)行的狀態(tài)信息；其次，運(yùn)用時(shí)域分析、頻域分許、倒頻譜分析等多種信號處理方法對采集到的振動信號進(jìn)行分析處理，判斷設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)并預(yù)測其發(fā)展趨勢。開機(jī)空轉(zhuǎn)試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)取樣軸徑向振動比較大，尤其在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，振動特別大，產(chǎn)生了較大的環(huán)境噪聲。另外，能不間斷地聽到皮帶傳動裝置套殼被敲打的聲響，于是打開套殼并運(yùn)行設(shè)備，發(fā)現(xiàn)皮帶發(fā)生嚴(yán)重松弛，皮帶一直跳動。

4.1測試和測試方法

在基于振動分析的機(jī)械設(shè)備故障診斷中，必須對系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行動態(tài)測試，采集機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中的振動信號，它是整個(gè)設(shè)備故障診斷的大前提。測試系統(tǒng)依然使用東華公司的DH5922振動信號測試系統(tǒng)。取樣機(jī)在運(yùn)行中的振動信號包含了豐富的機(jī)器狀態(tài)信息，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)工況為取樣機(jī)分別以轉(zhuǎn)速814.1r/min和轉(zhuǎn)速1622.5r/min空轉(zhuǎn)，測試取樣機(jī)在各工況下的振動信號。為了獲得取較為全面的振動數(shù)據(jù)，考慮到取樣機(jī)主體及其主要部件的振動，結(jié)合取樣機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別在取樣機(jī)懸臂和取樣軸附近布置兩個(gè)測點(diǎn)，如圖6所示。測點(diǎn)1測量取樣軸的徑向振動信號，測點(diǎn)2測量垂直于懸臂方向的振動信號。測試參數(shù)選擇振動加速度，設(shè)置采樣頻率為5000Hz。

4.2振動信號分析

按照布置的測點(diǎn)，分別測量兩檔轉(zhuǎn)速下取樣機(jī)的振動信號。因?yàn)楦鳒y點(diǎn)信號的均方根大小能夠反映取樣機(jī)各測點(diǎn)的振動能量大小，所以用它來表示振動信號的強(qiáng)度。當(dāng)取樣機(jī)某測點(diǎn)信號的振動均方根值很大時(shí)，則說明設(shè)備很有可能已經(jīng)發(fā)生故障。取樣機(jī)各測點(diǎn)時(shí)域信號的振動均方根值，如表3所示。可以看出，在轉(zhuǎn)速1622.5r/min下，各測點(diǎn)的振動幅值明顯增大。故對于取樣軸和懸臂兩個(gè)測點(diǎn)的信號，只研究比較典型的1622.5r/min時(shí)的振動數(shù)據(jù)。

4.3故障診斷

根據(jù)取樣軸振動信號的分析結(jié)果，取樣軸徑向振動響應(yīng)主要以基頻27Hz以及其高次諧波成分為主。當(dāng)取樣軸和套筒之間存在動靜碰磨時(shí)，振動信號頻譜圖一般較為復(fù)雜，頻譜圖中可能既有轉(zhuǎn)頻成分又有轉(zhuǎn)頻的高次諧波成分[7-8]；取樣軸徑向振動信號的功率譜圖正好符合這一特征，所以認(rèn)為取樣軸振動過大是由于取樣軸和套筒之間存在動靜碰磨。引起碰磨的原因是取樣軸質(zhì)量不平衡。實(shí)際取樣時(shí)，取樣軸受到不規(guī)則力作用，長期取樣使得取樣軸與套筒之間不斷摩擦，導(dǎo)致套筒和取樣軸產(chǎn)生磨損，隨著取樣軸磨損程度的增加，機(jī)器在運(yùn)行時(shí)便會出現(xiàn)取樣軸質(zhì)量不平衡。若沒有及時(shí)處理，便會導(dǎo)致取樣軸和套筒之間動靜碰磨，碰磨又會加劇取樣軸和套筒的磨損，這是一個(gè)循環(huán)的過程。

5結(jié)論

以立式巖石取樣機(jī)為研究對象，采用有限元分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法分析了取樣機(jī)整機(jī)的固有特性，排除了取樣機(jī)的共振故障；基于取樣機(jī)異常振動結(jié)構(gòu)的振動信號分析，診斷出了取樣機(jī)的故障位置和狀態(tài)，即取樣軸質(zhì)量不平衡；為了解決該問題，需要對軸質(zhì)量不平衡做出處理，可以采取現(xiàn)場動平衡的方法來解決。

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作者：馮海波1，2；殷祥超2；楊永鋒1 單位：1.西北工業(yè)大學(xué)，2.中國礦業(yè)大學(xué)