[发明专利]基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于机械设备故障诊断与预示技术领域，具体涉及一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置及方法的设计。

背景技术

近年来，机械结构健康监测越来越受到人们的关注，尤其是工业4.0和2025中国制造的提出，对机械设备运行状态的健康管理提出了更高的要求，采用简单、有效的方法实现机械设备的健康状态的评估已经成为机械设备健康管理的重要研究课题。

疲劳裂纹是机械结构中常见的故障，微小裂纹具有不易察觉、难检测等特点。潜在的裂纹扩展将会产生灾难性的后果，必须对结构中的裂纹进行有效的检测和对裂纹程度的分类评估。对于裂纹的检测，目前主要采用超声波探伤、磁粉探伤、着色探伤等方法，这些手段通常用于静态检测，检测过程不激发被测系统，而且有些检测过程需要较多的辅助设备，实现成本较高。而对于结构故障分析，尤其是梁结构中的裂纹损伤，动态激励过程可以激发裂纹的动态响应特征，比静态检测过程具有明显的优势，通过有针对性的分析动态响应信号可以定性、定量的提取裂纹的损伤程度指标。

目前采用振动激励实现裂纹损伤的识别，如桥梁的健康状况评估的模态分析方法，已经被广泛应用。然而，模态分析方法由于其理论分析和操作技巧均要求较高，需要比较熟练的工程技术人员才可以实现。而且选择不同的模态分析实现方法，也会对裂纹损伤故障指标的检测敏感性有较大制约，如常用的位移模态对裂纹并不敏感。所以，在动态激励过程检测裂纹的应用领域，需要有更多简易、准确的识别方法出现。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的动态激励裂纹检测技术对理论分析和操作技巧均要求较高，且通常对裂纹的敏感性较低的问题，提出了一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置及方法。

本发明的技术方案为：一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置，包括信号采集单元、扫频信号发生器、激振器以及计算机数字信号采集分析单元，扫频信号发生器、激振器、信号采集单元、计算机数字信号采集分析单元顺次连接。

优选地，扫频信号发生器与激振器通过线缆连接。

优选地，扫频信号发生器用于生成正弦扫频激励，激振器用于实现激励过程。

优选地，信号采集单元包括信号采集仪与加速度传感器；信号采集仪连接于计算机数字信号采集分析单元，加速度传感器连接于被测梁结构；信号采集仪与加速度传感器相互连接。

优选地，计算机数字信号采集分析单元包括带通滤波器和数学计算分析处理软件MATLAB。

本发明还提供了一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用激振器向梁结构施加一个正弦扫频激励信号；

S2、利用加速度传感器获取梁结构振动时域信号；

S3、根据正弦扫频激励信号的正弦周期性特点，对对应的振动时域信号进行等间距重采样；

S4、利用带通滤波器对重采样后的信号进行滤波，滤掉正弦扫频成分，得到剩余信号；

S5、对滤波后的剩余信号进行时域统计指标分析，诊断出梁结构的裂纹及其裂纹程度。

进一步地，步骤S1中正弦扫频激励信号的振幅恒定，频率均匀变化。

进一步地，步骤S3具体为：

在正弦扫频激励信号的每一个单个正弦时间周期内选择相同采样点数n，依据采样点数n对采集到的振动时域信号进行重采样，并采用插值法构造新的数据序列。

进一步地，步骤S5中的时域统计指标分析包括均方根值分析和峰度分析。

进一步地，步骤S5中的时域统计指标分析为均方根值分析。

本发明的有益效果是：

(1)本发明选择了常用的正弦扫频激励激发故障梁结构，实现过程简单易行，并创造性地对振动响应信号进行重采样、滤波和统计分析计算，对梁结构的裂纹损伤检测和程度评估提供了新的思路和方法，具有广阔的工程应用前景。

(2)本发明采用非平稳扫频激励对简支梁不同程度的裂纹故障进行检测和识别，是一种静态结构的动态响应特性分析方法。动态非平稳扫频激励更易激发结构损伤的响应特征，是传统静态检测方法的重要补充，同时也是大数据时代设备海量状态信息中，重要的结构健康评估的关键性信息，也为梁结构的裂纹检测提供了新的实现方法。

附图说明

图1为本发明提供的基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置结构框图。

图2为本发明提供的基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测方法流程图。

图3为不同程度梁裂纹示意图。

图4为不同程度梁裂纹的振动时域信号图。