雙軸轉子系統動態測試系統開發及應用

王志，欒忠權，馬超

（北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

旋轉機械通常是指含有回轉運動部件的機械設備，在機械、交通和能源等領域發揮著非常重要的作用。旋轉機械中的雙軸轉子軸承系統是指在不同軸系中傳遞動力的機械部件，其設備運行狀態直接影響到旋轉機械運行的穩定性［1-3］。目前針對大型旋轉機械設備進行狀態監測與故障診斷的系統可以分為兩類：一類是在線式狀態監測與故障診斷系統；另一類是以便攜式數據采集系統為前端的計算機輔助狀態監測與故障診斷系統。采用可攜帶式故障診斷系統具有重量輕、體積小、攜帶方便等優點［4］?；诖耍疚拈_發了適用于雙軸轉子系統的動態測試分析系統。

1 系統整體構成

本系統由PC 工業計算機、數據采集模塊、信號調理模塊、ICP 加速度傳感器和轉子實驗臺組成。轉子實驗臺裝置圖如圖1 所示。

系統工作過程為：ICP 加速度傳感器拾取雙軸轉子軸承系統的振動信號，經過信號調理電路濾波等處理以后把信號傳遞給數據采集卡模塊，采集卡對振動信號進行采集并將采集到的數據通過USB 線傳輸到工業計算機內存中，工業計算機通過虛擬儀器軟件對采集到的數據進行分析處理，并以波形的形式顯示在系統界面上［5-6］。系統整體原理框圖如圖2所示。

圖1 轉子實驗臺裝置圖

圖2 系統整體原理框圖

1.1 ICP 加速度傳感器

傳統的壓電式傳感器輸出的是電荷需要經過電荷放大器轉化成電壓后再連接至數據采集器。ICP 加速度傳感器內置ICP（IEPE）前置放大器，它集成了傳統的壓電加速度傳感器與電荷放大器的功能，簡化了測試系統，提高了系統進度和可靠性。

1.2 信號調理模塊設計

經過ICP 加速度傳感器輸出的信號雖然幅值上滿足數據采集的條件，但是各種信號頻率成分共存，無法對其進行分析，因此設計一款信號調理電路顯得十分必要。本文對放大信號進行濾波處理，采用四階低通濾波電路對信號進行濾波，除去信號中的高頻成分，使得輸出信號在采集卡可識別的頻率范圍內。信號調理電路的實物圖如圖3 所示。

圖3 信號調理電路的實物圖

1.3 數據采集模塊

數據采集模塊具有16 位12 路高速同步采集功能，內置8M Byte DFIFO 提供8s 的采集數據緩沖，A/D 部分采用軟件自動零點、滿度校正技術，可以有效避免輸入零點誤差。

2 系統軟件開發及方案設計

實驗室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）是一個集數據采集系統各個環節于一身的智能開發應用軟件平臺。它具有多種儀器驅動應用程序和界面設計組件。應用LabVIEW 開發雙軸轉子系統的動態測試系統能夠充分利用圖形化編程的語言優勢，通過對數據采集來的初始化設置和數據采集系統程序設計，就可以快速方便地構建數據采集系統［7］。

LabVIEW 是圖形化的編程語言，它所編寫的交互界面操作相對簡便、易于維護和擴展。LabVIEW 設計的雙軸轉子動態測試系統是由程序框圖以及前面板組成。程序框圖負責數據采集、測試、處理和分析等功能；前面板用于數據顯示和人機交互。

基于模塊化的設計思想，將復雜功能系統從上到下、逐層分解成為若干功能比較簡單的模塊，分別予以實現，這樣不僅簡化了設計過程，系統也更加便于維護和功能升級。本系統基于模塊化的設計方法，將雙軸轉子動態測試系統分為參數設置、信號采集和數據分析3 個功能模塊，如圖4 所示。

參數設置模塊包含文件的參數設置、采樣通道設置以及采樣信號設置等；信號采集模塊具有波形顯示和操作等功能；信號分析模塊包含了振動信號的幅域分析、時域分析和頻域分析等功能。

圖4 軟件結構圖

3 系統測試與結果分析

本文實驗對某一雙跨軸承轉子實驗臺進行動力學特性測量，得到正常運轉狀態下的振動信號，利用本測試系統進行分析。分析所選參數設置為采樣點數1 024，分析頻率1 024 kHz，采樣時間100s。

通過對信號進行時頻域分析（如圖5、圖6）可以得出軸承轉子實驗臺正常運行時的時頻域分布，能夠快速準確地對設備運行是否正常進行判斷。

在旋轉機械一類設備中，各類故障頻譜通常很接近，單純使用時頻域波形圖很難對特征信號進行提取。運用關聯維數，可以以定量的方式反映振動信號在相空間中的動力學特性，反映軸承轉子系統不同狀態下的信號特征，可以很明顯地區分不同的故障狀態。

實驗過程中模擬基座松動和徑向碰摩兩種故障情況，嵌入維數從1逐漸增加，當嵌入維度為30 時，關聯維數趨于穩定，此時的關聯維數是2.30，圖7 是關聯維數穩定時得到的擬合曲線。

圖5 振動信號均值

圖6 振動信號幅值譜圖

圖7 關聯維數擬合曲線界面

基于上述數據的關聯維數分析結果，進行故障狀態下軸承轉子系統的統計分析。早前的研究資料表明，有限故障的特征是相互重合的，基座松動混沌吸引子的關聯維數范圍在2～2.5 之間，而徑向碰摩故障的混沌吸引子的關聯維數范圍在2.2～3.0 之間［8］。分析結果為：雙跨軸承轉子系統在松動與碰摩兩種故障情況下的關聯維數在故障置信區間范圍內，因此本系統可以準確地評價系統的故障特征與類型。

4 結語

針對雙軸轉子實驗臺的動力學行為，進行了相關的實驗測試，開發了故障信號測試與分析軟件系統。該系統具有對信號進行時頻域以及關聯維數等分析功能。測試運行表明，通過分析得到的關聯維數，在進行轉子系統運行動特性分析和故障類型診斷時具有良好的識別能力。此外，該測試系統在對雙軸轉子實驗臺的動特性測試設計過程中，運用設計模式進行軟件規劃，使得系統在功能模塊和算法模塊有較強的復用性和擴展性。

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［7］雷振山，肖成勇，魏麗，等.LabVIEW 高級編程與虛擬儀器工程應用［M］.北京：中國鐵道出版社，2013.

［8］汪慰軍，陳進，吳昭同.關聯維數在大型旋轉機械故障診斷中的應用［J］.振動工程學報，2000，13（2）：229-234.