故障累积效应对机械系统振动特性的影响

沙永东， 李晓豁， 侯 静

(辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000)

故障累积效应对机械系统振动特性的影响

沙永东， 李晓豁， 侯 静

(辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000)

为保证机械系统安全稳定的运行、延长设备的使用寿命，需要消除机械系统的瞬时故障。通过时间－故障率曲线，分析瞬时故障累积效应对机械系统性能的影响，提出了采用阻尼技术消除机械系统瞬时故障的方法。阻尼材料在系统运行中可以减少或吸收瞬时冲击能量和振动，避免瞬时故障累积效应对系统产生的不利影响，确保了机械系统安全、稳定地运行。

机械系统;瞬时故障;累积效应;振动特性

机械系统故障通常划分为永久性故障和瞬时故障。永久性故障一旦发生，将导致系统功能失效。瞬时故障通常由系统的内外部条件变化或环境干扰而引起的，持续时间一般不会超过几毫秒，不会引起系统故障，生产中常常被人们所忽视［1］。系统的瞬时故障在现实中大量存在，长时间的累积必然产生累积效应，如果不及时消除，势必导致系统性能的快速衰退，降低系统使用寿命，造成严重的经济损失。

1 瞬时故障的累积效应

对机械系统的瞬时故障累积效应进行分析，机械系统的动态方程如下所示:

其中，X∈ n，Y∈ m，u∈r分别为系统的状态向量、测量向量和控制向量，ω和ν为相互独立的高斯白噪声序列［2］。

当机械发生瞬时故障时，会在瞬间对系统产生一个微小扰动，用rn(tn)表示。此时机械系统的状态方程为

由式(2)、(3)可知，随着系统瞬时故障rn(tn)的不断发生，随之产生的微小扰动Rn(tn)也不断累积。瞬时故障累积效应达到某一临界点时，便发生系统故障。

2 瞬时故障对机械系统寿命的影响

系统寿命是衡量一个系统价值的重要标准，通过时间(t)－故障率(y)曲线，可直观明显地看出瞬时故障累积效应对系统寿命的影响。如图1所示，曲线1为系统受到瞬时故障累积效应影响下的时间－故障率曲线，曲线2为系统正常运行老化的时间－故障率曲线。比较曲线1和曲线2可以发现，系统运行初期，瞬时故障对系统的影响十分微小，趋近于0;随着瞬时故障的不断累积，累积效应日益凸显，在t1时刻故障率突然迅速升高，导致系统故障，t1时刻所对应曲线1上的点称为瞬时故障累积效应爆发点。系统的瞬时故障累积效应，使系统寿命减少了t2－t1时长。另外，在t1时刻后两曲线处于同一故障率时，曲线1的斜倾角α明显大于曲线2的斜倾角β，说明系统在t1时刻后受瞬时故障累积效应影响，故障率变化速率加快，系统性能快速衰退。

图1 时间－故障率曲线Fig.1 Time-failure rate curves

3 瞬时故障对系统振动特性的影响

现实中的很多机械系统如起重机、机床、有偏心转子质量的旋转机械和有支撑点运动的机械等，其机械系统的动力学模型，都可简化为单自由度或二自由度的质量－弹簧－阻尼系统［3］。下面以典型的单自由度质量－弹簧－阻尼系统模型为例，分析瞬时故障累积效应对机械系统振动特性的影响。质量－弹簧－阻尼系统的微分方程为

当系统中产生瞬时故障时，其微分方程变为

根据式(5)建立如图2所示的Simulink仿真模型。设定各参数值:m=20 kg，k=6 500 N/m，c= 200(N·s)/m，当系统所受激振力为10 sin(5t－60°)时，得出系统未受瞬时故障影响和受到瞬时故障累积效应影响后的振动波形，如图3所示。

图2 单自由度质量－弹簧－阻尼系统振动仿真模型Fig.2 Single freedom quality-spring-damping vibration system simulation model

图3 单自由度质量－弹簧－阻尼系统振动仿真结果Fig.3 Single freedom quality-spring-damping vibration system simulation results

由图3仿真结果可以看出，系统未受瞬时故障累积效应时，振动比较平稳，振幅较小。随着系统瞬时故障对系统产生扰动的累积，系统开始逐渐显现故障征兆。当系统的瞬时故障累积到一定程度，便会产生瞬时故障累积效应，振动曲线多呈锯齿形，振幅显著增大。机械系统如果长期受瞬时故障累积效应的影响，必然使故障率急速增大，系统寿命大大缩短，将给生产造成巨大的经济损失。

4 瞬时故障累积效应的消除

图4为系统采用阻尼技术前后，瞬时故障产生瞬间对系统振动特性的影响。

图4 瞬时故障产生瞬间对系统振动特性的影响Fig.4 Instantaneous causing trouble for system vibration characteristics instant impact

机械系统之所以会产生瞬时故障，是因为系统在运行过程中经常产生过载物理量。采用阻尼技术对系统产生的过载物理量加以抑制或使其衰减，可以消除系统的瞬时故障累积效应对系统性能的影响［4］。为了降低或消除瞬时故障累积效应对系统振动特性的影响，可将大阻尼黏性材料和弹性材料粘贴于机械系统的真胴体表面，使其与系统一起振动。通过对比可以看出，阻尼材料在与系统一起振动时，可大量损耗振动能量，减少并吸收瞬时的冲击能量和振动，降低机械系统的振动幅度，消除或大大降低系统的瞬时故障累积，避免系统产生瞬时故障累积效应。

5 结束语

瞬时故障的累积会增大机械系统故障率，缩短系统的使用寿命。仿真结果表明，瞬时故障累积效应对机械系统的振动特性具有直接影响，随着系统瞬时故障的累积，机械系统的振动特性会不断劣化。采用阻尼技术可极大地降低或消除系统的瞬时故障，避免瞬时故障的累积，延长系统的使用寿命，优化系统的振动特性，为系统的长期、可靠运行提供了必要的保障。

［1］李建立，谭庆平，徐建军.一种辐射环境下瞬时故障的软件检测方法［J］.计算机工程与科学，2010，32(3):115－118.

［2］王仲生.智能故障诊断与容错控制［M］.西安:西北工业大学出版社，2005:66－68.

［3］席平原.基于Simulink的机械振动系统仿真［J］.机床与液压，2005(6):175－176.

［4］王文娟.机械振动分析的Matlab/Simulink仿真研究［J］.计算机应用，2006(24):46－48.

［5］王 南，张庆恒.汽车发动机在线监测与故障诊断系统设计［J］.河北工程大学学报，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，Fuxin 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

国家自然科学基金项目(51104082);中国煤炭工业科技计划项目(MTKJ2009－262)

沙永东(1980－)，男，辽宁省大连人，讲师，博士研究生，研究方向:现代机械设计理论与方法，E-mail:shayongdong@163.com。

(编辑李德根)