振动设备论文（精选9篇）
振动设备论文 篇1
0 引言
装有动力设备的钢支架需要对其进行振动设计, 结构动力分析不仅使其自振频率远离共振区域, 还要保证钢支架在振动设备扰力作用下满足振动控制、设计强度以及人体舒适度要求;根据达朗伯原理, 动力问题可以转化为静力平衡来处理。
1 共振问题
结构动力分析首先是要避免“共振”的发生, 一般以频率分析为主, 解除共振问题。可以通过振动情况下结构的位移变化来理解。
结构在振动状态下的位移:δ=δstatic×Md。
其中, δstatic为静力计算得到的位移, δstatic=F/K;Md为动力放大系数, , D为阻尼系数。
从公式可以看出:当r=0, 动力系数Md=1, 可当作静荷载处理, 其振幅等于静力作用下的位移;当r※1, Md※∞, 振幅无穷大, 这就是所谓的“共振”。
有研究表明:当动力设备的扰力周期大于结构的自振周期5倍以上, 或结构上动力设备的转速小于200 r/min, 或动力设备的扰力小于100 N时, 动力设备产生的振动效应很小, 可以不进行振动计算。
2 单台振动设备钢支架振动分析
2.1 动力设备支撑梁分析
1) 设备支撑梁的计算模型假定。
计算设备支撑梁时, 将其视为单跨梁或多跨连续梁;当连续梁超过五跨 (包括五跨) 按五跨计算。对振幅要求较严时, 设备支撑梁尽量设计为连续梁, 这样有利于减少振幅。
一般柱子的竖向刚度比梁的竖向刚度大得多, 梁的动力计算可以忽略柱子竖向刚度的影响;当次梁支承在主梁上, 主梁在次梁作用点处的竖向刚度比次梁竖向刚度大得多时, 也可以忽略主梁刚度的影响。因此, 对于单跨设备支撑梁, 可假定其为单自由度体系的受迫振动且两端铰接, 否则应按弹性支座来进行计算。
2) 单跨设备支撑梁的自振频率计算。
一般而言, 对于振动支架平台上的设备支撑梁可只进行垂直方向 (fz) 的振动验算, 水平方向 (fy) 采用平面内布置水平支撑杆件或者采用Deck板, 减少设备支撑梁的计算长度、增加梁平面内刚度, 使水平方向的自振频率也控制在共振区域之外。
结构 (构件) 跨度增大, 其竖向自振频率降低。当自振频率降低到与人的步行频率 (1.5 Hz～2.5 Hz) 接近时, 人在操作平台上的运动会引起结构 (构件) 共振。
3) 单跨设备支撑梁的最大振幅计算。
实际工程设计中往往采用软件计算, 也可以按静力学方法手工计算梁的最大振幅。假定单跨设备支撑梁承受振动荷载:P (t) =F×sin (θt) , 其中, θ为振动荷载的频率;F为振动荷载的最大值称为幅值;当P (t) =F时, 单跨设备支撑梁在动荷载作用下的振幅为最大振幅。
在振动计算中, 计算振幅时采用设备标准扰力;当设备梁支撑在别的框架梁上, 其有效位移等于设备梁与框架梁的位移叠加。对上面焊有钢盖板的钢梁, 截面惯性矩仍按梁截面确定, 不考虑钢盖板的作用。
4) 单跨设备支撑梁的强度验算。
计算动内力时采用计算扰力[1];Pc=Kd×P, 其中, Pc为计算扰力;P为标准扰力;Kd为动力超载系数, 对于旋转式机器Kd=5.0, 对于其他类机器Kd=1.3。
2.2 动力设备钢支架整体分析
1) 动力设备钢支架整体计算模型假定。
与静力计算一样, 动力计算时也需事先选取一个合理的计算简图, 转化为合理简单的可进行分析的数学模型。当为单层设备钢支架时则假定为单自由度体系;当为多层的设备钢支架时假定为多自由度体系。结构的计算模型采用集中质量假定法。
2) 结构自振周期的重要性质:
a.自振周期与结构的质量和结构的刚度有关。
b.自振周期与质量的平方根成正比, 质量越大则周期越大;自振周期与刚度的平方根成反比, 刚度越大周期越小。
3) 结构层间响应振动位移。
当计算单台振动设备钢支架结构各层间响应振动位移时, 参照《多层厂房楼盖抗微震设计规范》进行计算;当支架上有多台振动设备时, 其振动分析原理和单台设备支架相同, 其合成振动位移或速度采用平方和开方法[1]。
其中, Am, Vm分别为某验算点产生的合成振动位移和合成振动速度。
3 如何选取设备参数
通常, 动力设备产生的扰力由设备制造厂提供。选择下列资料作为设计输入条件[2]:
1) 机械的型号、转速、规格和外形尺寸。
2) 机械设备质量 (包括马达、传动装置、构架、弹簧、底板等) 和质心位置 (三个方向X, Y, Z) 。
3) 设备工作转速、共振转速所在的范围。
4) 机械运动部件相应的扰力, 分布位置以及传动方式、运动方向和有关尺寸。
4 结构方案选型以及一般要求
方案选型可参照下述要求:有强烈振动的设备或者对振动很敏感的设备和仪器, 宜布置在底层。有较大振动的设备或对振动敏感的设备和仪器, 宜靠近支架梁或支架柱等局部刚度较大的部位布置。
多层多跨结构时, 宜采用等跨结构。
动力设备应该设置在杆件上;初步设计时采用表1截面尺寸[5]。
为了减少楼盖的垂直振动, 设备布置应符合下列要求[2]:
1) 上下往复运动的机械应布置在支架的支柱附近。
2) 水平往复运动的机械宜布置在梁的跨中部位, 并应使扰力沿梁的轴线方向作用。
为了减少支架的水平振动, 应采取下列措施[2]:
1) 使水平往复或旋转运动的机械的全部或大部分水平力作用在支架的水平自振频率与扰力较大的方向。
2) 合理利用斜撑的刚度, 宜将斜撑设置在对减小楼盖水平旋转振动最有效的位置上。
当主体建筑物与附属建筑物 (矿仓、电梯间等) 相连时, 宜将附属建筑物配置在主体建筑物的对称轴上。支架在满足设备及工艺的条件下宜四周布置竖向斜撑, 以保证竖向刚度和竖向位移, 尽量避免用刚接节点, 不宜采用悬臂结构。用K形竖向斜撑替代X形竖向斜撑时, K形撑与设备梁的连接点要避开设备梁中心位置。设备梁平面外刚度很小, 为了保证水平刚度和水平位移, 结构平面内宜布置二级次梁和水平斜撑。当振动设备扰频大于结构的自振频率时, 通过增加阻尼的措施使结构振动不因设备开、停过程反应而突然增大。
结构的自振频率应在设备的自振频率0.5倍～2倍范围之外, 即避开共振区域;工程实际中大多数项目采用0.8倍～1.2倍的范围为共振区域。要求振型各方向的质量参与系数都应大于90%。振动计算中, 构件的截面刚度按弹性阶段计算。
5 振动设计中钢结构的疲劳验算
振动设备支架中钢梁自重较轻, 在扰力作用下钢梁的疲劳应力比值 (绝对值最小和最大的应力比, 拉应力取正值, 压应力取负值) 可能较小, 应力出现往复变化较大, 此时应验算钢梁的疲劳强度, 尤其是焊缝以及设备附近的主体结构部分。
6 振动设计中人体舒适度考虑
有研究表明人与构件振动的大小、持续时间、人所处的环境、人自身的活动状态及人的心理反应都有关系。某种程度上的振动不会对构件本身带来破坏, 但却足以引起人心理上的不适, 造成心理恐慌。
北京有色冶金设计研究总院关于钢筋混凝土肋形楼盖振动设计的规定中楼盖允许振动频率和允许振动速度的标准如下:
楼盖的允许振动标准, 由动力设备本身设置在楼盖上的仪器仪表的要求以及振动对楼盖上工作人员健康的影响来确定。前两项应由工艺专业提供。对工作人员的影响, 当工作人员一般8 h连续受同强度振动时, 允许振动速度V按表2采用。
7 采取减振、隔振等措施
采用减振、隔振等简易措施来改善竖向振动舒适度相对于加大构件截面、单纯提高结构刚度而言, 具有较好的经济性。
摘要：通过研究振动设备钢支架结构动力分析时的共振问题, 对单台振动设备钢支架进行了振动分析, 并对其结构方案选型及一般要求、振动设计中钢结构的疲劳验算等作了论述, 从而保证钢支架在振动设备扰力作用下满足振动控制、设计强度以及人体舒适度要求。
关键词：振动设备,钢支架,动力分析,振动控制
参考文献
[1]GB 50190-93, 多层厂房楼盖抗微震设计规范[S].
[2]YBJ 55-90, 机械动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规程[S].
[3]GB 50009-2001, 建筑结构荷载规范[S].
[4]GB 50017-2003, 钢结构设计规范[S].
[5]YSB 04005-88, 北京有色冶金设计研究总院关于钢筋混凝土肋形楼盖振动设计的规定[S].
[6]GB 5011-2001, 建筑抗震设计规范[S].
振动设备论文 篇2
振动筛是利用小麦与杂质粒度不同来清理杂质的一种筛选设备，它可以分离出小麦中的大、小杂质和轻杂，是目前国内制粉厂使用最广泛的筛选设备，多用于清理过程中的第一道筛选。振动筛借助小麦和杂质在粒度、比重、表面粗糙度等物理性质上的差异，利用表面配有和合适筛孔、且做往复运动的筛面，使物料在筛面上进行上下滑动，并充分运动分层，达到分离的目的。TQLZ型振动筛具有体积小、噪音低、分选效果好等优点，且能和垂直吸风道配套使用，是国内制粉厂中使用最多的一种振动筛。
二、设备组成
振动筛一般由进料结构构、筛体、出料结构、传动结构、机架等部分组成。进料结构是由进料套筒和进料箱组成。进料套筒采用偏心锥形圆筒，起缓冲作用；进料箱是由可调料板和均布挡板组成，起导料和调节流量的作用。振动筛筛体是由钢板焊接及螺栓连接而成，通过橡胶弹簧和机架相连接，筛体由两层抽屉式的筛格构成，筛格配有冲孔的薄钢板筛面。传动结构由两台振动电机组成，振动电机装在筛体的左右两侧圆盘上，采用双向振动电机，利用两端的偏重块产生激振力，两个偏心块产生的离心力沿筛体横向方向上互相抵消，而沿筛体纵向方向上相叠加，带动筛体做往复的直线运动。出料结构通过螺栓连接筛体上，随筛体一起振动，由大杂出料口、小麦出料口、小杂出料口组成。TQLZ型振动筛通常与风选设备中的垂直吸风道，利用垂直气流分离混在小麦中的轻杂。
三、工作原理
振动设备论文 篇3
[关键词]建筑工程；设备机房；振动；噪声；有效措施
引言
随着我国建设工程环境质量要求不断地提高，人们对减少噪声与振动的要求尤为迫切。近年来，对噪声与振动控制要求十分严格，仔细分析产生噪声与振动的根源主要是设备机房，因为设备机房分别安装有冷冻机组、空调循环水泵、空气处理机组、各类风机、冷却塔等动力机电设备。这些设备运行时由于旋转的惯性力和偏心不平衡产生的扰力，都会引起设备部件产生强迫振动，并通过设备底座、管道与建筑物的连接部分产生振动和噪声，并以固体声和空气声波的形式向周围空间辐射噪声进行传播，给人们的生活学习工作带来影响。因此满足人们对环境质量的要求，是当今建设工程监理不应忽视的问题。
1、噪声与振动的危害
噪声对人体带来的危害主要是对睡眠、工作、交谈、收听和思维等方面产生不利的影响。对听觉器官的影响：噪声会造成人的听觉器官损伤。在强噪声环境下，人会感到刺耳难受、疼痛、听力下降，甚至引起不能复原的器质性病变，即噪声性耳聋。目前，国家确定的听力保护标准为85-90dB。对人体健康的影响：噪声作用于中枢神经系统，使大脑皮层功能受到抑制，出现头疼、脑胀、记忆力减退等症状；使人分泌功能降低，引起消化系统紊乱；会使交感神经紧张，从而引发心血管疾病；还会使视网膜轴体细胞光受性和视力清晰度降低。振动是产生噪声的根源，其本身也具有很大的危害。如人长期处于强烈的振动下，也会造成机体的损伤，而且还会损坏机械设备和建筑结构。签于此，在建筑物建造过程中，必须要消除或减轻噪声与振动的危害。
2、振动及噪声主要原因
水冷式螺杆式冷水机组、风冷式空调机组及循环水泵运行过程中产生的振动、噪声比较明显，主要原因有：
（1）安装在水冷式螺杆式冷水机组供、回水管上的用作减振的不锈钢波纹管安装在供、回水管立管上，并且供、回水管弯头处有一刚性支撑直接支撑在空调机房钢筋混凝土楼面上。（2）安装在风冷式空调机组供、回水管上的用作减振的不锈钢波纹管安装在供、回水管立管上。（3）安装在循环水泵供、回水管上的用作减振的是不锈钢波纹管，水泵直接安装在钢板上再通过减振弹簧固定在钢筋混凝土基础上，并且钢板的重量远低于循环水泵运行重量的2倍。（4）空调机房四周墙体没有采取消声降噪措施。（5）空调机组（尤其是水冷式螺杆式冷水机组）的振动通过电缆桥架、线槽传递的支架、墙体及立柱上。在上述产生振动及噪声主要原因中，又以水冷式螺杆式冷水机组产生的震动及噪声最为明显。
3、控制噪声的技术措施
3.1控制和降低空气声噪声传播的主要技术措施
（1）设备机房内吊顶和墙面做隔声、吸声处理，机房门边用高隔声性能隔声门；（2）对于安装在楼层顶部室外的设备机组，应增设消声器、消声百叶，必要时设置隔声吸声屏等措施；（3）对于空调通风系统，合理选用和配置消声器、消声弯头、消音静压箱等消声装置，并控制管道内的气流速度，以避免气流再生噪声的影响。
3.2控制和降低固体声传播的主要技术措施
（1）动力设备安装要求设计单位进行隔振设计计算，隔振设计时应了解机器设备振动特性，获得隔振传递率和隔振效率数据；（2）正确合理地选用隔振元件，并采用最佳隔振形式，保证有较高的隔振效率；（3）设备层平面应合理布局，设备应尽量布置在结构（梁）刚度大的部位，以减少振动对周围的环境影响；（4）为防止和减小空调机组、冷却塔、冷冻机组、风机、水泵等产生的振动沿层面、 梁柱、墙体振动传递，在设备底部安装隔振元件（弹簧隔振器、橡胶隔振器）。管道采用橡胶挠性接管（或金属波纹管、金属软管），风机进出口与设备和管道连接处用帆布接头等，变刚性连接为柔性连接。并对管道支架、吊架、托架等同时进行隔振处理，以达到防止或减少振动的传递。
4、建筑设备隔振一般要求
4.1水泵机组隔振
（1）施工中依据设计要求选用隔振元件，根据环境要求确定隔振方式，使设备隔振传递率和隔振效率达到规定要求，使隔振元件受力均匀，设备振动受到控制，因此要求隔振基座有一定的质量和刚度，同时根据产品技术参数的要求，设计计算隔振基座的重量必须是水泵重量1.5倍以上控制面振幅。（2）对楼内地下设备房区域水泵可采用橡胶剪切隔振器和隔振设计，隔振效率达90%左右，对楼内特殊区域及楼层上水泵可采用弹簧隔振器隔振设计，隔振效率达98%左右。
4.2冷冻机机组隔振
（1）冷冻机组为离心压缩机或螺杆机组，安装在地上，根据冷冻机组的荷载均匀布置三层橡胶垫块中间夹钢板直接安装。（2）进出水口采用橡胶挠性接管连接，管道采取钢架支撑形式隔振，由于管道振动较大，会通过钢架支撑传递到楼层下，设计时必须考虑采用橡胶隔振器隔振。
4.3管道风机及空调机组、送排风机、混流式风机隔振措施
（1）各类空调机组及风机设备在运行时，其振动和固体声会沿着基础、楼板、墙体、及管道等传递，除振动固体声传递外，直接安装在楼板上风机设备会激发楼板的振动，并辐射出噪声；（2）为了安装和调整方便，空调箱设备应加混凝土隔振台座（或隔振钢台座），增加系统的质量，降低隔振系统重心。增加稳定性并减少隔振系统的位移，从而减小风机设备因设置隔振装置而增加颤动；（3）各类空调机组及风机采用钢架基座结构加弹簧隔振器隔振，隔振器的频率为3-5Hz，阻尼比为0.04；（4）风机风管采用钢架吊装结构，采用吊架弹簧隔振器，隔振器的频率为3-5Hz，隔振的变形控制在（在没有预压时）25mm；（5）风机出风口和管道连接处用帆布接口连接，防止风机振动通过管道振动传递；（6）空调箱及排风机放置在地下室及振动要求低的区域，设计时采用橡胶剪切隔振器在设备底部直接安装。
4.4冷却塔隔振
依据冷却塔厂方提供转子参数和防振设计方案，我们在实际监理中有如下体会：（1）水冷塔的减振基础计算公式为：叶片频率=转子频率×转子上叶片数，按照此频率计算，隔振系统的隔振效率大于95%。如扰动频率取风机的转子频率，即风机的转速，里边的水冷塔为低转速的設备，所选配的隔振元件，扰动频率与系统的固有频率之比较小，因而隔振效率较低；（2）通常对冷却塔等设备的减振计算，是以转子频率作为选择隔振元件的设计依据，这是通常的做法，也是比较保险的方式，特别是考虑到转子不平衡的扰力影响。如果以叶片频率作为选择隔振元件的设计依据，则对设备的性能提出了更高的要求，即设备本身需制作精良，特别是在转子的平衡方面需考虑得更为周全；（3）对于现场厂家所提供的冷却塔与之配套使用的隔振器，能满足需求应尽量选择由厂家提供的减振器。
结语
综上所述，本文所阐述振动、噪声治理措施可以广泛应用在各类建筑的各种设备房的振动、噪声治理，改善工作、生活环境，提高人民的生活质量。
参考文献
[1]章凡.建筑附房设备噪声治理[J].噪声与振动控制，2004，06：56-59.
[2]曹福君.建筑设计与建筑设备设计的配合简介[J].黑龙江科技信息，2004，03：93.
设备振动监测技术的应用 篇4
新安装的火炬气压缩机及机组的底座是进口的, 而710kW的电机则由国内配套。设备安装完后, 电机单试机发现振动一直超标, 在带压缩机后电机振动仍超标, 最大时达12mm/s, 而压缩机振动正常。
对电机的振动信号进行频谱分析, 得到谱图如图1所示。从图1可看出电机的振动主要频率是工频。对振动再作相位分析, 由于原电机无配置键相测量, 在电机联轴器侧外伸轴上粘贴相位触发信号的反光片, 采集电机振动的相位信号, 发现电机两个对角方向的相位角都相同, 且每个方向从上到下的相位角都相同, 说明电机发生的振动属于扭振。这极可能是安装电机的钢支架刚性不足造成。电机钢支架只是采用四根立柱方钢制作, 其侧面图如图2所示。
对电机振动测试后, 外方安装代表认为, 他们公司制造的电机钢支架是不会出现问题的, 要求电机送回厂做动平衡。电机送回厂做动平衡未发现问题, 电机厂又提高动平衡精度等级。完成上述工作后, 电机再拉回现场安装, 试机振动仍超标, 但压缩机厂的外方代表仍认为振动是由电机动不平衡造成, 再用从国外带来的数据采集器, 在联轴器端加配重, 进行了两天的现场动平衡, 结果仍振。最后对电机钢支架的四面都用钢板加固, 加固后电机的振动最大值为1.9mm/s, 问题解决。
二、滚动轴承外圈松动
2008年2月, 运行中的乙烯裂解装置的锅炉给水泵电机G4110B出现周期性的噪声、振动波动, 波动范围3～7mm/s。
电机正常运行时产生异常噪声, 通常有如下原因: (1) 机械噪声。主要是由电机轴承磨损和缺油造成; (2) 转子轴与轴承松动或轴承外圈松动时, 会使电机在旋转时产生轴向窜动发出噪声; (3) 轴承室不同心、电机径向间隙不均匀等均会产生异常噪声; (4) 罩极式电机的短路环松动或铁芯松动而产生电磁噪声。
为了查找水泵电机噪声源, 对电机前后轴承座进行测试, 测得最大振动位置在电机非联轴器端水平方向, 其值为7.1mm/s, 联轴节端振动值为2.1mm/s, 说明电机故障点应在非联轴器端。对振动信号进行频谱分析得频谱图如图3所示。该电机的转速为2 986r/min, 从图3的频谱看电机振动的主频为三倍频, 除三倍频外, 倍频成分比较丰富。分析认为引起振动的原因应是转动部件有松动。对照电机异常噪声原因应是第二类原因——转子轴与轴承松动或轴承外圈松动。在确定电机产生异常噪声及振动波动原因后, 对电机进行检修。
基于机械振动的设备故障诊断研究 篇5
随着我国社会经济的快速发展, 多种多样的机械设备也在各领域中得到广泛应用, 与此同时, 在改革深入与市场竞争的趋势下, 机械设备的使用效率问题也开始受到人们的重视, 因此对于机械设备的故障诊断工作研究也是有着相当迫切需求的。下面通过机械设备常见的振动型故障、机床常见振动型故障与通过电测法的设计对振动型设备故障进行设计诊断。
1 机械设备故障分析
振动是机械设备在使用中普遍存在的特性, 同时也是机械设备的运行状态与其故障诊断的重要系数。基于机械振动的设备故障常见的有以下4类:
(1) 不平衡。不平衡就是设备重量与其几何的中心线不重合从而产生的故障。当转子在旋转时, 它的重心在轴承上产生了离心力作用, 这个离心力的大小随转子旋转形成稳定的变化。它的类型分为:静不平衡、力不平衡以及力矩不平衡。
(2) 没有对中。这种现象普遍存在, 而且其产生的影响非常重要, 由于不对中现象因而增加的旋转作用力将对机械轴承与密封构件施以异常的加应力。它的类型分为:平行、角度、平行与角度均不对中。
(3) 部件松动。部件松动是普遍且易发生的故障, 主要情况有:机械设备的结构框架或者其底座发生松动, 产生的后果就是整个机械设备发生松动同时剧烈振动;另一类情况就是原本在零部件间正常配合的关系被破坏, 从而造成其间隙超过误差范围导致松动。
其中机械松动还会加剧设备的振动状态。哪怕设备中只有少量不对中或者不平衡的情况, 都会因为机械松动的原因, 使设备的振动比只有不对中或者不平衡的情况下设备振动更大。
结构或底座松动。这种情况包括设备的底脚、其基础板面、结构基础因强度不够而发生的变形或是开裂、螺栓松动等等。它的振动频谱中占有优势的是转速频率, 这点与不平衡情况一样, 与之不同的是, 振幅大的位置相当确定且局限性明显。此外, 应将各个方向间的相对幅度进行进一步比较, 以观察其相位特征。
轴承或部件松动。这种情况包括轴承在其底座内松动、其内部的间隙太大、轴承在轴上发生松动。一般是因轴承的外套在其座压盖中松动、内环转动在轴上、滚动轴承的间隙太大、叶轮松动等原因引起的。
(4) 轴承故障。其分为滚动轴承故障:疲劳剥落、塑性变形、锈蚀、磨损、保持胶合架损坏等;滑动轴承故障:巴士合金损坏、松脱、壳体间松动与间隙过大。
数控机床设备振动故障也时有发生, 其中主要故障有:
(1) 电气元件原因。编码器及其连接线、电源三相输入、伺服电动机、驱动板、变频器等电气元件是负责速度信号的反馈与调节速度的。在此之中, 编码器的故障最为普遍。其作为闭环系统检测的元件, 直接对各轴电动机速度调整产生影响, 当编码器出现故障致使其反馈的信号不稳定时, 变频器或者驱动部分就会根据其信号不停地对频率和电压进行调整, 以便完成系统给出的指令。而电动机频繁加减速, 导致机床振动。
(2) 共振与振荡。在某特定转速时就可能会出现共振的现象, 当出现共振时, 所采用的方式通常是在加工时避免进入共振范围或是利用阻尼法对共振进行消除。此外机床参数设定不佳, 就会引起系统的振荡, 发生这种情况时, 对系统放大倍数进行减小可有效消除振荡。
2 设备的故障诊断方法设计案例及监测系统
2.1 故障诊断方法设计案例
2.1.1 电测法概述
电测法是经由传感器将待测的振动系数转化成为各类电系数, 并根据需要把电系数通过滤波、微分、积分、放大等转化处理从而得到真实、可靠的电信号, 能够驱动模拟的指示记录仪器实行记录与分析, 同样可经A/D转化处理成为数字信号, 并将其送入单机片以实现多功能的全面智能处理, 以提供更为科学有效的结果。
电测法具备的优点有:根据所使用的传感器的类型不同, 能够对振动振幅、速度与加速度进行分别测量, 能实现连续多点测量与记录, 能实现远距离测量与控制, 同时拥有相当高的灵敏度与精确性。既适用于稳态的测量, 又可以瞬态测量, 测量范围宽广, 基于电测法所设计的仪器功能齐备、体积小。
2.1.2 电测法硬件设计
其整体电路由振动、温度传感器、单片机系统、多路A/D的转换电路、通讯、显示电路、打印机电路与电源电路等组成。
工作原理:振动传感器对机械设备振动的信号进行采样, 通过A/D的转换芯片将采样转化为数字信号, 同时温度传感器对机械设备温度的信号进行采样, 同样通过A/D转为数字信号, 一起送进单片机进行处理, 而后振幅值与温度值就通过显示电路显示出来, 而且可以进行实时储存、打印。
(1) 单片机。单片机使用低功耗、高性能的COMS AT89C52型8位单片机系统。其与MCS-51指令系统和8052引脚相兼容, 单片内FLASH程序的存储器容许在系统内部进行程序改写或是借助常规非易失性的存储器进行编程。此外其全静态操作在0 Hz至24 MHz, 可支持两类节电的运行方式, 即低功耗空闲与掉电的方式。前一种使CPU工作停止, 让RAM、定时计数器、中断系统与串行口保持工作状态;而后一种则使片内的振荡器工作停止, 只有RAM内容被保存, 待硬件复位后, 方恢复其正常运行。单片机的上电复位通过系统的初始化后正常运行, 再经由SPI持续从振动、温度传感器处进行数据读取、数据处理并存入缓冲区、显示器显示, 而后数据通过串口送至上位机或是实时进行打印、存储。
(2) 传感器。振动传感器使用的是PS型B/D位移的振动传感器, 是一种将传感器与变送器结合为一体的新产品, 它由速度传感器、变送器及放大器组成, 尤其适用于在工业现场长期的监测使用, 其量程为0~100μm, 频率响应为10~1 000 Hz, 振幅非线性小于5%, 横向最大灵敏度小于10%。它的特点有便于现场的安装。速度传感器是敏感元件, 直接输出信号4~20 m A, 便于转换器进行采集。而温度传感器则使用半导体集成的AD590, 其形式为二端式恒流源, 只要在它的二端施加一定程度的工作电压, 其输出端电流就会随温度变化, 它的线性度是1μA/K, 意味着温度每有1℃的变化, 对应的输出电流就变化1μA。合格的AD590产品经激光平衡调整, 其校准的精度达到±0.5℃, 处于全温区范围的精度达到±1℃。因AD590是属于电流型传感器, 所以其具备一定的抗干扰能力, 非常适用于计算机实现远距离的温度测量与控制。而远距离的信号传递则可利用普通双绞线完成。此外它的输出电阻大, 并不需要精密电源进行供电, 而长导线的压降通常也不会对测量精度产生影响。在测量中, 温度补偿与专用电路都不需要, 只要通过集成运算的放大器OP07就能完成放大的任务。为对机械设备运行的状态进行监测, 使用数个振动、温度传感器对其不同部位进行测试, 从而达到整体监测效果, 监测数据更为全面、准确与客观。需要注意的是, 振动、温度传感器输出的都是模拟信号, 需要经A/D进行转换后成为数字信号送至单片机。
(3) 其他。使用TLC2543型A/D转换器, MAX7219型显示电路, 电源模块包括5 V数字电路的工作电源, 24 V振动传感器工作电源等, 而后利用滤波与稳压等方法来完成设计。MAX232电平转换的芯片作为通讯模块, 把TTL电平转化成RS232的电平, 从而为上位机串口的通讯提供了硬件上的支持。打印机连接端口则可实现程控实时的数据打印, 便于用户拷贝检测数据。
2.1.3 电测法软件设计
电测法的软件部分利用模块化的程序设计方法, 程序由数据采集、监控程序、数据处理、数据通讯与数据显示及打印模块程序组成: (1) 监控程序。用以实现系统的管理, 同时对显示器与仪器板上的工作指示灯实行管理, 对于可能产生的电路干扰与系统的故障进行及时的处理工作。 (2) 数据采集程序。用以完成仪器数据采集工作控制。按照采样方式的区别, 分别通过内部的定时器或者外部的信号发生硬中断, 然后向CPU发出采样中断的请求, 其中断服务程序将当前通道振动的数据通过检验后, 储存进振动数据的缓冲区域, 与此同时把当前通道温度的数据通过检验后, 储存进温度数据的缓冲区域, 最终把振动、温度缓冲区域的数据送至显示缓冲区域并由显示芯片对数码管进行驱动以显示数据。 (3) 数据处理程序。它把所采集到的振动、温度数据进行处理, 采集完成后, 把振动、温度值分别取其平均数值进行储存、显示、打印等操作。 (4) 上位机通讯程序。它将振动、温度数据的缓冲区域里的数据通过单片机转换而后发送至上位机进一步处理, 与此同时, 上位机能够经由通讯程序对下位机工作进行设定。 (5) 微型打印机程序。它把单片机处理以后的数据存储进扩展数据的存储器进行暂存, 按照程序的设定, 通过微型打印机的端口电路, 将其发至打印机并输出。
2.2 监测系统
对机械设备振动进行监测的系统可分为3类: (1) 简单监测。利用直读式袖珍振动仪表, 监测一定频率范围内的振动级别。然后将监测的结果与相关标准或者机械设备的参考数值进行比较。 (2) 系统监测。利用加速度仪器及数据采集器将每个测试点振动的信号直接记录, 然后输入计算机, 借助专业计算机软件进行分析。 (3) 永久监测。其应优先被用于非常重要的单台机械设备, 如果这台机械设备突然发生变化, 就能立即或在最短时间内发出警报提醒, 这样便于在重大事故发生前采取正确的措施。
3 结语
通过对基于机械振动的设备诊断分析与研究, 能够使机械设备在日常运行使用中保持良好的状态, 减少不必要的故障发生, 提升机械设备生产效率。随着科技的不断发展, 各种新的诊断技术与方法也将逐步被更加广泛地推广与应用, 为我国各行业的发展奠定良好的基础。
参考文献
[1]刘鑫.浅析机械故障诊断与振动监测技术[J].科技信息, 2011 (12)
[2]韩益建.数控机床的振动故障分析[J].制造技术与机床, 2009 (5)
航空电子设备振动试验与分析 篇6
关键词：振动试验,试验分析
0概述
飞机上航空电子设备所处的机械环境比较恶劣,据国外统计,航空电子设备故障29%~41%由机械负荷的作用引起,元件的失效频度比在实验室条件下(无振动、冲击时的失效频度)大120~160倍,振动引起的元件或材料的疲劳损坏,造成电子产品的失效。航空电子设备防振设计的主要方法有减弱和消除振源、小型化及刚性化、去谐、去耦、增加阻尼,主要手段可以进行有限元建模来分析设备的模态振型,掌握电路板组件和机箱的模态频率和振型,并进行动力响应分析(PSD),在规定的外力载荷或试验的环境载荷条件下分析机箱和电路板组件的各关心部位的响应情况,为合理的元器件布局设计、电路板组件结构设计和机箱结构设计提供依据。振动试验是结构设计分析及验证的重要环节,振动试验的方法关系到试验的正确性与准确性,必须加以重视,研究振动试验方法是进行振动试验的最重要的组成部分。
1 振动试验的几个关键问题
1.1 夹具
夹具是振动试验的最重要的准备工作,夹具的好坏关系到试验的成功与否,夹具设计与验收遵照以下原则进行。
1.1.1 夹具结构要求
材料采用铝合金,对于三维尺寸小于200mm的小型夹具,应为整体机加工结构形式;对于坯料供应困难的较大夹具,优先考虑铸造或焊接,允许螺装和局部焊接,螺装时螺栓间距小于8cm;经常拆卸的夹具,要嵌钢螺套或插销螺套;螺纹连接部位,用高强度厌氧胶粘接;夹具要留有传感器安装位置。
1.1.2 夹具性能要求
对电子产品而言,通常夹具和产品的总重小于30kg,要求:
a)一阶共振频率
垂直向>700Hz,水平向>450Hz;
垂直向高于700Hz,水平向高于450Hz时,试验曲线上允许有多个共振峰或反共振峰,但在1000Hz内,随机试验累计带宽内总均方根值差<3dB;
验收时可将夹具、台面上各部位综合考虑作为控制点。
b)与主振(Z向)方向正交(X、Y向)的振动量值
在500Hz以下,非试验方向(X、Y向)小于主振方向(Z向)控制值的50%,非试验方向(X、Y向)在500 Hz以上最高峰不大于主振方向(Z向)控制值,从正弦扫频或随机功率谱响应曲线上读取。
验收时可在夹具离振动台面最高处检测,控制点位置在台面上。
c)夹具上与产品连接点(螺栓连接处,也称固定点)间振动输入值的均匀性
各点的均匀性:指随机试验时带宽内的最大(或最小)均方根值与平均值的差,其均匀性在700Hz内小于30%,1000Hz内小于50%;
验收时可将夹具、台面上各部位综合考虑作为控制点。
1.2 试验设备的安装
按实际的安装方式直接或借助夹具紧固于振动台动圈或振动台台面上,所有的设备接插件、电缆也必须和实际使用时的状态一致或尽量一致。
1.3 控制点的选择
当夹具较刚硬,试验样品较小时,通常可用台面中心作为控制点;当夹具刚性对控制值影响较大时,可选择试验样品与夹具或振动台台面的连接点作为控制点;当试验样品较大,或用上述点控制不合适时,也可将台面、夹具、试验样品上各部位综合考虑作为控制点。控制点要根据试验的情况的不同做具体适当地选择。
1.4 振动台面
为满足夹具安装的方便性和同时进行多个产品的安装以提高试验效率要求,一般使用振动台台面,在振动台台面上安装夹具,要求振动台面固有频率在1200Hz以上,因为航空电子产品的器件固有频率在一般在400Hz~800Hz,若振动台面固有频率在1200Hz以下,则由振动台、台面、夹具、产品组成的试验系统其固有频率有可能在800Hz以下(带夹具、产品后刚度K减少,质量M增大,固有频率减小),与器件固有频率(400Hz~800Hz)重合,控制点选点不当会造成产品器件的过试验和损坏。
条件允许的情况下,试验时最好不要采用振动台面,实现产品或者夹具与振动台动圈直接连接。
2 几个关键结构问题的试验分析
2.1 系统的安装方式、固有频率及试验结果分析方法
安装方式(边界条件)影响系统的固有频率。
由振动台、台面、夹具、产品组成的试验系统,其系统的固有频率试验各控制点的控制曲线上会有所反映,表现为各控制点控制曲线上在同一频率上有多个共振峰或反共振峰,其驱动曲线上也在同一频率上有突变,曲线不光滑。
2.2 寻找和分析设备谐振点
一台电子设备往往有几个谐振点,因此对于整机的固有频率的分析和计算是十分复杂的,可以进行有限元建模分析设备的模态振型和固有频率。实际上,要想全部消除谐振点很困难,甚至是不可能的,所以,从试验中寻找谐振点来制定相应的改进措施往往比进行复杂的计算更有实际意义。
如何从试验中寻找关心的谐振点并制定相应的改进措施呢?
在所关心的位置上(如印制板上某个关心的器件安装点、印制板的固定点等)设置响应点,测试该点的响应曲线,分析响应曲线上共振峰(正峰)的对应频率及传递率(可能有多个共振峰,有该结构件1阶~n阶的共振峰,也有其它结构件的谐振点经耦合后进入),可结合模态分析结果来判断该谐振点频率是哪些结构件的固有频率,尤其应注意该结构件前三阶的固有频率及传递率,传递率最大对应的固有频率及传递率一般是该结构件的一阶固有频率。
某航空电子设备重量4.8kg,结构外形图见图1,H印制板用9个螺钉固定在面板背面上,在H印制板上设置一响应点B(参见图1),测得响应点曲线见图2。
分析曲线,可以看出,在331Hz处为最大的共振峰,g/g为31,传递率为,表明B点在该频率处输入振动量级被放大5.6倍,该频率为H印制板的一阶固有频率;在507Hz处的共振峰,g/g为9.56,传递率为,表明B点在该频率处输入振动量级被放大3.1倍,该频率为HI印制板的二阶固有频率。
产品结构设计人员可以根据输入振动量级、传递率、元器件耐受能力判断该处器件是否进行加固处理。
2.3 配重
摸底试验中常常遇到这样的问题,试验时需不需要带配重,有时对所关心的结构部位测试响应,安装传感器无空间,需要去掉其它结构件,此时如何处理?下面的试验测试结果提供了试验方法与思路,结论具有参考意义。
图1所示的设备在有配重的情况下(指有机箱尾部与箱内模块部件)、无配重(指无机箱尾部与箱内模块部件,只有面板及固定在面板上的HI印制板)两种情况下,分别对进行印制板上B点测试响应,结果如下。
带配重:印制板一阶固有频率337.5Hz,g/g为35.4。
无配重:印制板一阶固有频率331Hz,g/g为31。
试验结果标明:带不带配重对印制板的固有频率略有影响,对印制板的传递率有影响,带配重的印制板的传递率是不带配重的1.07倍(7%)。
有条件的情况下,最好带配重进行试验,安装传感器困难时,可以去掉对测试结构件刚度影响不大的结构件。
2.4 螺旋锁结构
机载电子设备的固定形式常常采用螺旋锁结构,将设备面板上的几个螺旋锁固定在飞机舱内水平操纵台的钢丝上,如图3所示。
螺旋锁固定方式使设备响应在低频时放大,高频时减小。
对距离螺旋锁安装点最近的设备面板上的A点(见图3)测试响应,响应曲线见图4,可以看出在80Hz~270Hz区域放大,其中在150Hz~220Hz区域放大超过6dB,在177Hz时g/g最大,为17.25,折算为加速度值放大约4.15倍,370Hz~1300Hz有显著减震功能;由于器件固有频率大多在400Hz~800Hz,对器件有较好的减震功能。
虽然螺旋锁对器件在高频时有较好的减震功能,但要注意设计印制板时应尽量提高印制板的固有频率,最好将印制板的固有频率设计在400Hz以上,以避免印制板固有频率落在低频放大区域,引起响应加大;另一方面,印制板的弯曲曲率很大程度上反映了该器件管脚或焊点所受剪切力的程度,提高印制板固有频率是减少印制板板挠度的主要手段,印制板弯曲曲率较大的区域不适合安装面积较大的器件,位移越大的区域不适合安装质量较大的器件。
3 结束语
电子设备振动试验与分析是一门涉及到振动理论、振动试验技巧与操作、振动有限元建模与分析、器件耐振程度分析等各类相关技术的综合技术方法,需要进行大量的试验并在实践中加以总结与提炼,尤其是器件耐振程度各器件生产厂家基本无相关资料,需要进行大量试验以获得相应资料,掌握好振动试验与分析方法是每一个航空电子设备结构工程师开展振动设计和验证的重要基础工作。
参考文献
[1]汪凤泉.电子设备振动与冲击手册[M].北京:科学出版社,1997:123-135.
机械设备振动检测系统设计与实现 篇7
关键词：机械设备,振动检测,特征提取,状态识别
(一) 前言
机械故障诊断技术又称为设备故障诊断, 是利用测取机械设备在运行中或相对静态条件下的状态信息, 通过对所测得信号进行分析和处理, 并结合诊断对象的历史状态, 来定量识别机械设备及其零部件的实时技术状态, 并预知有关异常故障和预测未来的技术状态, 从而确定必要对策的技术。其基本宗旨就是运用当代一切科学技术的新成就, 发现机械设备的隐患, 以期对设备事故防范于未然。机械故障诊断的基本内容包括设备运行状态的监测、运行状态的故障预报和故障类型、程度、部位、原因等三个方面。也就是指机械设备运行状态, 通过各种监测手段, 判别其工作是否正常如果不正常, 经过分析和判断, 指出发生了什么故障, 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、或避免发生重大故障造成停机, 给工程带来重大经济损失。本文对机械设备振动监测和故障诊断技术的组成、功能及其发展进行了综述, 主要介绍振动测试系统的硬件组成与软件体系结构。
(二) 机械故障诊断的基本过程
设备状态监测与故障诊断是通过掌握设备过去和现在运行中或在基本不拆卸的情况下的状态量, 判断有关异常或故障的原因及预测对将来的影响, 从而找出必要对策的技术, 它是在动态情况下, 利用机械设备劣化进程中产生的信息 (即振动、噪声、压力、温度、流量、润滑状态及其他指标等) 来进行状态分析和故障诊断, 是一门综合性技术, 涉及传感器及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、计算机技术以及人工智能、专家系统等多种基础学科和技术学科, 是对这些基础理论的综合利用。机械故障诊断的基本过程如图1所示:
(三) 系统的硬件组成
当前, 对机械振动的检测大部分通过各种频谱分析仪来进行, 但频谱分析设备体积较大, 需要与计算机等通信设备配套使用才能完成整个故障判断, 现场检测极为不便, 另外, 还需要具备振动和信号分析知识的专业人员才可以操作使用和设计, 所以开发便携式振动分析仪将会有明显的优越性。由于低频旋转机械 (鼓风机、压缩机、离心机、汽轮机、电动机、泵等) 易出现故障。因此, 本系统针对低频旋转机械的运行情况, 旨在研制一种适合它的在日常维护保养中使用的简易的机械振动检测仪器。具体的设计原理如图2所示。
系统由振动传感器、温度传感器、变送器、多路A/D转换电路、单片机系统、显示电路、通讯电路、电源管理电路和微型打印机端口电路组成。工作过程如下:机械设备的振动信号由振动传感器采样, 经变送器送转换芯A/D转换成数字信号, 与此同时, 机械设备的温度信号由数字温度传感器采样, 直接送入单片机处理, 另外数字温度传感器还可监测环境温度参考温度作为辅助, 最终由显示电路把振动的振幅值和温度值显示出来。并且可以实时存储、打印以及送上位机作进一步的处理。
根据总体研制方案, 硬件部分按功能划分为七个模块, 即单片机系统模块、传感器模块、模数转换模块、显示模块、电源模块和通讯模块以及微型打印机端口模块。各个模块的具体功能如下:
(1) 单片机系统模块。它是仪器的主板, 完成系统管理和采样数据的存储和处理, 它以89C52单片机为核心。考虑到低功耗和经济性, 单片机可选用COMS工艺的Atmel的89C52, 完全满足要求。单片机上电复位后经系统初始化后进入运行状态, 再经SPI (串行时序接口) 不断的从振动传感器和数字温度传感器读取数据、处理数据、存入数据缓冲区, 送数据显示缓冲区显示, 最后数据经串口送上位机以及实时存储打。
(2) 传感器模块。随着传感器技术的不断发展, 振动传感器和温度传感器应运而生。本仪器振动位移传感器采用北京波谱世纪科技发展有限公司的电涡流位移型振动传感器, 温度传感器采用数字温度传感器DS18B20。为了测试机械设备的运行状态是否正常, 采用了多个振动传感器和温度传感器测试其不同部位, 这样达到了整体的测试效果。由于振动传感器输出的非标准信号所以需用到变送器变为标准信号4-20mA模拟电流信号, 再用到多路A/D转换把模拟量转换为数字量送单片机中进行数据采集, 数据处理。为了监测机械设备温度的变化, 专门用数字温度传感器DS18B20测试其设备温度, 同时用DS18B20还可以测试环境温度, 用环境温度作机械设备温度变化的基准, 更能方便准确快捷的判断设备的好坏。
(3) 模数转换模块。A/D转换器的选取从性能指标和功耗方面来考虑, 可选TLC2543。它采用COMS技术制造, 是高性能、低功耗12位高速A/D转换器, 节省I/O口资源。它具有采样保持和串口输出等功能。
(4) 显示模块。显示电路驱动器可选用MAX7219, 它是一种可编程共阴极显示驱动器, 可以用来把微处理机接口连接到多达8位数字的7段数字LED显示器。与传统的LED驱动相比, 节省系统资源, 提高系统抗干扰能力, 实现数据显示的全自动高可靠和全动态的硬件自动控制。LED选用4位共阴极数码管显示振幅值和温度值, 作为人机界面, 大大方便了用户。
(5) 电源模块。提供仪器的电源支持。包括:+5V数字电路工作电源, 振动传感器的工作电源+24V等。+5V电源由带有滤波器的5VDC2A的开关电源得到而+24V电源采用滤波、稳压等措施完成设计。
(6) 通讯模块。使用了MAX公司的MAX232电平转换芯片, 将TTL电平转换为RS232电平, 为与上位机进行串口通讯提供硬件支持。
(7) 微型打印机端口模块。提供微型打印机连接端口, 可以程控实时打印数据, 方便用户对检测数据进行拷贝。
(四) 系统软件体系结构
本软件采用模块化编程, 充分体现面向对象的编程思想。其中包括文件管理模块、参数设置模块、信号分析模块、神经网络训练与故障诊断模块和系统帮助模块五大模块。在每一个模块中又包含了一些小模块, 具体的系统软件结构框架如图3所示。
(1) 文件管理模块:该模块主要负责系统涉及的各类文档进行管理。本模块主要实现建立文件、读取文件、写文件以及文件备份等功能。编程中主要用到的文本文件操作函数有:与外部文件建立联系函数Procedure AssignFile () 、中断函数Procedure CloseFile () , 文件打开函数Procedure Reset () 、文件关闭函数Procedure Erase () , 文件读操作Procedure Read () 以及文件的状态检测方法Function Eof () , 利用这些函数实现后台数据的存储、打开、查询, 同时, 程序中采用和文件对话框控件提供文件操作界面, 使用Fform组件建立窗体, 并加入其它相关功能组件。
(2) 参数设置模块:参数设置模块是一系列包含窗口属性和设置的结构和类的集成。采用VCL的可视化编程。使用Tform组件, 并在其上加入其它相关功能组件, 如Tedit组件、Tlabel组件和Tmemo组件。经过对组件属性的设置就可以实现窗口的编程, 而无须人工编程。同时, 该程序模块还包括相应的头文件以及数据结构文件。
(3) 信号分析模块:本模块负责对采集的信号进行时域及频域分析, 便于初步诊断故障类型, 方便进一步的精密诊断。对信号分析的方法选择波形分析、轨迹分析、轴心分析、频谱分析、全息分析等方法进行。其中, 频谱分析是设备故障诊断中最常用的方法。常用的频谱是功率谱和幅值谱。功率谱表示振动功率随振动频率的分布情况, 物理意义比较清楚。幅值谱表示对应于各种频率的谐波振动分量所具有的振幅, 应用时显得比较直观, 幅值谱上谱线高度就是该频率分量的振幅大小。频谱分析的目的就是将构成信号的各种频率成分都分解开来, 以便于振源的识别。
(4) 故障诊断模块:在对振动信号分析的基础上, 故障诊断模块通过对机械系统所处的状态进行监测, 判断其是否正常, 当出现异常时分析其产生的原因和部位, 并预报其发展趋势。主要任务是机器运行、状态的识别、预测和监视三个方面, 最终目的是提高设备利用率和运行可靠件, 分析故障形成原因, 以防患于未然。它是大型机械设备运行的关键技术之一, 也是各种自动化系统及一般机械系统提高利用率和可靠性, 进行预知维修及预知管理的基础。
本文我们设计了机械故障诊断的BP网络学习模块和诊断模块, 根据神经网络训练的原理和方法, 重点解决前向传播和反向训练的软件实现问题。本模块主要包括学习训练子模块和诊断子模块, 程序主结构具体实现代码如下 (Delphi语言) :
(五) 总结
信号检测的基本任务是获取有用的信息, 是人类认识客观世界的手段。在机械设备运行过程中, 适当的检测方法是发现故障信息的重要条件, 因而也是故障诊断技术中不可缺少的环节。它涉及到根据检测对象选择合适的传感器、信号调理、采样、信号处理及检测系统等许多方面因素。本文以适应机械振动检测需要, 开发研制以计算机为主体的机械振动故障诊断系统, 使其具有可靠性、先进性和实用性。本系统主要适用于机械振动信号的分析和故障诊断。系统软件使用面向对象的VB进行编程, 运用多文档界面技术进行软件的界面设计, 使得系统有良好的人机界面, 使用非常方便。软件采用模块化设计思想, 系统的维护、改进和功能扩展十分方便, 还可进一步推广到其它振动信号的采集、分析和诊断中。
参考文献
[1]魏永胜.基于模糊神经网络的汽轮发电机组振动故障诊断[J].机械管理开发, 2008, (03) :107-109.
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[3]宋彩利, 吴宏岐.神经网络在变压器故障诊断中的应用研究[J].微计算机信息, 2008, (34) :155-157.
[4]吴松林, 张福明, 林晓东.基于小波神经网络的滚动轴承故障诊断[J].空军工程大学学报 (自然科学版) , 2008, (01) :50-53.
振动设备论文 篇8
轧机作为冶金行业的关键设备, 由于受到重载、轧制冲击和人为冲击等负荷的影响, 出现了大量诸如结构强度、振动、噪声等安全可靠性的问题, 如何在设备运行过程中对设备的运行状态实时掌握, 及时做出判断, 采取相应的对策, 避免发生重大设备故障造成的长时间停机的问题, 成为摆在各大钢铁企业面前的难题, 对此华菱湘钢大盘卷引进德国FAG在线测振系统, 全方位对大盘卷高速设备运行状态进行远程监控, 大大提高高速区设备运行的可靠性, 从而提高设备乃至全生产线的生产效率。而基于Internet/LAN的在线振动监测系统相当于大范围、低延误、高密度、不间断的对设备进行点检, 不仅降低了点检技术人员的工作压力, 还可使工程管理人员通过局域网对现场设备实施监测, 根据检测数据进行故障分析、诊断和预警, 极大地满足了工作的需要。
2 系统基本构成
2.1 监测对象
本系统监测对象为华菱湘钢大盘卷高线轧机, 包括:高线精轧机组、高线减定径机组、吐丝机前夹送辊和吐丝机。
监控项目为上述轧机的:振动值 (33个信号点) ——信号来源现场传感器。
其中振动值包括:精轧机齿轮箱 (2个信号点) 精轧机辊箱 (6个信号点) 精轧机锥箱 (6个信号点) 减定径齿轮箱A-D (8个信号点) 减定径辊箱 (4个信号点) 减定径锥箱 (4个信号点) 吐丝机前夹送辊 (2个信号点) 吐丝机 (1个信号点) 。
电压值 (4个信号点) ——信号来源ACS6000大传动、ACS800传动。
电机转速 (4) ——信号来源现场编码器反馈信号、ACS6000大传动。
设备在线情况Y/N (4*2) ——信号来源现场热检HMD反馈信号。
所有DC信号占用一个通道, 所有AC信号占用两个通道。
2.2 系统硬件
该在线振动监测系统是一个开放的、复合的多层分布式系统, 每个控制器下最多可下挂MUX功能板8块, 每块MUX功能板可连接2个现场就地箱, 每个现场就地箱可同时满足8个传感器的数据的采集, 不同传感器之间是独立的, 他们通过VC-Filt程序进行切换循环检测的, 互不干涉。
该系统最多同时监控128个传感器数据, 本厂暂时仅使用其中的33个, 所以说该系统的扩展性是很好的。
2.3 数据采集原理
该系统完成通过对数据流的采集、传输和内部处理, 并经过内部自有程序过滤、放大和对特征值评估、数/模转换进入系统数据分析最后DO输出报警给予现场维护人员指导的全过程。
虽说该系统最多可同时监控128个传感器数据, 它的扩展性是很好的。但, 过多的传感器数据需要靠VC-FILT进行轮换检测, 耗费大量的轮换时间, 本厂33个传感器大概需约6分钟完成一轮所有传感器的数据采集, 换句话就是说对于每个传感器数据刷新的间隔时间为6分钟/次, 这对于高速运转设备的安全性仍然是有风险的, 所以我们针对这种由于数据顺次采集造成的延时进行了程序优化, 让其更好的服务于现场。下面将重点介绍其软件系统。
2.4 系统软件
2.4.1 常用功能模块
(1) 用户权限设置模块:系统对登陆对象按管理员、维护工程师、操作员进行分级, 每种用户类型的权限是不一样的, 操作员为只读属性, 用以防止一些人为的误操作, 十分适应现场实际生产的要求。
(2) 基础配置模块:用列表形式来展示各个齿轮箱及传动的基本技术参数, 用页面形式逐个针对现场测振传感器进行参数设定, 规定其名称、范围值、数值单位等。
(3) 接口设置模块:用来设置每个接收数据的接口类型以及参与程序内部计算的速度、温度、压力、负载、电压等模拟量的调用路径。
(4) 数据库设置模块:OPC DA数据库接收外部测量反馈的输入信号, 并保留已设置好的设备特性模型和齿轮配比和内部运算中间项或结果项的值。该数据库可保留已有数据长达一年时间, 方便您随时根据需要察看你关心的某个参数值和该值的历史值。
(5) 报警设置模块:通过对特征值的设定, 若计算机通过数据采集和计算对比发现某一测量值超过其对应的特征值就产生黄 (轻故障) 或红 (重故障) 报警, 给出相应的指示, 提示设备人员进行检查和处理。厂商不提供理论默认报警值, 而立足于现场自行设定, 更利于解决实际问题。
(6) 报表生成模块:以曲线图形分析表形式展示, 报警曲线和速度曲线整合到一张列表里, 使用户直观的了解在何时、何地、何种速度下出现的报警, 甚至能调用其他参数列表了解当时电机运行的电压和负载等条件, 对于现场未出现的事故可以提前做出判断处理, 对现场已出的事故能准确分析出事故原因。
2.4.2 特色功能模块
(1) 特性参数设置模块:针对不同的轴承和齿轮, 如果您知道它的特性参数, 可手动录入;即使不知道, FAG公司也会提供一个与其特性参数相类似的模型供用户使用 (FAG/SKF公司) , 这些特性参数都将参与日后的内部计算和分析, 所以说该系统的灵活性是很好的。其中手动创建和添加特性参数模型到本地数据库的全过程只需两步, 简单易行。
(2) 误信号过滤模块:用柱状图形式展示在用户自设定时段内某一振动值出现的次数占总扫描次数的百分比, 自动筛选出误信号摒弃 (比如停轧换辊对轧辊和锥箱的人为敲击) 获得真实振动值参与运算, 也为用户确定某一设备部位的正确报警预设值提供依据。另外, 即时速度信号参与程序内部计算, 不同速度下对应的振动大小容忍值是不同的, 该系统能通过实际测量反馈分析数据, 依设备特性模型生成, 是一个比较讲究科学性的混合系统, 不象某些国内系统由单一的振动值来衡量不同速度下的振动大小, 所以说在误信号过滤方面, 该系统有很强的特色优势。
(3) 专家分析模块:系统自带自诊断的特殊功能, 很好的对可能出现的设备隐患和隐患大小进行预测的功能模块 (内部理论计算) 2.5系统投入使用后的效果
在实际应用中, 我们发现因为不同的传感器间是循环依次扫描的, 所以更多的监测点需要更多的扫描采集时间, 所以一方面我们限制了监测点的数量, 屏蔽了部分无用监测点, 使其在有效时间内尽可能多的监控重要设备的重要部位, 另一方面依设备部件的重要性将其分级, 对其检测传感器进行不同的扫描周期配置和优先级别的设定 (单位时间内扫描的次数) 较好的弥补重点关注设备扫描周期过长的问题。
该系统成功预测了华菱湘钢大盘卷高线区2011年6月24日吐丝机出口大轴承FAG804753重大故障, 当时机械方点检技术人员在办公室连接FAG在线测振系统服务器, 打开察看其运行状态, 随即发现疑似典型故障振动频谱图, 立即组织检修人员开盖检查, 发现轴承外圈部分断裂, 部分滚珠挤压变形受损, 轴承整体振动超标, 首次投入就将一次重大设备事故扼杀在萌芽期。
3 结语
振动设备论文 篇9
1. 振动隔离设计
医疗设备中的计算实例(所有计算公式来源于参考文献)
台式超声产品中,显示器的固定如下图1所示,请计算设备在以0.35mm的振幅,5~100Hz扫频垂直方向振动时显示器的最大振幅,以及验证铸铝件是否可能会在振动中断裂。
铸铝的阻尼比,D=0.008;E=71000 Mpa;I=bh3/12=2500 mm4
该弹性系统的刚度,
根据公式计算共振频率:
可以知道系统在5~100Hz内都没有产生共振,因此隔振系数范围为:
所以最大振幅为:
振动相位差:
最大相对振幅计算:
键盘在最大相对振幅时有最大的应力,最大振幅时的应力:
悬臂梁的最大应力产生在悬臂根部:
铸铝ADC12的抗拉强度为228MPa,屈服强度σ0.2=154Mpa,所以该产品键盘在振动中理论上不会变形和断裂。只是安全系数不足,加上材料缺陷和疲劳强度,还是可能会出现变形的问题的。
也可以用这个方法对主机脖子的根部强度进行计算校核。
2. 外部激振的隔离设计
外部激振,是指支撑基础保持稳定,而外部直接给设备振动部件施加周期性外力的情况。模型如2所示:
医疗设备中的实例计算
硬盘振动问题。原来的设计(图3)与机箱刚性连接,振动直接传递到整机,使得操作面板振动的感觉比较明显。我们打算采用橡胶圆柱减振弹簧结构固定硬盘,避免硬盘的振动传递到整机上。橡胶减振柱(Φ12.7×9,橡胶硬度40度,横向负载小于2.5kg)。我们从理论上计算看这款减振柱是否能起到减振作用,以及计算校核在振动实验中是否可能会脱落。
硬盘重量为0.78kg。硬盘的振动应该是因为盘片的质量不平衡高速旋转导致的,而硬盘盘片的转动是纵向的,所以振动方向也应该是纵向的,而振动频率就是盘片的转速:f=7200/60=120(7200转/min的硬盘)。
我们把硬盘因盘片高速旋转产生的不平衡周期力当作激振外力,硬盘当作主动振动的设备,主机箱是基础。只要硬盘通过减振器传递到主机箱的力足够小,就能起到减振作用了。下面我们来计算硬盘传递给主机箱的力,即计算激振力传递系数η。
计算橡胶弹簧横向刚度(动态刚度):
K=7.67×4=30.68N/mm(计算公式和过程请看参考文献。
橡胶减振的阻尼比为D=0.08(参考相关书籍上计算例子的橡胶阻尼比)
按公式(12)可以计算得
跟原来的螺钉连接,η=1相比而言,减振效果是相当明显的。实际装配验证,确实效果非常好。
下面计算校核振动实验的强度:
根据公式(6)计算共振频率:
共振振动频率在5~100Hz范围内,所以硬盘在振动实验中会产生共振,其相对振幅:
校核强度:
根据上面计算的橡胶柱刚度(横向,1个),计算橡胶柱变形产生的力:
共振时产生的力小于2.5kgf,所以使用该减振柱是安全的。
3. 振动隔离设计的误区
打螺钉前,加上软垫就能起缓冲作用
从前面隔离系数的计算中可以看到,如果减振连接部分在振动方向施加力时不能产生自由变形的化,是不会有减振效果的。如下图A、B所示的例子,用软垫然后打上螺钉,螺钉拧紧后就变成刚性连接了。即使螺钉不打死,但是螺钉的垂直方向的拉力也是很大的,比如M4螺钉打紧后有50~60kg的拉力,半紧状态也有20~30kg拉力。除非部件在振动时的力远超过螺钉的拉力,否则起不到减振缓冲作用的。而象下图C、D、E所示,设备和基础部分完全用弹性材料隔离,才有可能起到振动或冲击的隔离作用。
刚性连接都不利于振动隔离
当我们使用图6所示方案C、D、E试图进行振动隔离时,需要进行隔振系数的计算。考虑到刚度的情况,有可能根本无法设计出合适的结构,使得隔振系数小于1。如果是这样的话,还不如用刚性连接,刚性连接隔振系数至多等于1,而不会扩大振动。
只要是加了弹性环节,就有减振作用
和上面一点的情况相似,增加的弹性环节,通过减振计算(或实验验证),隔振系数有可能大于1,则不但没有起到减振左右,反而把振动放大了。所有的减振措施都是有针对性的,对不同质量,不同振动频率的隔离都是有区别的。
4. 振动隔离设计的基本形式
如图4所示C、D、E,是比较常用的减振结构方案。其中的橡胶柱、软板、软垫可以用其他弹性结构和材料代替。注意减振器的设计,一般减振器还要一定的阻尼,否则在共振点会产生非常大的振动,造成结构的破坏。
如果振动不能隔离,就一定要保证振动源与设备的连接刚度,还有设备各部件之间的刚度,避免振动被放大。比如上面所说的硬盘振动问题,其实硬盘本身振动比较小,但是因为硬盘固定在刚度不好的机箱薄板上,还有操作面板与主机的连接有一定的弹性环节,使得振动被放大了。
我们在设计中经常使用EVA垫,其实有时并不是真的起缓冲减振作用,而是增加强度的。如图6所示方案B的软垫就起到加强设备安装板的作用。因为如果设备安装板比较薄,或面积大导致刚度比较低,使用EVA弹垫是增加刚度的一个好办法,并为弹性环节增加阻尼,可以明显减少振动的放大系数。
5. 冲击隔离设计
我们说冲击隔离,包括包装对设备的保护,和设备内部对精密易损件的隔离保护。
我们这里只考虑冲击时间比较短的情况(撞击时间<1/10缓冲材料固定周期),比如跌落、撞击。这种情况都可以转化成速度阶跃的冲击计算。
5.1 线性缓冲系统速度阶跃冲击的计算
冲击试验方法采用标准IEC 68-2-27,加速度为5g,脉冲时间为11 msec,波形为半正弦波,每轴向正负方向各3次冲击。
下面我们用冲击计算法计算产品案例1中的键盘结构是否满足垂直方向的冲击强度要求。跟静态计算不同,静态计算只是简单地将显示器的重量乘上加速度来计算负载,冲击计算要考虑脉冲时间。
首先根据冲击实验的条件计算脉冲完成后的速度:
速度跃变,从V~0
按无阻尼、有阻尼进行计算:
umax=0.313mm(公式13),有阻尼时0.309mm(公式16)
amax=369m/s2=37.7g(公式14),有阻尼37.2g(公式15)
(静态计算的负荷:P=ma=10×5×9.8=490N,相对来讲小很多!)
根据计算结果,该键盘在冲击实验中可能会产生变形,如果材料有缺陷,也有可能会产生断裂。
计算amax的意义在于,如果显示器内部有些器件只能承受30g的加速度冲击(即元器件的脆值),而在本计算中,amax=37.2g,因此可以判断该器件在冲击实验中可能会损坏。
5.2 非线性缓冲系统
弹性系统的变形-力函数不是线性关系时,也可以利用速度阶跃的能量法进行计算。由于计算复杂,这里介绍比较简单有效的图解法步骤。
基本步骤:
(1)根据变形-力函数绘制变形-力曲线图(如果有现成的参考曲线则略过这步,也可以用实验数据绘制曲线)
(2)根据变形-力函数和能量积分公式绘制变形-变形能曲线图,或根据变形-力曲线图绘制变形-变形能曲线图(变形-力的面积即为变形能)
(3)根据冲击条件计算V值或表达式,然后根据1/2mv2(或积分公式)计算变形能
(4)根据变形能和变形-变形能曲线图查到变形值
(5)根据变形值和变形-力曲线图查到负载力
(6)根据公式a=F/m计算最大加速度
由于篇幅有限,本文不在详细描述。
参考文献