有轴螺旋输送机振动故障点预判分析

李 兵，张宏哲，李志勇，王秀珍

（郑州市污水净化有限公司，河南郑州 450046）

0 引言

螺旋输送机在运行过程中的径向力及摩擦力，对螺旋正常运行具有一定的影响，是构成螺旋刮蹭槽底或槽壁故障的主要原因。有轴螺旋在实际运用中，运行一段时间后会出现结构变形，导致刮蹭槽底或槽壁，最终造成有轴螺旋输送机出现故障。研究提出利用有限元仿真预判设备故障点，进行结构优化，利用有限元软件Solidworks 对有螺旋轴进行静载及负载状态分析，得出有轴螺旋在不同激振频率下的振型，通过振型变化判断有轴螺旋在不同负载状况下的状态，推断出有轴螺旋的故障点。

1 有轴螺旋有限元仿真理论分析

利用有限元软件Solidworks 对有轴螺旋进行模态仿真分析，通过对有轴螺旋自由模态仿真与约束状态分析，然后验证有轴螺旋有限元仿真理论分析法的可行性。以下为有轴螺旋有限元仿真理论分析理论依据：

设系统各坐标做同步谐振动，X=sin（pt+φ）式（2）：

式中 A=（A1A2A3..An）T

将式（2）代入式MK¨+kx=0，并消除sin（pt+φ），得到式（3）：

根据主振型的正交性：

由式（3）和式（4）可知：

其中，K 为刚度系数矩阵；M 为质量矩阵；P2为系统固有频率矩阵。

2 有轴螺旋光轴的试验模态分析

图1 测点分布

以FFT（Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换）为基础，采用结构特性脉冲激励法，又称为锤击法，设备使用流程简单，易于操作，实验的核心在力锤撞击螺旋产生激励响应，最终采集信号频谱分析，因此锤头的选择尤为重要，锤头材料主要包括钢质头、塑料尼龙头、橡胶头等，根据有轴螺旋钢性要求，采用钢质锤头进行激励。

根据互逆性相关理论，先利用软件根据现场螺旋的结构形式进行数学建模，并对螺旋主轴结构进行有限元软件模拟分析，根据各个叶片焊接位置以及振型分析，决定对螺旋划分18 个区域，每个区域共划分6 个点，根据各点应变量，了解有轴螺旋使用挠性变形情况，对设备维护人员提供理论指导，因此利用锤击法对螺旋轴进行激励得到函数矩阵，共有144 个测点，测点分布如图1 所示。

图2 实验系统组成

图3 相干曲线等信号和加窗后的时域信号

图4 无轴螺旋光轴的模态振型

实验设备采用美国DP 公司信号分析系统及法国N-Modal模态分析系统，系统组成如图2 所示。

对各测点的频响函数进行总体平均，然后通过参数识别求出系统的固有频率和振型。相干曲线、力谱、频响函数、激励信号和加窗后的时域信号如图3 所示，无轴螺旋光轴的模态振型如图4 所示。

3 有轴螺旋的模态分析

3.1 有轴螺旋的自由模态分析

根据有轴螺旋构件的几何尺寸条件，依据一定的简化条件，对污泥气化项目料仓螺旋轴建立了有轴螺旋构件的有限元网格模型，并利用有限元理论计算了有轴螺旋的轴前四阶自由模态固有频率如图5 所示。

通过观察螺旋轴振型变形状况及位移变化分布云图得到：深色区域代表易变形区，表示此处易出现螺旋刮蹭槽底或槽壁，因此在设计及运行过程中要对螺旋相配合构件进行结构优化，减少螺旋故障率。

图5 前四阶自由模态固有频率

图6 螺旋在工作状态下主要振型

3.2 受约束螺旋模态分析

螺旋在工作状态下主要产生以下振型（图6）。

在工作状态下，螺旋受到两支撑轴承约束，由振型位移分布图可知受约束部位容易产生变形，因此在实际工作状态下，需要对螺旋两端进行固定，保证螺旋变形量小，减少螺旋故障。通过螺旋片振型分析，焊接区域为易变形区域，此处存在焊接残余应力，因此在设备维护过程中，需要定期检查焊接区域状况，提前预测螺旋故障。

4 结束语

（1）通过有限元仿真软件对螺旋进行模态分析，通过螺旋振型变化，能够提前预判螺旋易出现故障的部位。

（2）通过对螺旋故障部位优化为非标螺旋设计提供了理论参考。