实验模态和有限元分析的轧机故障诊断

2015-03-18□杨玻

产业与科技论坛 2015年12期

□ 杨玻

随着结构故障技术的发展，实验模态和有限元分析作为故障诊断的重要方法也得到了广泛的应用。在处理结构振动问题时，需要了解结构的动态特性，基于实验模态分析能够掌握动态特性参数，对理论计算结果进行校验，使分析精度得到保证。有限元方法计算能够得出结构的动态特性参数，但建立模型时需要加入人为假设，难以与实际结构情况相匹配，计算结果与实际情况往往存在一定偏差，实验模态分析基于实验得到的参数更为准确，二者结合能够使故障诊断更为准确，符合结构的实际情况。

一、实验模态与有限元分析概述

因为振动模态是弹性结构的特性之一，利用模态分析可以掌握结构的模态特性，从而了解结构在振源作用下的振动响应情况，所以模态分析是轧机等设备故障诊断的有效方法。首先，对静止状态下的结构物人为激振，测量其激振力和振动响应，通过FFT分析得到机械导纳函数，然后利用模态分析理论对函数曲线拟合，识别模态参数，建立模态模型，最后基于模态叠加原理能够预言结构物振动响应历程。

模态分析主要有四个过程，一是施加一定动态激励来采集动态数据，需要采取一定的激励方法如瞬态激励、稳态激励对结构物进行动态激励，用相应的识别方法获取模态参数，并进行谱分析等时域或频域信号处理。二是要建立结构数学模型，基于现有条件建立模型，为识别参数提供依据。三是要利用频域法、时域法等方法进行参数识别，需要注意参数识别方法与激励方法相对应，对结果准确性起决定性作用的是频响数据的可靠性。四是得出结构模态参数模型，用动画的方法在几何形状上叠加振形。在模态分析的过程中，需要激振拾振装置、FFT分析仪、计算机等硬件和模态分析软件的支持。

结构动力修改包含两个含义，其一是结构设计修改会产生怎样的动力学特性变化，其二是要求结构动力学参数实现特定转变，如何修改结构设计。有限元计算模型内较容易完成第一个含义的修改，而第二个含义的修改处理难度较大，由于结构具有复杂性，通常需要基于实验模态分析进行处理。实验模态分析与有限元分析的结合，一般是基于有限元分析模型确定模态实验测量点、激励点等，对测试模态参数辨识命名，基于实验模态分析结果修改有限元分析模型，基于有限元模型仿真分析模态实验条件引起的误差，消除附加质量、刚度等引起的误差，并可分析解决模态实验中出现的问题。其中利用实验模态分析结果对有限元分析结果进行校正，主要是修正结构设计参数、子结构校正因子、结构矩阵元素以及刚度矩阵、质量矩阵的修正。

二、实验模态和有限元分析在轧机故障诊断中的应用

(一)轧机故障情况。某台热连轧机运行中出现异常振动现象，使机架和液压系统的稳定运行受到干扰，需要及时诊断轧机异常振动原因，并采取措施加以排除，以保证设备和人员安全，严格控制产品质量。

(二)轧机故障原因分析。热连轧机异常振动的原因一般是机架摩擦力状况不佳、阀架和连接部位松动、辊缝测试用位移传感器松动、伺服系统功能异常等。为准确掌握该热连轧机异常振动的真实原因，利用实验模态和有限元分析方法，对热连轧机机架和传感器壳进行现场测试，得到相应的模态特性数据，进而找到异常振动原因，并制定解决措施，使轧机故障得以排除。

(三)具体处理过程。第一步，对轧机进行实验模态测试。传感器壳固定于该热连轧机机架上，因此需要考虑机架振动后才能考虑传感器壳振动，还需考虑位移传感器杆的运动。基于热连轧机受力特点，根据载荷传递系统将轧机分为两个系统进行振动分析，其一是轧机主传动系统，主要是扭转振动，其二是轧机工作机座系统，主要是垂直振动。动力学特性测试的目的是找到异常振动的原因，因此需要了解机架、传感器壳、传感器杆、液压压下系统等部位的动力学特性，实验模态测试选用带力传感器的大力锤用多点多次瞬态激励方法进行动态激励，采样记录力脉冲信号和响应信号，利用计算机处理获得直接导纳与传递导纳。在正式测试前要试敲，以合理确定敲击点位置和力脉冲大小、时间等参数，测试仪器包括模态测试分析仪、大力锤、数据采集分析仪、电荷放大器、加速度计等。机架测试选择单点激励6点响应的方式，传感器壳采用单点激励9点响应的方式，分别设置6个和9个响应点，各响应点均布置3向加速度计，记录激励信号和响应信号，进而计算出频响函数，得出模态频率。根据这些结果可以得出:机架振动响应和传感器壳振动响应都为垂直振动，且存在117Hz固有频率，符合自激振动的特点，因此可得出热连轧机异常振动的原因是机架、传感器壳的自激振动，进一步引起了传感器杆和壳的不合理相对运动。

第二步，对轧机进行动力学修改。确定问题根源后，需要进行动力学优化修改，考虑到传感器壳体积小，将其作为动力学修改对象。一是需要建立传感器壳的动力学模型，基于实验模态分析结果对有限元模型进行修正，比较分析实验模态参数和计算所得的模态特性，修正验证模型的正确性，二是基于有限元分析指导传感器壳的动力学修改。三是确定修改方案为减小传感器壳底圆盘开孔尺寸，增加其刚度，方案实施后进行现场检验，该台热连轧机运行平稳，未再出现异常振动现象，故障排除。