便攜式軸振采集分析系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

段正華,世家偉,彭俊超,葉春香

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖 655011)

0 前言

通過采集、分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)波形、頻譜、軸向軌跡可以診斷設(shè)備是否出現(xiàn)不平衡、軸彎曲、不對(duì)中、松動(dòng)、碰摩等故障。目前,振動(dòng)有瓦振和軸振兩種測(cè)量方式。瓦振是軸承座的振動(dòng),即采用加速度傳感器或速度傳感器固定在軸承座上測(cè)量振動(dòng);軸振是轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng),即采用非接觸的電渦流位移傳感器測(cè)量振動(dòng)。使用電渦流位移傳感器優(yōu)點(diǎn)是低頻響應(yīng)好、測(cè)量可靠性高,常用于測(cè)量滑動(dòng)軸承支撐的轉(zhuǎn)子軸振,但安裝較困難,無法實(shí)現(xiàn)像加速度傳感器一樣可用磁座快速安裝。因此,市場(chǎng)上便攜式測(cè)振儀或振動(dòng)分析儀常配套加速度傳感器使用,而具有軸振采集分析的便攜式儀器較少。

目前,大部分風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家在設(shè)備出廠前已安裝了電渦流位移傳感器,可實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)位移幅值,但沒配備實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)的硬件和分析軟件。因此,當(dāng)振動(dòng)位移值增大了,不能很好判斷設(shè)備出現(xiàn)何種故障,不便于準(zhǔn)確維護(hù)和維修。本文開發(fā)一種便攜式軸振采集分析系統(tǒng),可從運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備已安裝的電渦流位移傳感器配套前置器上實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào),分析時(shí)域波形、頻譜、軸心軌跡從而診斷設(shè)備故障。

1 便攜式軸振采集分析系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 原理和硬件選型

如圖1 振動(dòng)信號(hào)采集分析原理圖,電渦流位移傳感器包括探頭、延長(zhǎng)電纜和前置器。前置器一方面為探頭線圈提供高頻交流電流;另一方面產(chǎn)生隨探頭端面與被測(cè)金屬導(dǎo)體間隙線性變化的輸出電壓信號(hào)。輸出電壓經(jīng)過數(shù)據(jù)采集儀器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸給電腦進(jìn)行處理和分析。

圖1 振動(dòng)信號(hào)采集分析原理圖

有的前置器有額外的供便攜儀器連接的專用BNC 接口,如某離心空壓機(jī)用的WK 系列電渦流位移傳感器前置器,如圖2 所示的BNC Connector 接口可直接連接至數(shù)據(jù)采集儀器,若無額外接口可用線夾連接至信號(hào)輸出端螺釘上。

圖2 電渦流位移傳感器接口

為了方便攜帶,數(shù)據(jù)采集儀器選用美國(guó)國(guó)家儀器公司的USB-4431 振動(dòng)信號(hào)采集器,其參數(shù)性能如表1 所示。

表1 USB-4431 性能參數(shù)

1.2 軟件程序開發(fā)

LabVIEW 提供了一種圖形化編程方法,這種可視化方法可讓用戶輕松集成任何供應(yīng)商的測(cè)量硬件,使用程序框圖直觀地表示復(fù)雜的邏輯,開發(fā)數(shù)據(jù)分析算法,以及設(shè)計(jì)自定義工程用戶界面,LabVIEW在國(guó)內(nèi)外被廣泛用于教學(xué)、科研、測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域[1]。

基于Labview 軟件開發(fā)的軸振采集分析系統(tǒng)界面如圖3 所示,若設(shè)備同一軸承位置安裝有水平、垂直電渦流位移傳感器,則可同步采集該水平、垂直方向振動(dòng)信號(hào)并繪制出軸心運(yùn)動(dòng)軌跡,也可只采集某一方向振動(dòng)信號(hào),此時(shí)無法繪制軸心運(yùn)動(dòng)軌跡,通過運(yùn)算可得到軸振動(dòng)的位移峰峰值,另外,時(shí)間波形通過FFT 變換可得到頻譜圖。

圖3 軸振采集分析系統(tǒng)界面

根據(jù)前置器輸出信號(hào)的不同,可采集電壓信號(hào)或如圖4 所選擇電渦流位移傳感器位置信號(hào),需要設(shè)置參數(shù)包括信號(hào)范圍、單位、傳感器靈敏度、采樣頻率,耦合方式選交流耦合去除直流分量。

圖4 信號(hào)采集設(shè)置

2 案例分析

圖5 為從某離心空壓機(jī)前置器采集的振動(dòng)信號(hào),該設(shè)備每級(jí)葉輪軸徑向只安裝一個(gè)探頭(垂直方向),因此,只能采集到垂直方向振動(dòng)信號(hào)。該級(jí)葉輪軸振位移為17 μm,其時(shí)間波形呈正弦波,頻譜主要為1X,再結(jié)合該離心空壓機(jī)外部環(huán)境(離焙燒工序較近、焙砂塵較大)分析得出:由于葉輪結(jié)垢導(dǎo)致葉輪不平衡,建議檢查并清洗葉輪。經(jīng)過清洗葉輪后,振動(dòng)位移降為9 μm。

圖5 某離心空壓機(jī)軸振信號(hào)

圖6 為從某風(fēng)機(jī)前置器采集的振動(dòng)信號(hào),該風(fēng)機(jī)自由端徑向安裝有兩個(gè)夾角為90°的探頭,水平方向振動(dòng)位移為97 μm,垂直方向振動(dòng)位移為43 μm,其時(shí)間波形呈正弦波,頻譜主要為1X,軸心軌跡近似橢圓,該風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子也有動(dòng)不平衡跡象。

圖6 某風(fēng)機(jī)軸振信號(hào)

3 總結(jié)

本文介紹了便攜式軸振采集分析系統(tǒng)的開發(fā)過程,并利用系統(tǒng)采集電渦流位移傳感器的振動(dòng)信號(hào),包括時(shí)域波形、頻譜、軸心軌跡從而診斷設(shè)備故障。該便攜式軸振采集分析系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是:(1)對(duì)安裝有電渦流位移傳感器的設(shè)備都具有通用性;(2)相對(duì)于其它具有便攜式功能的采集分析儀器,本文開發(fā)的系統(tǒng)在一個(gè)界面同時(shí)顯示兩個(gè)方向的振動(dòng)位移峰峰值、時(shí)間波形、頻譜和軸心軌跡,便于故障分析診斷。