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[摘 要]本文通过建立动力学模型来分析采矿机械设备常见的弱基础故障，提出以设备壳体表面振动的工程相位来诊断区分故障的方法，解决了在频谱上无法检测不平衡故障的问题，对工程相位的故障诊断方法作出了进一步完善，实验表明效果良好。
[关键词]采矿机械 故障诊断 相位分析
中图分类号：U264.91+3.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0019-02
0、前言
对机械设备的壳体即机壳的绝对振动进行监控测量是在实际的工程应用过程中对中小型装置进行状态监测的最常见方法，同时这也是一种最经济可行的方法，而这种方法中使用到的大多是压电式传感器。其优点在于在一次测量中可以多次重复使用一个或者两个压电式传感器，这样即可完成所有设备的状态监测工作，但在整个监测过程中存在的据点是：它必须要完成并获得当前测量点的信息后，能往下一步进行到另一个测量点的工作，因此不能同步进行测量，信号收集存在时间差，数据分析和处理不能够引入全息谱技术进行。在过往的实际操作中我们发现，许多类型的故障在频谱上是一样的，如此的话使用频谱技术就不能对所有故障进行完全区分，所以本文中针对采矿设备上最多见的弱基础故障的产生根源进行分析及建立动力学模型，最后引入相位诊断的方法对这类故障进行测量和识别。实际操作表明效果良好。
1、采矿设备弱基础故障振动的动力学分析及模型建立
在采矿设备上，大多数装置工作或驱动都是以旋转的方式进行，而多数现场设备由于在安装时的水泥或者钢架基础刚度不足，导致采矿设备的安装基础薄弱。基于这样的情况，采矿设备的旋转机构在运转过程中转子系统的偏心力特别是当质量不平衡时，采矿设备上不可避免地产生了机械振动，这时薄弱的基础刚度又使得振动更加恶化，这样互相促进形成恶性循环，最后形成弱基础故障，影响到采矿机械设备的正常工作乃至严重时危及设备的使用寿命。从物理学的角度上来讲，弱基础弱刚度的机械设备的振动频谱和设备本身的工作频率会有一定的相似，如图1所示是一个弱基础机械设备的转子振动动力学模型，下文中将对振动故障产生的机理在动力学中进行分析，再引入相位诊断的方法对它进行诊断。
图1主要是针对弱基础的采矿机械设备建立的动力学模型，其中整个设备被等效成一个有质量M的圆柱形转子系统，这个转子系统的几何中心设定为O；两个支撑该转子系统的是弹性转轴，转轴的几何中心设定为O′；整个动力学模型的不平衡质量为m，其几何中心点设定为O″；假设K是整个动力学模型的等效阻尼系统，H是支承刚度系数。所以有：当转子系统转动时，偏心质量产生的偏心力会使得转轴弯曲，设变形产生的扰度和偏心距分别用r和Δr表示，则r=O′O，Δr=O′O″。
按以上假设，可以得出整个系统在转子旋转时的离心力为：，因此在水平方向上和在垂直方向上受到的离心力为：
（1）
对这两个方向建立振动方程，可以得到：
（2）
式中：x、y分别表示系统在水平方向上和垂直方向上的振动位移；Kx、Ky分别表示系统在水平方向上和垂直方向上的阻尼系数；Hx、Hy分别表示系统在水平方向上和垂直方向上的刚度系数。
式（2）的特解为：
（3）
比较式（1）和式（3）可以看出，工频是弱基础机械设备在运行时的主要振动频率，其振动的振幅和整体系统的支承刚度相关，支承刚度越小则设备运行时的振动幅度就比较大，这就是常见的弱基础机械设备振动产生故障的主要根源。在区分不对称故障（2倍或多倍工频信号）时，通常按不同工频信号来进行区分，但实际生产操作时遇到的故障类型十分复杂，像因为转子质量分布不平衡产生的故障、偏心皮带轮运行产生的故障等都是工频故障，这时就需要从它们的不同相位特征入手进行区分。
2、弱基础机械设备振动的工程相位诊断方法
通过实际生产操作中进行统计得到：采矿设备特别是旋转动作的设备上最经常也最可能出现的故障就是弱基础故障，而它在频谱上的特性表现和不平衡故障是一样都是工频，但它们的不同点在于——同不平衡故障相比，弱基础故障的相位特征不一样。弱基础故障的振动信号在水平和垂直两个方向上的相位差分别为0°或180°，下面针对这种不一样的相位产生的原理进行分析说明。
尽管是由于质量分布不平衡造成旋转时离心力作用较大是弱基础故障的振动源头，但是和普通振动相比弱基础故障的性质却有了根本性的变化。从严格意义上来说，弱基础故障的振动是一种定向的强迫型振动。如图2所示，这种振动在理想状态下可以认定为是一种绕着空间中的某一条直线进行对称摆，直线为其摆中心。所以在同一个测量点上测量到的数值就是水平方向和垂直方向上的运动的合运动，即水平方向和垂直方向是该振动的两个分量，在相位差上分别有0°或180°。
下图3所示是弱基础故障振动的相位诊断原理图，由于该振动是一种强迫性的定向振动，因此在坐标系上即x轴（水平方向）和y轴（垂直方向）的振动位移都是按比例分布的。如果测量时测量点的振动方向是在第I、第III象限内，那么这个振动在两个方向上的振动位移量和正负值都是一样的，所以它们的相位差为0°相反，如果测量点的振动方向是在第II、第IV象限内，那么这个振动在两个方向上的振动位移量在数据上是一样，但正负值相反，所以它们的相位差是180°。
3、结语
本文通过建立弱基础机械设备的转子振动动力学模型并对该模型进行分析，以及其相比不平衡故障在工程相位上进行故障诊断时的区别，对弱基础故障进行简化和分解，以其相位诊断原理图进行分析，对于不平衡故障的诊断技术开发研究提出一个具有可行性的指导方法，为采矿机械设备的故障诊断技术工程应用作出了一次有用的尝试。
参考文献
[1] 李力，屈梁生.谱相关特性在机械信号特征提取中的应用研究[J].中国机械工程，2006（4）.
[2] 刘石，屈梁生.全息谱技术在现场动平衡前故障诊断中的应用[J].振动、测试与诊断，2004（4）：188-192.
[3] 刘石，屈梁生.回转机械故障诊断中的三维全息谱技术[J].西安交通大学学报，2004（9）：900-903.
[4] 蔡亦鸣.煤矿机械设备的使用维修和故障诊断[J].煤炭技术，2008（11）：17-19.
[5] 张秀华.矿山设备管理存在的潜在问题及探讨[J].中国高新技术企业.2008（19）.
[关键词]采矿机械 故障诊断 相位分析
中图分类号：U264.91+3.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0019-02
0、前言
对机械设备的壳体即机壳的绝对振动进行监控测量是在实际的工程应用过程中对中小型装置进行状态监测的最常见方法，同时这也是一种最经济可行的方法，而这种方法中使用到的大多是压电式传感器。其优点在于在一次测量中可以多次重复使用一个或者两个压电式传感器，这样即可完成所有设备的状态监测工作，但在整个监测过程中存在的据点是：它必须要完成并获得当前测量点的信息后，能往下一步进行到另一个测量点的工作，因此不能同步进行测量，信号收集存在时间差，数据分析和处理不能够引入全息谱技术进行。在过往的实际操作中我们发现，许多类型的故障在频谱上是一样的，如此的话使用频谱技术就不能对所有故障进行完全区分，所以本文中针对采矿设备上最多见的弱基础故障的产生根源进行分析及建立动力学模型，最后引入相位诊断的方法对这类故障进行测量和识别。实际操作表明效果良好。
1、采矿设备弱基础故障振动的动力学分析及模型建立
在采矿设备上，大多数装置工作或驱动都是以旋转的方式进行，而多数现场设备由于在安装时的水泥或者钢架基础刚度不足，导致采矿设备的安装基础薄弱。基于这样的情况，采矿设备的旋转机构在运转过程中转子系统的偏心力特别是当质量不平衡时，采矿设备上不可避免地产生了机械振动，这时薄弱的基础刚度又使得振动更加恶化，这样互相促进形成恶性循环，最后形成弱基础故障，影响到采矿机械设备的正常工作乃至严重时危及设备的使用寿命。从物理学的角度上来讲，弱基础弱刚度的机械设备的振动频谱和设备本身的工作频率会有一定的相似，如图1所示是一个弱基础机械设备的转子振动动力学模型，下文中将对振动故障产生的机理在动力学中进行分析，再引入相位诊断的方法对它进行诊断。
图1主要是针对弱基础的采矿机械设备建立的动力学模型，其中整个设备被等效成一个有质量M的圆柱形转子系统，这个转子系统的几何中心设定为O；两个支撑该转子系统的是弹性转轴，转轴的几何中心设定为O′；整个动力学模型的不平衡质量为m，其几何中心点设定为O″；假设K是整个动力学模型的等效阻尼系统，H是支承刚度系数。所以有：当转子系统转动时，偏心质量产生的偏心力会使得转轴弯曲，设变形产生的扰度和偏心距分别用r和Δr表示，则r=O′O，Δr=O′O″。
按以上假设，可以得出整个系统在转子旋转时的离心力为：，因此在水平方向上和在垂直方向上受到的离心力为：
（1）
对这两个方向建立振动方程，可以得到：
（2）
式中：x、y分别表示系统在水平方向上和垂直方向上的振动位移；Kx、Ky分别表示系统在水平方向上和垂直方向上的阻尼系数；Hx、Hy分别表示系统在水平方向上和垂直方向上的刚度系数。
式（2）的特解为：
（3）
比较式（1）和式（3）可以看出，工频是弱基础机械设备在运行时的主要振动频率，其振动的振幅和整体系统的支承刚度相关，支承刚度越小则设备运行时的振动幅度就比较大，这就是常见的弱基础机械设备振动产生故障的主要根源。在区分不对称故障（2倍或多倍工频信号）时，通常按不同工频信号来进行区分，但实际生产操作时遇到的故障类型十分复杂，像因为转子质量分布不平衡产生的故障、偏心皮带轮运行产生的故障等都是工频故障，这时就需要从它们的不同相位特征入手进行区分。
2、弱基础机械设备振动的工程相位诊断方法
通过实际生产操作中进行统计得到：采矿设备特别是旋转动作的设备上最经常也最可能出现的故障就是弱基础故障，而它在频谱上的特性表现和不平衡故障是一样都是工频，但它们的不同点在于——同不平衡故障相比，弱基础故障的相位特征不一样。弱基础故障的振动信号在水平和垂直两个方向上的相位差分别为0°或180°，下面针对这种不一样的相位产生的原理进行分析说明。
尽管是由于质量分布不平衡造成旋转时离心力作用较大是弱基础故障的振动源头，但是和普通振动相比弱基础故障的性质却有了根本性的变化。从严格意义上来说，弱基础故障的振动是一种定向的强迫型振动。如图2所示，这种振动在理想状态下可以认定为是一种绕着空间中的某一条直线进行对称摆，直线为其摆中心。所以在同一个测量点上测量到的数值就是水平方向和垂直方向上的运动的合运动，即水平方向和垂直方向是该振动的两个分量，在相位差上分别有0°或180°。
下图3所示是弱基础故障振动的相位诊断原理图，由于该振动是一种强迫性的定向振动，因此在坐标系上即x轴（水平方向）和y轴（垂直方向）的振动位移都是按比例分布的。如果测量时测量点的振动方向是在第I、第III象限内，那么这个振动在两个方向上的振动位移量和正负值都是一样的，所以它们的相位差为0°相反，如果测量点的振动方向是在第II、第IV象限内，那么这个振动在两个方向上的振动位移量在数据上是一样，但正负值相反，所以它们的相位差是180°。
3、结语
本文通过建立弱基础机械设备的转子振动动力学模型并对该模型进行分析，以及其相比不平衡故障在工程相位上进行故障诊断时的区别，对弱基础故障进行简化和分解，以其相位诊断原理图进行分析，对于不平衡故障的诊断技术开发研究提出一个具有可行性的指导方法，为采矿机械设备的故障诊断技术工程应用作出了一次有用的尝试。
参考文献
[1] 李力，屈梁生.谱相关特性在机械信号特征提取中的应用研究[J].中国机械工程，2006（4）.
[2] 刘石，屈梁生.全息谱技术在现场动平衡前故障诊断中的应用[J].振动、测试与诊断，2004（4）：188-192.
[3] 刘石，屈梁生.回转机械故障诊断中的三维全息谱技术[J].西安交通大学学报，2004（9）：900-903.
[4] 蔡亦鸣.煤矿机械设备的使用维修和故障诊断[J].煤炭技术，2008（11）：17-19.
[5] 张秀华.矿山设备管理存在的潜在问题及探讨[J].中国高新技术企业.2008（19）.