基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子軸心軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

摘 要：轉(zhuǎn)子軸心軌跡是判斷機(jī)械轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)和故障征兆的重要依據(jù)，由多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理軟件組成了基于LabVIEW的軸心軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。連接多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、測(cè)控裝置和數(shù)據(jù)處理軟件，利用LabVIEW采集數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定識(shí)別故障類型，使程序能有效實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)識(shí)別。此系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的判斷轉(zhuǎn)子軸心軌跡的運(yùn)行情況，進(jìn)行診斷故障。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子；虛擬儀器；LabVIEW；軸心軌跡

引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖能夠形象、直觀地表現(xiàn)出設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，圖形中包含了大量的故障信號(hào)，是在故障診斷過(guò)程中不可缺少的，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡的精度提升與自動(dòng)化識(shí)別的研究水平?jīng)Q定著故障診斷系統(tǒng)的智能化水平，因此有著重要的研究?jī)r(jià)值。

基于虛擬儀器的監(jiān)測(cè)平臺(tái)已經(jīng)在各行各業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它采用圖形化的編程方式，編程簡(jiǎn)易，功能多樣，能夠用于監(jiān)測(cè)各種機(jī)械設(shè)備，比傳統(tǒng)儀器效率更高、成本更低。將虛擬儀器設(shè)備用于故障診斷領(lǐng)域，能夠充分發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷提供了更便捷的方法[1-3]。

1 監(jiān)測(cè)原理

由北京航天智控監(jiān)測(cè)技術(shù)研究院生產(chǎn)的多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，配置HZ-891系列電渦流傳感器，進(jìn)行軸心軌跡測(cè)量，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，1、2為電渦流傳感器，兩個(gè)傳感器在同一截面上相互垂直安裝。傳感器獲得位移信號(hào)，可反映轉(zhuǎn)子的軸心軌跡。

轉(zhuǎn)子軸心軌跡是由X、Y方向兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)X（t）、Y（t）所組成的二維振動(dòng)信號(hào)，也可以分別分解為各自頻率下的一個(gè)個(gè)橢圓圖譜[4]。根據(jù)這個(gè)原理，可以將X（t）和Y（t）分解為

X（t）=A1sin（2πf1t+φ1）+A2sin（2πf2t+φ2）+…Ansin（2πfnt+φn）

=x1（t）+x2（t）+…xn（t） （1）

Y（t）=B1sin（2πf1t+φ1）+B2sin（2πf2t+φ2）+…Bnsin（2πfnt+φn）

=y1（t）+y2（t）+…yn（t） （2）

上式中下標(biāo)n表示振動(dòng)信號(hào)中頻率分量的數(shù)目，下式為各頻率下的“軸心軌跡分量”

將上面的軸心軌跡分量分解出來(lái)，就能夠清晰地看到原本轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡的組成。完成軸心軌跡的分解后，將要研究的頻率分量疊加起來(lái)，就能夠合成軸心軌跡。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)要對(duì)任選的m個(gè)頻率{f1，f2，…，fm}對(duì)應(yīng)的分量進(jìn)行研究，則合成后的兩路信號(hào)分別為：

X（t）=A1sin（ωt+α1）+A2 sin（2ωt+α2）Y（t）=B1cos（ωt+β1）+B2cos （2ωt+β2）

以X（t）、Y（t）作為X-Y軸上的X、Y坐標(biāo)點(diǎn)，則可以得到m個(gè)頻率分量疊加后所合成的軸心軌跡。

方程式（4）中8個(gè)參數(shù)A1、A2、α1、α2、B1、B2、β1、β2分別表示X（t）和 Y（t）的一倍頻和二倍頻的幅值和初相位。在復(fù)平面內(nèi)，對(duì)它們進(jìn)行組合形成復(fù)信號(hào)：

z（t）=x（t）+jy（t） （5）

調(diào)整（5）中的8個(gè)參數(shù)的大小，就可以仿真出六種比較典型的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡，采集到故障診斷所需要的軸心軌跡圖譜。如圖2所示為仿真出的六種比較典型的軸心軌跡圖譜。

2 虛擬測(cè)試系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是利用LabVIEW語(yǔ)言進(jìn)行編寫，LabVIEW語(yǔ)言類似于C語(yǔ)言，但是C語(yǔ)言采用的都是文本編輯模式，而LabVIEW編程采用的是圖形，產(chǎn)生的程序是具有標(biāo)志性的框圖[5-6]。

LabVIEW的兩大基本功能是DAQ數(shù)據(jù)采集和儀器控制，NI公司提供的采集卡中擁有自己的驅(qū)動(dòng)程序，采集卡的硬件操作由驅(qū)動(dòng)程序控制。數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)軟件主要有兩種，分別為NI-DAQ和NI-DAQmx，本系統(tǒng)是以DAQmx作為驅(qū)動(dòng)。首先設(shè)置虛擬通道，用到的是DAQmx Timing.vi，其作用是為任務(wù)添加一個(gè)或一批虛擬通道。數(shù)據(jù)采集前，要提前設(shè)置好采樣數(shù)、采樣率、采樣模式等。再設(shè)置觸發(fā)，DAQmx Tigger.vi配置一個(gè)觸發(fā)器使DAQ設(shè)備能夠完整地完成一個(gè)預(yù)定指令，并使用DAQmx Start Task.vi。如圖3所示，是用NI-DAQmx編輯的轉(zhuǎn)子軸心軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序框圖。

程序中利用 AI Acquire Waveforms 函數(shù)同時(shí)采集 X、Y軸上兩個(gè)傳感器導(dǎo)入的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并用 Index Array 函數(shù)分別將兩路信號(hào)索引。運(yùn)用拆分信號(hào)函數(shù)可以將采集到的信號(hào)拆分為兩個(gè)分量信號(hào)后，分別送到 Graph 控件，兩個(gè)分量信號(hào)便疊加在同一個(gè)XY圖控件上，則可以畫出轉(zhuǎn)子的軸心軌跡圖[7-8]。

3 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

啟動(dòng)多功能轉(zhuǎn)子系統(tǒng)電機(jī)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，在前面板上設(shè)置好相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，觀測(cè)和分析所采集得到的位移信號(hào)波形圖，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5。圖4為直觀的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時(shí)域波形圖，圖5為該軸心軌跡的頻譜分析。從圖中可以看出，軸心軌跡圖呈不規(guī)則形，在頻譜中接近50Hz的基頻處有很大的譜峰出現(xiàn)，表明該軸心的振動(dòng)能量主要集中在回轉(zhuǎn)頻率上，同時(shí)在二倍頻率處也出現(xiàn)了微小幅度的譜峰，這是完全符合典型的轉(zhuǎn)子不平衡故障的振動(dòng)特征，說(shuō)明轉(zhuǎn)子軸承存在不平衡故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)搭建多功能轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)測(cè)量了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，仿真出了六種典型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障軸心軌跡圖譜；試驗(yàn)所測(cè)得的軸心軌跡圖形判別故障為不平衡故障，運(yùn)用頻譜分析進(jìn)行驗(yàn)證，所得到的故障結(jié)論是完全相符的。進(jìn)一步證明了基于虛擬儀器軸心軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性?；谔摂M儀器的軸心軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏，精度更高，能精確畫出軸心軌跡圖譜。該系統(tǒng)可廣泛用于機(jī)械故障診斷、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控、復(fù)雜信號(hào)處理等諸多領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：柴保明（1964-），河北邯鄲人，博士，教授，河北工程大學(xué)碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：動(dòng)力機(jī)械及工作過(guò)程和機(jī)械設(shè)備故障診斷。

趙鵬（1987-），河北邯鄲人，碩士，河北工程大學(xué)，助理工程師。