CN116419896A - 估计振动机的累积损坏和疲劳强度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种估计振动机的累积损坏的方法，该振动机具有基座和能相对于基座移动的移动机件，该方法包括以下步骤：提供计算模型，该计算模型估计振动机的一部分上的机械应力，使用机器质量、进料的重量质量和载荷分布以及加速度来确定所估计的机械应力；估计进料的重量质量和载荷分布；估计测量加速度；将移动机件的质量、移动机件上的所估计的重量质量和载荷分布以及移动机件的所估计的加速度提供给模型，从而获得振动机的该部分的所估计的机械应力；记录振动机的该部分随时间的所估计的机械应力；以及基于两个或更多个连续记录的机械应力估计对振动机的该部分来估计累积损坏。

Description

估计振动机的累积损坏和疲劳强度的方法
技术领域
本发明涉及一种估计振动机的累积损坏和疲劳强度的方法，更具体地但不排他地，涉及一种估计振动筛、振动进料器或振动传送带的累积疲劳损坏的方法。
背景技术
振动机在许多行业中使用。例如，在采矿业中，振动筛与适当的筛板一起使用，以将破碎的矿石分离成具有一致且特定的颗粒尺寸的等级。在其他行业中，筛选可以例如用于分离垃圾、脱水、排水和漂洗和/或除砂。
其他形式的振动机包括振动传送器和振动进料器。振动传送器和振动进料器是用于细到粗粒度散装材料的坚固的传送和进料设备，该散装材料例如为原矿、粉碎矿石、粉状材料、砾石或粗碎石(是任何破碎或非破碎的材料)。
大多数振动机具有基座和运动机件，基座在操作期间可以保持静止，运动机件通过相对于基座移动的机械悬架或支撑系统(通常为弹簧、阻尼器，和/或液压缸或气压缸的形式)悬挂在基座上方。运动机件受到振动或振荡，这周期性地使运动机件相对于基座加速。在一些应用中，加速由振动元件提供，该振动元件在行业中也称为激励器或振动电机，其使用不平衡的旋转或往复原动力来加速运动机件。在大多数情况下，激励器被安装到运动机件本身，并且在一些情况下，可以被安装到调谐块，该调谐块被安装到运动机件本身。在其他情况下，运动机件的相对运动可以由于运动而被激励，例如，由于列车沿着轨道移动，列车车身通过悬架相对于转向架移动。
振动机的问题在于，移动机件的周期性或振荡运动，以及其上可能的动态载荷，在一段时间内会导致振动机的疲劳损坏，并且引起运动机件的下部结构的一部分或全部、悬架或激励器的安装点的失效。
以Schenck Process Europe GmbH(申克工艺欧洲有限公司)名义的标题为“用于操作振动机的状态监测系统的方法和状态监测系统”的澳大利亚专利号2017359003公开了一种用于操作振动传送器或振动筛形式的振动机的状况监测系统的方法。此公开的问题是其不能将累积损坏作为状态监测系统或方法的一部分来评估。
Ramatsetse(拉马采)等人的标题为“使用有限元分析的可重新配置的振动筛的失效和灵敏度分析”的文章(发表在《工程故障分析案例研究》，第9卷，2017年，第40-51页)公开了在可重新配置的振动筛(RVS)上使用有限元分析(FEA)来确定该结构是否将在不同配置的极端工作条件下按期望地执行。分析结果用来改进RVS的结构。此公开的问题是其不能评估累积损坏。
发明目的
因此，本发明的目的是提供一种估计振动机的累积损坏的方法，该方法至少部分地减轻与振动机相关联的一些问题，或者提供估计损坏的现有方法的有用的替代方式。
发明概述
根据本发明，提供一种估计振动机的累积损坏的方法，该振动机具有基座和可相对于基座移动的移动机件，该方法包括以下步骤：
-提供模型，该模型估计振动机的一部分上的机械应力，至少使用运动机件的质量、运动机件上的载荷分布以及运动机件的加速度来确定所估计的机械应力；
-估计运动机件上的载荷分布；
-估计移动机件的加速度；
-提供运动机件上的所估计的载荷分布和移动机件的所估计的加速度作为对模型的输入，以获得振动机的该部分的所估计的机械应力；
-记录振动机的该部分随时间的所估计的机械应力；以及
-基于两个或更多个连续记录的机械应力估计对振动机的该部分来估计累积损坏。
该模型可以是计算模型，并且估计振动机的多个部分上的机械应力。
可以通过基于测量估计物理运动机件上的进料的质量和分布，来估计运动机件上的载荷分布。
在估计运动机件上的材料的质量和分布的步骤之前可以是在至少两个点处测量运动机件和基座之间随时间的距离的步骤；所测量的距离用于估计运动机件上的材料的质量和分布。
该距离可以通过两个或更多个线性位移传感器或其他距离测量方法来测量。
运动机件可以通过悬架或支撑连杆附接到基座。
悬架或支撑连杆可以是两个或更多个弹簧组的形式。
可以在弹簧组上测量运动机件和基座之间的距离。
计算模型可以包括使用振动机的几何形状和有限元方法(FEM)来计算一个或多个部分的机械应力。
可以通过使用有限元分析识别各种载荷条件下的高应力区域来选择该一个或多个部分。
可以根据是否相对更可能经历疲劳失效来选择每个所识别的部分。
FEM可以在计算该一个或多个部分的机械应力时考虑振动机的固有频率和模态参与。
材料的分布可以简化为材料的实际质量中心和运动机件的中心之间的偏差。
可以分析所记录的应力以基于每个部分的应力大小来提取循环计数。
可以从循环次数中过滤低应力循环。
可以使用雨流计数算法来提取循环次数。
可以根据迈因纳定理(Miner's rule)来计算每个部分的累积损坏。
根据本发明的第二方面，提供一种估计振动机的疲劳强度的方法，包括以下步骤：如上所述估计振动机的各部分的累积损坏；使用该累积损坏估计来估计振动机的各部分的疲劳强度。
疲劳强度估计可以用于改进振动机的设计。
具体实施方式
疲劳是许多机械部件的常见失效模式，这些机械部件随时间而经受反复的波动应力。峰值应力可能很好地在设计参数内，并且很好地低于材料或部件的屈服或极限拉伸应力，然而，随时间重复和波动的应力可能最终导致部件失效。如本文使用的，累积损坏是工程中用来描述在给定时间由于施加在部件上的历史应力而对机械部件(或其部分)的总的永久疲劳损坏的术语，并且提供部件的剩余疲劳寿命的量度。
在部件的额定工作应力范围低于耐久强度(低于该应力将不会发生疲劳损坏)的情况下，为了可靠性而设计振动机存在两个问题。首先，机器的载荷是可变的，并且最坏情况载荷事件的共同贡献可能导致应力范围超过设计的耐久强度，从而导致疲劳损坏。其次，由国际设计标准提供的实验得出的疲劳曲线不足以描述应当在超高循环疲劳状况中使用的设计参数，包括耐久强度，从而在振动机的设计阶段下的疲劳寿命估计中留下高度的不确定性。
振动机(例如振动筛、振动进料器或振动传送器)由于通过振动和载荷引起的周期性的、可变的和不可预测的载荷而特别容易疲劳失效。这种振动机通常用于重工业，并且由这种失效导致的停机时间是非常不期望的。本文描述了一种估计振动机的累积损坏的方法，其中，这种振动机具有基座和可相对于基座移动的移动机件。累积损坏的计算是由于振动机的部分或部件的应力和循环而引起的疲劳的估计，其可给予操作者关于部件的估计更换时间的观察，并且还帮助操作者识别不利地影响疲劳寿命和累积损坏的特性，以便以增加振动机的寿命的方式操作振动机。
该方法包括提供估计振动机的一部分的机械应力的模型的步骤。该模型通常将是数学和计算机实现的，并且将包括计算、模拟和/或算法，其至少使用运动机件的质量、运动机件上的载荷分布(包括材料的质量和分布)，以及运动机件的加速度和频率作为输入，并且提供振动机的一部分(或更通常地多个部分)上的估计机械应力。在使用两个或更多个激励器的情况下，另一个可选的输入是这些激励器之间的异步性或相位差，这对振动机中的应力有影响。相位差可以通过在每个激励器上具有加速度计或其他传感器(例如MEMS加速度传感器或IMU)并测量加速度测量之间的时间差来测量。如本文使用的，术语估计是指测量，或者在适用的情况下，是指计算或预测，它们本质上是不同程度的近似。
来自运动机件的质量的惯性载荷是作用在振动机上的最大载荷分量。进料质量是确定应力的另一个关键因素，因为质量是作用在振动机上的载荷的重要分量。类似地，材料在运动机件上的进给速率和分布将对特定部分上的估计应力有影响。材料的质量和分布将随时间而变化。例如，通常对振动筛供应进料(通常从传送带、挡板或振动进料器供给)，以将材料供给到振动筛。这样供给的材料将不会在供给系统的长度和宽度上完全均匀和分布，并且因此在筛的运动机件上将不均匀。
在模型中使用进料质量分布和加速度来计算振动机上的动态载荷，并且该方法包括估计进料的质量和分布以及运动机件的加速度的步骤。运动机件的加速度通常由安装在运动机件上的一个或多个加速度计或MEMS传感器来测量。优选地，加速度计是六自由度加速度计。
可以以多种方式估计进料质量和分布。这样做的一种方式是监测由激励器的电动机汲取的电流，因为当更大质量的材料在运动机件上时，由激励器电动机汲取的电流将更高。这种方法的缺点在于，其只可能估计材料的质量而不是分布。类似地，可以安装皮带称重装置以测量转移到运动机件上的材料的质量。同样，这种方法仅有助于估计运动机件上的材料质量，并且不能推断分布。
估计进料的质量分布和偏差的优选方法是在两个或更多个点处测量运动机件和基座之间随时间的距离。优选地，这些测量在靠近振动机的拐角的四个点处进行。在运动机件通过通常为弹簧组形式的支撑件或悬架连接到基座的情况下，优选地测量弹簧组上的距离。
通过连接机器的弹簧组上的线性位移传感器并测量随时间的距离(或位移)来进行测量。由于传感器通常竖直地附接并且在已知的时间段捕获，所以可能导出在模型中也可能有用的速度和加速度(至少沿着传感器的轴线)。
弹簧组具有已知的弹簧系数，该弹簧系数允许从位移测量中计算出作用在弹簧上的材料的质量。此外，由于测量是在弹簧组上进行的，所以能够估计运动机件上的材料的质心。所计算的质心与理论质心之间沿着特定方向/轴线的差异在本文中称为偏差。如果使用材料进料的颗粒尺寸分布的假设或测量，使用机器平台的部分上的进料的额定运输速度和通过平台的孔的颗粒尺寸分级的额定概率，可能从所测量的位移估计进料的进料吨位速率。
所估计的进料的质量和分布以及加速度和相位同步性是模型的输入。该方法可以包括使用振动机的几何形状和有限元方法(FEM)来计算振动机的部分的机械应力的步骤。此步骤可以形成模型的一部分，或者可以用于选择在各种载荷配置下经受更高应力的振动机的部分。FEM可以在计算各部分的机械应力时考虑振动机设计的几何非线性。如果有足够的计算资源可用，则可以将输入直接提供给模型的FEM部分以实时计算应力。然而，为了方便或在没有足够的计算资源可用的情况下，能够优选的是简化模型以便更容易计算。该简化可以采取多维阵列或独立的一系列计算(应力计算算法)的形式，以计算与载荷条件变量有关的运动机件的一部分上的应力。该简化基本上是FEM估计的估计，并且使用进料的质量、材料的偏差、加速度和(在适用的情况下)激励器之间的相位差来计算应力。
通过使用各种载荷条件运行多个FEM模拟来创建简化模型。这采取了在变化的操作特性下对计算模型进行离散分析的形式，以生成应力对操作特性的插值矩阵(interpolation matrix)。
第一组载荷条件假设材料的均匀分布并且在各种进料载荷下运行，记录每个部分的应力。这在均匀载荷下提供了基线应力。第二组载荷条件假设恒定的进料质量，具有材料的变化的偏差，并且第三组载荷条件改变激励器之间的相位差。记录基线应力，并且将数据点拟合为二次曲线。偏差和相位角对该部分应力的影响被记录为应力乘数常数并拟合为二次曲线。
这允许从二次插值方程计算基线应力、偏差乘数和相位乘数，并且根据下式计算每个部分的合成应力：
合成应力＝基线应力×(1+偏差乘数+相位乘数)
该公式简单并且需要最小的计算能力，使得可以一秒多次地对多个部分计算合成应力。
该方法还包括记录估计的总疲劳应力范围和在每个应力范围记录的循环次数的步骤，该应力范围是振动机的每个部分随时间而使用简化模型计算的合成应力或根据FEM计算的模拟应力。
可以分析所记录的应力以根据与每个循环相关联的其相关应力范围和峰值应力将循环次数提取到量化带中。循环次数和与循环相关联的应力用于计算每个部分的累积损坏。优选地具有从计算中滤除低应力循环的能力，以便消除错误的疲劳损坏估计。可以基于由数据分析确定的假设耐久性极限或通过逐渐去除低应力循环直到预测的剩余使用寿命等于实际的剩余使用寿命来过滤低应力循环。这可能需要在振动机的被分析部分失效并且剩余使用寿命已知为零的点处执行数据分析。可以使用信号处理技术或算法(例如雨流计数)来计算循环次数，该雨流计数(rainflow-counting)在疲劳分析中定期使用，以根据不规则的应力波动来确定循环次数的近似值。
根据现有的疲劳寿命或疲劳损坏计算方法来估计累积损坏。这些计算中的大多数考虑循环次数和每个循环的应力范围(或峰值应力)。一种被称为迈因纳定理的方法通过对在特定应力范围的循环次数与在该特定应力范围的理论循环和失效的循环次数的比率求和来估计累积疲劳损坏，并且提供累积损坏的估计作为总疲劳寿命消耗的比例。
该部分与振动机的特定部件相关联，并且对一部分的损坏可以归因于该特定部件。这允许将损坏的图形表示提供给操作者。知道每个部件的累积损坏允许操作者计划部件的定期维护和更换，以及控制不利的操作特性，否则在操作者不知道的情况下，该不利的操作特性将减少振动机的使用寿命。这种知道将减少振动机在意外失效的情况下由于紧急维护而引起的停机时间。
该方法的附加益处在于其可以用于振动机的优化分析。在振动机由传送带或类似装置(例如板式进料器)供给的情况下，可以测量和改变来自皮带的进料速率。知道通常以吨/小时(TPH)测量的给定进料速率对累积损害的影响可允许计算剩余使用寿命的估计。可以调节进料速率和其他过程控制，并且因此调节来自机器的输出(假设没有发生停机或失效)以优化振动机的输出。该方法通过疲劳损坏的因变量的实时监测来连续地实行，通常在作为与振动机相关联的自动连续监测系统的一部分的软件中实行，并且基于振动机的疲劳强度和操作应力范围来估计近实时累积损坏。通过使用实时测量，启动和关闭的瞬时动态的累积损坏也被考虑到累积损坏和疲劳寿命计算中。
累积损坏可以是许多变量的函数，包括在设计振动机时设计者未知的本文所述的所测量的量和所估计的量。所计算的累积损坏向振动机的用户和操作者提供剩余使用寿命的指示。由于数据密度和循环速率，并且部分地由于与被监测设备的使用寿命相比传统直接测量技术的可靠性，振动机的操作循环速率对通过直接测量技术估计累积损坏提出了挑战。
本发明的第二方面涉及在振动机的设计阶段期间使用来自上述方法的数据。这可以包括通过根据本文所述的方法估计振动机的部分的累积损坏并使用累积损坏估计来估计振动机的部分的疲劳强度的估计振动机的疲劳强度的方法。已经使用这些方法获得的疲劳强度将更加精确，因为其是从使用中的振动机的实际数据发展而来的。此外，在特定部件上发生意外失效或重复的意外失效的情况下，将提供关于模型的有价值的反馈，并且可以用于改进振动机的设计。
可以设想，本发明将提供一种接近实时地估计振动机的累积损坏而没有直接应变测量的限制的方法，其中，所估计的损坏在潜在失效、计划的维护和操作的优化方面向振动机的操作者提供有价值的反馈。
本发明不限于如本文所述的精确细节。例如，代替使用线性传感器来测量基座和运动机件之间的距离，可以采用任何其他合适的测量装置来测量基座和运动机件之间的距离。

Claims (19)

1.一种估计振动机的累积损坏的方法，所述振动机具有基座和能相对于所述基座移动的移动机件，所述方法包括以下步骤：提供模型，所述模型估计所述振动机的一部分上的机械应力，至少使用所述运动机件的质量、所述运动机件上的载荷分布以及所述运动机件的加速度来确定所估计的机械应力；估计所述运动机件上的载荷分布；测量所述移动机件的加速度；将所述移动机件的质量、所述移动机件上的所估计的载荷分布和所述移动机件的所估计的加速度提供给所述模型，以获得所述振动机的所述一部分的所估计的机械应力；记录所述振动机的所述一部分随时间的所估计的机械应力；以及基于两个或更多个连续记录的机械应力估计对所述振动机的所述一部分来估计累积疲劳损坏。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模型是计算模型，并且估计所述振动机的多个部分上的机械应力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过估计所述运动机件上的进料的质量和分布来估计所述运动机件上的载荷分布。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在估计所述运动机件上的材料的质量和分布的步骤之前，是在至少两个点处测量所述运动机件和所述基座之间的随时间的距离的步骤；所测量的距离用于估计所述运动机件上的材料的质量和分布。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，测量所述距离的步骤由两个或更多个线性位移传感器测量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述移动机件通过悬架附接到所述基座。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述悬架是两个或更多个弹簧组的形式。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述弹簧组处测量所述运动机件和所述基座之间的距离。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模型的至少一部分包括使用所述振动机的几何结构和有限元方法来计算一个或多个部分的机械应力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过使用有限元分析识别各种载荷条件下的高应力区域来选择一个或多个部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，每个识别部分被选择为与其他部件相比，该识别部分为具有相对更低的疲劳使用寿命的部件的一部分。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，在计算所述一个或多个部分的机械应力时考虑固有频率和模态参与。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，材料的分布被简化为所述材料的实际质心相对于所述运动机件上的参考位置之间的偏差。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，分析所记录的应力以提取每个部分的循环次数和应力。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，从所述循环次数中过滤低应力循环。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，使用雨流计数算法来提取循环次数。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据迈因纳定理来计算每个部分的累积疲劳损坏。
18.一种估计振动机的疲劳强度的方法，包括以下步骤：根据前述权利要求中任一项所述的估计所述振动机的部分的累积疲劳损坏；并且
使用累积疲劳损坏估计来估计所述振动机的所述部分的疲劳强度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述方法包括使用所述疲劳强度估计来改进所述振动机的设计的步骤。
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