基于虛擬儀器的轉子軸心軌跡監測系統的研究

摘 要：轉子軸心軌跡是判斷機械轉子運行狀態和故障征兆的重要依據，由多功能轉子實驗臺、數據采集卡和數據處理軟件組成了基于LabVIEW的軸心軌跡監測系統。連接多功能轉子實驗臺、測控裝置和數據處理軟件，利用LabVIEW采集數據，可實時顯示轉子系統軸心軌跡。通過大量實驗確定識別故障類型，使程序能有效實現在線自動識別。此系統可以準確的判斷轉子軸心軌跡的運行情況，進行診斷故障。

關鍵詞：轉子；虛擬儀器；LabVIEW；軸心軌跡

引言

旋轉機械的轉子軸心軌跡圖能夠形象、直觀地表現出設備的運轉狀態，圖形中包含了大量的故障信號，是在故障診斷過程中不可缺少的，轉子系統軸心軌跡的精度提升與自動化識別的研究水平決定著故障診斷系統的智能化水平，因此有著重要的研究價值。

基于虛擬儀器的監測平臺已經在各行各業中得到了越來越廣泛的應用。它采用圖形化的編程方式，編程簡易，功能多樣，能夠用于監測各種機械設備，比傳統儀器效率更高、成本更低。將虛擬儀器設備用于故障診斷領域，能夠充分發揮虛擬儀器的優點，為旋轉機械故障診斷提供了更便捷的方法[1-3]。

1 監測原理

由北京航天智控監測技術研究院生產的多功能轉子實驗臺，配置HZ-891系列電渦流傳感器，進行軸心軌跡測量，其主要結構如圖1所示。圖1中，1、2為電渦流傳感器，兩個傳感器在同一截面上相互垂直安裝。傳感器獲得位移信號，可反映轉子的軸心軌跡。

轉子軸心軌跡是由X、Y方向兩個振動信號X（t）、Y（t）所組成的二維振動信號，也可以分別分解為各自頻率下的一個個橢圓圖譜[4]。根據這個原理，可以將X（t）和Y（t）分解為

X（t）=A1sin（2πf1t+φ1）+A2sin（2πf2t+φ2）+…Ansin（2πfnt+φn）

=x1（t）+x2（t）+…xn（t） （1）

Y（t）=B1sin（2πf1t+φ1）+B2sin（2πf2t+φ2）+…Bnsin（2πfnt+φn）

=y1（t）+y2（t）+…yn（t） （2）

上式中下標n表示振動信號中頻率分量的數目，下式為各頻率下的“軸心軌跡分量”

將上面的軸心軌跡分量分解出來，就能夠清晰地看到原本轉子系統軸心軌跡的組成。完成軸心軌跡的分解后，將要研究的頻率分量疊加起來，就能夠合成軸心軌跡。為簡化計算，假設要對任選的m個頻率{f1，f2，…，fm}對應的分量進行研究，則合成后的兩路信號分別為：

X（t）=A1sin（ωt+α1）+A2 sin（2ωt+α2）Y（t）=B1cos（ωt+β1）+B2cos （2ωt+β2）

以X（t）、Y（t）作為X-Y軸上的X、Y坐標點，則可以得到m個頻率分量疊加后所合成的軸心軌跡。

方程式（4）中8個參數A1、A2、α1、α2、B1、B2、β1、β2分別表示X（t）和 Y（t）的一倍頻和二倍頻的幅值和初相位。在復平面內，對它們進行組合形成復信號：

z（t）=x（t）+jy（t） （5）

調整（5）中的8個參數的大小，就可以仿真出六種比較典型的轉子系統軸心軌跡，采集到故障診斷所需要的軸心軌跡圖譜。如圖2所示為仿真出的六種比較典型的軸心軌跡圖譜。

2 虛擬測試系統軟件程序設計

該系統應用程序設計是利用LabVIEW語言進行編寫，LabVIEW語言類似于C語言，但是C語言采用的都是文本編輯模式，而LabVIEW編程采用的是圖形，產生的程序是具有標志性的框圖[5-6]。

LabVIEW的兩大基本功能是DAQ數據采集和儀器控制，NI公司提供的采集卡中擁有自己的驅動程序，采集卡的硬件操作由驅動程序控制。數據采集卡驅動軟件主要有兩種，分別為NI-DAQ和NI-DAQmx，本系統是以DAQmx作為驅動。首先設置虛擬通道，用到的是DAQmx Timing.vi，其作用是為任務添加一個或一批虛擬通道。數據采集前，要提前設置好采樣數、采樣率、采樣模式等。再設置觸發，DAQmx Tigger.vi配置一個觸發器使DAQ設備能夠完整地完成一個預定指令，并使用DAQmx Start Task.vi。如圖3所示，是用NI-DAQmx編輯的轉子軸心軌跡監測系統的程序框圖。

程序中利用 AI Acquire Waveforms 函數同時采集 X、Y軸上兩個傳感器導入的實時數據，并用 Index Array 函數分別將兩路信號索引。運用拆分信號函數可以將采集到的信號拆分為兩個分量信號后，分別送到 Graph 控件，兩個分量信號便疊加在同一個XY圖控件上，則可以畫出轉子的軸心軌跡圖[7-8]。

3 實驗監測應用

啟動多功能轉子系統電機，將電機轉速調整到穩定狀態，在前面板上設置好相應的運行參數后點擊運行按鈕，觀測和分析所采集得到的位移信號波形圖，并記錄實驗結果如圖4和圖5。圖4為直觀的轉子系統時域波形圖，圖5為該軸心軌跡的頻譜分析。從圖中可以看出，軸心軌跡圖呈不規則形，在頻譜中接近50Hz的基頻處有很大的譜峰出現，表明該軸心的振動能量主要集中在回轉頻率上，同時在二倍頻率處也出現了微小幅度的譜峰，這是完全符合典型的轉子不平衡故障的振動特征，說明轉子軸承存在不平衡故障。

4 結束語

通過搭建多功能轉子系統實驗臺和數據采集硬件系統，應用虛擬儀器技術，設計了一套轉子系統軸心軌跡監測系統。實時測量了轉子系統的軸心軌跡，經過多次試驗，仿真出了六種典型轉子系統的故障軸心軌跡圖譜；試驗所測得的軸心軌跡圖形判別故障為不平衡故障，運用頻譜分析進行驗證，所得到的故障結論是完全相符的。進一步證明了基于虛擬儀器軸心軌跡監測系統的有效性。基于虛擬儀器的軸心軌跡監測系統，操作簡單，反應靈敏，精度更高，能精確畫出軸心軌跡圖譜。該系統可廣泛用于機械故障診斷、產品質量監控、復雜信號處理等諸多領域。

參考文獻

[1]李德江.旋轉機械軸心軌跡的理論計算、提純和自動識別研究[D].山東大學，2007.

[2]侯永強.旋轉機械轉子系統故障診斷方法的應用研究[D].大連理工大學，2006.

[3]馮志鵬，宋希庚，等.旋轉機械振動故障診斷理論與技術進展綜述[J].振動與沖擊，2001，20（4）：36-39.

[4]羅開玉，李伯全，王小飛，等.基于虛擬儀器的機械轉子軸心軌跡分析[J].江蘇大學學報（自然科學版），2008，6：474-477.

[5]侯國屏，王王，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005：145-148.

[6]焦川，李艾華.基于LabVIEW的轉子軸心軌跡監測系統設計[J].兵工自動化，2007，2：37-38.

[7]肖圣光.基于虛擬儀器的軸心軌跡分析儀的研制[D].重慶大學，2009.

[8]劉占生，張新江，楊建國，等.轉子軸心軌跡故障診斷特征識別方法研究[J].哈爾濱工業大學學報，1998，30（6）：22-25.

作者簡介：柴保明（1964-），河北邯鄲人，博士，教授，河北工程大學碩士研究生導師，研究方向：動力機械及工作過程和機械設備故障診斷。

趙鵬（1987-），河北邯鄲人，碩士，河北工程大學，助理工程師。