刘荣娥, 尹忠俊, 陈 兵
(北京科技大学机械工程学院, 北京100083)
摘要: 在研究风机不平衡故障机理的基础上,借助虚拟样机技术,建立了某型号风机系统的虚拟样机模型,并对构造风机的不平衡故障进行多种工况下的仿真分析,给出了风机系统在正常和故障2 种不同情况下的时域和频域分析图。仿真结果与理论分析一致,为虚拟样机在风机旋转机械故障诊断中的可行性应用提供了理论参考。
关键词: 风机; 虚拟样机; 不平衡; 故障诊断
引言
机械系统仿真一般可分为计算机仿真、半实物仿真和实物仿真。在系统的设计或分析阶段,往往进行计算机仿真,以便灵活地修改和更换系统模型。在研制阶段,经常用已经研制的实际部件代替部分计算机模型,进行半实物仿真,以提高仿真试验的可信度。有时为了研究全系统的功能,还进行全实物仿真试验。随着仿真理论和计算机技术的发展,系统仿真已跻身于高新技术领域,与人工智能技术、优化理论以及多媒体技术等融为一体,并逐步步入虚拟样机仿真,成为仿真技术发展的主流。
风机作为厂矿的大型关键设备,其运行状态直接关系到机组的安全生产,振动是风机运行状态好坏的重要指标,但其成因很多,也很复杂,不平衡是风机振动的主要原因之一,约占机械全部故障的50 % ,是风机的一种典型故障。
本文将虚拟样机的仿真技术用于风机不平衡故障的仿真分析,建立了能够再现风机系统故障机理的定量模型,为基于虚拟样机的旋转机械故障诊断的可行性研究提供了依据。
1 风机系统的结构特点
本文以某企业原料厂风机系统为例,建立其虚拟样机故障仿真模型,该风机系统由电动机、调速型液力耦合器、增速器和鼓风机等组成,中间分别采用膜片联轴器和齿式联轴器连成一个整体,电机的额定转速是2 985 rPmin ,主轴的转速是4 843 rPmin ,增速比是1∶11673。其系统布置如图1 所示。
2 虚拟样机的建模和验证
美国MDI 公司ADAMS 是机、电、液一体化的复杂机械系统的多体动力学虚拟样机开发软件,主要用于大位移复杂多体系统的仿真分析。利用AD2AMS 可以在计算机上建立系统或子系统的仿真模型,它能在一定程度上具有与物理样机相似的功能真实度。
在ADAMS 中对机械系统进行建模,必须将其离散成多刚体、多自由度动力学模型。以图1 所示的风机系统为例,在建模过程中,将其转子部分建模成一个多刚体、多自由度的动力学模型,各刚体之间再建立相应的约束副,并考虑其间的摩擦和阻尼。风机系统的虚拟样机模型如图2 所示。
在验证模型时,关键要看构件之间是否有多余的约束。因为多余约束的存在虽然对机械系统的运动没有影响,但是在计算机求解运动方程组时,多余约束的存在会影响仿真计算结果。从模型的信息表1 可以看出,所建的模型是正确的,并且没有多余约束。在施加驱动以后,系统的自由度为0 ,说明整个系统有确定的运动,符实际系统的情况,为后期能正确地实现运动和动力仿真做好了铺垫。
3 风机不平衡故障机理
旋转机械转轴上所装配的各个零部件,由于材质不均匀(如铸件中存在气孔、砂眼) 、加工误差、装配偏心,以及在长期运行中产生不均匀磨损、腐蚀、变形,某些固定件松脱,各种附着物不均匀堆积等原因,都会使零件产生质心偏移,这种转子零件的质心偏移是造成不平衡的根本原因。现以单圆盘转子模型为例说明转子的振动特征,图3 为转子不平衡的旋转简图,设圆盘质量为m ,偏心距为ε,轴的刚度为k ,阻尼系数为c ,圆盘处的轴初始弯曲量为rs ,转子是轴对称各向同性的。为了简便,轴本身质量不计。
由动力学知,其运动微分方程为 m¨P + cÛr + krd = 0 (1)
由几何关系有 P = r +ε; rd = r - rs (2)
式中¨P ———P 对时间的二次导数; P ———质心的位移向量;
r ———轴心位移向量; rs ———原始弯曲挠度向量。
4 仿真分析结果
根据以上故障机理的分析,构造风机虚拟样机模型的不平衡故障,并在正常和故障2 种情况下,转速为额定转速时,对风机系统的虚拟样机模型进行了仿真,设置仿真时间均为011 s ,仿真步长为200。
本文只提供了转轴水平方向的时域波形、幅值谱图及由垂直和水平2 个方向的振动计算出的轴心轨迹如图4～图9 所示(转轴垂直方向的时域波形和幅值谱图与水平方向相似,只是在幅值和相位上均差一恒值) 。
由图可知,在正常情况下,振动较小,1 倍频的频率为801716 6 Hz ,其振幅也较小,仅为01048 3mm ,而在故障情况下,振动很大,1 倍频处振幅剧烈增加,达到01227 1 mm ,在2 种情况下,轴心轨迹均为近似圆。
通过虚拟样机仿真和理论分析对比可知,仿真结果和理论分析相互吻合,不平衡故障的主要特征为(1) 振动信号的时域波形为一近似等幅正弦波;(2) 振动信号频谱中旋转频率的基频成分突出,由于非线性关系,常伴有部分谐波成分,但谐波幅值较小;(3) 轴心轨迹为一近似椭圆。
5 结语
本文详细分析了某型号风机系统的结构特点,介绍了风机不平衡故障机理,在此基础上利用虚拟样机的仿真技术建立了该风机系统的样机模型、构造了系统的不平衡故障,并进行多种工况下的仿真分析,提取了系统正常情况和故障状况下的特征信号,通过时域波形图、FFT 频谱图和轴心轨迹来进行识别。最后将仿真结果理论分析比较,其结果相互吻合,证实了仿真结果的正确性,为基于虚拟样机的风机等旋转机械故障诊断的可行性研究提供了科学依据。
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