桥梁振动监测

桥梁振动监测（通用8篇）

桥梁振动监测 篇1

由于桥梁的使用年限长,加上设计、施工和使用材料的质量等诸多因素的影响,会使桥梁存在先天的薄弱因素,因此桥梁结构的安全性非常重要。对桥梁的运行状况进行健康监测,可以有效预防突发型灾难,减少损失与人员伤亡。由于桥梁大都处于交通要道,距离监控中心比较远,目前主要采用人工测量状态参量与测试数据的事后实验室分析评价的方法。这种方法效率低,也不能对突发事件进行预警,随着现代通信技术的发展,采用无人值守的远程监测系统已成为研究热点[1],目前主要是研究桥梁的某一个方向的振动居多,而对于桥梁的温湿度情况、当前风速风向等参数未有涉及,尤其是在我国东南沿海区域每年的台风天气,桥梁所需要经受的台风冲击严重,因此设计开发具有多参数监测的桥梁预警系统意义重大。

1 系统设计

如图1所示为多参数桥梁预警系统的设计框图。被监测的桥梁上挂接着多种不同类型的监测传感器节点,主要有温湿度检测节点、风速风向检测节点和XY双轴振动监测节点。不同类型的监测节点,采用统一地址编码的方式,将采样到的传感器信息通过高速CAN总线[2]发送到本地计算机上。系统采用了ATOM凌动处理器的便携式低功耗移动平台计算机,其体积小巧,功耗低,在关闭液晶显示器时,最低功耗不到1 W,而总体积比一个公文包小,且采用直流电压供电,因此本系统将该计算机平台放置在监测本地,与桥梁的距离通常在300 m以内,在此距离内CAN总线的最高数据传输速率可达125 kb/s,可连接足够数量的监测节点。本地计算机将每分钟采集到的所有传感器节点的参数信息压缩打包后通过GPRS模块发送到远程服务器端,并在服务器端完成数据解释、存盘等工作。由于本地监测系统是一个独立系统,因此采用了大容量的铅酸蓄电池作为供电能源,当天气良好时,太阳能电池板工作,并经由太阳能调压充电器对铅酸蓄电池充电,保证系统长时间的工作。

2 XY双轴振动监测节点设计

2.1 传感器选择与前端调理电路设计

振动传感器[3]是用于检测冲击力或者加速度的传感器,通常使用的是加上应力就会产生电荷的压电器件。目前应用于桥梁振动监测的加速度传感器大多采用动圈式机械传感器,通过磁铁切割磁力线得到感生电动势从而反映加速度的变化,其体积较大,高频特性不好,频带内的增益平坦度差,因此本系统采用了ADI公司的双轴加速度计。ADXL203[4]典型测量范围在±1.7 g,该加速计既可测量静态的也可测量动态的加速度,可承受3 500 g极限加速度。其下拉电流小于700μA,灵敏度达到1 000 m V/g。该加速计在-40℃~125℃温度范围内,具有±0.3%的温度灵敏性;±25 mg的零点偏移精度;在小于60 Hz的带宽下具有解决小于1 mg的解决方案(0.06°倾斜)以及优于0.1 mg/℃的稳定性。加速计ADXL203的内部电阻RFILT的标称值为32 kΩ,而其实际阻值可在14 kΩ~40 kΩ间选择,通过选择合适的XO、YO引脚的输出电容值,可降低传感器输出噪声,本文所设计的传感器信号频率上限为100 Hz,因此选择0.01μF的电容,该电容与ADXL203的内部电阻RFILT构成低通滤波器。由于ADXL203XL在加速度为0 g时,输出电压为2.5 V,实际的传感器是竖直安装,因此Y轴方向上就存在一个固有的1 g的加速度,则YO引脚输出电压为3.5 V。由于本系统只关心桥梁的振动情况,即加速度的变化情况,故设计了如图2所示的交流放大偏置电路。ADXL203输出的加速度信号,经过输出电容滤波后,再由电容C7与C21耦合后得到交流加速度信号,该信号经过精密双运放OPA2277UA组成的加法放大电路得到直流偏移电压为2.5 V的共模信号。经过上述电路就消除了传感器安装时导致的X、Y两轴的信号直流电压差异,得到两路共模电压为2.5V的信号,并送入后级ADC电路。图2中的VREF为来自高稳定度精密基准源REF192GS的基准信号,其典型温度系数为3 ppm/℃。

2.2 双24位ADC同步采样设计

为了保证X、Y双轴信号的严格同步采样,以及采样周期的准确性,采用模拟开关切换的方式显然不可行。本文采用了两片高精度24位分辨率的模数转换器AD7714,使用其同步功能,同时采样X轴与Y轴的加速度信号。AD7714[5]是美国ADI公司推出的一种高分辨率24位模数转换器件。由于AD7714采用了Σ-△转换技术,使其拥有小于150 n Vrms的低噪声,适用于宽动态范围、低频信号的模拟前端测量。器件可以被配置为3个完整的差分输入或者5个准差分输入,采用3 V或5 V供电可以很容易地实现多达5个通道的信号调理和转换,其最高数据输出速率为1 k Hz。

AD7714是一个完整的用于低频测量应用场合的模拟前端。它的3线串行接口与SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通过软件可对增益设定、信号极性和通道选择作出配置。AD7714的主要特点如下:

(1)最高可实现24 bit无误码输出,同时保证0.001 5%的非线性度;

(2)具有前端增益可编程放大器,增益值为1~128,内含可编程低通滤波器和可读写系统校准系数;

(3)有5通道输入,可根据需要采用3路差分输入或5路准差分输入;

(4)低噪声(<150 n V rms);

(5)低功耗,典型电流值为226μA(省电模式仅为4μA);

(6)采用单5 V供电(AD7714-5)或单3 V供电(AD7714-3)方式。

在图3中,U2、U4的同步信号引脚相连,U2的MCKOUT引脚连接到U4的MCKIN。当两片AD7714上电并被成功初始化后,控制器施加给两片AD7714共同的同步信号;当两片AD7714接收到同步信号后,将复位片内的数字滤波器、寄存器、模拟调制器等处于复位状态;一旦同步信号结束则立即开始正常工作。由于两片AD7714共用一个晶体振荡器信号,因此两片AD7714的片内工作时序是完全相同的,也就保证了数据准备就绪中断引脚DRDY的状态是完全一致的,两片AD7714严格同步。

2.3 CAN通信接口设计

本文采用STM32系列的Cortex-M3内核控制器,其片内自带了满足CAN2.0A与CAN2.0B协议的硬件通信接口,并使用CTM8251AT隔离型CAN收发模块完成了CAN总线的高速数据通信功能。以下为CAN波特率的计算:

由于CAN是挂接在APB1总线上,因此采用时钟PCLK1,当PCLK1=72 MHz时,波特率为=72/9/16=0.5 MHz,CAN_Prescaler的预分频值为1~1024。

在进行CAN组网布线时,需要注意的是,在中远距离应采用120Ω特征阻抗双绞线,通信距离大于600 m以上,选用线径大于0.75 mm2的电缆,超远距离线径应大于1.5 mm2。而且CAN总线的通信速率是随着通信距离的增大而降低的,通常在1 km时,最高波特率为35 kb/s,2 km时为18 kb/s,当距离大于5 km则必须增加CAN中继器,否则无法正常通信。

3 实测数据

如图4为桥梁振动系统实测得到的纵向垂直振动加速度信号。本系统中还采用了DHT22型号的温湿度检测模块与PH100SX型风速风向传感器,这两类传感器和输出都是数字信号,接口设计简单,限于篇幅不再赘述。本系统的实际指标如下:

在线调节传感器采样率范围为1~100 Hz;

在线调节传感器放大倍数为1,2,4,8,16,32,64,128;

加速度测量范围为0~±1.7g,最大灵敏度为1 mg;

加速度数据非线性度小于0.5%;

严格同步双轴振动数据测量;

单路CAN最大节点数为60,CAN组网可达600个节点以上。

本文所研制的多参数桥梁振动监测系统能够实现长时间无人值守的实时双轴振动信号采集、温湿度采集以及风速风向测量等功能。监控中心通过GPRS网络获取各监控桥梁的状态信息,并自动根据桥梁状态信号实时报警。该系统还可以应用于大型建筑体,拦河大坝等大型结构体的远程健康状态监控。

摘要：针对远程桥梁振动监测的要求,采用交流偏置电路与双路AD7714模数转换器实现ADXL203的双轴高精度同步振动加速度测量,并实现了温湿度与风速风向测量。使用低功耗便携式计算平台构建CAN总线监测网络,通过GPRS网络将桥梁状态信息发送到监控中心,实现远程多桥梁多参数监测系统。

关键词：桥梁监测,振动加速度测量,CAN总线,同步ADC采样

参考文献

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[3]杨海艳,孟彦京,李伟冰,等.振动传感器特性及其在风力发电机中的应用[J].传感器世界,2009(2):27-31.

[4]鹿麟,林凌,李刚.ADXL203型双轴加速计在倾斜度测量中的应用[J].国外电子元器件,2007(7):61-64.

[5]吴永忠.高性能模拟前端AD7714及其应用[J].电子工程师,2006,32(8):56-59.

桥梁振动监测 篇2

利用磁流变阻尼器对结构振动进行控制是一种非常有前途的新技术.将锚索和磁流变阻尼器结合起来,提出了一种新的桥梁振动控制形式,并给出了算例分析结果.分析表明:应用本方法可以对桥梁的振动进行有效的`控制.

作 者：徐家云 蹇元平常银昌 刘永红 XU Jia-yun JIAN Yuan-ping CHANG Yin-chang LIU Yong-hong 作者单位：徐家云,常银昌,XU Jia-yun,CHANG Yin-chang(武汉理工大学,土木工程与建筑学院,湖北,武汉,430070)

蹇元平,JIAN Yuan-ping(湖北荆州市交通局,湖北,荆州,434100)

刘永红,LIU Yong-hong(湖北荆州市沙市公路管理局,湖北,荆州,434000)

桥梁振动监测 篇3

京沪高铁南京大胜关长江大桥为京沪高速铁路和沪汉蓉铁路共用的跨江通道,是世界首座六线铁路大桥。大胜关大桥具有体量大、跨度大、荷载大、速度高等显著特点,336 m主跨是目前世界上高速铁路桥梁的最大跨度,通行六线铁路也是目前世界上设计荷载最大的高速铁路桥梁,大桥设计行车速度300 km/h处于世界先进水平。

大胜关大桥结构健康监测系统为列车走行安全性监测提供了新的契机。该桥结构健康监测系统主要监测结构温度、桥梁变形、支座工作状况、结构振动、行车状况以及桥梁的结构应力、结构疲劳状况以及与桥址环境相关的风速、温度等参数[1]。本文以京沪高铁南京大胜关大桥2013年的主梁实测横向加速度数据为对象,研究基于主成分分析的列车走行安全性监测与预警方法。

1 基于横向振动监测的列车走行安全性监测原理

列车走行安全性是指车辆在运行过程中不出现脱轨现象。一般采用脱轨系数和轮重减载率来判断列车运行安全性。文献[2]指出现行脱轨系数和轮重减载率的限值不能防止脱轨发生,列车脱轨的根本原因是列车桥梁(轨道)时变系统的横向振动丧失稳定,使此系统始终保持稳定的横向振动状态,就能达到控制列车脱轨的目的。因此,实测主梁横向振动是否处于稳定状态可以反映列车走行安全性,当桥梁出现横向刚度退化等情况可能影响列车走行安全性时,可以通过判断主梁横向振动是否发生异常而及时做出预警。

2 大胜关大桥列车走行安全性监测与预警方法

2.1 大胜关大桥主梁横向振动监测系统

大胜关大桥主桥为一联(108+192+2×336+192+108)m钢桁拱桥,主桥立面图如图1所示。为了监测主梁两主跨在高速列车作用下的横向加速度响应,分别在两主跨跨中1—1断面和2—2断面处各安装1个横向加速度传感器,分别为传感器JSD-11-04和JSD-15-06。本文以2013年中310 d的横向加速度数据为对象,研究大胜关大桥列车走行安全性监测与预警方法。

2.2 大胜关大桥主梁横向振动监测结果与分析

本文采用加速度幅值参数作为大胜关大桥主梁横向振动特性的监测参数。加速度幅值参数一般指加速度响应的某种最大值或某种意义下的有效值。为此,考察加速度峰值和均方根值两种加速度幅值参数在主梁横向振动监测中的适用性。

图2分别给出了2013年2月1日每一次列车通过时主梁第1跨跨中的横向加速度幅值参数与列车速度的相关性散点图。从图中可以看出,随着列车车速的增加,加速度峰值和均方根值两种加速度幅值参数均有增大的趋势。但是,列车高速通过时的加速度幅值参数与列车速度的相关性较差,特别是当列车速度超过200 km/h后,无论是加速度峰值或是均方根值的变化幅度均较大。这表明,同一车速各次行车的实测横向振动响应相差很多,这主要是由于各次行车的轮轨接触状态不同引起的。上述分析结果表明,加速度幅值参数与列车速度之间难以建立有效的相关性模型用以表征高速列车通过时的系统横向振动状态。此外,从图2中也可以看出,高速列车通过时主梁横向加速度幅值参数的波动性较大。这是因为,高速列车通过时列车—轨道—桥梁系统横向振动具有强烈的随机性。因此,难以根据系统某一测点的横向加速度响应表征整个系统的横向振动状态。

下面考察高速列车通过时主梁两主跨跨中的横向加速度幅值参数之间的互相关性。

图3分别给出了2013年2月1日两主跨跨中的加速度峰值和加速度均方根值的互相关性散点图及二次多项式拟合结果。根据图3b)建立的二次多项式拟合公式进一步绘制第2跨跨中加速度均方根的实测值与拟合值的相关性散点图,如图4a)所示。图4a)给出了2013年2月1日实测值与拟合值的相关系数为0.939 1,采用相同的计算方法得到2013年310 d每一天横向振动数据计算得到的相关系数,均在0.90以上。上述分析结果表明,高速列车通过时主梁两主跨跨中的横向加速度响应的均方根值具有良好的互相关性。

2.3 基于横向振动监测的大胜关大桥列车走行安全性预警方法

根据2.2节的分析结果,横向加速度的均方根值可以作为反映列车走行安全性的监测参数,并且主梁不同测点之间均方根值的互相关性模型可以作为列车走行安全性评价模型。在此基础上,本节讨论大胜关大桥列车走行安全性异常预警方法。首先考察均方根值互相关性模型的二次多项式拟合系数的长期监测结果。图5给出了主梁两主跨跨中均方根值互相关性的二次多项式拟合系数,分别为二次项系数a、一次项系数b和常数项系数c。从图5中可以看出,虽然每一天的横向加速度监测数据可以拟合相关性良好的二次多项式模型,但是每一天的二次多项式拟合系数仍存在较大的波动。这是因为,在温度等环境条件的变化影响下,列车—轨道—桥梁系统的横向振动性能会在一个较宽的范围内波动,直接根据二次多项式模型的3种拟合系数难以反映横向振动状态的异常变化。然而,由于环境因素的多样性以及对桥梁振动影响的复杂性,目前尚难以全面准确地测量各种环境因素并有效地分离出各因素的影响量。为此,本文针对二次多项式模型的3种拟合系数研究基于主成分分析的“环境条件归一化”方法,主成分分析方法理论上不需要监测环境因素变量,具有较好的工程应用前景[3,4]。

3 结语

本文将列车脱轨能量随机分析理论和铁路桥梁结构健康监测系统相结合,基于横向振动监测数据并采用主成分分析方法建立了大胜关大桥列车走行安全性监测与预警方法。分析结果表明:

1)高速列车通过时列车—轨道—桥梁系统横向振动具有强烈的随机性,根据系统某一测点的横向加速度响应及其与列车速度之间的相关性均难以表征系统横向振动状态;

2)高速列车通过时主梁两主跨跨中横向加速度响应的均方根值具有良好的互相关性,通过系统横向振动能量的空间分布特性可以表征高速列车通过时的系统横向振动状态;

3)采用主成分分析方法可以有效地消除环境因素对实测横向加速度均方根值互相关性的影响,在此基础上建立的预警指标可以识别出列车走行安全性退化引起的均方根值异常变化,可以应用于大胜关大桥列车走行安全性的在线状态监测。

摘要：介绍了基于横向振动监测的列车走行安全性监测原理,根据大胜关大桥的主梁横向振动监测数据,采用主成分分析方法,建立了高速铁路桥梁列车走行安全性监测与预警方法,有利于确保列车行走的安全性。

关键词：高速铁路桥梁,走行安全性,振动监测,主成分分析

参考文献

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[2]曾庆元,向俊,娄平,等.列车脱轨的力学机理与防止脱轨理论[J].铁道科学与工程学报,2004,1(1):19-31.

[3]丁幼亮,李爱群,耿方方.考虑环境因素影响的悬索桥整体状态预警方法研究[J].东南大学学报(自然科学版),2010,40(5):1052-1056.

桥梁振动监测 篇4

单线特路桥梁的一般特点是狭长,跨度小,刚度大。随着火车的提速,铁路线路由单线改为复线,桥梁宽度也比以前宽,跨度也相应增加,从几十米到一两百米。铁路桥梁前几阶振型中,横向振动占的比重比较大。如何控制狭长柔性桥梁横向振动是目前振动控制研究的问题之一。用增加桥梁刚度来解决横向振动是曾经比较常用的方法,但这种方法不仅不经济,而且本身也存在理论上的问题。振动问题应该采用动力学的方法来解决。目前振动控制一般有被动控制系统TMD,主动控制系统AMD,以及半主动控制系统。尽管主动控制是一种比较先进的技术,但被动控制系统也有许多优点,比如不需要电源,控制效果好,维护方便,制造安装简单。

1 长窄高桥墩桥梁横向振动力

直桥横向振动主要是由桥梁施工误差所致。假设桥梁横向线形为y=f(x),则有火车产生的横向力F:

其中,m(x)为火车在x处的质量。ω为火车对桥梁的强迫振动频率,ω=2*PI*V/L,这里的L为桥梁长度,V为火车速度,PI为圆周率。

2 被动控制系统TMD设计

2.1 状态方程与传递函数

刚度K=YTk Y,广义力F(t)=YTf(t),则某一振型的状态方程为:m1X″+CX′+KX=F(t)

其中,X为横向位移,X′为横向位移对时间t的一阶导数,X″为横向位移对时间t的二阶导数。其传递函数H(ω),

H(ω)=1/m1(-ω2+iωC/m1+K/m1)=1/m1(-ω2+ωj2+iξωωj)

其中,ω为外荷载频率,ωj为结构固有频率,ξ为结构阻尼比。

当跨中安装一个有阻尼TMD后,对整个系统分析,其状态方程为:m1X″+m2xd″+CX′+KX=F(t)

对TMD单独分析,其状态方程:m2xd″+cd(xd′-X′)+k(xd-X)=0

对以上两个方程进行求解,可以得到:

2.2 参数分析

|X|/|Xst|是关于质量比u、阻尼系数ξ、附属系统与主系统频率比δ、外荷载频率与主系统频率比γ四个参数的函数。当取u=0.05,δ=1时,|X|/|Xst|与ξ、γ的关系如图1。

由于双自由度系统X/Xst——γ的吸振响应图是双波峰图,设计时使双波峰值相等,得到:u=2/[(X/Xst)2-1]

当取δ=1,γ=1时,|X|/|Xst|与u、ξ的关系如图2。由图2可知,在u<0.10时,u对X/Xst的影响不大。

3 实例分析

牛角平特大桥主桥为三跨392m(100m+192m+100m)连续刚构铁路桥,主梁宽11.20m,中间支座处梁高13.50m,中跨跨中及边支座梁高7.20m。桥梁总体质量m=82061ton,抗侧推刚度k1=1050tonf/m。第一振型为横向振动,振动圆频率ω=0.760896弧度/秒,第一振型参与质量63.36%,m1=51990ton。根据以上第一振型特性,取u=1%,m2=520ton,k2=10.50tonf/m,c=9.05 ton/s

4 结论

桥梁振动监测 篇5

某长江大桥采用TMD控制系统对桥梁风致振动进行控制研究, 本文旨在利用ANSYS软件模拟这座大桥的风致振动控制, 验证TMD系统的控制效果。

1 桥梁概况

论文选用的是某长江公路桥 (主跨为926 m的钢结构——混凝土混合结构斜拉桥) , 主梁断面为P-K断面, 两个TMD对称的安装在两个箱形截面内, 而且使两个TMD的形心与P-K断面的形心不在同一位置, 此种TMD安装方式不仅可以控制桥梁结构竖向振动, 而且有利于抵抗风作用下桥梁断面的扭转运动。

桥梁结构节段模型风洞试验在某大学风洞试验室进行, 包括无控状态下节段模型的颤振导数识别与颤振临界风速测定, 以及有TMD控制系统状态下的颤振临界风速测定, 然后对比分析TMD控制系统的控制效果, 并选取最优的TMD控制系统参数, 为桥梁结构的ANSYS软件模拟提供依据和参考。节段模型风洞试验如图1所示。

2 桥梁风致振动控制ANSYS软件模拟

进入21世纪, 随着计算机技术的飞速发展, 国外相继出现了许多大型通用有限元分析程序, 如ANSYS、ABAQUS、ADINA和MSC/NASTRAN等, 这些程序具有良好的界面、方便的前后处理和强大的计算分析功能以及开放的二次开发系统, 其中可能以ANSYS的应用最为广泛。鉴于此, 我们理所当然地采用ANSYS软件模拟此桥梁结构的风致振动控制, 而且借鉴了前辈们许多宝贵经验才得以顺利完成此次ANSYS软件模拟工作[1]。

桥梁结构采用单梁模型, 主梁采用Beam188单元和Beam4单元, 刚性横梁采用Beam4单元, 桥塔采用Beam4单元, 斜拉索是Link10单元, TMD控制系统的质量块采用Mass21单元, 弹簧和阻尼器采用Combin14单元, 各种单元参数如下所示:

桥塔和边跨:C50混凝土, 密度为2 500 kg/m3, 弹性模量为3.45×1010 Pa, 泊松比为0.17;

钢箱梁:Q345, 密度为7 850 kg/m3, 弹性模量为2.06×1011 Pa, 泊松比为0.3;

拉索材料:平行钢丝, 密度为8 500 kg/m3, 弹性模量为1.95×1011 Pa, 泊松比为0.3。

桥梁结构受到的气动自激力采用ANSYS中的自定义单元Matrix27单元来模拟[2]。单元Matrix27是ANSYS中功能很强大的单元之一, 该单元具有两个节点, 每个节点都有6个自由度, 它没有固定不变的几何形状, 可以通过实常数的方式输入对称或不对称的质量、刚度或阻尼矩阵, 另外一个Matrix27单元只能模拟气动刚度或气动阻尼, 不能同时模拟两者。因此, 每个桥梁节点上都有两个Matrix27单元 (一个气动刚度单元和一个气动阻尼单元) , 每个单元都有一个节点为桥梁节点, 另外一个节点固定不动, 详见图2。

桥梁结构中的TMD系统采用Mass21单元与Combin14单元模拟, 分别代表质量块与弹簧和阻尼系统。每个TMD由一个Mass21单元和两个Combin14单元组成 (两个方向的弹簧、阻尼系统) , 其中每个Combin14单元一个节点与桥梁结构连接, 并耦合相应自由度, 另一个节点与Mass21单元连接。

通过ANSYS软件计算得到的桥梁前10阶自振频率, 先选用了5组参数进行了ANSYS软件模拟计算, 并保持一个方向上的弹簧、阻尼系统参数不变, 其中TMD系统质量块质量是1 000 kg, 阻尼比都取0.03, ANSYS计算得出结果如图3～图8所示。

从图3～图8可知, 当1 000 N≤k≤2 000 N时, 颤振临界风速基本没有变化, 当k≥2 000 N, 接近2 900 N时, 颤振临界风速有很大的提高, 这主要与此时的ω很接近ANSYS模拟计算所得的第一阶对称竖弯频率有关。ANSYS模拟计算所得的前10阶模态频率如表1所示。ANSYS模拟计算所得的前10阶模态频率如表1所示。

从ANSYS软件模拟得出来的结果可以看出, 整个TMD系统控制效果取决于TMD频率是否与结构固有频率相当, 这也与人们之前所研究的结论不谋而合, 但如何在经济允许的情况下发挥TMD控制系统的最大控制效果, 还需利用ANSYS软件做更多有指导意义的模拟, 改变TMD控制系统的参数配置, 调整TMD系统在桥梁结构中的位置等。

3 结 论

a.ANSYS软件模拟结果显示TMD控制系统有明显效果, 能显著提高颤振临界风速。

b.成桥状态下主梁一阶对称竖弯频率对控制效果有明显影响, 当TMD系统频率接近一阶对称竖弯频率时, 控制效果明显增大。

c.经过ANSYS软件模拟效果分析, 证明桥梁ANSYS模拟不够准确, 参数需进一步优化, 此次模拟为下次更好的研究做好铺垫。

参考文献

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桥梁振动监测 篇6

4.2.3调制

图9示出了一个被调制的振动信号的轨迹。它看起来与拍相似, 事实上它只有一个分量, 其幅值随时间变化 (调制) 。与拍明显不同的是峰的间距在腹部和腰部是相同的。但腹部的长度可能不同。齿轮故障经常会导致在齿轮转动频率上调制齿轮的啮合频率。

通常振动记录包含两个以上的分量, 并且可能涉及到调制, 也可能还有拍。这样的记录特别难以分析。但分析者可以找到一个记录段, 在这个段里, 一个分量暂时性地占主导地位, 并可得到在那样一段内该分量的频率和幅值。

4.2.4包络分析

包络分析是一个窄频带低量级分量的解调过程, 此时低量级分量被高量级的宽带振动 (脉冲激励的自由振动、齿轮啮合振动和其他) 遮蔽。包络检测为更早并可靠地认识缺陷提供了手段。它是最普遍的应用是齿轮和滚动轴承的分析, 在这里一个低频、一般是低幅值的重复事件 (如一个有缺陷的齿进入啮合, 一个剥落的球或滚柱与保持架碰撞) 就会激发高频共振, 结果高频被缺陷频率调制。一个包络轨迹的例子在图10中显示出来。

应注意被调制的成分需要用窄带滤波器预先分离出来。

4.2.5窄带频谱包络的监测

监测窄带频谱包络可以发现围绕参考频谱的任何包络突破点通常都是报警界限。恒定带宽的包络一般用于恒定转速的机器, 它的频率差在高、低频段谱线是相同的。

恒定百分比带宽的包络与被监测分量之间的频率差 (偏移) 的增加正比于频率的增加。这种方法有优势, 因为所有的谐波分量在小的速度变化范围内将保持相同的频带。

单个频率分量的幅值限有两种类型。恒定百分比偏置是最通用的, 因为它计算最简单, 只需要一个单参考谱。

一个比较有代表性的方法是为包络线上每一段计算一个统计平均值, 然后设定报警限在平均值之上2.5～2.8标准偏差。统计计算需要4或5个高分辨率谱, 并自动计算通常观察得到的机器谱线幅值变化的正常差。

4.2.6轴心轨迹

在同一径向位置上相隔90°安装了两个位移传感器的任何机器都可以进行轴心轨迹分析。对于带有套筒轴承的大型旋转机器, 用轴心轨迹分析确定轴在轴承间隙空间内的运动是适用的。但是, 应注意确保轴心轨迹不能因轴机械的或电气的偏摆而引起不必要的失真。正确的解读轨迹可以判断施加力的性质。确定转轴的正向 (旋转方向) 或反向 (逆旋转方向) 涡动也是有可能的。轴心轨迹可以是未滤波的或是已滤过波的。典型的宽带 (未滤波的) 和单一频率 (已滤波的) 轴心轨迹图示于图11中。

滤波后的同步分量 (1X) 显示是通用的;然而, 为了更深入的描述和解决问题, 其他谐波或次同步频率也可显示在轨迹图上。轨迹图上提供的轴键相信号 (如每转一次的信号) 标记 (点或亮点等) 给出了关于振动频率和旋转频率关系的信息。

轴心轨迹图代表了在测量平面上的旋转轴中心的动态运动。有时称轴心轨迹图为李沙育 (Lissajous) 图。用于轴心轨迹测量的传感器应该是同一类型并且正交安装 (相隔90°) 。如果传感器未正交安装, 轨迹图就会歪斜。在轴心轨迹有切口的情况下, 惯例是采用“空白一亮”表示。空白指示切口开始, 亮指示切口结束。因此, 在图11中, 涡动方向是顺时针的。

轴旋转的方向是顺时针或逆时针取决于视图方向。如果涡动方向与旋转方向相同, 就认为是正向涡动, 反向涡动就是指涡动方向与旋转方向相反。在图11中, 由于旋转方向和涡动方向都是顺时针的, 是正向涡动。

4.2.7轴心平均位置

为了确定轴心平均位置, 位移传感器经常用偏心率表示套筒轴承的相对载荷。由测量信号的直流部分 (即间隙) 测量出的轴颈在轴承中的监测大型机器时是非常有用的。轴心平均位置可以确定合适的轴承抬高量以及正确的轴位置。但是, 需要注意的是, 应避免由于长时间的直流信号的漂移造成的误描述。

4.2.8瞬态振动

变速瞬态振动通常是描述机组在开机和停机期间得到的振动信息。振动数据通常显示成如级联图 (瀑布图) 、波德图、极坐标图 (奈奎斯特图) 、坎贝尔图等格式。

结构的瞬态振动发生在被一瞬时力激励 (该力可能是单个脉冲或一个短时振荡激励) , 当激励停止时, 结构趋向于它的固有频率振动, 系统中的阻尼导致它按指数衰减。

因此, 在激振力停止后结构响应的时间历程是一衰减的正弦波集合。图12给出一个衰减正弦波示例。由于系统的固有模态叠加的复合波形是被瞬时强迫力同时激起的, 一般而言, 比较高的频率分量衰减较迅速, 较高的频率的模态很快被衰减掉, 合成波形逐渐退化为一最低频率模态的有阻尼正弦响应。

滚动轴承的故障通常可以检测到由于球或轴承圈的缺陷引起的重复的高频瞬态响应。

4.2.9脉冲

脉冲响应是机械系统对一冲量的振动响应的时间历程, 此冲量可以表示为F1·dt从t到 (t+Δt) 内的积发, 力F1作用在一个非常短的时间周期Δt内, 见图13。

在许多情况下, 脉冲响应用于识别固定结构的共振频率。

4.2.10阻尼

阻尼是指通过它振动运动被转化为其他形式的能量 (通常是热) , 导致振动的幅值衰减的作用。阻尼的大小c, 一般与振动速度成比例, 即使不是这样的关系, 为了数学分析方便, 它常被假设为这样的关系。系统有一个临界阻尼cc, 它是系统不振荡地恢复到它的平衡位置所要求有的最小阻尼。如果系统的阻尼小于临界阻尼, 系统将作衰减振荡 (见图14和ISO2041) 。对多自由度系统, 一些模态可能小于临界阻尼, 也有些可能大于临界阻尼。

如果一个特定模态的衰减振动的幅值X, 对时间作图, 对数衰减率d可以表示为:

式中n———振幅由X1衰减到Xn+1的循环数。

损耗因数是系统相对阻尼的普通量度。对数衰减率d与

损耗因数h有关, 即h=d/π。

损耗因数也可通过衰减率X′ (每秒分贝) 求出如下:

式中fn———固有频率, 单位为赫兹 (Hz) 。

系统中阻尼的大小c可以用Q表示, Q值是在无阻尼固有频率时的品质因数。品质因数是频率的函数, 是系统动态位移幅值与系统的静态位移 (假如系统被施加一相同量值的恒定的力时) 幅值的比。假如在模态之间没有明显的相互作用, 对于一个特定模态, Q可以由下式得到:

从测量手响应曲线, 在每一个曲线的两侧, 对一个特定的模态Q值可能接近于共振频率fr与半功率点 (0.707倍最大幅值) 两处的频率差的比值。

式中fr———共振频率

Δf=f2-f1———f1和f2是半功率点处的频率

品质因数与对数衰减是通过以下近似关系联系在一起的。

注:如果阻尼很小, Q=1/h。

作为例子, 图15显示了一个从波德图推导Q因数的典型的表示方法。相似的结果可能通过极坐标图得到。

研究旋转机械振动的原因和影响时, 阻尼是一个有用的量。一个接近工作转速的模态要有足够的阻尼, 因此不产生较大的响应时才可以被接受。同样, 阻尼非常小的模态可能非常灵敏, 以致机器响应剧烈, 或者甚至不能通过共振转速。

4.2.11时域平均

每一个信号都包含有与被监测的机器或设备的过程或运动同步的分量, 也有非同步的分量 (有独立于被观测系统之外的来源) 。这些分量可以通过频率分析被分离出来 (见4.3) 。另外一个通用的适用于识别这些事件的技术称为时域平均。在这个过程中, 通过一个参考脉冲或一个触发使每一个数据样本与不同的旋转成分同步。这个平均可以是几个样本到200多个样本在时域中计算, 并且一个谱可以权基于合成的平均时间波形得到。那些与参考信号非同步的时间信号相互之间会逐步渐进地抵消。平均越多越好, 平均次数依赖于应用的需要。

在时域平均时, 每一个记录对应的样本实际是代数相加, 然后除以记录个数。其结果是所要求的重复的波形保存完整, 而所有其他的平均趋于0 (包括其他的重复波形) 。它们衰减的速率等于平均次数的平方根。

注:100次 (个记录) 平均将减少9/10多余的信号;10000次 (个记录) 平均将减少99/100多余的信号。

时域平均可用来识别多转子机器中引起振动的转子。还可以用来检测各种故障, 如造纸机械中失效的齿轮、叶片和滚轮等。

时域平均虽然非常有效, 但不能显示异步事件, 如滑动轴承故障。

频率谱的平均法一般要求稳态的振动状态。如果有一个非稳态的激励频率或变化的转速, 简单的时域平均不再适用。取而代之的是, 信号需要在激励过程的恒定的间隔内采样 (如等转角间距或其他位置, 这可以通过编码器来做) 。频率变换的结果是阶比谱代替了频率谱。对脉冲响应信号, 平均法可以在时域通过事件触发来执行, 如被激励脉冲调节的触发器。

设备振动监测技术的应用 篇7

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。

汽轮机组振动监测系统探析 篇8

1 系统需求分析

当前, 我国多数汽轮机组振动监测硬件均为进口产品, 所配套监测及故障诊断软件所需价格较高, 若采购汽轮机组时每台都配套进口监测软件将导致机组的成本大幅提高。为此, 必须加快汽轮机组振动监测系统的研发力度。具体而言, 应满足如下需求。

1) 满足电厂多机组同时监测, 保障多通道信号同步采集、传输、分析与存储。

2) 能够对所采集数据进行同步显示、报警等多项功能。

3) 具有较快的信息存储能力与完备的数据库, 且可靠性高, 能够及时发现故障, 并满足不同类型的故障事后分析。

在系统开发过程中, 应结合电厂的具体情况及功能需求, 利用现有技术条件, 对系统开发方案进行确定, 如开发环境、工具, 硬件设备、系统开发框架的构建等。同时, 构建能满足系统功能需求的数据库, 明确软件框架, 打造友好的界面, 结合硬件编程, 实现软件的多项功能。最后进行现场调试, 直至系统满足现场的各项功能需求。

2 系统框架的构建

以现场监测需求及功能需求为依据, 为了满足现场监控的要求, 系统主要包括采集站、监测中心、诊断中心等, 本文完成了采集站、监测中心两大部分。其中, 采集站能够灵活地选择信号, 可对源自传感器的信号及二次输出信号进行接收, 可对汽轮机组的振动信号进行采集。而监测中心负责对所采集振动信号进行显示、报警, 并对数据库加以管理。故障诊断中心负责利用网络连接各个电厂, 除了对各电厂加以监控, 还能够为各电厂提供相应的振动故障诊断, 因而极大地提高了故障监测与诊断的效率。系统框架图见图1所示。

3 系统软件设计与实现

3.1 下位机软件的设计与实现

下位机软件负责采集汽轮机组的振动信号, 确保其可靠性及所采集信息的科学性。该部分设计包括数据采集模块、信号即时显示模块、报警模块三大模块。

其中, 数据采集模块负责将连续的模拟信号, 成功地转化为计算机能够接收的离散信号, 包括两大步骤, 一是借助于传感器NI采集设备进行采样, 将模拟信号分别分为时间间隔相同的离散信号, 并进行采集, 并实现A/D转换, 将离散的信号重新加以编码, 获取计算机可识别与处理的数字化信号。在现场测试过程中, 要求采样的频率取值较理论值高, 通常为最高信号频率的2~5倍。

对于数据采集模块而言, 首先需要对参数进行配置。在对汽轮机组的振动信号加以采集过程之前, 应结合具体监测需求, 在软件中对采样所需参数, 如采样频率、采样点数、频率分辨率、灵敏度、传感器类型等进行设定。具体监测要求汽轮机组的稳态转速达到3000r/min, 且分析频宽超过基频的8倍, 频率的分辨率不超过1Hz。以采样频率Fs为例, 为了确定该值应结合电厂的具体需求, 针对汽轮机组的工作转速, 明确基频在50Hz左右。结合经验数据, 要求分析频宽为基频10倍, 因此, 要求分析频宽FA应不小于50×10=500Hz。结合分析频宽FA、采样频率FS间的关系:FS=2.56×FA, 确定FS应不小于2.56×500=1280Hz。依据采集板卡, 默认采样频率FS=2048, 能够满足汽轮机组信号分析的要求。明确各参数之后, 结合下位机软件参数设置选项, 分别对各参数加以设定, 以便采集相关数据。系统下位机主要采用固定频率采样方法, 默认采样的频率2048, 点数2048。

就信号即时显示模块而言, 其主要包括转速、实时波形、数据列表显示等内容。借助于该模块能够对各通道所采集时域信号进行即时显示。操作人员能够第一时间借助于波形信号对NI采集仪是否顺利工作, 以及所采集信号正确与否进行判断, 还可借助于信号幅值对汽轮机组是否正常运行进行判断。

3.2 数据库的设计与实现

本文采用的是SQL SERVER数据库, 对系统所有测点、运行参数、信息等分别进行存储, 为系统的即时监测、设备的维护维修提供了依据。数据库所设计的优劣直接关系了系统的优劣, 在数据库服务器上, 所存储的机组信息, 如系统参数、机组运行数据等信息, 都是系统运行和分析的基础。数据库设计包括如下内容:机组信息、参数配置、历史、用户信息、报警等数据库类型。

数据库字段主要包括用户名、密码、级别, 存储的时间、路径、峰值、均值、有效值、转速等, 随着功能的拓展, 可在数据库中对各表格进行添加。数据库作为系统故障监测、分析软件中的重要组成部分之一, 其数据存储过程中保障数据的完整性、全面性十分重要。其存储方式依据下位机同服务器之间的连接包括网络存储、本地存储两种。

而应用程序同数据库服务器之间的通讯主要是采用本地通讯、远程通讯两种方式。前者要求下位机软件、数据库、上位机软件都安装在相同的电脑上, 无需网络连接, 即可借助于visual studio所提供的程序实现通讯, 通讯方式有3种:1) 借助于ODBC数据提供相应程序的ODBC形式;2) 借助于SQL SERVER数据, 提供SQL SERVER直连形式;3) 借助于OLE DB数据, 提供OLE DB形式。经对比表面, 第二种连接方式速度最快, 因而采用第二种方式进行通讯。后者指下位机软件、数据库、上位机软件安装在不同电脑上时, 借助于局域网络实现连接, 需要将数据库服务器电脑防火墙等进行关闭, 防止数据库连接过程中被阻断。打开SQL远程连接功能, 将服务器登录模式进行修改, 成为Windows身份、SQL Server验证。经设置后借助于SQL连接字符串, 实现局域网中的通讯。

3.3 上位机软件的设计

上位机软件负责机组运行状态的监控及故障原因的事后分析。系统上位机软件包括如下模块:界面监控、数据库管理、信号分析、动平衡分析等四大模块, 其中, 信号分析模块属于核心。所设计软件可同时对四台机组进行即时监控。

1) 界面监控模块。通过软件的主界面, 对机组的模型进行观察, 了解各位置振动情况。该模块分别从时域、频域信号分析两大部分入手, 对振动信号展开监测、分析、显示。通过对服务器读数据进行系统分析, 将振动参数即时显示在主界面之上, 若通道峰峰值小于所设定的报警值时, 对应通道峰峰值的字体颜色会变为绿色, 若高于报警值, 所对应峰值字体变为黄色。依据所设定报警值程度:绿色 (正常) , 黄色 (严重) , 红色 (危险) , 就可对机组振动情况进行监控。

2) 动平衡分析模块。该模块结合影响系数法来进行分析, 包括单面动平衡、双面动平衡两部分, 结合机组振动相位、幅值, 能够找到最佳配重位置, 并以数值、图形方式对计算结果进行显示。

3) 信号分析模块。该模块从时域、频域两方面对机组振动信号加以分析, 对多数故障进行在线、离线分析, 包括整体监测、趋势、报表、时域、频域、轴心分析等。以频谱分析为例, 对时域的波形展开频谱分析, 可得信号中各谐波分量的幅值、频率等。以频率、振幅分别作为横、纵坐标, 将结果进行绘制, 可得频谱图, 用以对机组故障进行分析、诊断。

如今, 该系统已经在某电厂中得到了应用, 经多次模拟测试、现场实际测试, 该系统软件已经得到了不断改善, 具有一定的推广和应用价值。

参考文献

[1]施圣康.汽轮发电机组振动故障诊断技术的发展现状[J].动力工程, 2010, 21 (4) :1295-1298.

[2]蒋东翔, 倪维斗, 于文虎, 等.大型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与诊断网络系统[J].动力工程, 2009, 19 (1) :149-152.