應用LabVIEW開發(fā)非接觸式壓縮機葉片模態(tài)測試系統(tǒng)?

楊青玉 李朝峰 楊樹華 孟繼綱 李凱華

（1.東北大學機械工程與自動化學院；2.沈陽鼓風機集團股份有限公司）

0 引言

壓縮機葉片承受離心力、流體動力、振動、熱應力等綜合作用，極容易發(fā)生故障。據(jù)統(tǒng)計資料表明，壓縮機葉片損壞大多是由振動引起的[1]。因此長久以來，研究人員一直關(guān)注著葉片的模態(tài)參數(shù)分析[2-3]。郭雪蓮等[4]以NASA Rotor37葉片作為研究對象，利用小波閾值收縮法和曲線擬合法對葉片采樣點的振動峰值進行了降噪和模態(tài)阻尼比識別。馮松等[5]利用聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜傳感器、小質(zhì)量加速度傳感器以及非接觸式的電渦流傳感器分別對某型發(fā)動機整體葉盤渦輪葉片進行模態(tài)實驗分析和頻率檢驗。Le TP等[6]提出了針對線性系統(tǒng)在時-頻域識別環(huán)境激勵下模態(tài)的新方法，很好的識別了固有頻率和振型。Tarinejad R等[7]提出基于FDD-wavelet方法的結(jié)構(gòu)模態(tài)識別新算法，并指出該算法在多種動態(tài)系統(tǒng)中的適用性和準確性。Najafi N等[8]利用試驗模態(tài)分析和基于LabVIEW程序的工作模態(tài)分析研究了某發(fā)電機上葉片的動態(tài)特性。杜貴益[9]基于LabVIEW虛擬儀器平臺，開發(fā)了一套振動測試與模態(tài)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)可以用來測試和分析常用的動態(tài)信號和用于對具體結(jié)構(gòu)進行錘擊法試驗模態(tài)分析。Shah HS等[10]基于LabVIEW振動測量工具包的多功能性來測量實時系統(tǒng)中的振動信號，監(jiān)測和預判旋轉(zhuǎn)機械出現(xiàn)的故障。Gani A等[11]介紹了基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集和分析的振動監(jiān)測系統(tǒng)和配套使用的振動故障模擬系統(tǒng)。Tang G等[12]基于希爾伯特-黃變換原理利用LabVIEW開發(fā)了HHT模塊，可以滿足振動測試分析的任務要求。Wu Y等[13]利用LabVIEW開發(fā)了陶瓷電主軸模態(tài)參數(shù)識別模塊，準確地測試出前三階固有頻率。Ladipo IL等[14]利用LabVIEW的狀態(tài)機結(jié)構(gòu)設計多自由度系統(tǒng)的動態(tài)減震器，主動調(diào)節(jié)減震器，顯著降低振動幅值。

從上述文獻中可以看出開發(fā)振動測試系統(tǒng)大多以LabVIEW作為平臺，而且LabVIEW包含聲音振動工具包、數(shù)據(jù)處理工具包和數(shù)據(jù)庫工具包，為振動系統(tǒng)的快速開發(fā)提供了良好的條件；另一方面上述文獻中的測試系統(tǒng)大多基于接觸式激振和拾振，這種測試方法會給測試件帶來附件質(zhì)量，并且隨機因素會造成漏頻現(xiàn)象，測得的固有特性已非測試件，故本文采用非接觸式電磁激振和非接觸式激光拾振。因此本文將應用LabVIEW開發(fā)一種高效率、高精度的非接觸式壓縮機葉片模態(tài)測試軟件。

1 試驗模態(tài)分析原理

針對線性系統(tǒng)，其數(shù)學模型可用式（1）表示：

式中，M，C，K，F(xiàn)分別為質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣及外激力。

在通常的物理坐標中，式（1）為1個互相耦合的方程組。通過模態(tài)坐標可以將耦合的方程變成1組相互獨立的、結(jié)構(gòu)與單自由度系統(tǒng)相同的方程。通過模態(tài)坐標來分析固有頻率、阻尼、剛度、質(zhì)量等模態(tài)參數(shù)，根據(jù)模態(tài)參數(shù)對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行分析即模態(tài)分析。若模態(tài)參數(shù)由試驗所得，則稱為試驗模態(tài)分析[15]。試驗模態(tài)分析方法主要有錘擊法和激振器法。錘擊法需要的設備簡單，不影響測試件的動態(tài)特性，適合于故障診斷確定頻響函數(shù)，但是錘擊激勵屬于人工激勵，受人為因素影響嚴重，且信噪比低容易連擊。激振器法激勵能量更大，分布更均勻，并且有多種激勵信號可以選擇，且激勵信號已知，適合應用于復雜結(jié)構(gòu)。壓縮件葉片屬于精密件，為了避免試驗中接觸式測量對葉片造成損傷，同時提高模態(tài)辨識度，試驗時選擇激振器激勵。

設對系統(tǒng)施加的外激力為

式中，F(xiàn)0為激振力幅值；ω為激勵頻率。由模態(tài)疊加原理得，結(jié)構(gòu)響應為

式中，?r為第r階模態(tài)振型；qr(t)為第r階模態(tài)坐標。

由線性振動理論得，第r階模態(tài)坐標下響應為

式中，φr為相位差角；Ar為第r階模態(tài)坐標下系統(tǒng)響應幅度。

將式（4）、（5）代入式（3）得系統(tǒng)響應表達式為

當激勵頻率與系統(tǒng)第r階固有頻率一致，即ω=ωr時，則式（5）中Ar?Ai(i=1,2…n,i≠r)，此時式（6）變?yōu)?/p>

由式（7）可知，激勵頻率與系統(tǒng)某階固有頻率一致時，各節(jié)點振動響應幅度即能反映對應階次的模態(tài)振型，因而可通過測試共振節(jié)點響應幅度確定振型[16]。

2 系統(tǒng)的開發(fā)方案

模態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括：數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的輸出以及數(shù)據(jù)的表達。對于一款優(yōu)秀的測試系統(tǒng)來說，最主要的是要有一個合理而嚴謹?shù)某绦蚣軜?gòu)。首先需要有一個主模塊，控制著全局的運行，是其它模塊運行的前提。其它模塊相互之間沒有干擾，是獨立運行的。單個功能模塊工作完成后及時關(guān)閉，當需要時再調(diào)用出來，以便釋放內(nèi)存，減小計算機的運行負擔，提高處理效率。其次需要保證每個模塊間數(shù)據(jù)流暢通的通信，通過數(shù)據(jù)流通信及時的調(diào)用和關(guān)閉各個模塊。

基于上述需要分析，將系統(tǒng)分為五個功能模塊：參數(shù)配置模塊用來初始化系統(tǒng)，配置采集所需參數(shù)，在手動測試和自動測試中直接讀??；手動測試模塊利用兩個子模塊基于穩(wěn)態(tài)時域信號分別得到測試件的固有頻率和振型；自動掃頻測試模塊基于時域信號得到測試件的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)；回放模塊用來顯示識別出的模態(tài)參數(shù)；測試報告生成模塊則以Word報表的形式輸出識別出來的模態(tài)參數(shù)，簡化后期的記錄工作。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)中設置同上位機數(shù)據(jù)庫進行通信的接口，手動測試和自動測試都從參數(shù)配置模塊中獲取采集參數(shù)，并共享上位機數(shù)據(jù)庫存儲或調(diào)取數(shù)據(jù)。測試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全部保存在上位機的數(shù)據(jù)庫，用來提高系統(tǒng)的測試速度和便于各個模塊之間的數(shù)據(jù)調(diào)用。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)Fig.1 The overall architecture of the system

2.1 系統(tǒng)硬件選擇

硬件結(jié)構(gòu)主要包括激勵設備和測量設備。激勵設備包括定制的交流電磁激振器以及與激振器配套使用的功率放大器，手動測試的激勵源采用雙通道函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號，自動測試的激勵源采用軟件產(chǎn)生的正弦信號；測量設備采用NI采集卡和非接觸式激光測振儀。

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

通過NI LabVIEW中的DAQ工具包采集實時振動數(shù)據(jù)，將振動數(shù)據(jù)放入隊列，利用生產(chǎn)者/消費者模式，從隊列中獲取數(shù)據(jù)并實時地保存在上位機數(shù)據(jù)庫；同時采用FFT、零飄處理等算法對實時數(shù)據(jù)進行處理，并將計算結(jié)果繪制表格和模態(tài)振型圖，供測試人員稍后分析使用，主要程序流程圖如圖2所示。

圖2 主要程序流程圖Fig.2 The main program flow chart

3 系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)

3.1 參數(shù)配置模塊

參數(shù)配置模塊是測試系統(tǒng)的基礎模塊。模塊的首要功能是為其它模塊測試及報告輸出提供參數(shù)內(nèi)容，其次是切換模塊進行相應測試工作。模塊前面板如圖3所示。參數(shù)配置模塊采用并行編程架構(gòu)，與傳統(tǒng)文本編程相比，直線提升程序運行性能。在模塊中使用靜態(tài)VI引用，如圖4所示，其基于數(shù)據(jù)流與子VI交換數(shù)據(jù)，使各個功能模塊可以快速切換。在模塊程序起始端，添加自適應分辨率大小的子VI，保證系統(tǒng)處于不同分辨率屏幕時窗口保持不變。在開發(fā)模塊時，運用功能全局結(jié)構(gòu)，利用未初始化的移位寄存器避免重復配置參數(shù)。

圖3 參數(shù)配置模塊前面板Fig.3 Parameter configuration module front panel

圖4 使用靜態(tài)VI引用程序框圖Fig.4 Use static VI references to block diagrams

3.2 手動測試模塊

3.2.1 固有頻率時域測試模塊

固有頻率時域測試模塊采用的激勵是由函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的模擬信號，這樣可以使激勵信號連續(xù)穩(wěn)定的任意變化，旋轉(zhuǎn)旋鈕就可以實現(xiàn)信號的增大、減小和穩(wěn)定。通過手動調(diào)節(jié)激勵頻率，在葉片響應達到穩(wěn)態(tài)后，查找使葉片產(chǎn)生共振的激振頻率，這種方式得到的結(jié)果是非常精確的。模塊前面板如圖5所示。在固有頻率手動測試模塊中，利用功能全局變量結(jié)構(gòu)讀取參數(shù)配置模塊中已經(jīng)配置好的采集參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理則采用生產(chǎn)者/消費者設計模式。生產(chǎn)者負責采集和發(fā)布數(shù)據(jù)，消費者負責分析和處理數(shù)據(jù)，采用這種數(shù)據(jù)處理方式，不會因為采集數(shù)據(jù)量大或者處理數(shù)據(jù)過快導致系統(tǒng)停頓甚至崩潰。

圖5 固有頻率時域測試模塊前面板Fig.5 Natural frequency time-domain test module front panel

3.2.2 振型時域測試模塊

振型時域測試模塊的功能是利用固有頻率時域測試模塊中檢測出的各階固有頻率或激勵葉片，同時逐個采集采樣點處的響應，將采樣點處的響應組成振型向量繪制振型圖。模塊前面板如圖6所示。振型時域測試模塊輸出振型時涉及建立模型，通過建立線框模型，在采集過程中利用條件結(jié)構(gòu)和設定的雙按鈕對話框判斷是否需要拋棄某些壞點重新采集。為了便于后期查看數(shù)據(jù)，采用TDMS格式存儲信息，這種存儲格式存儲速度可以達到600MB/s，存儲速度完全可以滿足系統(tǒng)的需求。

圖6 振型時域測試模塊前面板Fig.6 Mode time-domain test module

3.3 自動掃頻測試模塊

自動掃頻測試模塊的功能是通過掃頻的方式得到葉片的模態(tài)參數(shù)。運行模塊時首先在信號采集界面上設置掃頻及采樣的信息，包括在葉片上劃分需要采樣的弦向點數(shù)和展向點數(shù)、掃頻范圍、掃頻時間和掃頻方式；設置完成后對采樣點逐個進行掃頻，將掃頻所得的所有幅頻曲線組成葉片模態(tài)分析圖，輸入計算模態(tài)參數(shù)的頻率范圍，并識別出葉片的各階固有頻率、阻尼比和振型；最后在軟件界面中顯示識別出的模態(tài)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存在計算機中。模塊的前面板如圖7所示。自動掃頻測試模塊實現(xiàn)了中斷數(shù)據(jù)處理及保存的功能。在生成模態(tài)分析圖時，可以通過兩種方式獲得幅頻曲線，采用典型的狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，一種是直接加載存儲在計算機中的全部幅頻曲線，另一種是加載部分幅頻曲線，剩余的幅頻曲線采用自動掃頻測試模塊重新采集。同時系統(tǒng)也實現(xiàn)了壞點的舍棄和測試中途停止的功能，此時存在兩種狀態(tài)，一種是完成預定采樣，另一種是隨時結(jié)束采樣。故需要條件結(jié)構(gòu)來判斷此刻處于哪種狀態(tài)，而判斷的條件就是是否滿足預先設定的采樣點個數(shù)，滿足則處于狀態(tài)一，利用雙按鈕對話框彈出窗口提示是否需要進行手動采集替換壞點；不滿足則處于狀態(tài)二，利用雙按鈕對話框彈出窗口提示是否結(jié)束采集，輸出固有頻率和阻尼比，需要注意的是由于兩種狀態(tài)利用雙按鈕對話框的條件不同，故T與F的設定需要設置為相反的。為了使輸出的振型便于識別，給振型圖添加了等高線。

圖7 自動掃頻測試模塊前面板Fig.7 Automatic sweep test module front panel

3.4 回放模塊

自動掃頻測試模塊運行結(jié)束后，測試的結(jié)果會自動保存在計算機中?；胤拍K的功能是調(diào)出保存在計算機中的測試結(jié)果并顯示出來?；胤诺臄?shù)據(jù)包括固有頻率、阻尼比、振型及模態(tài)分析圖，其中振型以等高線的形式表現(xiàn)出來。模塊前面板如圖8所示。

圖8 回放模塊前面板Fig.8 Playback module front panel

3.5 測試報告生成模塊

系統(tǒng)除了提供圖片、表格、數(shù)據(jù)的保存功能外，還提供生成測試報告的功能。通過設置需要輸出的模態(tài)參數(shù)和需要添加到報告中的信息，軟件將這些參數(shù)和信息保存在Word文檔中。模塊前面板如圖9所示。

圖9 測試報告生成模塊前面板Fig.9 Test report generation module front panel

4 系統(tǒng)的應用

4.1 測試平臺的搭建

壓縮機葉片非接觸式模態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)主要包括以下三個部分：（1）激勵系統(tǒng)，用以使葉片按一定的規(guī)律振動；（2）測量系統(tǒng)，用以采集葉片的響應信號，測量信號中的響應參數(shù)；（3）分析系統(tǒng)，用以提取所需的信息。如圖10所示為搭建的測試系統(tǒng)示意圖，由計算機或函數(shù)發(fā)生器發(fā)出激勵信號，經(jīng)過功率放大器后將信號傳送到激振器，使激振器發(fā)出一定大小和波形的激勵信號，經(jīng)電磁激勵施加到被測葉片上；同時葉片的振動信號會通過激光速度傳感器采集進來，再經(jīng)過采集卡傳回到計算機中進行處理分析。

圖10 測試系統(tǒng)示意圖Fig.10 Test system diagram

4.2 測試系統(tǒng)的應用

系統(tǒng)的功能開發(fā)完成后需要用實驗來檢驗模態(tài)測試軟件測試的實際性能，利用本文所開發(fā)的系統(tǒng)測試某型號葉片，輸出的測試報告如圖11所示。限于實驗室實驗設備的限制，軟件開發(fā)完成后利用LMS模態(tài)分析軟件與本文開發(fā)的非接觸式模態(tài)參數(shù)測試軟件共同測試某型號軸流壓縮機8級葉片的模態(tài)參數(shù)。如圖12所示，是利用兩種測試軟件得到的曲線，第一幅圖是本文的測試軟件（方法一）得到，第二幅圖是LMS模態(tài)分析軟件（方法二）得到的。

圖11 輸出的測試報告部分內(nèi)容截圖Fig.11 Part of the output test report screen shots

圖12 幅頻圖對比Fig.12 Frequency response contrast

經(jīng)過兩種方法的圖對比，可以清晰的看出在11 000Hz內(nèi)，由方法一可以得到11階固有頻率，而由方法二只能得到10階固有頻率。這些測試結(jié)果與有限元計算值對比如表1所示。方法一屬于激振器激勵，采用線性掃頻的方式；方法二屬于力錘激勵。通過幅頻圖的對比可以明顯的看出方法二在高頻處峰值混亂，難以識別模態(tài)信息，并且與方法一相比，方法二并沒有激發(fā)出測試試件的所有模態(tài)，第三階模態(tài)沒有激發(fā)出來，出現(xiàn)了漏頻現(xiàn)象。而方法一得到的模態(tài)分析圖包含的模態(tài)信息非常豐富，在高頻處依然獲得很好的響應特征，很好的克服了錘擊激勵中高頻衰減和漏頻現(xiàn)象。由表1可以看出方法一與方法二的測試結(jié)果最大誤差都在0.62%以下，因此可以認為本文所開發(fā)的非接觸式模態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)所測結(jié)果是可信的，同時說明系統(tǒng)也是可靠的。

表1 固有頻率測試結(jié)果對比Tab.1 Comparison of natural frequency test results

5 結(jié)論

通過采用比利時LMS模態(tài)分析軟件與本文開發(fā)的測試系統(tǒng)共同測試某型號葉片的實驗結(jié)果對比分析表明，本文測試系統(tǒng)能夠準確測試出葉片在11 000Hz以內(nèi)的模態(tài)參數(shù)，操作簡單，功能實用，可以廣泛應用于各個型號的葉片模態(tài)測試試驗。具體優(yōu)勢如下：

1）系統(tǒng)的手動測試基于穩(wěn)態(tài)時域響應測試模態(tài)參數(shù)；自動測試基于掃頻生成的模態(tài)分析圖識別模態(tài)參數(shù)，兩種方法相互補充。

2）系統(tǒng)的回放模塊和測試報告生成模塊，簡化了測試實驗的后期數(shù)據(jù)處理工作，同時也保證測試結(jié)果與測試對象一一對應。

3）依托非接觸式激振及測振技術(shù)，開發(fā)出適合于相應激振和測振設備的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了激振輸入信號和測振設備全自動驅(qū)動和拾振工作。

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