基于LabVIEW的渦旋壓縮機曲軸振動測試系統設計

牛洪濤 李超

摘? 要： 渦旋壓縮機曲軸振動是反映壓縮機工作性能的一個重要參數。為實時顯示曲軸振動情況，利用同一平面且相互垂直的2個電渦流傳感器，并運用LabVIEW及相關硬件產品，搭建曲軸振動測試系統，實現曲軸振動信號的實時采集、分析和存儲，提高了測量精度。結果表明：該測試系統能及時反饋渦旋壓縮機曲軸的振動情況，實時顯示曲軸振動位移改變量所形成的軸心軌跡及互相垂直位移信號處理后的波形、功率譜等;并能通過軸心運動軌跡來推斷曲軸振動的故障類型，為渦旋壓縮機故障預防提供理論參考。

關鍵詞： 渦旋壓縮機; 曲軸振動測試; 系統設計; LabVIEW; 信號處理; 故障預防

中圖分類號： TN875?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0071?04

Abstract： The crankshaft vibration of scroll compressor is an important parameter to reflect the working performance of a compressor. In order to display the vibration condition of crankshaft in real time， two eddy current sensors in the same plane and perpendicular to each other， LabVIEW and related hardware products are used to build a crankshaft vibration test system， which can realize the real?time collection， analysis and storage of crankshaft vibration signals and improve the measurement accuracy. The testing results show that the test system can immediately fed back crankshaft vibration condition of scroll compressor， display in real time the axes trajectory formed by the change of crankshaft vibration displacement， the waveform and the power spectrum of the processed displacement signal perpendicular to each other， and judge the fault type of the crankshaft vibration by means of the axes movement trajectory. The testing result can provide a theoretical reference for fault prevention of scroll compressor.

Keywords： scroll compressor; crankshaft vibration test; system design; LabVIEW; signal processing; fault prevention

0? 引? 言

由于渦旋壓縮機具有構造簡易、節能環保、運轉平穩等優點[1?3]，被廣泛應用于生物制藥[4]、食物冷藏冷凍[5]、汽車空調[6]和紡織[7]等相關領域。渦旋壓縮機曲軸是壓縮機重要的轉動部件之一，其運轉的平穩性直接關系到壓縮機的安全性能，為此許多學者對曲軸轉動系統的動力特性問題進行了研究。文獻[8]運用ANSYS對無油潤滑渦旋壓縮機曲軸建立機構模型并對其進行受力分析，計算出曲軸的最大應力和應變。文獻[9]利用多元動力學等相關知識對渦旋壓縮機主副軸承、曲柄銷和曲軸等傳動部件建立統一的多元力學模型，得到不同轉速條件下的曲軸受力載荷，并對曲軸多元系統在變載荷下的位移形變及應力應變進行了分析。文獻[10]根據渦旋壓縮機實際工況利用有限元方法對渦旋壓縮機曲軸及主副軸承施加約束條件，然后建立物理模型，并對其進行相關動力學計算，得出曲軸的受力特點，從而為提高曲軸壽命及整機性能提出參考意見。文獻[11]根據渦旋壓縮機實際工況及工作原理和材料力學相關知識對渦旋壓縮機曲軸進行力學分析、計算，并利用ANSYS對渦旋壓縮機曲軸、曲柄銷及主副軸承等相關部件的動態特性進行分析，模擬出曲軸、曲柄銷及主副軸承等相關部件的前6階固有振動頻率及各階的振動形式，為優化曲軸等相關部件受力狀況提供參考。

上述文獻從理論和模擬仿真方面對曲軸轉子傳動系統的動力特性進行不同側重點的研究，研究結果對于曲軸轉子的結構設計和受力狀況等提供理論參考。本文以渦旋壓縮機為研究對象，基于LabVIEW軟件開發平臺，并借助其相關功能實現了渦旋壓縮機曲軸轉子振動的測試與分析。LabVIEW是一種用函數圖標代替文本創建應用程序的圖形化編程語言[12]。其鑲嵌式DAQ板、PCI卡等硬件以程序模塊為基礎，測量結果誤差小，自動化程度高，可以搭建性能穩定且裝備價格低廉的數據采集系統[13]。

1? 試驗裝置結構及渦流傳感器的安裝

試驗臺的基本結構如圖1所示。試驗工況下通過裝置中的變頻器來調節電機轉速，固定在試驗裝置支架體上同一平面內且互成90°的2個電渦流傳感器把曲軸振動所產生的機械信號轉換成電渦流信號，然后再把電渦流信號傳入試驗測試系統的前置處理器中，進行信號處理，并通過數據采集卡將采集到的模擬信號轉換成數字信號，最終進入計算機內，以供LabVIEW內的程序分析和處理。曲軸振動測試系統如圖2所示，該測試系統能夠借助變頻器實現不同轉速下曲軸的振動特性研究。

2? 系統測量原理

電渦流傳感器分別由一個平面線圈和一塊金屬導體組成。在圖3中，平面線圈中通入交變電流[I1]，根據電磁學相關知識得知，在其周圍會產生一個交變磁場[H1]，若某一導體處在此交變磁場范圍內，則該導體會感應產生一個電渦流[I2]，同樣[I2]也會產生一個磁場[H2]，由于[H1]和[H2]方向不同，從而削弱了原交變磁場[H1]，使平面線圈原來的電感量、阻抗和品質因數發生改變[14]。

將通有電流[I1]的平面線圈等效為電渦流傳感器，[I2]等效為短路電流，如圖4所示。

由式（3）和式（4）知，[Ze]和[Le]均為互感系數[M]的相關函數，[M]又與2個線圈的結構尺寸、材質固有屬性及2個線圈互相位置[x]有關[15]。在測量過程中一般可將線圈的結構尺寸、材質性能控制在一定范圍內不發生改變，故互感系數[M]僅為2個線圈互相位置[x]的函數，即電渦流傳感器等效阻抗[Ze]和線圈等效電感[Le]僅是2個線圈互相位置[x]的函數。故電渦流傳感器能夠滿足渦旋壓縮機曲軸振動信號的測量要求。

3? 采集系統的構成

信號采集系統主要由傳感器（SE990）、數據采集卡（PCI?6221）和計算機（ASUS—X450）等部分組成。圖2亦為采集系統結構框圖。

3.1? 傳感器

選用上海澤贊自動化科技有限公司旗下型號為SE990的電渦流傳感器，探頭型號SE990?05?01?01?01?08?020?01，前置器型號SE990Q?00?05?02。線性測量范圍為0.25～1.25 mm，溫度范圍為-40～175 ℃，探頭直徑為5 mm。其最大優點就是可以對曲軸、軸承等被測元件進行非接觸式線性測量[16]。

3.2? 數據采集卡

數據采集卡是外界采集信號進入計算機的樞紐，在該樞紐中要進行A/D振動信號轉換和完成振動信號的濾波、隔離、放大等處理[17]。本測試系統采用美國NI公司的PCI?6221數據采集卡。該卡輸入電壓為-10～10 V，差分模擬輸入，2路16位模擬輸出，雙通道24路數字I/O線，單端16路、雙端8路數字觸發，采樣頻率250 KSPS，32位計數器。

4? 測試系統軟件設計

本試驗測試系統軟件編程部分采用LabVIEW軟件中經典的模塊化程序編寫方法，首先將測試系統中需要實現的不同測試功能進行模塊化區域劃分，然后逐次編程。測試系統中主要需要編寫的測試功能模塊分別有：曲軸振動信號的采集、測試數據的識別轉換，以及曲軸軸心運動位移信號在電腦終端的顯示、分析、儲存和輸出讀寫等。系統測試流程如圖5所示。

測試系統編程時選用2個while循環函數、3個事件結構和1個層疊式順序結構相結合來實現事先劃分的各個區域功能。首先，結合數據采集卡采用2通道分別對X和Y方向的2路信號采集進行相關程序編寫;然后，采取DAQmx板塊中相應.VI對振動信號實現長、寬度和周期、頻率等相關參數實時測量的程序編寫，并對振動信號是否具有相關性等相關程序進行編寫;最后，選用LabVIEW中Index Array函數分別對測得的X和Y兩路信號進行邏輯索引。曲軸振動測試系統程序框圖如圖6所示。

數據存儲是將采集到的渦旋壓縮機振動測試信號以數據形式儲存在計算機中，以便日后對其進行查看和相關分析。本系統選用LabVIEW中的TDMS對采集到的相關振動信號進行儲存，相比于其他記錄存儲文件，它具有高速記錄的優點，且可儲存大批量測量數據。開啟TDMS，PCI?6221可將采集到的曲軸振動數據從LabVIEW設定的緩沖區以流盤的方式輸入至預先設定的磁盤內，供試驗人員查看。

5? 振動測試結果分析

測試系統設計完成后進行振動測試試驗，相互垂直的2路電渦流傳感器處于曲軸同一平面上的不同位置，如圖2所示，試驗臺運行30 min后借助LabVIEW軟件開始對曲軸振動產生的數據實施采集，圖7為渦旋壓縮機轉速為1 800 r/min時曲軸振動信號采集。由圖7可知：渦旋壓縮機曲軸振動的位移改變量蘊含著大量的曲軸運轉信息。通過改變試驗條件，可分別獲得曲軸在不同運轉工況下，其振動位移改變量所形成的軸心運動軌跡、振幅、截止頻率等，從而可推斷出渦旋壓縮機曲軸的運轉是否處于平衡狀態，并可根據相關數據分析引起壓縮機故障的原因等。

例如，從X，Y兩個方向功率譜圖形關系可知，轉速為1 800 r/min時，X方向主要頻率為19.1 Hz，Y方向主要頻率為19.7 Hz，均接近渦旋壓縮機曲軸的固有轉動頻率20 Hz，從而可知，這是由于電機在運轉過程中周期性激發所造成的曲軸振動。由曲軸軸心運動軌跡可知，轉速為1 800 r/min時，曲軸軸心運動軌跡為橢圓形。根據相關資料[18]可知，這是由于軸心不對中引起的振動，進而可說明該振動是由于電機周期性激發引起了曲軸軸心不對中而造成的振動。

6? 結? 語

基于LabVIEW圖形化編程語言，實現了對渦旋壓縮機曲軸振動信號采集系統的設計，該系統可完成對曲軸振動信號的采集、調理和數據存儲等，從而可對曲軸運轉狀況進行實時監測;并可從前面板中方便讀出曲軸振動位移改變量所形成的曲軸軸心的運動軌跡及互成90°位移信號的波形、功率譜及相關性等，進而可推斷渦旋壓縮機曲軸振動的類型及分析引起振動的原因，為預防渦旋壓縮機故障和故障判別提供理論依據。相比于其他渦旋壓縮機的信號采集系統，依據電渦流傳感器和虛擬儀器搭建的曲軸振動測試系統具有識別準確度高、采集速度快和維護方便等優點。

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