石樹正 李健英 王麗娜 徐 政

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075024；2.張家口市安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，河北張家口075024；3.河北鋼鐵集團(tuán)宣化鋼鐵公司，河北張家口075024）

軋機(jī)軋制過程對(duì)軋制速度和強(qiáng)度有著嚴(yán)格的要求，生產(chǎn)過程中軋機(jī)輥系隨機(jī)的出現(xiàn)垂直顫振結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象.縱向顫振對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響比較突出，有的在短時(shí)間能達(dá)到幅值，從而造成產(chǎn)品的薄厚不一，影響軋制速度和產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致斷帶.

從軋機(jī)振動(dòng)入手，研究其對(duì)軋制過程的影響，組建測(cè)試平臺(tái)，采用壓電振動(dòng)傳感器提取振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)用LabVIEW對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行分析.采用非線性信號(hào)處理方法―EMD，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解得出結(jié)果，通過對(duì)（固有模態(tài)函數(shù)）IMF進(jìn)行Hilbert變換得到時(shí)頻譜和邊際頻譜，并對(duì)信號(hào)的IMF、時(shí)頻譜和邊際頻譜的分析得到信號(hào)所包含的振動(dòng)情況和特征信息.

1 軋機(jī)垂直振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的建立

壓電傳感器測(cè)得的顫振信號(hào)與機(jī)架的信號(hào)輸入電阻動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)施信號(hào)處理，調(diào)整好的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集.最后分析信號(hào)并顯示存儲(chǔ).圖1為軋機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng).

圖1 軋機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 YD系列振動(dòng)傳感器的特性

檢測(cè)系統(tǒng)中壓電振動(dòng)傳感器為YD系列壓電加速度傳感器（見圖2）.壓電式傳感器具有穩(wěn)定性能好、工頻帶范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，該傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)與控制.

采用美國國家儀器公司的DAQ數(shù)據(jù)采集卡作為檢測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，信號(hào)分析與信號(hào)處理利用LabVIEW軟件多種功能開發(fā)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn).圖3為測(cè)試統(tǒng)虛擬儀器的前面板.

圖3 LabVIEW分析前面板

圖4 信號(hào)的時(shí)頻域圖

圖5 EMD分解的IMF分量圖

2 軋機(jī)振動(dòng)信號(hào)理論研究

2.1 EMD時(shí)頻分析研究

利用非線性信號(hào)處理技術(shù)EMD，將復(fù)雜信號(hào)分解為IMF函數(shù).

以下面的調(diào)幅調(diào)頻仿真信號(hào)為基礎(chǔ)，其分析表達(dá)式為：

信號(hào)的組成部分為：基頻20Hz，調(diào)頻10Hz的頻幅信號(hào)和頻率80Hz的正弦信號(hào)疊加組成，fs＝3200Hz；采2560個(gè)點(diǎn).信號(hào)的時(shí)域圖如圖4所示.

分析得出角頻率ω（t）為：

利用EMD將信號(hào)分解，最終的到該信號(hào)的各個(gè)IMF，如圖5所示.

其中IMF2分量頻段波形的局部極值點(diǎn)時(shí)間尺度和幅值都有明顯的改變，表現(xiàn)出調(diào)幅調(diào)頻部分的變換規(guī)律.IMF1分量的80Hz余弦部分達(dá)到最高值；對(duì)圖5中的IMF分量進(jìn)行Hilbert變換如圖6，Hilbert圖由兩個(gè)頻率成份組成，其一是隨時(shí)間變化的分量，圍繞基頻20Hz頻率波動(dòng)，其波動(dòng)頻率為5Hz；其二是不隨時(shí)間變化的80Hz頻率成分.圖中表現(xiàn)出明暗相間變化5次，幅值變化頻率為6Hz.

圖6 HT時(shí)頻譜圖

2.2 實(shí)測(cè)的信號(hào)EMD分析

現(xiàn)以軋制過程中的實(shí)測(cè)信號(hào)為例進(jìn)行研究分析，實(shí)測(cè)信號(hào)如圖8所示.軋制過程中有非線性阻尼剛度和固有阻尼剛度的影響，工作輥的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，使得被測(cè)量的非線性度更加明顯.利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以分析出工作輥的顫振趨勢(shì).

如圖9為實(shí)際測(cè)試工作輥顫振EMD分量圖.運(yùn)用EMD分解后得出，明顯的振動(dòng)包含在較高頻率IMF1和IMF2分量中.此分析結(jié)果表明軋機(jī)在軋制過程中工作輥的振動(dòng)中存在著較多的高頻率的顫振信息，反之在低頻中存在著少量的顫振信息.

圖7 HT邊際譜圖

圖8 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7為信號(hào)的邊際譜圖，信號(hào)的調(diào)頻調(diào)幅部分則表現(xiàn)為以載波頻率20Hz為中心；而正弦部分表現(xiàn)為80Hz頻率點(diǎn)上的幅值.

圖9 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的EMD分解后的IMF分量圖

圖11 EMD分解后的HT邊際譜

圖10為軋機(jī)工作輥EMD分解后的Hilbert時(shí)頻譜.由圖可以看出在運(yùn)行中工作輥一直存在著頻率為0－14Hz之間的振動(dòng).在采樣點(diǎn)數(shù)為9000－24000之間還存在著頻率為25－35Hz之間的振動(dòng).

圖11為軋機(jī)工作輥振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD分解后Hilbert變換組合成的邊際譜.由圖中可以看出在30Hz以內(nèi)存在著明顯的振動(dòng)信息.在14Hz左右有較強(qiáng)的振動(dòng)幅值.

3 結(jié) 論

從軋機(jī)振動(dòng)入手，研究其對(duì)軋制過程的影響，組建測(cè)試平臺(tái)，采用壓電振動(dòng)傳感器提取振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)用LabVIEW對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行分析.采用EMD方法對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分解.通過實(shí)驗(yàn)分析表明EMD能夠精確的分析出信號(hào)內(nèi)部信息.通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行EMD分解，得到信號(hào)的內(nèi)部特征，并對(duì)分解后的IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，得到時(shí)頻譜和邊際譜，通過分析，準(zhǔn)確地得到在采樣點(diǎn)數(shù)為9000－24000之間還存在著頻率為25－35Hz之間的振動(dòng)，在14Hz附近存在明顯振動(dòng)現(xiàn)象.

［1］聞邦椿.機(jī)械振動(dòng)學(xué)［M］.北京：冶金出版社，2011

［2］陳立平，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005