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机械结构损伤检测方法研究

郑渝  
【摘要】:随着生产的发展与科学技术的进步,各类机械设备和结构向着大型、高效化发展,从而也使得这些机械设备和结构趋于复杂化。复杂的承载条件与长时间的连续工作,导致设备结构的损伤不可避免。因断裂、疲劳、腐蚀和磨损而造成的破坏,其损失达美、日等国家每年国民经济总值的6%~8%。而在我们国家20世纪80年代的结构损伤事故率比工业化国家高10倍,人员累计伤亡居国内劳动安全事故第二位。1986年,美国的“挑战者”号航天飞机失事损失高达12亿美元;苏联的切尔诺贝利核电站的核泄漏事故,对整个地区的人员、生态环境都是无法估量的损害。1985年我国大同电厂机组联轴器断裂事故、1988年秦岭电厂机组主轴断裂,造成的经济损失均近亿元,并严重影响华北和西北地区供电。从1984年到1991年,我国50MW以上的汽轮发电机组转子严重损坏等重大事故就达6起。因此,研究防止这类事故发生的根本途径——大型复杂机械结构的健康状况监测与故障诊断(尤其是早期故障诊断)的理论和技术,实现结构损伤的早期识别,及时采取措施,防止损伤的发展,以保证这些系统安全、可靠、长寿命、高效率地运行成为紧迫的任务。然而,对于大型的复杂机械结构,实现合理、优化地布置传感器,监测其运行结构的局部损伤,从中识别出损伤的结构件及损伤状态,进行早期故障预报是具有相当的难度的。 太原理工大学博士研究生学位论文 国内外的研究报道显示,由于结构振动模态参数对不同损伤各有 其敏感性,加之大型复杂结构振动模态识别技术发展的限制,以振动 特性为参数对结构进行损伤检测的研究大多集中在诸如直梁、析架等 简单对称结构,且多是基于有限元分析数值计算得出相应的结论。而 实际设备的构造及联接都是相当复杂的,无法实现可靠的有限元建 模。如何实现用振动测试技术对实际复杂工业结构的健康状况进行监 测与故障的在线诊断还是一个急待解决的问题。 故障诊断技术具有很强的学科交叉性,尤其是现代控制理论,信 号处理,模式识别、最优化方法、决策论、人工智能等的迅速发展, 为解决复杂系统的故障诊断问题提供了理论基础,形成了许多具体的 方法。故障信号的特征提取为故障准确诊断的前提条件。近三十年来, 各类机械设备基于实时监测(包括振动监测)的故障诊断技术的研究 和应用,促进了故障信号处理和特征提取技术的发展。这些技术包括 时域信号波形分析和统计特征值提取;基于FFT分析的高斯平稳随机 信号现代谱分析技术:自功率谱和互功率谱、高阶谱、倒谱、复倒谱 以及谱嫡与极大嫡谱估计(也包括与之相对应的自相关与互相关函 数、高阶自相关函数等时域分析);非平稳信号的时频分析和多元统 计分析等。故障诊断技术还涉及到材料的选择、制造工艺、结构设计、 断裂力学等多种学科和专业技术领域。随着力学、材料科学、物理学、 化学领域的学科交叉与发展,可从缺陷的背景和损伤、断裂机制来研 究从材料变形、损伤到失效的全过程。而计算机数据处理、模式识别 的技术发展为与早期故障相关的微弱信号的捕捉和提取,提供了有利 的手段。 结构损伤检测是一个具有广阔工程应用背景的研究课题,而大型 复杂结构损伤检测的研究离实际应用还有距离,还有一许多问题需要在 太原理工大学博士研究生学位论文 今后的研究中加以解决:如精确的测量信息处理技术的发展,以期获 得更加精确的测量模态;基于吸收各种方法优点的混合模型的结构损 伤检测方法的研究;大型设备的工况监测,传感器的合理布置与优化 配置问题的具体应用;其它理论方法的引入,如模糊数学的应用以及 子结构振动分析方法的应用等等。 本课题以大型振动机械为研究对象,进行结构损伤检测方法研 究。常规的无损检测方法,如超声波、射线以及磁力探伤与渗透法探 伤等大多是用于生产过程中间环节的零件离线检测和设备检修,通常 为静态检测。本项目研究的基本思路是对大型振动机械进行多测点建 模,利用振动测试技术进行充分的离线试验和分析来获取被诊断结构 的振动特性细节、故障机理及其特征,作为结构动力学本质特征库的 先验知识与在线自动故障诊断信息库的重要内容;研究以结构的少测 点获取结构损伤信息的建模方法,合理配置传感器,实现对大型振动 结构进行健康状况的在线监测。通过振动特性的微小变化,发现与定 位结构早期损伤,离线实现结构损伤细节的分析与估计。上述思想是 本项目研究的创新性思维。 课题具体内容包括:通过对整体结构的模态参数识别,判断损伤 的结构;用声发射技术对损伤的结构进行损伤细节分析;研究对大型 振动机械进行健康状况监测的方法。 大型直线振动筛是洗煤厂的主要设备之一,作为振动机械,不仅 工作强度大,且工作环境十分恶劣,连续工作使其结构极易产生疲劳 断裂。本课题的研究目标是采用对振动筛的结构进行系统动力学健康 状况监测与声发射技术离线检测相结合的方式确定结构损伤的部位 与损伤的程度。 下横梁是振动筛的主要承载结构件,也是易损伤结构。本文从振 了 太原理工…大~学遵上i塑垫堂竺些竺一一一一一一一一


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