基于LabVIEW的高速轉子碰磨故障診斷系統*

魏協奔，林 蓉，林若波，孫培明，鄭 文

（1.揭陽職業技術學院機電工程系，廣東揭陽 522000；2.汕頭大學，廣東汕頭 515021；3.廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州 510006）

0 引言

隨著科技的不斷發展，在現代的機械設備運轉過程中，機械轉子的運轉速度越來越高，轉子和定子之間的空隙也越來越小，因此，轉子與定子之間由于高速運轉而發生碰磨故障是不可避免的。現代的機械設備，朝著高速重載的方向發展，在滑動軸承的設計中，軸與軸承之間的間隙越來越小。在滑動軸承的生產過程中，由于加工時產生熱變形、質量不平衡、軸系不對中以及其他因素，都會造成機械設備運轉過程中產生動靜碰磨[1]。在機械設備的運轉過程中，碰磨故障對轉子的正常工作產生很大的影響。碰磨故障會在轉子運轉過程中產生切向力。當轉子的阻尼力矩無法抵消摩擦力矩的時候，轉子就會從正向渦動變為反向渦動，因此產生“干摩擦”的現象，從而引起軸系的自激振動，這樣的結果會影響轉子的正常運行，甚至是損壞整個機械機組。國內外已經有很多專家對碰磨進行研究，如國外Pennacchi等（2009）分別利用試驗模態分析和有限元建模方法對轉子的早期局部碰磨現象進行了對比研究[2]；國內王翔等（2011）基于改進Hilbert-Huang變換研究轉子碰磨故障診斷系統[3]，馬輝等（2012）針對柔性轉子系統輪盤外緣定點分析碰磨動力學特性[4]，熊炘等（2012）提出轉子全周碰磨與局部碰磨的識別方法[5]。通過這些研究可以得出，在轉子發生碰磨故障的初期，頻譜圖的低頻段會產生能量的集中現象，隨著機械振動的傳播和碰磨振動的擴展，碰磨故障會在頻譜圖的高頻段存在諧波，這樣對碰磨故障的研究非常地方便。

1 高速轉子碰磨故障診斷系統設計

1.1 硬件框架結構

高速轉子碰磨故障診斷系統是在LabVIEW平臺上，以電渦流位移傳感器、信號放大器、信號調理模塊、數據采集卡模塊等硬件基礎，開發出來的高速轉子碰磨故障診斷軟件系統，應用恰當的信號分析方法，實現對高速轉子碰磨故障診斷。

高速轉子碰磨故障診斷系統所設計的硬件框圖如圖1所示。先在旋轉機械上安裝加速度傳感器及位移傳感器來檢測該機器運轉中所產生的振動信號；然后通過信號放大器把信號進行調理從而被采集卡所采集；最后把信號傳輸到帶有虛擬儀器的計算機上進行信號分析及處理，以達到所要的頻譜波形圖。根據轉子碰磨振動測試系統的相關要求，該硬件系統具有模塊化結構特點，同時它體積小、功能全面、便于攜帶，有利于現場的振動監測及故障診斷。

圖1 高速轉子碰磨故障診斷系統硬件框圖

1.2 虛擬儀器

虛擬儀器是上世紀九十年代發展起來的在測控領域帶有革命性意義的新技術。它以計算機為基本平臺，把傳感器、多功能控制器以及各種數據采集卡等硬件有機地集成在一起，然后根據要求，在計算機平臺上開發出相關的軟件系統，對所要研究的對象進行數據采集或運動控制。虛擬儀器利用計算機把測試儀器硬件進行軟件化，大大地降低系統的硬件成本，同時又增強了系統功能及操作的靈活性。虛擬儀器設計靈活、操作可視化、同時可隨時修改各種功能參數，得到了眾多學者及測控技術人員的青睞，是本世紀工業測量及控制發展技術的新趨勢，目前，虛擬儀器在圖像處理、數據分析、自動測試和過程控制等相關測控領域得到了廣泛應用[6-10]。

本設計的高速轉子碰磨故障診斷系統具有信號采集、信號處理、數據管理以及故障分析等相關功能。根據所測量對象的工作環境以及工作特點，旋轉機械轉子碰磨測量系統采用多種信號處理及頻譜圖分析技術，在計算機LabVIEW軟件平臺上，根據旋轉機械高速、重載、高精度運轉等特點，設計出一套具有數據采集、分析、處理和故障判斷等相關功能的振動信號監測及故障診斷系統。

2 實驗測試

根據高速轉子碰磨故障診斷系統的工作環境及相關功能的特點，本測試系統在本特利高速旋轉振動監測試驗臺上進行高速轉子地碰磨振動故障測試。該系統的試驗測試連接圖如圖2所示。

圖2 高速轉子碰磨實驗硬件連接圖

圖3是實驗測試時轉子碰磨故障前后原始頻譜對比圖，可以看出：由于轉子碰磨故障的存在，碰磨后的波形出現了諧波。從頻譜圖中可以看出，轉子發生碰磨故障之前，其振動能量集聚于一倍頻率上，基頻之外的振動能量值很?。辉诎l生碰磨故障的轉子試驗中，除基頻之外，還存在著大量的高倍頻率波形成份，該振動量所對應的頻率剛好是基頻的整數倍，說明高速轉子試驗臺運轉時存在著與基頻相關的機械故障，進一步從頻譜圖上可以得出是轉子碰磨所產生的。

圖4是轉子發生碰磨故障前后單通道信號分析對比圖。從信號分析小波濾噪后的波形可以清晰地看出，轉子碰磨故障后，頻譜圖波形明顯比碰磨前存在較多的高頻波形能量成份，這高頻成分是由于碰磨所產生的振動諧波所產生的。從基頻波形中，進一步可以看出頻譜圖中存在著鋸齒形的小波峰，同時這些波形出現在基頻的倍數頻能量之后，隨著轉數的倍數而出現，可以得出出轉子每旋轉一圈就發生一次磨擦碰撞，而可以得知該轉子運動中存在著于頻率倍數相關的故障，進一步從FFT波形中明顯得出周期性諧波的存在，而且該諧波呈現緊跟轉數的規律性，從而得知所檢測轉子發生碰磨故障。

圖3 轉子碰磨故障前后原始頻譜對比圖

圖4 轉子碰磨故障前后單通道信號對比圖

高速轉子碰磨故障診斷系統在試驗中，轉子發生碰磨故障前后的雙通道波形相關分析圖如圖5所示。通過垂直于旋轉軸的兩個傳感器進行振動測試，然后用相關得出轉子的軸心軌跡圖。從該軸心軌跡圖中可以看到，在高速轉子發生碰磨故障之前，所檢測到的轉子軸心軌跡呈圓形，說明此時高速轉子的運轉情況良好，沒發生轉子不對中或者轉子碰磨等方面的機械運動故障[11]；而對于高速轉子發生碰磨故障之后的軸心軌跡圖，可以明顯地看出所檢測到的軸心軌跡圖呈半月形，這時候我們可以得出：由于轉子發生碰磨故障，轉子在每轉到碰磨處的地方就發生一次軸的偏移振動，從而引起軸心軌跡往碰磨處的反方向偏移。從該高速轉子碰磨故障診斷系統所檢測的雙通道波形圖可以清晰地看出該系統可以很好地對轉子的碰磨故障進行波形檢測和判斷分析，有利于對轉子運轉過程的實時監測。

3 結論

圖5 轉子碰磨故障前后軸心軌跡對比圖

高速轉子碰磨故障診斷系統能夠很好地對高速旋轉機械進行振動監測及轉子碰磨地相關故障診斷，該系統所檢測得到的波形圖顯示清晰、觀察及故障判斷效果好、該系統在故障檢測中反應靈敏，同時能夠清晰地反映出高速旋轉機械其轉子的運轉狀態及發生故障時的故障診斷，有利于工程師們在高速旋轉機械的振動測量中進一步對高速轉子碰磨的監測和故障判斷，達到了預期的效果。

［1］楊文剛.轉子碰磨故障模擬實驗臺及其分析系統［D］.北京：華北電力大學，2006.

［2］Pennacchi P，Bachschmid N，Tanzi E.Light and short arc rubsin rotating machines：Experimental tests and modelling［J］.Mechanical Systems and Signal Process?ing，2009，23（7）：2205-2227.

［3］王翔，王仲生.基于改進Hilbert-Huang變換的轉子碰磨故障診斷［J］.中國機械工程，2011，22（24）：2937-2940.

［4］馬輝，太興宇，汪博，等.柔性轉子系統輪盤外緣定點碰磨動力學特性分析［J］.中國電機工程學報，2012，32（17）：89-95.

［5］熊炘，楊世錫，甘春標.轉子全周碰磨與局部碰磨的識別方法研究［J］.振動與沖擊，2012，31（16）：13-17.

［6］徐欽桂，劉桂雄，高富榮.虛擬儀器的時間特性建模與實時優化分析［J］.華南理工大學學報：自然科學版，2010，38（1）：113-117.

［7］張若青，周高偉.基于LabVIEW的電液比例閥控缸系統分析［J］.機床與液壓，2009（04）：106-108.

［8］吳黎明，石艷軍，姜華，等.基于虛擬儀器的電飯鍋能效自動檢測系統［J］.自動化與信息工程，2011，32（2）：10-14.

［9］趙曉東，賈孔昊.基于LabVIEW的磁控電抗器測試系統［J］.機電工程，2013（3）：380-383.

［10］倪偉，鄭文.基于LabVIEW的齒輪箱故障診斷系統設計［J］.機電工程技術，2013（10）：8-11.

［11］魏協奔.TRT機組在線檢測及故障診斷系統研究［D］.廣州：廣州大學，2012.