曹?chē)?guó)正

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院，江蘇 常州 213016）

起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)與故障診斷思考

曹?chē)?guó)正

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院，江蘇 常州 213016）

當(dāng)前起重機(jī)已經(jīng)成為很多大型施工中不可缺少的重要工具，但是在實(shí)際應(yīng)用中起重機(jī)常常出現(xiàn)一些故障，給正常的施工帶來(lái)了負(fù)面的影響，為此找出有效的措施，解決這些問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。在橋梁、高層建筑結(jié)構(gòu)安全測(cè)試與旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障分析應(yīng)用中，振動(dòng)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)形成了相對(duì)較為完善的一套理論體系，在該體系中不僅包括測(cè)試原理與方法，還包括對(duì)特征信號(hào)的處理和提取等。在起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)服役安全評(píng)估和評(píng)價(jià)方面，與大量的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合發(fā)現(xiàn)，金屬結(jié)構(gòu)的疲勞實(shí)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)之間的響應(yīng)有著密切的關(guān)聯(lián)，因此對(duì)故障振動(dòng)的研究與故障診斷等應(yīng)用在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)服役安全評(píng)估方面有著積極的意義。

振動(dòng)；金屬結(jié)構(gòu)；起重機(jī)械；故障診斷

在大型成套設(shè)備的強(qiáng)度、振動(dòng)分析中，合理設(shè)計(jì)機(jī)械占據(jù)著極為重要的位置，其中確保裝備安全可靠的運(yùn)行是最為重要的環(huán)節(jié)所在。在機(jī)械使用中，疲勞破壞是其中最為常見(jiàn)的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞形式，擁有較強(qiáng)的突破性，同時(shí)對(duì)內(nèi)、外在因素，有一定敏感性。因此在結(jié)構(gòu)疲勞、破壞問(wèn)題有著這樣的情況，即如果交變荷載的頻率和結(jié)構(gòu)接近的時(shí)候，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，如果這時(shí)發(fā)生了所謂的激勵(lì)情況，會(huì)導(dǎo)致大程度呼應(yīng)，讓結(jié)構(gòu)被破壞。因此，起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)與故障診斷極為重要。

1　起重機(jī)振動(dòng)和故障診斷探究中問(wèn)題所在

起重機(jī)振動(dòng)和故障診斷探究中存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）在振動(dòng)失效與故障機(jī)理研究方面存在著極大的不足。有證明我們國(guó)家在振動(dòng)所造成超重機(jī)結(jié)構(gòu)失效、故障等方面的研究中存在著極大的缺陷。從結(jié)構(gòu)的疲勞失效和結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)之間內(nèi)在規(guī)律的角度上看，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的誘因在于振動(dòng)疲勞的存在［1］，加之主金屬結(jié)構(gòu)、重要零部件在運(yùn)行階段。常常受到銹蝕以及裂紋等方面不利因素的影響，這便導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)整體受力情況發(fā)生了極大的轉(zhuǎn)變，同時(shí)隨之發(fā)生改變的還有結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力分布情況與固有的頻率兩個(gè)方面，這也遞增了結(jié)構(gòu)的疲勞失效和結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)之間的關(guān)系，在動(dòng)態(tài)荷載影響之下，其局部模態(tài)和荷載會(huì)產(chǎn)生一定的作用力，受到破壞起因在局部振動(dòng)和應(yīng)力集中兩種因素之間的共同作用，被破壞的部分通常是局部振動(dòng)中應(yīng)變較大并且具有一定缺陷的部分［2］。受到振動(dòng)疲勞破壞復(fù)雜性的影響，僅應(yīng)用靜態(tài)疲勞的方法對(duì)故障進(jìn)行處理，很難達(dá)到預(yù)期評(píng)估中可靠性和安全性的標(biāo)準(zhǔn)要求。為此，在振動(dòng)故障評(píng)估中需要將金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)方面的研究融入到其中，從而為其安全性與可靠性的提升奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

故障機(jī)理主要指在理論或者大量的試驗(yàn)中分析得出，可把設(shè)備故障狀態(tài)信號(hào)、設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)規(guī)律反應(yīng)，具體體現(xiàn)如下：

第一，把研究對(duì)象物理特點(diǎn)當(dāng)成基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)學(xué)力模型，之后用仿真手法，獲和響應(yīng)特點(diǎn)；

第二，需要和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正模型相給，以此獲和某個(gè)故障表象，在反復(fù)研究中，故障機(jī)理及故障特點(diǎn)研究是最有效的，同時(shí)也是機(jī)構(gòu)故障診斷技術(shù)的重要基礎(chǔ)。因此，在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中，造成振動(dòng)失效、故障機(jī)理研究不足，其原因如下：很多大型起重機(jī)設(shè)備故障機(jī)理的研究通常會(huì)涉及到很多方面的數(shù)學(xué)與力學(xué)等知識(shí)，這便增加了模型建立的難度；另外，故障機(jī)理研究，要有存在一定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為保障，明確模型簡(jiǎn)化合理、故障模擬列典型、測(cè)試數(shù)據(jù)更可靠，工程構(gòu)建的首要任務(wù)。

（2）在振動(dòng)故障診斷方面所應(yīng)用的方法存在著一定的缺陷。在評(píng)估起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)服役安全方面，相關(guān)工作人員首先應(yīng)該重視對(duì)各種信號(hào)的檢查與分析，之后對(duì)信號(hào)中存在的各種也正信息給予相應(yīng)的提取操作，最終獲得故障相關(guān)信息，從而使得故障診斷工作能夠更好的實(shí)施。在信號(hào)分解期間，需要靈活的運(yùn)用和特征波形相匹配的基函數(shù)，從而能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行更好的處理，并且將故障特征提取出來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)故障診斷的目標(biāo)。

（3）智能診斷系統(tǒng)欠缺完善性。立足于長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，建立相應(yīng)智能故障診斷系統(tǒng)是構(gòu)建金屬結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)體系的核心所在。建立智能診斷系統(tǒng)過(guò)程中，需要根據(jù)不同類(lèi)型的智能診斷方法確定最終診斷方案［3］，從而將各自存在的優(yōu)點(diǎn)凸顯出來(lái)，但是也有不足之處表現(xiàn)出來(lái)。

例如，專(zhuān)家系統(tǒng)診斷技術(shù)方面還存在知識(shí)獲取方面的問(wèn)題，沒(méi)有全面的、系統(tǒng)的診斷知識(shí)，盡管當(dāng)前擁有較多的可選擇的人工智能診斷方法，但是應(yīng)用智能方法通常需要特定的條件與認(rèn)為設(shè)定的參數(shù)。為此，對(duì)振動(dòng)故障進(jìn)行智能化的診斷，還需要相關(guān)工作人員不斷的探索研究。

2　故障診斷的措施研究

要保證故障診斷更加有效，便需要做到以下幾點(diǎn)。

2.1重視金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試工作的實(shí)施

對(duì)于整體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，振動(dòng)研究對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測(cè)試，例如測(cè)定固有的頻率、測(cè)定阻尼比以及振型等［4］。解析分析法與試驗(yàn)分析法結(jié)合模態(tài)分析，計(jì)數(shù)主要結(jié)合模態(tài)測(cè)試優(yōu)化技術(shù)理論及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)等，先構(gòu)建結(jié)構(gòu)有限元模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算，把有限無(wú)模態(tài)參數(shù)計(jì)算后，通過(guò)結(jié)構(gòu)有限模態(tài)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)實(shí)驗(yàn)具體操作，展開(kāi)有關(guān)優(yōu)化、研究，以此提升模態(tài)實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、精度及可靠性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析法運(yùn)用，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)所得到的模態(tài)及解析分析法模態(tài)，從而有效的識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷狀況，對(duì)于可能存在的故障隱患查找出來(lái)，并學(xué)者可靠的解決措施給予解決。

2.2提升起重機(jī)故障診斷研究力度

對(duì)起重機(jī)振動(dòng)故障分析的過(guò)程中，相關(guān)工作人員需要應(yīng)用層次分析法進(jìn)行研究與分析，該方法將起重機(jī)械安全性評(píng)估分成了幾個(gè)重要層次，如單構(gòu)件影響以及子系統(tǒng)等層次。為此，振動(dòng)故障的診斷可以立足于兩個(gè)方面。一方面實(shí)現(xiàn)由單故障研究到群故障研究的目標(biāo)。通過(guò)起重機(jī)主金屬結(jié)構(gòu)、起重機(jī)主金屬結(jié)構(gòu)、損壞等，常是同個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)，少數(shù)也存在前后聯(lián)級(jí)情況，以其振動(dòng)的信號(hào)主要為故障特征信號(hào)的相互之間耦合的一種產(chǎn)物。因此，實(shí)現(xiàn)單一故障研究到群故障研究的目標(biāo)將成為突破性的工作。

另一方面，實(shí)現(xiàn)零部件故障研究至整機(jī)系統(tǒng)故障研究的目標(biāo)。起重機(jī)械零部件振動(dòng)故障診斷，需要對(duì)于關(guān)鍵的零部件診斷、明確，這種診斷方式僅僅能夠診斷出誘發(fā)性古箏，無(wú)法根治整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的故障隱患，為此對(duì)整機(jī)系統(tǒng)故障的研究是不可缺少的重要工作。

3　總結(jié)

如今，起重機(jī)已經(jīng)成為很多大型工程施工中不可缺少的重要設(shè)備，可是實(shí)際應(yīng)用中常常出現(xiàn)故障，給正常的施工帶來(lái)消極的影響。為此，對(duì)起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)和故障振動(dòng)工作的實(shí)施是不可缺少的。研究表明，導(dǎo)致起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)失效與故障診斷中出現(xiàn)問(wèn)題的原因有很多，例如：振動(dòng)失效與故障機(jī)理研究方面存在著極大的不足、在振動(dòng)故障診斷方面的方法不足等等，如果這些問(wèn)題不能及時(shí)的采取有效的措施解決，那么必將給整個(gè)機(jī)械正常的運(yùn)行帶來(lái)影響，更加會(huì)影響施工的效率。為此，相關(guān)工作人員還需要不斷的探索與研究，確保能夠應(yīng)用更加有效、全面的智能診斷系統(tǒng)診斷其中的故障，最終實(shí)現(xiàn)提升其運(yùn)行效率的目標(biāo)。

［1］ 咼中睴，王偉雄，陳健，等.起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)與故障診斷的研究［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2013，（12）：6～11.

［2］ 桂玉.起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)與故障診斷思考［J］.大科技，2015，（23）：191～230.

［3］ 謝小鵬，王東輝，黃國(guó)健，等.起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2013，（8）：69～73.

［4］ 黃祥聲.港口起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估［J］.價(jià)值工程，2010，29（18）：218～218.

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1671-0711（2016）08（下）-0030-02