【文章內(nèi)容簡介】 （3）將統(tǒng)計模式信息的理論引入泵站壓力管道運行模態(tài)的損傷識別與運行安全性的判定分析，為大型泵站壓力管道的振動及結(jié)構(gòu)安全判定提供一個新的思路和評判方法。4泵站壓力管道現(xiàn)場試驗高揚程提水泵站在解決干旱少雨地區(qū)的水資源匱乏問題有著重要作用。本課題以甘肅景電工程一期二泵站的4壓力管道為研究對象，分別在2010年10月和2011年11月對其上水、停水的不同工況進行現(xiàn)場測試，采用時域分析和頻譜分析方法進行壓力管道流激振動辨識，分析不同工況下壓力管道的振動狀態(tài)，為工程的安全運行及管理提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)參考。 傳統(tǒng)振動測試方法常用的壓力管道振動測試方法有電測法、機械法和光學(xué)法等，但這些方法大多適用于管道的腐蝕磨損、焊接缺陷、裂縫位置、松弛或失穩(wěn)等自身及管路設(shè)備問題開展的檢測。而對于正在運行的泵站壓力管道的振動測試，在國內(nèi)外的研究內(nèi)容還比較少，遠沒有對設(shè)備振動的測試與分析開展的深入和廣泛，也沒有關(guān)于壓力管道振動評價的標準，同時測試系統(tǒng)相對也較少。傳統(tǒng)的振動測試系統(tǒng)大多采用電子測量儀器，其特點是功能專用、靈活性差，大大的制約了振動測試的范圍。傳統(tǒng)的振動測試裝置主要依靠各種硬件儀器來完成，除了需要放大器、傳感器外，還需要專門的分析設(shè)備，比如信號分析儀、頻譜分析儀、示波器等，從而使得整個測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，功能單一而且可重配置性弱。它們的基本功能是以FFT為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理和頻譜分析，其構(gòu)成基本上是傳感器、放大器、記錄器、信號處理等硬件為基礎(chǔ)組成的專用信號處理與分析儀器。其缺點是：（1）傳統(tǒng)的振動測試系統(tǒng)其記錄過程與分析過程分開進行，不能進行實時檢測記錄結(jié)果，所以很難保證測試記錄結(jié)果的準確性。（2）傳統(tǒng)的振動測試系統(tǒng)一般不能存儲記錄信號，而能用于存儲記錄信號的儀器只有光線記錄示波器、瞬態(tài)記錄儀和磁帶記錄器，其中光線示波記錄器很難用信號處理儀處理。（3）儀器昂貴，體積大，帶到現(xiàn)場很不方便，有時沒有磁帶記錄器，實驗工作就無法開展。因此，本課題摒棄傳統(tǒng)的振動測試方法，選用虛擬測試儀器DASP（Data acquisition amp。 signal processing）系統(tǒng)進行大型泵站壓力管道的振動測試，可以對泵站提水系統(tǒng)在不同工況下的管道振動進行測試。 DASP軟件介紹北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所（簡稱東方所）成立于1985年10月11日，是一座高新技術(shù)研究所，其前身是1983年成立的中國科協(xié)咨詢中心振動技術(shù)咨詢部。二十多年來一直專注于振動、沖擊、噪聲、動態(tài)測試、信號處理、模態(tài)分析、試驗技術(shù)、教學(xué)實驗、虛擬儀器和測控技術(shù)等領(lǐng)域的軟、硬件開發(fā)。DASP V10 是東方所研發(fā)的一套運行在Windows95/98/Me/NT/2000/Xp平臺上的多通道信號采集和實時分析軟件，具有多類型視窗的多模塊功能高度集成特性，有具有操作便捷特點。基于東方所在各種工程應(yīng)用領(lǐng)域的長期經(jīng)驗，DASP V10對各種功能模塊重新進行整合，成為一套功能更加全面、操作更加便捷、界面更加美觀、性能繼續(xù)保持領(lǐng)先的動靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。DASP V10 軟件的所有測試分析結(jié)果都可以多種方式輸出，包括圖形的復(fù)制、存盤、打印，數(shù)據(jù)導(dǎo)出為TXT、CSV、Excel電子表格和Access數(shù)據(jù)庫格式，并可輕松輸出圖文并茂的Word格式或者Html格式的分析報告。在基于DASP V10 的平臺上，還可以運行專業(yè)模態(tài)和動力學(xué)分析系統(tǒng)、虛擬儀器庫、信號發(fā)生器以及針對聲學(xué)、旋轉(zhuǎn)機械、路橋土木、計量檢定等行業(yè)的多種軟件系統(tǒng)，滿足各方面各層次的測試和分析需求。本實驗采用DASP V10軟件對泵站壓力管道的振動數(shù)據(jù)進行采集和模態(tài)分析、識別。景電工程包括一期和二期工程，通過實地調(diào)研，對景電一期總干二泵站、二期總干三泵站和南干三泵站等泵站管道進行現(xiàn)場觀測與振動測試，發(fā)現(xiàn)這些泵站的壓力管道在機組開機和停機的瞬間都存在著不同的振動，同時伴隨著強烈的噪音，在泵站機組長時間的運行情況下不僅對泵站建筑物結(jié)構(gòu)造成危害，而且會對工作人員造成身體傷害，見照片41~43所示。照片41 二期總干三泵站照片42 一期總干二泵站照片43 南干六泵站本課題以景電一期總干二泵站壓力管道為例，闡述了基于DASP的泵站壓力管道振動測試實驗的設(shè)計和實現(xiàn)過程，景電一期總干二泵站的壓力管道布置示意圖如圖41所示。圖41 一期二泵站壓力管道布置示意圖由圖41可以看出，一期總干二泵站壓力管道是多機單管的布置模式，1~4總管結(jié)構(gòu)形式相同，都是分叉管形式，2~4總管分別由直徑為1000mm的出水管和直徑為800mm的出水管匯總成直徑為1400mm出水總管，而1總管是兩個直徑1000mm的出水管組成的。支墩的布置與個數(shù)隨管道的長度而不同。泵站共有8臺泵成一字排隊列，為并聯(lián)運行模式。1~4泵為離心式清水泵，主機型號為32SH—9，額定揚程80m，額定流量為7200m3/h，額定轉(zhuǎn)速750n/min，額定效率90%，輸出功率1744kW，允許氣蝕余量8m。5~8泵為雙吸離心泵，額定轉(zhuǎn)速為980 n/min。1和5機組安裝為1總管供水，2和6機組安裝為2總管供水，3和7機組安裝為3總管供水，4和8機組安裝為4總管供水。壓力管道的振動狀態(tài)隨不同的機組相互開、停機工況變化而不同。 系統(tǒng)組成與工作流程運行DASP系統(tǒng)軟件開始工作，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，初始化系統(tǒng)內(nèi)核，點擊“采樣測量”則進入信號采集部分。振動信號采集后，通過DASP系統(tǒng)可調(diào)用數(shù)據(jù)進行信號分析。系統(tǒng)工作流程圖見圖42所示。系統(tǒng)初始化是否信號采集Y拾振器信號采集信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入波形顯示是否實時處理Y頻譜分析待機模式NN圖42 DASP振動測試系統(tǒng)工作流程圖根據(jù)實驗對象和測試目的，首先要確定拾振器的選型，根據(jù)實際現(xiàn)場情況及管道分布考慮，確定測點布置情況，進行拾振器的安裝。 拾振器的選型振動測試采用的傳感器是中國地震局工程力學(xué)研究所研制的891型拾振器。891型拾振器分為8918912和8914三種型號，每種拾振器設(shè)有小速度、中速度、大速度和加速度四檔?？筛鶕?jù)需要，選取拾振器上微型撥動開關(guān)選擇相應(yīng)的檔位，即可獲取被測點的加速度、速度及位移參量。一般來講，拾振器的量程和精度是有一定矛盾的，若量程和精度同時要求很高，則必然導(dǎo)致拾振器價格迅速提高，在具體選擇時，要綜合考慮實驗測試的造價和性能的平衡。在進行拾振器選擇之前，根據(jù)經(jīng)濟條件和實驗需要，需用量程較大的拾振器對管道進行振動測試，以了解管道的振幅范圍，因此選用8912型拾振器，其技術(shù)指標見表41所示。表41 8912型拾振器技術(shù)指標檔 位技術(shù)指標 參量1234加速度中速度大速度小速度靈敏度()7130阻 尼 常 數(shù)7或5最大量程位移（mm,pp）7030015速度（m/s,pp）加速度（m/s2,pp）40通頻帶()～801～100～1002～100輸出負荷電阻(kΩ)300300300300與891型放大器配接后的分辨率位移（m）110711062108速度（m/s）110711062108加速度（m/s2）1105或2106尺 寸，重 量Φ6080mm,1kg 拾振器的布置原則管道振動測試實驗，測點的布置十分關(guān)鍵。根據(jù)實際現(xiàn)場情況，包括管道情況、器材準備、人員情況以及信號采集等方面，多種因素綜合考慮，按以下原則選取測點：（1）根據(jù)管路分布及管道長度，盡量測試整個管路系統(tǒng)；（2）為得到完整的信號數(shù)據(jù)，測點要包括管道的重要位置，例如彎管處、入水口處、兩管相接處以及支墩處等；（3）為了使分析結(jié)果更為直觀，測點當(dāng)然是越多越好，但測點越多，試驗成本越高，試驗時間也會加長，試驗過程中出現(xiàn)故障的幾率也會加大。因此測點數(shù)目應(yīng)當(dāng)找到一個平衡點。（4）布設(shè)測試點時，還需要考慮傳感器安裝的方便。 測點布置根據(jù)測點的選取、拾振器的布置和管道分布型式等多種因素的綜合考慮，本實驗決定選取管道6個位置進行振動測試，例如壓力管道的進水口、彎管處以及大小管相接處等代表性的位置。放置時要盡量緊湊，使其在同一時間內(nèi)采集振動信號，保證三個方向振動相關(guān)。為了更全面的得到壓力管道振動信號數(shù)據(jù)，沿管道的徑向、軸向及鉛直向三個方向建立三維坐標系，即方向。將三個拾振器作為一組，其中兩個水平向，一個垂直向。因一期二泵站1~4總管結(jié)構(gòu)型式相似，所以4總管拾振器的布置形式可以完全用于1~3管道等，具體測點布置簡化圖如下圖43。圖43 測點布置簡化圖在實際測量中，為了分析的方便，將所有測量點分X，Y，Z三個方向分別進行測量，在分析處理時也分為X，Y，Z三個方向進行。本次試驗三個方向具體的布點方式如圖44所示。圖44 測點傳感器布置方向示意圖X方向、Y方向均水平，互成正交體系，Z方向為垂直與X、Y方向。其中，在X方向布置了6個測點，Y方向6個測點，Z方向共6測點，見照片44至48所示。照片 44 拾振器布置圖 照片 45 拾振器布置詳圖1 照片 46 拾振器布置詳圖2 照片 47 拾振器布置詳圖3 照片 48 拾振器特寫 試驗工況本次試驗主要針對2010年10月份泵站上水時期工況進行布點測試。數(shù)據(jù)采集工況如下：（1）工況一：開4號泵機瞬間，112傳感器多次修正，平穩(wěn)后正常，采集1500s；（2）工況二：8號泵開啟，4號泵正常運行，117傳感器無信號。采集運行3%時，4管道旁邊的3號管道開啟，采集1500s；（3）工況三：零點校準后，117測點正常，采集1500s；（4）工況四：4號泵停機過程，采集1500s； 基本操作通過以上實驗準備，用數(shù)據(jù)線將微機、信號數(shù)據(jù)采集儀和拾振器連接好后，再進入DASP軟件采集分析模塊，開始示波采樣。采樣前需在采樣程序參數(shù)設(shè)置表中輸入各通道的工程單位和標定值，工程單位隨傳感器類型而定，本實驗采用8912型拾振器，設(shè)定工程單位為mm/s。在每次實驗前，會有大量的數(shù)據(jù)要進行采集和處理，所以要對數(shù)據(jù)進行標識。DASP主要使用三個參數(shù)來標識一個數(shù)據(jù)：試驗名、試驗號和測點號。本實驗選擇一期總干二泵站4管為測試對象，則試驗名命名為：一期二泵站4管；試驗號命名為：1~4；測點號命名為：1~18。 數(shù)據(jù)采集在進行數(shù)據(jù)采集前，要先進行參數(shù)設(shè)置，其中包含“基本參數(shù)”、“通道參數(shù)”、“開始條件”、“結(jié)束條件”、“定時啟動”和“高級設(shè)置”等若干設(shè)置頁。在正確設(shè)置完畢采樣參數(shù)后，即可開始進行示波或采樣操作。圖45所示是試驗測試的數(shù)據(jù)采集與分析處理的操作應(yīng)用過程。圖45 振動響應(yīng)測試分析過程 （1）數(shù)據(jù)采集應(yīng)用：通過“DASP工程版”模塊可以進入DASP的信號示波采集界面，如圖46所示。點擊示波采集界面上的“示波采樣”可以對本次試驗需要的基本信息參數(shù)進行設(shè)置，諸如存儲路徑、采樣頻率、采樣通道數(shù)、采樣開始與結(jié)束條件、工程單位以及標定值等等。通過數(shù)據(jù)信號采集界面可以進行如上的基本參數(shù)設(shè)置、通道參數(shù)設(shè)置、示波和采樣操作，也可以選擇合適的示波方式來觀察輸出的波形，顯示出示波和采樣過程中的各種波形、頻譜以及參數(shù)信息。DASP中的采樣頻率可以設(shè)置成采樣頻率，也可以設(shè)置成分析頻率，用戶只需要選其一。，且一般信號頻率都高于分析頻率，同時需要使用抗混疊濾波器消除高于分析頻率的信號。在試驗中。圖46 數(shù)據(jù)信號采集界面（2）數(shù)據(jù)分析處理應(yīng)用：通過DASP工程版的模塊進入如圖47所示的數(shù)據(jù)瀏覽界面，可以查看每種工況的采集信息和數(shù)據(jù)，可以進一步修改采樣參數(shù)。每一工況、每一測點的采集信息都可以在數(shù)據(jù)瀏覽界面上反映出來，從圖中可以看出，上部分是采集到的數(shù)據(jù)信息，下部分的波形圖是針對上部分每一測點的全程示波。圖47 數(shù)據(jù)瀏覽界面 通過工具條上的“時域分析”可以對每種工況進行分析處理，可以選擇一個工況的所有測點分析，也可以選擇其中一個測點進行分析。時域分析的界面圖如圖48所示。在時域分析界面里，可以設(shè)置查看的時程范圍、可以通過微積分轉(zhuǎn)換工程單位，可以查看時間點的峰值及頻率值等等。圖48 時域分析界面此外，DASP系統(tǒng)軟件還提供了強大的數(shù)據(jù)超大容量連續(xù)示波和采集（三思維采樣,可同時進行示波、采樣和頻譜分析）、時域和自譜FFT分析功能模塊等。本試驗分析不使用這些模塊，在此不做詳細介紹。由于大型泵站壓力管道流激振動分析和損傷識別分析內(nèi)容不同，兩個層次，差異明顯，從而需要不同的時域波形圖，所以時域波形輸出要分開進行分析。綜上，本項目以具有代表性的甘肅景電工程一期總干二泵站的壓力管道為研究對象，首次采用DASP振動測試系統(tǒng)，針對壓力管道的現(xiàn)場實際情況對振動測試實驗進行了設(shè)計，內(nèi)容包括測點布置，拾振器的安裝，儀器連接，數(shù)據(jù)存儲等。針對泵站壓力管道運行特點，對具有代表性的管道運行工況進行試驗研究，分別圍繞4和8機組開機、穩(wěn)定運行以及停機等設(shè)置4個工況開展實驗測試，最終得到所需工況下的振動信號數(shù)據(jù)，為后續(xù)激勵源研究及其成果的推廣奠定了基礎(chǔ)。5波形輸出與信號去噪 所需工況為滿足測試分析的需要，結(jié)合工程運行中的實際振動情況調(diào)查，測試實驗設(shè)計了以下四種工況，通過原位測試得到不同工況下的信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和整理，可以得到代表性工況的振動特性，具體見表51所示。表51 振動測試實驗工況測試對象機組工況4管道4機組8機組工況一：4機開機過程，8機停機；工況二：4機正常運行；工況三：8機開機過程，4機運行；工況四：4機停機過程。根據(jù)實地調(diào)查，