便攜式軸振采集分析系統的開發與應用

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、分析旋轉機械的振動波形、頻譜、軸向軌跡可以診斷設備是否出現不平衡、軸彎曲、不對中、松動、碰摩等故障。目前,振動有瓦振和軸振兩種測量方式。瓦振是軸承座的振動,即采用加速度傳感器或速度傳感器固定在軸承座上測量振動;軸振是轉軸的徑向振動,即采用非接觸的電渦流位移傳感器測量振動。使用電渦流位移傳感器優點是低頻響應好、測量可靠性高,常用于測量滑動軸承支撐的轉子軸振,但安裝較困難,無法實現像加速度傳感器一樣可用磁座快速安裝。因此,市場上便攜式測振儀或振動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,大部分風機、壓縮機、汽輪機生產廠家在設備出廠前已安裝了電渦流位移傳感器,可實時顯示振動位移幅值,但沒配備實時采集振動信號的硬件和分析軟件。因此,當振動位移值增大了,不能很好判斷設備出現何種故障,不便于準確維護和維修。本文開發一種便攜式軸振采集分析系統,可從運轉設備已安裝的電渦流位移傳感器配套前置器上實時采集振動信號,分析時域波形、頻譜、軸心軌跡從而診斷設備故障。

1 便攜式軸振采集分析系統的開發

1.1 原理和硬件選型

如圖1 振動信號采集分析原理圖,電渦流位移傳感器包括探頭、延長電纜和前置器。前置器一方面為探頭線圈提供高頻交流電流;另一方面產生隨探頭端面與被測金屬導體間隙線性變化的輸出電壓信號。輸出電壓經過數據采集儀器把模擬信號轉換為數字信號并傳輸給電腦進行處理和分析。

圖1 振動信號采集分析原理圖

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據采集儀器,若無額外接口可用線夾連接至信號輸出端螺釘上。

圖2 電渦流位移傳感器接口

為了方便攜帶,數據采集儀器選用美國國家儀器公司的USB-4431 振動信號采集器,其參數性能如表1 所示。

表1 USB-4431 性能參數

1.2 軟件程序開發

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商的測量硬件,使用程序框圖直觀地表示復雜的邏輯,開發數據分析算法,以及設計自定義工程用戶界面,LabVIEW在國內外被廣泛用于教學、科研、測試和工業自動化領域[1]。

基于Labview 軟件開發的軸振采集分析系統界面如圖3 所示,若設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、垂直方向振動信號并繪制出軸心運動軌跡,也可只采集某一方向振動信號,此時無法繪制軸心運動軌跡,通過運算可得到軸振動的位移峰峰值,另外,時間波形通過FFT 變換可得到頻譜圖。

圖3 軸振采集分析系統界面

根據前置器輸出信號的不同,可采集電壓信號或如圖4 所選擇電渦流位移傳感器位置信號,需要設置參數包括信號范圍、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 信號采集設置

2 案例分析

圖5 為從某離心空壓機前置器采集的振動信號,該設備每級葉輪軸徑向只安裝一個探頭(垂直方向),因此,只能采集到垂直方向振動信號。該級葉輪軸振位移為17 μm,其時間波形呈正弦波,頻譜主要為1X,再結合該離心空壓機外部環境(離焙燒工序較近、焙砂塵較大)分析得出:由于葉輪結垢導致葉輪不平衡,建議檢查并清洗葉輪。經過清洗葉輪后,振動位移降為9 μm。

圖5 某離心空壓機軸振信號

圖6 為從某風機前置器采集的振動信號,該風機自由端徑向安裝有兩個夾角為90°的探頭,水平方向振動位移為97 μm,垂直方向振動位移為43 μm,其時間波形呈正弦波,頻譜主要為1X,軸心軌跡近似橢圓,該風機轉子也有動不平衡跡象。

圖6 某風機軸振信號

3 總結

本文介紹了便攜式軸振采集分析系統的開發過程,并利用系統采集電渦流位移傳感器的振動信號,包括時域波形、頻譜、軸心軌跡從而診斷設備故障。該便攜式軸振采集分析系統優點是:(1)對安裝有電渦流位移傳感器的設備都具有通用性;(2)相對于其它具有便攜式功能的采集分析儀器,本文開發的系統在一個界面同時顯示兩個方向的振動位移峰峰值、時間波形、頻譜和軸心軌跡,便于故障分析診斷。