【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （3）將統(tǒng)計(jì)模式信息的理論引入泵站壓力管道運(yùn)行模態(tài)的損傷識(shí)別與運(yùn)行安全性的判定分析，為大型泵站壓力管道的振動(dòng)及結(jié)構(gòu)安全判定提供一個(gè)新的思路和評(píng)判方法。4泵站壓力管道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)高揚(yáng)程提水泵站在解決干旱少雨地區(qū)的水資源匱乏問(wèn)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(duì)象，分別在2010年10月和2011年11月對(duì)其上水、停水的不同工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采用時(shí)域分析和頻譜分析方法進(jìn)行壓力管道流激振動(dòng)辨識(shí)，分析不同工況下壓力管道的振動(dòng)狀態(tài)，為工程的安全運(yùn)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(dòng)測(cè)試方法常用的壓力管道振動(dòng)測(cè)試方法有電測(cè)法、機(jī)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(wèn)題開展的檢測(cè)。而對(duì)于正在運(yùn)行的泵站壓力管道的振動(dòng)測(cè)試，在國(guó)內(nèi)外的研究?jī)?nèi)容還比較少，遠(yuǎn)沒(méi)有對(duì)設(shè)備振動(dòng)的測(cè)試與分析開展的深入和廣泛，也沒(méi)有關(guān)于壓力管道振動(dòng)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)也較少。傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)大多采用電子測(cè)量?jī)x器，其特點(diǎn)是功能專用、靈活性差，大大的制約了振動(dòng)測(cè)試的范圍。傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試裝置主要依靠各種硬件儀器來(lái)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(hào)分析儀、頻譜分析儀、示波器等，從而使得整個(gè)測(cè)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(hào)處理等硬件為基礎(chǔ)組成的專用信號(hào)處理與分析儀器。其缺點(diǎn)是：（1）傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)其記錄過(guò)程與分析過(guò)程分開進(jìn)行，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)記錄結(jié)果，所以很難保證測(cè)試記錄結(jié)果的準(zhǔn)確性。（2）傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一般不能存儲(chǔ)記錄信號(hào)，而能用于存儲(chǔ)記錄信號(hào)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(hào)處理儀處理。（3）儀器昂貴，體積大，帶到現(xiàn)場(chǎng)很不方便，有時(shí)沒(méi)有磁帶記錄器，實(shí)驗(yàn)工作就無(wú)法開展。因此，本課題摒棄傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試方法，選用虛擬測(cè)試儀器DASP（Data acquisition amp。 signal processing）系統(tǒng)進(jìn)行大型泵站壓力管道的振動(dòng)測(cè)試，可以對(duì)泵站提水系統(tǒng)在不同工況下的管道振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。 DASP軟件介紹北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所（簡(jiǎn)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(guó)科協(xié)咨詢中心振動(dòng)技術(shù)咨詢部。二十多年來(lái)一直專注于振動(dòng)、沖擊、噪聲、動(dòng)態(tài)測(cè)試、信號(hào)處理、模態(tài)分析、試驗(yàn)技術(shù)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、虛擬儀器和測(cè)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(yùn)行在Windows95/98/Me/NT/2000/Xp平臺(tái)上的多通道信號(hào)采集和實(shí)時(shí)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(diǎn)?；跂|方所在各種工程應(yīng)用領(lǐng)域的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，DASP V10對(duì)各種功能模塊重新進(jìn)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(dòng)靜態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)。DASP V10 軟件的所有測(cè)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(kù)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(bào)告。在基于DASP V10 的平臺(tái)上，還可以運(yùn)行專業(yè)模態(tài)和動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)、虛擬儀器庫(kù)、信號(hào)發(fā)生器以及針對(duì)聲學(xué)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、路橋土木、計(jì)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(cè)試和分析需求。本實(shí)驗(yàn)采用DASP V10軟件對(duì)泵站壓力管道的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和模態(tài)分析、識(shí)別。景電工程包括一期和二期工程，通過(guò)實(shí)地調(diào)研，對(duì)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這些泵站的壓力管道在機(jī)組開機(jī)和停機(jī)的瞬間都存在著不同的振動(dòng)，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的噪音，在泵站機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行情況下不僅對(duì)泵站建筑物結(jié)構(gòu)造成危害，而且會(huì)對(duì)工作人員造成身體傷害，見(jiàn)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(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)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(jī)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(gè)直徑1000mm的出水管組成的。支墩的布置與個(gè)數(shù)隨管道的長(zhǎng)度而不同。泵站共有8臺(tái)泵成一字排隊(duì)列，為并聯(lián)運(yùn)行模式。1~4泵為離心式清水泵，主機(jī)型號(hào)為32SH—9，額定揚(yáng)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(jī)組安裝為1總管供水，2和6機(jī)組安裝為2總管供水，3和7機(jī)組安裝為3總管供水，4和8機(jī)組安裝為4總管供水。壓力管道的振動(dòng)狀態(tài)隨不同的機(jī)組相互開、停機(jī)工況變化而不同。 系統(tǒng)組成與工作流程運(yùn)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(diǎn)擊“采樣測(cè)量”則進(jìn)入信號(hào)采集部分。振動(dòng)信號(hào)采集后，通過(guò)DASP系統(tǒng)可調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)分析。系統(tǒng)工作流程圖見(jiàn)圖42所示。系統(tǒng)初始化是否信號(hào)采集Y拾振器信號(hào)采集信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入波形顯示是否實(shí)時(shí)處理Y頻譜分析待機(jī)模式NN圖42 DASP振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工作流程圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和測(cè)試目的，首先要確定拾振器的選型，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況及管道分布考慮，確定測(cè)點(diǎn)布置情況，進(jìn)行拾振器的安裝。 拾振器的選型振動(dòng)測(cè)試采用的傳感器是中國(guó)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(hào)，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(dòng)開關(guān)選擇相應(yīng)的檔位，即可獲取被測(cè)點(diǎn)的加速度、速度及位移參量。一般來(lái)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(shí)要求很高，則必然導(dǎo)致拾振器價(jià)格迅速提高，在具體選擇時(shí)，要綜合考慮實(shí)驗(yàn)測(cè)試的造價(jià)和性能的平衡。在進(jìn)行拾振器選擇之前，根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件和實(shí)驗(yàn)需要，需用量程較大的拾振器對(duì)管道進(jìn)行振動(dòng)測(cè)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(biāo)見(jiàn)表41所示。表41 8912型拾振器技術(shù)指標(biāo)檔 位技術(shù)指標(biāo) 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(fù)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(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)的布置十分關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，包括管道情況、器材準(zhǔn)備、人員情況以及信號(hào)采集等方面，多種因素綜合考慮，按以下原則選取測(cè)點(diǎn)：（1）根據(jù)管路分布及管道長(zhǎng)度，盡量測(cè)試整個(gè)管路系統(tǒng)；（2）為得到完整的信號(hào)數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)當(dāng)然是越多越好，但測(cè)點(diǎn)越多，試驗(yàn)成本越高，試驗(yàn)時(shí)間也會(huì)加長(zhǎng)，試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)故障的幾率也會(huì)加大。因此測(cè)點(diǎn)數(shù)目應(yīng)當(dāng)找到一個(gè)平衡點(diǎn)。（4）布設(shè)測(cè)試點(diǎn)時(shí)，還需要考慮傳感器安裝的方便。 測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)測(cè)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)決定選取管道6個(gè)位置進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，例如壓力管道的進(jìn)水口、彎管處以及大小管相接處等代表性的位置。放置時(shí)要盡量緊湊，使其在同一時(shí)間內(nèi)采集振動(dòng)信號(hào)，保證三個(gè)方向振動(dòng)相關(guān)。為了更全面的得到壓力管道振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，沿管道的徑向、軸向及鉛直向三個(gè)方向建立三維坐標(biāo)系，即方向。將三個(gè)拾振器作為一組，其中兩個(gè)水平向，一個(gè)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(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)化圖如下圖43。圖43 測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)化圖在實(shí)際測(cè)量中，為了分析的方便，將所有測(cè)量點(diǎn)分X，Y，Z三個(gè)方向分別進(jìn)行測(cè)量，在分析處理時(shí)也分為X，Y，Z三個(gè)方向進(jìn)行。本次試驗(yàn)三個(gè)方向具體的布點(diǎn)方式如圖44所示。圖44 測(cè)點(diǎn)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?yàn)榇怪迸cX、Y方向。其中，在X方向布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，Y方向6個(gè)測(cè)點(diǎn)，Z方向共6測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)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(yàn)工況本次試驗(yàn)主要針對(duì)2010年10月份泵站上水時(shí)期工況進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試。數(shù)據(jù)采集工況如下：（1）工況一：開4號(hào)泵機(jī)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(hào)泵開啟，4號(hào)泵正常運(yùn)行，117傳感器無(wú)信號(hào)。采集運(yùn)行3%時(shí)，4管道旁邊的3號(hào)管道開啟，采集1500s；（3）工況三：零點(diǎn)校準(zhǔn)后，117測(cè)點(diǎn)正常，采集1500s；（4）工況四：4號(hào)泵停機(jī)過(guò)程，采集1500s； 基本操作通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，用數(shù)據(jù)線將微機(jī)、信號(hào)數(shù)據(jù)采集儀和拾振器連接好后，再進(jìn)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(biāo)定值，工程單位隨傳感器類型而定，本實(shí)驗(yàn)采用8912型拾振器，設(shè)定工程單位為mm/s。在每次實(shí)驗(yàn)前，會(huì)有大量的數(shù)據(jù)要進(jìn)行采集和處理，所以要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。DASP主要使用三個(gè)參數(shù)來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)：試驗(yàn)名、試驗(yàn)號(hào)和測(cè)點(diǎn)號(hào)。本實(shí)驗(yàn)選擇一期總干二泵站4管為測(cè)試對(duì)象，則試驗(yàn)名命名為：一期二泵站4管；試驗(yàn)號(hào)命名為：1~4；測(cè)點(diǎn)號(hào)命名為：1~18。 數(shù)據(jù)采集在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，要先進(jìn)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(shí)啟動(dòng)”和“高級(jí)設(shè)置”等若干設(shè)置頁(yè)。在正確設(shè)置完畢采樣參數(shù)后，即可開始進(jìn)行示波或采樣操作。圖45所示是試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)采集與分析處理的操作應(yīng)用過(guò)程。圖45 振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試分析過(guò)程 （1）數(shù)據(jù)采集應(yīng)用：通過(guò)“DASP工程版”模塊可以進(jìn)入DASP的信號(hào)示波采集界面，如圖46所示。點(diǎn)擊示波采集界面上的“示波采樣”可以對(duì)本次試驗(yàn)需要的基本信息參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，諸如存儲(chǔ)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(biāo)定值等等。通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)采集界面可以進(jìn)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(lái)觀察輸出的波形，顯示出示波和采樣過(guò)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(hào)頻率都高于分析頻率，同時(shí)需要使用抗混疊濾波器消除高于分析頻率的信號(hào)。在試驗(yàn)中。圖46 數(shù)據(jù)信號(hào)采集界面（2）數(shù)據(jù)分析處理應(yīng)用：通過(guò)DASP工程版的模塊進(jìn)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(jìn)一步修改采樣參數(shù)。每一工況、每一測(cè)點(diǎn)的采集信息都可以在數(shù)據(jù)瀏覽界面上反映出來(lái)，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(duì)上部分每一測(cè)點(diǎn)的全程示波。圖47 數(shù)據(jù)瀏覽界面 通過(guò)工具條上的“時(shí)域分析”可以對(duì)每種工況進(jìn)行分析處理，可以選擇一個(gè)工況的所有測(cè)點(diǎn)分析，也可以選擇其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。時(shí)域分析的界面圖如圖48所示。在時(shí)域分析界面里，可以設(shè)置查看的時(shí)程范圍、可以通過(guò)微積分轉(zhuǎn)換工程單位，可以查看時(shí)間點(diǎn)的峰值及頻率值等等。圖48 時(shí)域分析界面此外，DASP系統(tǒng)軟件還提供了強(qiáng)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(shí)進(jìn)行示波、采樣和頻譜分析）、時(shí)域和自譜FFT分析功能模塊等。本試驗(yàn)分析不使用這些模塊，在此不做詳細(xì)介紹。由于大型泵站壓力管道流激振動(dòng)分析和損傷識(shí)別分析內(nèi)容不同，兩個(gè)層次，差異明顯，從而需要不同的時(shí)域波形圖，所以時(shí)域波形輸出要分開進(jìn)行分析。綜上，本項(xiàng)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(duì)象，首次采用DASP振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)壓力管道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括測(cè)點(diǎn)布置，拾振器的安裝，儀器連接，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。針對(duì)泵站壓力管道運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)具有代表性的管道運(yùn)行工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別圍繞4和8機(jī)組開機(jī)、穩(wěn)定運(yùn)行以及停機(jī)等設(shè)置4個(gè)工況開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終得到所需工況下的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，為后續(xù)激勵(lì)源研究及其成果的推廣奠定了基礎(chǔ)。5波形輸出與信號(hào)去噪 所需工況為滿足測(cè)試分析的需要，結(jié)合工程運(yùn)行中的實(shí)際振動(dòng)情況調(diào)查，測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了以下四種工況，通過(guò)原位測(cè)試得到不同工況下的信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和整理，可以得到代表性工況的振動(dòng)特性，具體見(jiàn)表51所示。表51 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)工況測(cè)試對(duì)象機(jī)組工況4管道4機(jī)組8機(jī)組工況一：4機(jī)開機(jī)過(guò)程，8機(jī)停機(jī)；工況二：4機(jī)正常運(yùn)行；工況三：8機(jī)開機(jī)過(guò)程，4機(jī)運(yùn)行；工況四：4機(jī)停機(jī)過(guò)程。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，