机械系统振动变形分析方法研究*

别锋锋 裴峻峰 吕凤霞 刘金梅

(1. 常州大学机械工程学院；2. 东北石油大学中石油HSE重点实验室)

机械系统振动变形分析方法研究*

别锋锋**1裴峻峰1吕凤霞1刘金梅2

(1. 常州大学机械工程学院；2. 东北石油大学中石油HSE重点实验室)

提出了一种基于振动变形分析的工作状态特征提取方法，利用故障试验台证明了振动变形分析方法的有效性，然后对复杂机械系统的故障诊断方法进行研究。分析结果表明：振动变形分析方法能够全面、准确地将机械系统关键部件的状态特征提取出来，为故障精密诊断奠定基础。

机械系统 振动变形分析 故障诊断

现代机械系统的非平稳性和非线性特征决定了常规的振动监测和信号处理方法难以实现故障模式的精确定位[1]。复杂机械系统故障诊断的难点包括振动信号的准确获取和故障模式的共性匹配，在动力传动组件上体现的尤为明显[2]。

振动变形分析法是以有限的振动监测数据为输入量对机械设备系统进行监测和故障分析，通过建立系统的振动模型，显示被测设备整体或其关键部件的实际工作形态，为最终的精密故障诊断提供手段和依据。当前振动变形分析方法的研究仅局限于结构或几类典型的动设备系统(如汽车等的静、动态测试)，对于一般动设备系统的可视化研究与应用尚处于试探研究阶段[3,4]。将振动变形分析方法应用于复杂动设备故障诊断领域，以其多通道振动信号时频信息为系统故障诊断的基础，保证信息的准确性和全面性，以期实现复杂机械系统振动的精确监测和故障模式的准确定位。

笔者利用故障模拟试验台对振动变形分析方法的有效性予以论证，并对复杂机械系统(柴油发电机组)的故障诊断方法进行研究，以期从系统层面上进行振动分析，并由此获得关键部件的振动特征，为故障精密诊断奠定基础。

1 振动变形分析

1.1机械系统振动变形理论

振动变形分析是指通过系列实测振动分析系统实际工作时的振动变形，输出设备机体运转时的振型，从而对系统工况进行量化分析，其核心是对机械系统振动变形(Operation Deflection Shape，ODS)进行动态处理[5]。ODS分析是以测点信号所包含的时频成分为基础，研究系统在外界未知激励下的振动特性，其优势在于当无法确定输入量时可对系统做定性振动分析，输出结构或动设备系统运转时的工作振型[6]。ODS动态处理是以振动系统中某一点的响应代替激振向量，其传递函数为振动系统中某一点的响应与参考点响应的比值：

(1)

式中Tij(ω)——相对ODS值；

{Xi(ω)}——某个测量点的响应(ODS绝对值)；

{Xj(ω)}——参考点的响应(ODS参考值)。

可采用相干函数法对ODS分析的质量进行检验，相干函数Rij(ω)可表示为：

(2)

式中Gij(ω)——参考点i处Xi(ω)和测点j处Xj(ω)的互功率谱；

Gjj(ω)——测点j处Xj(ω)的自功率谱。

相干函数Rij(ω)的值越接近于1，信号的一致性越高[7]。利用式(1)并参考自功率谱的有效值，可以求得各实测点和模拟点的ODS绝对值：

(3)

相比于特征频率振动变形分析法，时域振动变形分析法可以系统地分析故障模式，并对振动信息的传播途径进行判断，为振动激励下各子系统之间的关联性研究提供数据基础，因此在分析往复、旋转机械系统的振动特征时，利用时域振动变形分析法进行研究具备可行性。

振动变形分析步骤如图1所示，首先利用两点测试法获取振动信号{Xi(ω)}，然后对振动数据进行初步分析，计算Tij(ω)值；同步进行机械系统的仿真建模、特征参数的选择与模态分析；最后进行整体振动变形分析。

图1 振动变形分析步骤

1.2轴系故障模拟试验台振动变形分析

通过轴系故障模拟试验台来进行初步研究。在圆盘处模拟不平衡故障，设置两个振动测试点和两个模拟分析点，由式(1)、(2)获得部件FRF矩阵，对试验台进行整体ODS分析(图2)。ODS分析结果表明：当试验台轴系出现已知不平衡故障特征时，工作变形外形特征较为明显，且垂直径向动态变形比水平径向动态变形强(图3)。该方向实测信号与模拟分析结果吻合度较高，二者的相干函数如图4所示。

图2 轴系试验台故障模拟测试与ODS分析

图3 实测与ODS振动信号频谱图对比

通过有限的测点信息可以确定所需的多个关键部位的振动信息，从而解决因复杂系统故障诊断的信息量不足而导致的缺乏系统性的难题，利用ODS法在对轴系故障模拟试验台进行动态分析时这种优势有望为复杂机械系统的故障精密诊断奠定基础。

图4 实测与ODS振动信号相干函数

2 振动测试与分析

2.1结构分析与振动测点布置

选取柴油发电机组的动力传动系统作为研究对象，振动测试测点主要布置在柴油机机身部位、曲轴部位和联轴节部位(图5)。

图5 振动测点布置示意图

2.2振动实测分析

所测取的曲轴振动信号时域和时频图如图6

所示，3组信号在低频段(100Hz附近)分布较为类似。图6a为曲轴振动出现初期冲击故障特征时，220Hz频段出现能量集中；图6b为冲击特征加剧(幅值达到了10g)时，220Hz频率附近能量增大且更为集中；图6c为机组停机检修后监测信号，信号振动强度减弱，冲击成分变得分散，且220Hz频段能量消失。振动检测表明了轴系从出现故障、故障加剧、检修后正常的工作情况，其特征可以清晰地描述，但无法断定故障部位和故障模式，需要进一步进行系统振动变形分析。

a. 初期

b. 中期

c. 正常图6 曲轴部位振动实测时域与时频图

2.3系统振动变形分析

对柴油发电机组的模型设置3个振动测试点和5个模拟分析点来获得其整体工作情况，并以此为依据分析动力传动系统的受力平衡状态，从而完成系统工况的总体模拟和故障诊断。获得系统ODS加速度信号，分析模拟点振动特征以获取振型数据。

引入均布激励，对柴油机组模型整体进行振动变形动态分析，曲轴与机组整体工作变形如图7所示。由图7可知：剧烈的振动导致联轴节部(测点5和测点6)出现了较大的形变，推断该部位受力出现异常，可能是因为与之相配合的部件工作出现了异常。利用以上全部测点进行机组系统振动变形分析，得到联轴节-转子系统受力不平衡状态下机组系统的工作变形，由图7可知，机组发电机部分振动变形较为突出。

图7 曲轴与机组整体工作变形分析

由式(1)计算所测振动数据的ODS相对值，在两个特征频率段(220、100Hz)测点振动ODS绝对值与相干系数见表1。从表1可以看出：联轴节两端测点振动幅值偏大，且在220Hz附近变化较为明显；而当特征频段为100Hz时，幅值走势较为平稳。这表明联轴节附近振动出现异常，而220Hz附近可视为其故障特征频段。

表1 两个特征频段系统ODS分析结果

3 结论

3.1与实验模态分析相比，振动变形分析的分析精度较高，且其所需的激励可以由测试获取的有限点来提供，而不需要全面的测试作为支撑，更具实用性。

3.2振动变形分析有助于解决机械系统中关键部件的全面振动分析，通过若干实测测点信息可以确定所需要的多个关键部位的振动信息，从而解决复杂机械系统故障诊断的信息量不足和缺乏系统关联性分析的问题，为故障机理分析和精密诊断的实现奠定基础。

3.3振动变形分析法的精度取决于相干系数，而结构越复杂的非线性系统的传递函数动态特性越难准确衡量，因此所建立模型的精度是解决问题的关键，也是最终诊断精度的关键所在。

[1] 陈予恕，黄文虎，高金吉，等. 机械装备非线性动力学与控制的关键技术[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

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[3] Zhang C L, Li B, Yang Z B, et al. Crack Location Identification of Rotating Rotor Systems Using Operating Deflection Shape Data[J]. Science China Technological Sciences. 2013, 56(7): 1723～1732.

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[5] 程珩，赵远. 工作模态分析在减速器监测和诊断中的应用[J].振动、测试与诊断，2010，30(2):：197～200.

[6] 别锋锋，周国强，付强．基于振动可视化分析的机械故障诊断方法研究[J]. 振动、测试与诊断，2012，32(4)：661～664.

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StudyonVibrationDeformationAnalysisMethodforMechanicalSystem

BIE Feng-feng1, PEI Jun-feng2, LV Feng-xia1, LIU Jin-mei1

(1.CNPCHSEKeyLaboratory,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,China)

The vibration deformation analysis-based extraction method for working condition’s features was proposed; and making use of the fault simulation test rig, the effectiveness of vibration deformation analysis was proved, including the study on the complicated mechanical system’s fault diagnosis method. The analytical results show that this vibration deformation analysis method can entirely and accurately extract key components’ vibration feature of the mechanical system and lay the foundation for fault diagnosis.

mechanical system, vibration deformation analysis, fault diagnosis

*国家自然科学基金资助项目(51175051)，常州大学教师基金项目(ZMF13020051)，东北石油大学青年基金项目(2012QN119)，中石油创新基金项目(2013D-5006-0604)。

**别锋锋，男，1979年12月生，副教授。江苏省常州市，213016。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)02-0188-05

2014-07-18，

2015-03-19)

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