氣體軸承試驗(yàn)平臺測試系統(tǒng)

何 鵬，莊 明，王學(xué)敏

（中科院等離子體物理研究所，合肥 230031）

0 引言

氣體軸承因?yàn)槟Σ列。瑹o污染，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，能在極高溫，極高速，強(qiáng)輻射等場合很好地運(yùn)轉(zhuǎn)，與傳統(tǒng)滑動(dòng)軸承相比有很多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空，紡織，空分等領(lǐng)域，受到人們的普遍關(guān)注。制造低溫的關(guān)鍵設(shè)備氦透平膨脹機(jī)就使用的是氣體軸承，為使它在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能達(dá)到較高的制冷效率，需要轉(zhuǎn)子在高速下運(yùn)行，氣體軸承的穩(wěn)定性便成為首要問題。為此，參照國內(nèi)其它實(shí)驗(yàn)室，我們建立了轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺[1]，并需要開發(fā)一套振動(dòng)數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測分析。LabVIEW是一種基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它開發(fā)的虛擬儀器性價(jià)比高，人機(jī)界面良好，維護(hù)修改方便，因此用它來編寫試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)是非常合適的。

1 試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)硬件選擇

現(xiàn)代測試系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為傳感器，信號調(diào)理，數(shù)據(jù)采集卡，工作站[2]。本試驗(yàn)中，需要測量高速旋轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)量，振動(dòng)是矢量，包括幅值，頻率，相位三要素。測量范圍及示意圖如下所示：

圖1 測試系統(tǒng)示意圖

1.1 傳感器

目前用得比較多的振動(dòng)傳感器有電渦流型，速度型和加速度型。渦流傳感器與物體不接觸，并可進(jìn)一步測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：轉(zhuǎn)速和相位。它對振動(dòng)測量的頻率范圍較寬，能同時(shí)作靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量，適用于絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，因此通常用渦流傳感器測量轉(zhuǎn)軸振動(dòng)。由于氦透平膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)子長約80mm，直徑12mm，轉(zhuǎn)速＞12萬r/min，并且要非接觸式測量，因此需選用高靈敏度高頻響小量程電渦流傳感器。本試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸測振采用德國米銥電渦流傳感器eddyNCDT3010。關(guān)于轉(zhuǎn)速感器，由于打算長期測速，考慮開凹槽用渦流傳感器測量，為避免開過大槽影響運(yùn)轉(zhuǎn)性能，探頭應(yīng)可能小，乃選用桑拓應(yīng)用技術(shù)研究所的探頭為3mm傳感器。

1.2 信號調(diào)理

信號調(diào)理一般包括放大，濾波，隔離，激勵(lì)，線性化等。本系統(tǒng)中對從傳感器輸出的微弱信號，用渦流傳感器的前置器進(jìn)行放大至0～10V的標(biāo)準(zhǔn)信號，另外，為防止后續(xù)信號處理采用FFT頻譜分析時(shí)出現(xiàn)頻率虛假現(xiàn)象，用北戴河實(shí)用電子技術(shù)研究所開發(fā)的SG1476進(jìn)行抗混濾波預(yù)處理。過渡段衰減低斜率：＞120dB/倍頻程。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的相位是從轉(zhuǎn)速信號與振動(dòng)信號中處理得到的，并且軸心軌跡是XY兩方向的合成，因此需要這些振動(dòng)信號是完全同步的，故采集卡應(yīng)當(dāng)選擇多通道同步數(shù)據(jù)采集卡，本試驗(yàn)臺選用NI公司的PCI-6143+BNC2110信號端子板。八通道，每通道250K/S，分辨率16位。

2 測試系統(tǒng)抗干擾措施

測量的振動(dòng)量很小約在10微米左右，并且精度要求較高，故需要采取一定的抗干擾措施以使測量結(jié)果盡可能準(zhǔn)確。

1）屏蔽：從傳感器探頭至工控機(jī)中的數(shù)采卡，中間全部采用屏蔽電纜。

2）差分：振動(dòng)信號采用差分接法，以減小共模干擾。

3）濾波：如前所述采用抗混濾波器，高頻干擾信號將被過濾。

3 測試系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)

在LabVIEW中有很多常用程序結(jié)構(gòu)模式，如狀態(tài)機(jī)，生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型等。對于界面編程，非常適合用循環(huán)事件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。它是LabVIEW中最常見的程序模式之一。本試驗(yàn)平臺便采用這一結(jié)構(gòu)，首先用DAQmx進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[3]，采樣率隨轉(zhuǎn)速變化而不斷變化。采集的數(shù)據(jù)由一系列子程序處理并最終形成多個(gè)振動(dòng)圖譜以便對軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測，主要子程序包括：

1）數(shù)據(jù)采集子程序：采用DAQ mx8.8驅(qū)動(dòng)中DAQmx Create Virtual Channel.vi,DAQmx Timing.vi,DAQmx Read.vi,DAQmx Clear Task.vi四個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限采樣，每次采集1024個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，輸出一組波形數(shù)組。為了確保同步整周期采樣，采樣速率應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，利用索引數(shù)組分離出轉(zhuǎn)速信號，用“提取單頻信息節(jié)點(diǎn).vi”得到其轉(zhuǎn)速，乘以一個(gè)常數(shù)后得到采集速率利用移位寄存器將其作為數(shù)據(jù)采集子程序的輸入。

2）信號一般測量：將采集得到的電壓值先進(jìn)行轉(zhuǎn)換成有意義的位移或轉(zhuǎn)速值，然后進(jìn)行一般性測量，包括用FFT spectrum.vi進(jìn)行快速傅立葉變換以求得頻譜，頻譜分析已成為振動(dòng)故障診斷領(lǐng)域最基本的工具。用幅值和電平測量Express VI測量位移信號的均值，峰峰值和均方根。

3）求相位：相位在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析中十分重要，目前國內(nèi)外比較通用的定義是標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號前沿導(dǎo)前振動(dòng)信號第一個(gè)正峰值的角度，即脈沖信號在前，振動(dòng)信號在后。如下圖所示ψ：

圖2 相位示意圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)相位針對的是基頻分量，而實(shí)際振動(dòng)信號中包括了多種成分，首先需要進(jìn)行基頻提取，這可通過數(shù)字濾波或者相關(guān)濾波兩種方法來獲得，數(shù)字濾波會(huì)引起部分信號失真，本文采用相關(guān)濾波方法，并用單周期相位測量方法[4]。這種方法的關(guān)鍵是獲得所有脈沖信號前沿及振動(dòng)信號峰值的索引值，然后進(jìn)行運(yùn)算即可得到相位，通常會(huì)考慮求幾個(gè)相位作平均來提高精度。

4）數(shù)據(jù)保存及檢索子程序:采用mysql數(shù)據(jù)庫，首先需要在計(jì)算機(jī)上安裝mysql.exe,mysqlODBC.exe,mysqlcc.exe。建立數(shù)據(jù)源，運(yùn)用LabSQL工具包，調(diào)用四個(gè)常用節(jié)點(diǎn)，寫入SQL中insert into及select命令即可從將振動(dòng)數(shù)據(jù)插入或者檢索出來放進(jìn)表格控件中。

圖3 圖片保存程序框圖

5）圖片保存：由振動(dòng)數(shù)據(jù)形成的各種圖像在以后的分析中將會(huì)發(fā)揮重要的作用，最好能將其保存下來，這由調(diào)用節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。右擊圖形控件（XY圖，波形圖，極坐標(biāo)圖）創(chuàng)建-調(diào)用節(jié)點(diǎn)-導(dǎo)出圖像。賦以文件類型及路徑，為了防止出現(xiàn)圖片名重名的情況彈出錯(cuò)誤，需要?jiǎng)討B(tài)改變圖片保存的名字，在路徑控件右擊-創(chuàng)建-屬性節(jié)點(diǎn)-路徑文本-文本，通過連接字符串來給文本賦值。程序框圖如下：

振動(dòng)數(shù)據(jù)的提取應(yīng)該包括穩(wěn)態(tài)分析及瞬態(tài)分析，該測試程序能迅速而有效地把振動(dòng)情況整理成資料和圖形，為軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各種故障的快速診斷提供依據(jù)，以下是產(chǎn)生的圖形及其概述：

1）軸心軌跡圖：由捆綁節(jié)點(diǎn)+XY圖實(shí)現(xiàn)。

2）頻譜圖：用FFT頻譜（幅值與相位）測量

3）幅頻圖：轉(zhuǎn)速用提取單頻信息節(jié)點(diǎn)測得，與幅值捆綁后在XY圖顯示。

4）相頻圖：如前所述，由相位測量子VI測得相位后與用提取單頻信息節(jié)點(diǎn)測得的轉(zhuǎn)速捆綁后在XY圖顯示。

5）乃奎斯特圖：用新式-圖形-控件-極坐標(biāo)圖示控件，但它只接受簇?cái)?shù)組數(shù)據(jù)，因此將測得的相位數(shù)組和幅值數(shù)組連接至“索引與捆綁數(shù)組”中轉(zhuǎn)換成簇?cái)?shù)組，然后再連接至顯示控件。

6）瀑布圖：用3D參數(shù)圖形控件顯示，這個(gè)控件要求輸入3個(gè)方向的矩陣數(shù)據(jù)，X和Y方向分別是頻率和轉(zhuǎn)速的輸入，Z方向?yàn)轭l譜分析的幅值，需要注意的是不可以將幅值數(shù)組利用移位寄存器組成二維數(shù)組直接連至Z接線端，而還應(yīng)該把頻譜分析的結(jié)果用解除捆綁節(jié)點(diǎn)分離去重要df數(shù)據(jù)組成二維數(shù)組后作為X端的輸入，X端輸入不可以漏掉df.

4 動(dòng)平衡機(jī)上測試

為驗(yàn)證該測試系統(tǒng)的正確性，制作了直徑為12mm的轉(zhuǎn)子，在動(dòng)平衡機(jī)上附帶的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺上進(jìn)行測試，觀察所得到的振動(dòng)圖譜及數(shù)據(jù)圖片保存均得到滿意結(jié)果，下面是測得的振動(dòng)位移及軸心軌跡圖示：

5 結(jié)束語

圖4 振動(dòng)位移及軸心軌跡圖示

利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，方便快捷地開發(fā)出旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。說明通過選用高精度小量程傳感器以及正確的抗干擾措施，依然可以有效地對氦透平膨脹機(jī)的高轉(zhuǎn)速小直徑轉(zhuǎn)子測振，它將在分析軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行狀況中發(fā)揮重要的作用。應(yīng)該看到，還有一些功能有特改進(jìn)，例如為了充分利用有限的資源，節(jié)省費(fèi)用，方便觀察，可以采用基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)如RDA技術(shù)，DataSocket技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程DAQ設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)共享，這部分將會(huì)在以后的學(xué)習(xí)中慢慢完善。

[1] 侯予,王瑾,等.高速透平氣體軸承試驗(yàn)臺的建立[J].潤滑與密封,2003(5):17-19.

[2] 周德照,張進(jìn)明,江志農(nóng).基于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號的采集與處理[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2005,24(3):62-64.

[3] 龍華偉,顧永剛.abVIEW8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京:清華大學(xué)出版社.2008.

[4] 張磊,楊建剛,楊為民.于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)相位軟測量方法[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2007(6):56-58.