應用LabVIEW的旋轉機械振動監測系統的設計

郭信心+馮素菊+李想

摘 要：旋轉機械被廣泛應用于各種工業生產各個環節中，其葉輪的可靠運轉直接關系到整機運行的安全性與高效性。葉片的損壞是葉輪失效的主要形式，因此如何準確可靠的監測葉片的振動成為旋轉機械的研究的一個重要方向。采用葉尖計時法來采集葉片的振動信息，以LabVIEW為開發平臺開發了旋轉機械葉片振動監測系統，并通過模擬故障響應驗證了程序的正確性，該程序的實現為旋轉機械故障診斷系統的開發與研究提供了軟件支持。

關鍵詞：旋轉機械；葉尖定時法；非接觸；LabVIEW；監測系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.006

0 前言

旋轉機械的葉輪作為旋轉機械能量轉化的核心部件，其可靠運轉直接關系到旋轉機械運作的安全性與高效性，因此準確可靠的監測葉片的振動狀態是旋轉機械的研究的一個重要方向。旋轉機械的故障征兆基本都包含在它的振動信號里，對所采集的數據進行分析與處理獲得故障特征參數，進而可以判斷它是否正常運行[1]。

1 葉尖計時法的概述

葉尖計時法原理如圖1，傳感器S1和S2安裝在相對靜止的殼體上，利用傳感器感知葉片經過時產生的脈沖信號[2]。如果葉片無振動，那么相應得到的脈沖間隔一定是等距的，可以根據軸盤的轉速和葉片與軸盤的相對位置關系計算出每個葉片掃過傳感器S1的時間，而當葉片出現裂紋的情況下，實際采集到的脈沖與理論脈沖上升沿時間之間將產生一個差值，由這個差值序列計算得到振動的位移。葉輪經過一定的旋轉圈數之后，兩傳感器采集到一系列振動信號，對該振動信號進行相應的處理，可以求得各葉片的振幅值與頻率值。測量系統開發需要充分考慮實際因素，由于制造精度導致的葉片本身的不均勻分布也會影響監測結果，因此需要在監測之前對葉片位置進行校正來補償本身的位置誤差。

2. 監測系統與軟件程序

2.1 需求分析與總體設計

離心葉輪振動監測系統能夠實現預知維修功能，防止惡性事故的出現，降低設備維修成本。系統主要功能為實現對采集到的波形數據的處理與管理需求，同時還要提供完備的圖形與報表生成的功能。具體的要求如下：

（1）信息采集全面化。

（2）狀態監測連續化。

（3）數據處理實時化。

（4）系統安全性。要求系統不對葉輪的運轉產生不利影響。

（5）界面操作簡易懂。數據處理程序的關鍵是在能滿足功能要求的前提下盡量用簡潔的方式來描述每個模塊的執行過程，這就要求所設計的程序功能明確，內容規范，布局合理，可擴充性強。友好的用戶操作界面是系統監測與報警功能實現的基礎，在運行中，用戶通過此界面對運行狀態實時監測，在系統產生故障時，由此監測平臺發出報警信息。基于LabVIEW開發的旋轉機械振動監測系統避免了傳統儀器功能固定，技術更新周期長，開發費用高等缺點，系統的總體界面風格如下圖2所示。

2.2 各功能模塊的介紹

（1）數據分析與處理模塊。此模塊為葉輪故障監測系統的核心，對采集到的振動時間序列進行時頻分析，圖3展示了分析過程的脈絡關系。

數據分析與處理系統中最重要的模塊是由脈沖時間序列得到葉片振動位移序列的程序，該程序的實現如圖4，根據振動時間與葉片瞬時速度和振動位移的關系得出所有葉片振動位移的一維數組，之后在此一維數組中挑出單個葉片的振動位移序列，得到葉片數與轉動圈數的二維數組，并且分別提取出每個葉片的所有振動數據。

得到了每個葉片的振動位移序列之后，便能夠分別對他們進行時域和頻域的分析。設轉子旋轉N圈，當N取到一個足夠大的值，就可以求得振幅。將振幅與所設定振幅上限值比較，若所分析所得結果大于設定值將會發出警報信號。對于頻域分析，次采樣為非均勻采樣，因此在兩個傳感器之間補M-1個0將其轉變為均勻采樣，這樣就能夠進行傅里葉變換，得到頻域分析的結果。圖5是各個葉片振動位移篩選模塊；圖6是非均勻采樣信號處理模塊；圖7是報警模塊。

（2）數據保存與回放模塊。系統監測過程中，使用者通過前面板上的數據保存按鈕能夠將采集到的振動序列的數據保存在指定目錄下的EXCEL文件中，存儲在計算機磁盤中；通過前面板上的數據回放按鈕可以把存儲的數據讀出，并且顯示出時域波形，圖8就是數據保存與數據回放模塊。

（3）生成應用程序。測試系統的最終用戶一般并不會購買LabVIEW系統，那么該監測程序也無法在用戶計算機上運行，這就需要在LabVIEW開發系統中生成獨立的應用程序。找到葉片振動監測系統的項目文件，在項目瀏覽器中右擊“程序生成規范”項，建立一個新的應用程序文件來生成執行程序。

3 結論

本文采用葉尖計時法這一非接觸式測量法來監測葉片的振動信息，結合光電傳感器對葉片振動信號進行采集，對被測設備運行無干擾，測量結果穩定可靠。以界面直觀、便于使用的LabVIEW為開發平臺開發了旋轉機械葉片振動監測系統，無需安裝多個傳感器就能監測到所有葉片，提出了監測方法和程序實現手段，詳細介紹了各模塊的功能，并通過模擬故障響應驗證了程序的正確性，該程序的實現為旋轉機械的安全運行提供了軟件支持。

參考文獻：

[1]張玉貴，段發階，方志強.基于葉尖定時的非接觸旋轉葉片異步振動分析[J].機械工程學報，2008，44（07）：147-151.

[2]王宇華，葉聲華，馮心梅.葉端定時測量方法及關鍵技術的研究[J].中國機械工程，2004，15（15）：50-54.

基金項目：河北省自然科學基金（E201203110）

作者簡介：郭信心（1992-），女，河北石家莊人，研究生在讀，研究方向：機械設計及故障診斷學。