故障累積效應(yīng)對機械系統(tǒng)振動特性的影響

沙永東， 李曉豁， 侯 靜

(遼寧工程技術(shù)大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

故障累積效應(yīng)對機械系統(tǒng)振動特性的影響

沙永東， 李曉豁， 侯 靜

(遼寧工程技術(shù)大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

為保證機械系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行、延長設(shè)備的使用壽命，需要消除機械系統(tǒng)的瞬時故障。通過時間－故障率曲線，分析瞬時故障累積效應(yīng)對機械系統(tǒng)性能的影響，提出了采用阻尼技術(shù)消除機械系統(tǒng)瞬時故障的方法。阻尼材料在系統(tǒng)運行中可以減少或吸收瞬時沖擊能量和振動，避免瞬時故障累積效應(yīng)對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，確保了機械系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行。

機械系統(tǒng);瞬時故障;累積效應(yīng);振動特性

機械系統(tǒng)故障通常劃分為永久性故障和瞬時故障。永久性故障一旦發(fā)生，將導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效。瞬時故障通常由系統(tǒng)的內(nèi)外部條件變化或環(huán)境干擾而引起的，持續(xù)時間一般不會超過幾毫秒，不會引起系統(tǒng)故障，生產(chǎn)中常常被人們所忽視［1］。系統(tǒng)的瞬時故障在現(xiàn)實中大量存在，長時間的累積必然產(chǎn)生累積效應(yīng)，如果不及時消除，勢必導(dǎo)致系統(tǒng)性能的快速衰退，降低系統(tǒng)使用壽命，造成嚴重的經(jīng)濟損失。

1 瞬時故障的累積效應(yīng)

對機械系統(tǒng)的瞬時故障累積效應(yīng)進行分析，機械系統(tǒng)的動態(tài)方程如下所示:

其中，X∈ n，Y∈ m，u∈r分別為系統(tǒng)的狀態(tài)向量、測量向量和控制向量，ω和ν為相互獨立的高斯白噪聲序列［2］。

當機械發(fā)生瞬時故障時，會在瞬間對系統(tǒng)產(chǎn)生一個微小擾動，用rn(tn)表示。此時機械系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

由式(2)、(3)可知，隨著系統(tǒng)瞬時故障rn(tn)的不斷發(fā)生，隨之產(chǎn)生的微小擾動Rn(tn)也不斷累積。瞬時故障累積效應(yīng)達到某一臨界點時，便發(fā)生系統(tǒng)故障。

2 瞬時故障對機械系統(tǒng)壽命的影響

系統(tǒng)壽命是衡量一個系統(tǒng)價值的重要標準，通過時間(t)－故障率(y)曲線，可直觀明顯地看出瞬時故障累積效應(yīng)對系統(tǒng)壽命的影響。如圖1所示，曲線1為系統(tǒng)受到瞬時故障累積效應(yīng)影響下的時間－故障率曲線，曲線2為系統(tǒng)正常運行老化的時間－故障率曲線。比較曲線1和曲線2可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運行初期，瞬時故障對系統(tǒng)的影響十分微小，趨近于0;隨著瞬時故障的不斷累積，累積效應(yīng)日益凸顯，在t1時刻故障率突然迅速升高，導(dǎo)致系統(tǒng)故障，t1時刻所對應(yīng)曲線1上的點稱為瞬時故障累積效應(yīng)爆發(fā)點。系統(tǒng)的瞬時故障累積效應(yīng)，使系統(tǒng)壽命減少了t2－t1時長。另外，在t1時刻后兩曲線處于同一故障率時，曲線1的斜傾角α明顯大于曲線2的斜傾角β，說明系統(tǒng)在t1時刻后受瞬時故障累積效應(yīng)影響，故障率變化速率加快，系統(tǒng)性能快速衰退。

圖1 時間－故障率曲線Fig.1 Time-failure rate curves

3 瞬時故障對系統(tǒng)振動特性的影響

現(xiàn)實中的很多機械系統(tǒng)如起重機、機床、有偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)機械和有支撐點運動的機械等，其機械系統(tǒng)的動力學模型，都可簡化為單自由度或二自由度的質(zhì)量－彈簧－阻尼系統(tǒng)［3］。下面以典型的單自由度質(zhì)量－彈簧－阻尼系統(tǒng)模型為例，分析瞬時故障累積效應(yīng)對機械系統(tǒng)振動特性的影響。質(zhì)量－彈簧－阻尼系統(tǒng)的微分方程為

當系統(tǒng)中產(chǎn)生瞬時故障時，其微分方程變?yōu)?/p>

根據(jù)式(5)建立如圖2所示的Simulink仿真模型。設(shè)定各參數(shù)值:m=20 kg，k=6 500 N/m，c= 200(N·s)/m，當系統(tǒng)所受激振力為10 sin(5t－60°)時，得出系統(tǒng)未受瞬時故障影響和受到瞬時故障累積效應(yīng)影響后的振動波形，如圖3所示。

圖2 單自由度質(zhì)量－彈簧－阻尼系統(tǒng)振動仿真模型Fig.2 Single freedom quality-spring-damping vibration system simulation model

圖3 單自由度質(zhì)量－彈簧－阻尼系統(tǒng)振動仿真結(jié)果Fig.3 Single freedom quality-spring-damping vibration system simulation results

由圖3仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)未受瞬時故障累積效應(yīng)時，振動比較平穩(wěn)，振幅較小。隨著系統(tǒng)瞬時故障對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的累積，系統(tǒng)開始逐漸顯現(xiàn)故障征兆。當系統(tǒng)的瞬時故障累積到一定程度，便會產(chǎn)生瞬時故障累積效應(yīng)，振動曲線多呈鋸齒形，振幅顯著增大。機械系統(tǒng)如果長期受瞬時故障累積效應(yīng)的影響，必然使故障率急速增大，系統(tǒng)壽命大大縮短，將給生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失。

4 瞬時故障累積效應(yīng)的消除

圖4為系統(tǒng)采用阻尼技術(shù)前后，瞬時故障產(chǎn)生瞬間對系統(tǒng)振動特性的影響。

圖4 瞬時故障產(chǎn)生瞬間對系統(tǒng)振動特性的影響Fig.4 Instantaneous causing trouble for system vibration characteristics instant impact

機械系統(tǒng)之所以會產(chǎn)生瞬時故障，是因為系統(tǒng)在運行過程中經(jīng)常產(chǎn)生過載物理量。采用阻尼技術(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)生的過載物理量加以抑制或使其衰減，可以消除系統(tǒng)的瞬時故障累積效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響［4］。為了降低或消除瞬時故障累積效應(yīng)對系統(tǒng)振動特性的影響，可將大阻尼黏性材料和彈性材料粘貼于機械系統(tǒng)的真胴體表面，使其與系統(tǒng)一起振動。通過對比可以看出，阻尼材料在與系統(tǒng)一起振動時，可大量損耗振動能量，減少并吸收瞬時的沖擊能量和振動，降低機械系統(tǒng)的振動幅度，消除或大大降低系統(tǒng)的瞬時故障累積，避免系統(tǒng)產(chǎn)生瞬時故障累積效應(yīng)。

5 結(jié)束語

瞬時故障的累積會增大機械系統(tǒng)故障率，縮短系統(tǒng)的使用壽命。仿真結(jié)果表明，瞬時故障累積效應(yīng)對機械系統(tǒng)的振動特性具有直接影響，隨著系統(tǒng)瞬時故障的累積，機械系統(tǒng)的振動特性會不斷劣化。采用阻尼技術(shù)可極大地降低或消除系統(tǒng)的瞬時故障，避免瞬時故障的累積，延長系統(tǒng)的使用壽命，優(yōu)化系統(tǒng)的振動特性，為系統(tǒng)的長期、可靠運行提供了必要的保障。

［1］李建立，譚慶平，徐建軍.一種輻射環(huán)境下瞬時故障的軟件檢測方法［J］.計算機工程與科學，2010，32(3):115－118.

［2］王仲生.智能故障診斷與容錯控制［M］.西安:西北工業(yè)大學出版社，2005:66－68.

［3］席平原.基于Simulink的機械振動系統(tǒng)仿真［J］.機床與液壓，2005(6):175－176.

［4］王文娟.機械振動分析的Matlab/Simulink仿真研究［J］.計算機應(yīng)用，2006(24):46－48.

［5］王 南，張慶恒.汽車發(fā)動機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計［J］.河北工程大學學報，2008，25(4):92－94.

Influence of faults’cumulative effect on vibration characteristic of mechanical systems

SHA Yongdong， LI Xiaohuo， HOU Jing
(Mechanical Engineering College，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

The attempt to ensure the safe and stable operation of mechanical system and prolong the service life of the equipment involves removing transient faults for mechanical systems.This paper analyzes the impact of cumulative effect of the transient faults on the mechanical performance of the system through time-failure rate curve analysis of and proposes a method designed for eliminating transient fault for mechanical system using the damping technology.Damping materials stand out by reducing or absorbing impact energy and vibration of the instantaneous in the operation the system and overcoming adverse impact of cumulative effect of the instantaneous faults on system，thus ensuring the security and stability of mechanical system.

mechanical system;transient fault;cumulative effect;vibration characteristic

TH17

A

1671－0118(2012)02－0154－03

2012－02－24

國家自然科學基金項目(51104082);中國煤炭工業(yè)科技計劃項目(MTKJ2009－262)

沙永東(1980－)，男，遼寧省大連人，講師，博士研究生，研究方向:現(xiàn)代機械設(shè)計理論與方法，E-mail:shayongdong@163.com。

(編輯李德根)