基于DASP的高扬程泵站压力管道模态识别

基于DASP的高扬程泵站压力管道模态识别
徐存东;史国坤;常周梅
【摘要】针对高扬程泵站压力管道在运行过程中普遍存在的振动问题,以甘肃景电工程一期二泵站的4#压力管道为研究对象,采用DASP(data acquisition&signal processing)软件对泵站的压力管道振动特性进行测试.用时域分析法辨识压力管道结构振动的模态参数,分析了不同工况下压力管道的振动状态,并用振型相关矩阵对其识别结果的可靠性进行了校验.实验结果表明:该方法不仅能方便快捷地获取管道振动的实时测试信号和振动特性图谱,其精度与可靠性也能满足压力管道振动机理分析的需求,于实际工程有广泛的应用及推广价值.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2013(013)034
【总页数】5页(P10208-10212)
【关键词】高扬程泵站;压力管道;模态识别;DASP
【作者】徐存东;史国坤;常周梅
【作者单位】华北水利水电大学,郑州450011;华北水利水电大学,郑州450011;华北水利水电大学,郑州450011
【正文语种】中文
【中图分类】TV675
高扬程输水泵站在我国现代水利事业中发挥着极为重要的作用，在创造巨大效益的
同时，也饱受压力管道振动问题的困扰，严重影响了泵站的安全运行和使用寿命［1］。

为此国内外学者对管道振动问题进行了长期不懈的研究，并取得了长足进展［2—6］。

管道振动的实质是在复杂空间激振力系下，管道和与之相连附属设备、装置及其支承架构成的结构系统随时间变化的问题［7］。

对压力管道进行模态分析是研究压力管道振动特性的重要手段。

DASP(data acquisition＆signal processing)测试系统是由东方所研发的集多通道信号采集和实时分析于一体的测试软件，可用于噪声测试分析、模态分析、阻尼测试分析、振动及故障诊断分析等，具有高度集成性、多功能性、操作便捷性和测量精度高等特点［8］。

DASP测试系统流程图如图1所示。

本文利用DASP测试系统现场采集实验数据信息，对压力管道的振动特性开展原位测试试验，分析了不同工况下压力管道的振动状态，采用时域分析方法对压力管道结构振动的模态参数进行了辨识，并用振型相关矩阵对其识别结果的可靠性进行了校验。

图1 DASP测试系统流程图
1 试验设备与方法
1.1 试验对象与试验工况选择
以甘肃省景泰川电力提灌工程一期二泵站的压力管道为试验对象，压力管道布置如图2所示。

由图2可见，该泵站压力管道布置形式与很多大型泵站多机单管的布
置形式相一致，具有很强的代表性。

在实地考察中了解到，泵站4#压力管道在开、停机瞬间振动噪声和振幅较其他管道剧烈，是极佳的实验对象。

综合考虑以上因素，本次试验选用4#压力管道作为试验对象展开研究。

其布置与结构形式如图3所示。

图2 一期二泵站压力管道平面布置图
基于试验现场考察时4#压力管道在开停机瞬间振动幅度较大的情况，采用以下两
种代表性工况作为试验工况，进行数据采集，以便全面客观地获得4#压力管道在
正常工况下运行时的振动特性。

数据采集工况如下:
(1)工况一:4#泵机开机瞬间至平稳运行期间。

(2)工况二:4#泵正常运行期间。

1.2 测试系统
模态分析试验过程中，激励方法可分为设备激励和环境激励两种。

类似于压力管道这类结构在进行模态时设备激励较为困难，因此本次试验采用环境激励的方法，即以天然脉动作为激励信号的单输入多输出方法。

由于压力管道结构的固有频率较低，则选用低频特性好的位移或速度传感器，现选用891—2型水平速度传感器。

该传感器设有加速度、中速度、大速度和小速度4档，分别对应于1#～4#档位。

综合考虑多项因素，本次试验过程中采用2#档位。

1.3 测点布置
能否最大程度地获取结构实际的振动响应，得到完整可靠的振型动画，正确恰当地选择测点数目和测点位置至关重要。

因此我们应事先估测所测结构的频率范围确定大概测点数目及所要获取的模态阶数［9］。

综合考虑测点的选取、拾振器的布置和管道分布型式等多种因素，试验选取管道6个位置进行振动测试，包括管道的
弯管处、焊接处、交接处及支墩处等测试敏感部位［10—13］。

本次试验采用18个拾振器，分别设编号1#～18#以方便区分，并建立以x，y，z向的正交三维坐
标系，分别对应管道的轴向、径向和铅直向。

各拾振器位置与拾振器如图3所示。

实际操作中应使水平拾振器的几何轴线尽可能呈水平，铅垂向拾振器的几何轴线与水平面尽可能呈垂直。

1.4 数据采集
首先进行采样前的示波工作。

在调整好仪器的状态之后，于采样程序参数设置表中输入各通道的工程单位和标定值。

工程单位随传感器类型而定，本测试采用891—2型拾振器，因而设定工程单位为mm/s。

标定值K的计算公式为
图3 测点布置简化图
式(1)中KCH为INV传感器灵敏度。

由于管道振动测试的激励采用天然脉动信号，故采用随机采样方式，测试时间为3 min，采样频率为204.8 Hz。

在4#机组开启的瞬时开始采样，经过180 s采样测试后，DASP软件系统能够准确检测到不同工况下代表性测点不同幅度的信号，会自动处理数据，生成波形图。

2 模态参数辨识分析
分别用时域分析法中的特征系统实现算法(ERA)和随机子空间算法(SSI)进行模拟分析，并利用振型相关矩阵对两种算法的模拟结果进行校验，以验证实验结果的可靠性。

2.1 模态拟合
2.1.1 参数的选择
模态分析是根据现场试验所获取的数据信号，通过模态技术分析获取结构振动的频率及振型等参数，判断结构的振动变化特征。

其中模态拟合是模态分析的必经步骤。

本次传感器类型设置为速度传感器;原点导纳位置(激励点)设为l;总测点数为18。

2.1.2 模态拟合
时域模态分析不需要采用像频域模态分析那样一系列复杂的定阶，只需要进行拟合就可以。

其中随机子空间法(SSI)和特征系统实现算法(ERA)本身就是两种模态拟合方法，它只需要通过求脉冲响应函数或自由衰减函数即可进行模态的拟合与求解，相对于频域模态分析既简便而且实用。

工况一与工况二的两种算法的模态拟合稳定图如图4和图5所示。

2.2 振型编辑
本次试验采用质量归一法进行振型编辑。

模态稳定图计算结束后，得出随机子空间法(SSI)和特征系统实现算法(ERA)下对应压力管道两种工况的前6阶固有频率、阻尼(表1)和振型(图6、图7)。

综合以上试验结果分析认为:两种工况下压力管道沿Z向(铅垂向)振幅都比较明显，并沿X向(轴向)有轻微摆动(扭振);正常运行情况下管道的阻尼与频率相对于开机瞬间更高，振幅也更明显一些，这也意味着管道在正常运行时安全度相对更低;相对
于总管，支管的振动更为剧烈，安全隐患更高。

上述分析结果与现场实际观测的运行情况相一致，证明试验数据的科学性与准确性。

2.3 振型相关矩阵校验
对模态分析，振型相关矩阵可以用来验证其振型的可靠性。

图4 工况一模态拟合
图5 工况二模态拟合
表1 工况一与工况二模态频率和阻尼比1 SSI ERA 2 SSI ERA 3 SSI ERA 4 SSI ERA 5 SSI ERA 6 SSI ERA工况一频率/Hz 14.122 14.137 16.225 16.347
17.247 17.697阻尼 0.453 1.077 2.922 0.690 2.305 0.607工况二频率/Hz
14.503 14.515 16.656 16.498 18.222 18.129阻尼 0.100 1.232 0.143 5.179
1.225
2.517 19.080 19.733 21.028 21.856 22.639 22.026 1.565 0.185 2.474 0.745 1.276 0.132 19.903 19.891 21.505 21.247 2
3.764 23.825 0.905 0.812 0.738 1.592 0.017 0.753
图6 工况一前6阶模态振型
振型相关矩阵是对称矩阵的主对角线矩阵的主对角线元素为1的矩阵结构。

矩阵
的行数和列数代表两阶模态，矩阵元素值表示:正交的两阶模态振型，归一化处理
后两阶模态的乘积标量，越小的标量值，表示更好的正交性［14］。

理想的模态
相关矩阵除了主对角元素，其他元素的值很小。

从图8校准的振型相关矩阵中可
以看出经过分析所得出的模态振型还是比较可靠正确的。

图7 工况二前6阶模态振型注:图6与图7中坐标系与测点布置时所建坐标系一致。

其中蓝色线体为原管道中心线，红色线体为管道振动过程中心线偏离最大位移。

3 结语
图8 振型相关矩阵校验
结构的固有频率和各阶振型是结构设计中的重要参数，是各类动力分析的基础，而对结构进行模态分析是确定其固有频率和各阶振型的必要手段，在此基础上，我们可以研究减振甚至避振的措施，以延长结构使用寿命并减少不必要的损失。

实验表明，相比于传统的振动测仪器设备便携性差、数据采集不即时、数据处理工作量大等情况，DASP不仅很好地解决了上述问题，还实现了在多激励源耦合影响下测试泵站压力管道的实时振动情况及信号数据的采集与分析，同时克服了在天然激励下难以识别泵站压力管道振动振源的困难，为解决大型泵站管道的振动问题提供了有力的理论依据和技术支撑。

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