旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)及噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)

吳 飛，孟慶宇，吳振宇，張 虎

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是指那些主要功能是由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來完成的機(jī)械設(shè)備[1]，旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障時(shí)經(jīng)常伴隨著異常的振動(dòng)和噪聲[2]，而且一旦發(fā)生事故將會(huì)造成巨大的損失。因此通過對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)和噪聲的檢測(cè)，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀態(tài)，并進(jìn)行針對(duì)性的維修。目前的測(cè)量分析系統(tǒng)大部分由大量的硬件所構(gòu)成，不易擴(kuò)展并且成本高昂。在傳統(tǒng)儀器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的虛擬儀器(virtual instrument，VI)是解決該問題的關(guān)鍵所在。

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering work-bench)是一種基于“圖形”方式的集成化程序開發(fā)環(huán)境[3]。LabVIEW主要用在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，具有界面直觀、開發(fā)簡(jiǎn)易、調(diào)試輕松、學(xué)習(xí)成本低等特點(diǎn)[4-6]。通過基于LabVIEW開發(fā)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)及噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作時(shí)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，可以觀測(cè)到旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，為設(shè)備的故障診斷提供信息依據(jù)，能夠有效預(yù)防設(shè)備生產(chǎn)事故的發(fā)生[7-8]。

筆者基于LabVIEW設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)及噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)量分析以達(dá)到觀測(cè)轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)的目的。

1 硬件系統(tǒng)組成

在分析了旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行特征的基礎(chǔ)上，使用轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)作為測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)并搭建了旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)及噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)的硬件部分，主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及工控機(jī)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)由直流電機(jī)、傳動(dòng)軸、底座、軸承支座和傳感器支座等組成，如圖2所示，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)方便和傳感器安裝便利等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)符合一個(gè)典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子，因此使用轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以很好地體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的運(yùn)行特征。

本研究所采集的測(cè)量信號(hào)包括轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)以主軸的兩方向的位移信號(hào)以及轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)3個(gè)方向的加速度信號(hào)表示。三軸壓電加速度傳感器用螺栓固定在強(qiáng)磁鐵上，吸附在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)底座上；通過以90°的夾角安裝在傳感器支架2上的兩個(gè)電渦流位移傳感器獲取位移信號(hào)；噪聲信號(hào)則通過利用傳感器支架固定在轉(zhuǎn)子附近的聲學(xué)傳感器進(jìn)行獲取。

圖2 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

傳感器將轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)實(shí)時(shí)采集到的振動(dòng)和噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡NI PXIe-4492將所采集到的振動(dòng)和噪聲信號(hào)傳送到工控機(jī)PXIe-1071+PXIe-8135上，最后再利用虛擬儀器技術(shù)編寫信號(hào)分析處理及實(shí)時(shí)顯示軟件。NI PXIe-4492采樣率為204.8 kS/s，具有24位分辨率，可8通道同時(shí)采樣。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)基于NI公司的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境LabVIEW，使用圖形化編程語(yǔ)言進(jìn)行編寫。軟件系統(tǒng)需要集數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、保存及回放等功能于一體，為轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)及噪聲的測(cè)量與分析提供一個(gè)良好的交互式界面。該軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 前面板

LabVIEW的軟件系統(tǒng)是由程序框圖和前面板組成，程序框圖相當(dāng)于系統(tǒng)的運(yùn)行代碼，而前面板則相當(dāng)于是面向用戶的系統(tǒng)界面，是系統(tǒng)和用戶交互的接口[9]。該系統(tǒng)前面板主要分為控制面板和顯示面板，控制面板包含了通道設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、記錄設(shè)置以及系統(tǒng)的運(yùn)行和停止按鈕；顯示面板則是對(duì)加速度信號(hào)、位移信號(hào)、噪聲信號(hào)時(shí)域波形和頻域波形以及軸心圖的顯示等。圖4為系統(tǒng)前面板。

圖4 系統(tǒng)前面板

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要包括采樣通道的建立、采樣參數(shù)的設(shè)置以及傳感器信號(hào)的采集。采樣通道使用LabVIEW中DAQmx模塊中的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行建立。采樣參數(shù)的設(shè)置包括物理通道、接線端配置、采樣率、采樣數(shù)、采樣模式及采樣時(shí)鐘源等設(shè)置。采樣通道以及采樣參數(shù)的設(shè)置完畢后即可采集傳感器信號(hào)。該系統(tǒng)一共采集了6路信號(hào)，分別為壓電加速度傳感器X、Y、Z軸信號(hào)，電渦流位移傳感器X、Y軸信號(hào)以及一路噪聲信號(hào)。

2.3 信號(hào)分析與處理模塊

該模塊主要包括信號(hào)的濾波、分離、頻譜測(cè)量、幅值及轉(zhuǎn)速測(cè)量、軸心圖繪制以及時(shí)域分析和頻域分析。該系統(tǒng)中時(shí)域分析主要是顯示6路信號(hào)的時(shí)域波形，并且對(duì)位移信號(hào)利用式(1)進(jìn)行自相關(guān)分析，這能夠反映同一種信號(hào)在不同時(shí)刻的關(guān)系。

(1)

對(duì)加速度信號(hào)和噪聲信號(hào)利用式(2)進(jìn)行互相關(guān)分析，這能夠反映兩個(gè)信號(hào)之間的相似程度。

(2)

頻域分析需要將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，該系統(tǒng)采用頻譜測(cè)量Express VI來實(shí)現(xiàn)，其核心是通過式(3)進(jìn)行傅里葉變換：

(3)

而對(duì)于離散信號(hào)采用離散傅里葉變換，如式(4)所示。

(4)

通過頻域分析可以反映出信號(hào)中的頻率分量從而分析轉(zhuǎn)子的振動(dòng)原因。幅值和轉(zhuǎn)速可以通過使用單頻測(cè)量Express VI對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行測(cè)量得到頻率和幅值，轉(zhuǎn)速由頻率計(jì)算得出。而軸心圖則是分別將電渦流位移傳感器X、Y兩個(gè)方向的位移量輸入到顯示控件的X軸和Y軸以獲得主軸振動(dòng)的軸心軌跡圖。通過軸心軌跡的分析可以大致判斷轉(zhuǎn)子的振動(dòng)狀態(tài)。圖5為信號(hào)分析與處理部分程序框圖。

圖5 信號(hào)分析與處理程序框圖

2.4 數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊分為數(shù)據(jù)保存與數(shù)據(jù)回放兩部分，用戶在前面板可以通過數(shù)據(jù)保存按鈕將采集到的數(shù)據(jù)保存在指定目錄下。在這里選擇以TDMS文件的格式來保存數(shù)據(jù)，這是NI主推的一種二進(jìn)制文件格式，它具有高速、易存取等特點(diǎn)，適合存儲(chǔ)海量測(cè)試數(shù)據(jù)[10]。數(shù)據(jù)回放主要是為了調(diào)用保存好的數(shù)據(jù)文件，復(fù)現(xiàn)信號(hào)以便進(jìn)行后續(xù)的分析研究。

3 檢測(cè)實(shí)例

以北京波譜公司生產(chǎn)的WS-ZHT1-1型多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，用上述的測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)其振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)量分析，從而驗(yàn)證該系統(tǒng)各功能是否完善。該試驗(yàn)臺(tái)主要用于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行與轉(zhuǎn)子軸系有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，例如自激振動(dòng)特性和強(qiáng)迫振動(dòng)特性，該實(shí)測(cè)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 檢測(cè)實(shí)例圖

在測(cè)量之前，首先對(duì)電渦流傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)其說明，分別微調(diào)X、Y方向的電渦流傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的距離，直到電渦流傳感器適配器上顯示這兩個(gè)電渦流傳感器的輸出均為-10 V時(shí)將其固定，這樣就使得兩個(gè)方向的電渦流傳感器均在量程之內(nèi)并與軸之間的距離相等，以保證后續(xù)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

逐漸提升試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，通過前面板讀取并記錄X、Y方向上的兩個(gè)位移信號(hào)的幅值變化情況，如圖7所示。

圖7 變轉(zhuǎn)速振動(dòng)幅值變化曲線

從圖7可以看出，在轉(zhuǎn)速2 800 r/min左右，曲線出現(xiàn)了峰值，這表明在這個(gè)轉(zhuǎn)速下，電渦流位移傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)最大，此時(shí)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡如圖8所示。從圖8可知，軸心軌跡為一個(gè)不規(guī)則的扁平橢圓，這是因?yàn)? 800 r/min達(dá)到了一階臨界轉(zhuǎn)速導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子和試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生共振，所以轉(zhuǎn)子的振動(dòng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，過了臨界轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子振動(dòng)明顯恢復(fù)平穩(wěn)，此結(jié)果與對(duì)轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析相一致。

圖8 2 800 r/min時(shí)軸心軌跡圖

將轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)控制器顯示的額定轉(zhuǎn)速與該系統(tǒng)測(cè)得轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 額定轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速對(duì)比表

根據(jù)表1中的額定轉(zhuǎn)速和實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速可計(jì)算出平均誤差為：

平均誤差0.25%滿足工程實(shí)際需求。

噪聲的影響因素主要是轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)引起空氣的振動(dòng)從而產(chǎn)生聲波，除此之外，試驗(yàn)臺(tái)上某些部件松動(dòng)或者缺損，也會(huì)在試驗(yàn)臺(tái)發(fā)生振動(dòng)的情況下產(chǎn)生噪聲。一般來說，聲波的頻率和聲源的振動(dòng)頻率一致，而作為聲源的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，其主要振動(dòng)頻率就是基頻，其次還可能包含部件松動(dòng)等故障產(chǎn)生的倍頻，通過該系統(tǒng)可以進(jìn)行驗(yàn)證。將轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速設(shè)定在3 000 r/min，系統(tǒng)采樣率為1 000 Hz，采樣數(shù)為200，基頻為3 000/60=50 Hz，在此分析5倍頻范圍內(nèi)。同時(shí)為了消除高頻噪聲信號(hào)的干擾，將濾波截止頻率設(shè)置為300 Hz。對(duì)噪聲信號(hào)和Y方向上的加速度信號(hào)進(jìn)行采集和時(shí)域頻域分析，如圖9所示。

圖9 噪聲信號(hào)的時(shí)域頻率分析

從圖9可以看出這兩組信號(hào)具有一定的相似性，都是以50 Hz為主，這是在3 000 r/min下轉(zhuǎn)子振動(dòng)的基頻，該頻譜圖還包含2，3，4，5倍頻成分，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子系統(tǒng)具有一定程度的松動(dòng)。根據(jù)轉(zhuǎn)子振動(dòng)和噪聲之間的聯(lián)系，不僅能通過轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)來觀測(cè)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)，在無法進(jìn)行接觸式測(cè)量時(shí)，也能通過轉(zhuǎn)子的噪聲信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。

在實(shí)例中對(duì)該系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)證明，該系統(tǒng)在對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)的測(cè)量和分析方面符合實(shí)際要求。

4 結(jié)論

基于LabVIEW成功搭建了旋轉(zhuǎn)類機(jī)械振動(dòng)及噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)，可以完成被測(cè)對(duì)象振動(dòng)和噪聲信號(hào)的測(cè)量、采集與分析，并通過轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了其有效性。該系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)資源，最大程度地降低了硬件成本，比使用傳統(tǒng)儀器具有更好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)由于虛擬儀器的特點(diǎn)，只要選擇不同的被測(cè)對(duì)象和模塊化硬件，在適當(dāng)對(duì)軟件進(jìn)行修改的基礎(chǔ)上就能將該系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)床、電動(dòng)機(jī)、葉輪等通用旋轉(zhuǎn)機(jī)械主軸或者轉(zhuǎn)子上。根據(jù)不同的外圍硬件可以擴(kuò)展其功能，如加入溫度、應(yīng)力等參數(shù)的檢測(cè)。該系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷提供了依據(jù)，如果將程序進(jìn)行進(jìn)一步編寫即可加入故障診斷功能，完成旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷。

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