基于應(yīng)變能的振動(dòng)篩橫梁在線損傷識(shí)別

朱 艷，李曙生，曹元軍

(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

基于應(yīng)變能的振動(dòng)篩橫梁在線損傷識(shí)別

朱 艷，李曙生，曹元軍

(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

為快速、準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)篩橫梁的在線損傷位置，提出了基于應(yīng)變能歸一化算法的在線損傷識(shí)別方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩橫梁在線損傷的識(shí)別，且能夠快速、準(zhǔn)確地識(shí)別損傷位置，對(duì)其實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)有一定的指導(dǎo)意義。

振動(dòng)篩橫梁；損傷識(shí)別；應(yīng)變能；歸一化算法

煤炭對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用，振動(dòng)篩是煤炭篩分的重要工具[1]，因此保證振動(dòng)篩的正常運(yùn)行對(duì)于煤炭高效篩分有重要意義。振動(dòng)篩運(yùn)行時(shí)振動(dòng)頻率較高，振動(dòng)篩橫梁既要承受較大的交變激振力，又要承受物料的重力和沖擊，很容易產(chǎn)生疲勞裂紋[2]。如果疲勞的振動(dòng)篩橫梁在短時(shí)間內(nèi)斷裂，不但會(huì)影響正常生產(chǎn)，而且會(huì)給工人生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，因此對(duì)振動(dòng)篩橫梁裂紋的快速、準(zhǔn)確識(shí)別顯得尤為重要。

基于模態(tài)分析的損傷識(shí)別方法[3-5]在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的診斷效果。但是該方法只能在設(shè)備停歇期間對(duì)其進(jìn)行診斷，且具有一定的滯后性，不但使設(shè)備使用效率下降，而且不能起到及時(shí)預(yù)防的作用。基于應(yīng)變歸一化算法的損傷識(shí)別方法使振動(dòng)篩橫梁在線損傷識(shí)別成為可能。將振動(dòng)篩橫梁簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁，在對(duì)其各檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)變能進(jìn)行歸一化處理的基礎(chǔ)上得到應(yīng)變能損失指標(biāo)，通過對(duì)比各檢測(cè)點(diǎn)損傷前后的應(yīng)變能損失指標(biāo)變化，快速、準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)篩橫梁在線損傷位置。

1 應(yīng)變能歸一化算法

1.1 損傷識(shí)別模型的建立

振動(dòng)篩是一種振動(dòng)頻率較高的篩分設(shè)備，其工作過程中橫梁要承受很大的外力作用，很容易產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而發(fā)生斷裂，給設(shè)備正常運(yùn)行和工人人身安全帶來很大威脅。為了快速、準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)篩橫梁在線損傷位置，及時(shí)預(yù)防不安全事故的發(fā)生，需要對(duì)其受力和各檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)變能進(jìn)行分析。振動(dòng)篩橫梁簡(jiǎn)化后的受力模型如圖1所示。

F—簡(jiǎn)支梁受力； L—簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度;x—簡(jiǎn)支梁某點(diǎn)到端面的距離

根據(jù)材料力學(xué)分析可知：

(1)

(2)

(3)

式中：w(x)為擾度，mm；E為彈性模量，MPa；I為慣性矩，kg·m2；M(x)為彎矩，N·m；σ(x)為應(yīng)力，MPa；W(x)為抗彎截面系數(shù)，mm3；ε(x)為應(yīng)變。

振動(dòng)篩橫梁為等截面矩形梁，其抗彎截面系數(shù)為常數(shù)，可用式(4)表示。

(4)

式中：W為抗彎截面系數(shù)，mm3；b為矩形截面的寬度，mm；h為矩形截面的高度，mm。

整理式(1-4)，可得：

(5)

振動(dòng)篩工作時(shí)，如果橫梁出現(xiàn)疲勞裂紋，將會(huì)導(dǎo)致裂紋附近區(qū)域的剛度減小，擾度增大。由式(5)可知，擾度與應(yīng)變成正比，所以裂紋處的應(yīng)變也會(huì)增大。因此，可利用振動(dòng)篩橫梁損傷前后各檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)變能的變化來識(shí)別其損傷位置。

綜合式(1-5)可得到振動(dòng)篩橫梁不同位置的應(yīng)變能，定義其任意截面處的應(yīng)變能為

(6)

式中：Eε為振動(dòng)篩橫梁任意截面處的應(yīng)變能；T為采樣時(shí)間，s；ε(t)為應(yīng)變；t為時(shí)間， s。

1.2 操作方法

(1)在振動(dòng)篩橫梁上選取n個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，通過應(yīng)變片傳感器測(cè)量不同檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)，通過式(6)計(jì)算各檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變能，其離散形式為

(7)

式中：Eε(j)為檢測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變能；εi(t)為應(yīng)變；Δt為采樣時(shí)間間隔，s；N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(2)對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)變能進(jìn)行歸一化處理，可得到應(yīng)變能損失指標(biāo)Kdr，

(8)

式中：n為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(3)對(duì)比各檢測(cè)點(diǎn)損傷前后Kdr的變化，檢查變化較大的檢測(cè)點(diǎn)是否存在損傷，判斷振動(dòng)篩橫梁具體損傷位置。

2 可行性驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

以橫梁長(zhǎng)為635 mm、寬為10 mm、高為15 mm的直線振動(dòng)篩模型為對(duì)象，驗(yàn)證基于應(yīng)變能歸一化算法的損傷識(shí)別方法的可行性。實(shí)驗(yàn)裝置由簡(jiǎn)支梁、激振器、應(yīng)變片、電橋轉(zhuǎn)換電路、PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1—激振器；2—應(yīng)變片；3—簡(jiǎn)支梁

將接觸式激振器安裝在支架上，調(diào)節(jié)激振器的高度，使其接觸頭對(duì)簡(jiǎn)支梁產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，以激振桿上的紅線與激振器端面齊平為宜。在簡(jiǎn)支梁表面先后鋸出一、兩條微小縫隙來模擬疲勞裂紋，并在其上均勻的選取9個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上下對(duì)稱位置布置兩個(gè)應(yīng)變片，將應(yīng)變片接入電橋轉(zhuǎn)換電路(圖3)。電橋轉(zhuǎn)換電路將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)后輸出，輸出信號(hào)可用式(9)表示。

(9)

式中：E0為電橋輸出電壓，V；S為應(yīng)變片靈敏度；Ei為電橋輸入電壓，V；ε為應(yīng)變。

R—電橋固定電阻；R1、R2—應(yīng)變片電阻；Ei—電橋輸入電壓；Eo—電橋輸出電壓

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用Labview虛擬儀器軟件平臺(tái)[6-8]，對(duì)式(6)—(8)進(jìn)行編程，應(yīng)變數(shù)據(jù)采樣程序[9-10]如圖4所示，故障分析處理程序如圖5所示。

圖4 應(yīng)變數(shù)據(jù)采樣程序

圖5 故障分析處理程序

通過計(jì)算可得到簡(jiǎn)支梁應(yīng)變能損失指標(biāo)的變換曲線，對(duì)比不同檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變能損失指標(biāo)，判斷其具體損傷位置。裂紋位于0.6L處的簡(jiǎn)支梁應(yīng)變能損失指標(biāo)變化曲線如圖6所示。由圖6可知：遠(yuǎn)離簡(jiǎn)支梁損傷位置(0.6L處)的檢測(cè)點(diǎn)Kdr是負(fù)值，而簡(jiǎn)支梁損傷位置的檢測(cè)點(diǎn)Kdr是正值，且Kdr最大并伴有拐點(diǎn)。

圖6 裂紋位于0.6 L處的應(yīng)變能損失指標(biāo)變化曲線Fig.6 Curve of strain energy loss index change when crack is in 0.6 L

裂紋位于0.4L、0.6L處的簡(jiǎn)支梁應(yīng)變能損失指標(biāo)變化曲線如圖7所示。由圖7可知：對(duì)于多裂紋簡(jiǎn)支梁來說，每個(gè)裂紋處(0.4L、0.6L)的Kdr都最大且伴有拐點(diǎn)。

圖7 裂紋位于0.4 L、0.6 L處的應(yīng)變能損失指標(biāo)變化曲線

對(duì)于簡(jiǎn)支梁來說，無論是存在一處還是多處裂紋，只要存在裂紋，裂紋處的應(yīng)變就會(huì)增大，應(yīng)變能損失指標(biāo)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，根據(jù)其變化即可準(zhǔn)確判斷損傷位置。這說明基于應(yīng)變能歸一化算法的損傷識(shí)別方法具有很大的可行性，可為振動(dòng)篩橫梁實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)提供一定理論依據(jù)。

3 結(jié)論

以簡(jiǎn)支梁應(yīng)變信號(hào)為基礎(chǔ)，建立基于應(yīng)變能歸一化算法的振動(dòng)篩橫梁在線損傷識(shí)別模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該方法可快速、準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)篩橫梁在線損傷的位置，具有很大的可行性，對(duì)其實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 劉傳志.我國(guó)主要選煤機(jī)械裝備現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J]. 煤炭技術(shù)，2004(4)：79-80.

[2] 李 軍.選煤廠篩分設(shè)備常見故障及處理方法[J]. 煤炭技術(shù)，2010(10)：112-113.

[3] 王璋奇,賈建援.懸臂梁裂紋參數(shù)的識(shí)別方法[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，2002(2)：225-227.

[4] 朱 艷,李曙生,范歡迎.基于Labview的振動(dòng)篩橫梁在線故障檢測(cè)[J].選煤技術(shù)，2012(6)：111-113.

[5] 陳曉強(qiáng)，朱宏平，王丹生，等.基于動(dòng)能密度和彎曲彈簧模型的裂紋梁損傷識(shí)別[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：城市科學(xué)版，2008(1)：52-54.

[6] 張 毅.虛擬儀器技術(shù)分析與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[7] 雷 勇.虛擬儀器設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[8] 陸綺榮.基于虛擬儀器技術(shù)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[9] 吳翠平，王晉才，楊小平，等.一種基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的煤泥浮選自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)[J]. 煤炭工程，2005(2)：78-81.

[10] 孫朝云，蘆 娜.基于LabVIEW的應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)數(shù)據(jù)采集與處理[J].通訊和計(jì)算機(jī)，2007，4(9)：30-32.

On-line damage identification of vibrating screen beam based on strain energy

ZHU Yan，LI Shu-sheng ，CAO Yuan-jun

(Taizhou Polytechnic College, Taizhou ,Jiangsu 225300,China)

To identify quickly, accurately on-line damage location, an on-line damage identification method is proposed based on the strain energy normalization algorithm, and then its feasibility is validated by experiment. The experimental results show that this method can quickly, accurately identify the damage location of vibrating screen beam to accomplish on-line damage identification; which can be significant for the real-time monitoring fault of vibrating screen beam.

vibrating screen beam; damage identification; strain energy; normalization algorithm

1001-3571(2015)01-0071-03

TD948.9；TH237+.6

A

2015-01-15

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.021

泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院博碩專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(TZYBS-14-3)

朱 艷(1985—)，女，江蘇省泰州市人，講師，從事機(jī)械故障診斷方面的研究。

E-mail：xiaoyanzhu1985@163.com Tel：15366717300