基于LabVIEW的渦旋壓縮機曲軸振動測試系統(tǒng)設(shè)計

牛洪濤 李超

摘? 要： 渦旋壓縮機曲軸振動是反映壓縮機工作性能的一個重要參數(shù)。為實時顯示曲軸振動情況，利用同一平面且相互垂直的2個電渦流傳感器，并運用LabVIEW及相關(guān)硬件產(chǎn)品，搭建曲軸振動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)曲軸振動信號的實時采集、分析和存儲，提高了測量精度。結(jié)果表明：該測試系統(tǒng)能及時反饋渦旋壓縮機曲軸的振動情況，實時顯示曲軸振動位移改變量所形成的軸心軌跡及互相垂直位移信號處理后的波形、功率譜等;并能通過軸心運動軌跡來推斷曲軸振動的故障類型，為渦旋壓縮機故障預防提供理論參考。

關(guān)鍵詞： 渦旋壓縮機; 曲軸振動測試; 系統(tǒng)設(shè)計; LabVIEW; 信號處理; 故障預防

中圖分類號： TN875?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0071?04

Abstract： The crankshaft vibration of scroll compressor is an important parameter to reflect the working performance of a compressor. In order to display the vibration condition of crankshaft in real time， two eddy current sensors in the same plane and perpendicular to each other， LabVIEW and related hardware products are used to build a crankshaft vibration test system， which can realize the real?time collection， analysis and storage of crankshaft vibration signals and improve the measurement accuracy. The testing results show that the test system can immediately fed back crankshaft vibration condition of scroll compressor， display in real time the axes trajectory formed by the change of crankshaft vibration displacement， the waveform and the power spectrum of the processed displacement signal perpendicular to each other， and judge the fault type of the crankshaft vibration by means of the axes movement trajectory. The testing result can provide a theoretical reference for fault prevention of scroll compressor.

Keywords： scroll compressor; crankshaft vibration test; system design; LabVIEW; signal processing; fault prevention

0? 引? 言

由于渦旋壓縮機具有構(gòu)造簡易、節(jié)能環(huán)保、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點[1?3]，被廣泛應(yīng)用于生物制藥[4]、食物冷藏冷凍[5]、汽車空調(diào)[6]和紡織[7]等相關(guān)領(lǐng)域。渦旋壓縮機曲軸是壓縮機重要的轉(zhuǎn)動部件之一，其運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接關(guān)系到壓縮機的安全性能，為此許多學者對曲軸轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的動力特性問題進行了研究。文獻[8]運用ANSYS對無油潤滑渦旋壓縮機曲軸建立機構(gòu)模型并對其進行受力分析，計算出曲軸的最大應(yīng)力和應(yīng)變。文獻[9]利用多元動力學等相關(guān)知識對渦旋壓縮機主副軸承、曲柄銷和曲軸等傳動部件建立統(tǒng)一的多元力學模型，得到不同轉(zhuǎn)速條件下的曲軸受力載荷，并對曲軸多元系統(tǒng)在變載荷下的位移形變及應(yīng)力應(yīng)變進行了分析。文獻[10]根據(jù)渦旋壓縮機實際工況利用有限元方法對渦旋壓縮機曲軸及主副軸承施加約束條件，然后建立物理模型，并對其進行相關(guān)動力學計算，得出曲軸的受力特點，從而為提高曲軸壽命及整機性能提出參考意見。文獻[11]根據(jù)渦旋壓縮機實際工況及工作原理和材料力學相關(guān)知識對渦旋壓縮機曲軸進行力學分析、計算，并利用ANSYS對渦旋壓縮機曲軸、曲柄銷及主副軸承等相關(guān)部件的動態(tài)特性進行分析，模擬出曲軸、曲柄銷及主副軸承等相關(guān)部件的前6階固有振動頻率及各階的振動形式，為優(yōu)化曲軸等相關(guān)部件受力狀況提供參考。

上述文獻從理論和模擬仿真方面對曲軸轉(zhuǎn)子傳動系統(tǒng)的動力特性進行不同側(cè)重點的研究，研究結(jié)果對于曲軸轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和受力狀況等提供理論參考。本文以渦旋壓縮機為研究對象，基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺，并借助其相關(guān)功能實現(xiàn)了渦旋壓縮機曲軸轉(zhuǎn)子振動的測試與分析。LabVIEW是一種用函數(shù)圖標代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言[12]。其鑲嵌式DAQ板、PCI卡等硬件以程序模塊為基礎(chǔ)，測量結(jié)果誤差小，自動化程度高，可以搭建性能穩(wěn)定且裝備價格低廉的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[13]。

1? 試驗裝置結(jié)構(gòu)及渦流傳感器的安裝

試驗臺的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗工況下通過裝置中的變頻器來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，固定在試驗裝置支架體上同一平面內(nèi)且互成90°的2個電渦流傳感器把曲軸振動所產(chǎn)生的機械信號轉(zhuǎn)換成電渦流信號，然后再把電渦流信號傳入試驗測試系統(tǒng)的前置處理器中，進行信號處理，并通過數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最終進入計算機內(nèi)，以供LabVIEW內(nèi)的程序分析和處理。曲軸振動測試系統(tǒng)如圖2所示，該測試系統(tǒng)能夠借助變頻器實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下曲軸的振動特性研究。

2? 系統(tǒng)測量原理

電渦流傳感器分別由一個平面線圈和一塊金屬導體組成。在圖3中，平面線圈中通入交變電流[I1]，根據(jù)電磁學相關(guān)知識得知，在其周圍會產(chǎn)生一個交變磁場[H1]，若某一導體處在此交變磁場范圍內(nèi)，則該導體會感應(yīng)產(chǎn)生一個電渦流[I2]，同樣[I2]也會產(chǎn)生一個磁場[H2]，由于[H1]和[H2]方向不同，從而削弱了原交變磁場[H1]，使平面線圈原來的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變[14]。

將通有電流[I1]的平面線圈等效為電渦流傳感器，[I2]等效為短路電流，如圖4所示。

由式（3）和式（4）知，[Ze]和[Le]均為互感系數(shù)[M]的相關(guān)函數(shù)，[M]又與2個線圈的結(jié)構(gòu)尺寸、材質(zhì)固有屬性及2個線圈互相位置[x]有關(guān)[15]。在測量過程中一般可將線圈的結(jié)構(gòu)尺寸、材質(zhì)性能控制在一定范圍內(nèi)不發(fā)生改變，故互感系數(shù)[M]僅為2個線圈互相位置[x]的函數(shù)，即電渦流傳感器等效阻抗[Ze]和線圈等效電感[Le]僅是2個線圈互相位置[x]的函數(shù)。故電渦流傳感器能夠滿足渦旋壓縮機曲軸振動信號的測量要求。

3? 采集系統(tǒng)的構(gòu)成

信號采集系統(tǒng)主要由傳感器（SE990）、數(shù)據(jù)采集卡（PCI?6221）和計算機（ASUS—X450）等部分組成。圖2亦為采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

3.1? 傳感器

選用上海澤贊自動化科技有限公司旗下型號為SE990的電渦流傳感器，探頭型號SE990?05?01?01?01?08?020?01，前置器型號SE990Q?00?05?02。線性測量范圍為0.25～1.25 mm，溫度范圍為-40～175 ℃，探頭直徑為5 mm。其最大優(yōu)點就是可以對曲軸、軸承等被測元件進行非接觸式線性測量[16]。

3.2? 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是外界采集信號進入計算機的樞紐，在該樞紐中要進行A/D振動信號轉(zhuǎn)換和完成振動信號的濾波、隔離、放大等處理[17]。本測試系統(tǒng)采用美國NI公司的PCI?6221數(shù)據(jù)采集卡。該卡輸入電壓為-10～10 V，差分模擬輸入，2路16位模擬輸出，雙通道24路數(shù)字I/O線，單端16路、雙端8路數(shù)字觸發(fā)，采樣頻率250 KSPS，32位計數(shù)器。

4? 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

本試驗測試系統(tǒng)軟件編程部分采用LabVIEW軟件中經(jīng)典的模塊化程序編寫方法，首先將測試系統(tǒng)中需要實現(xiàn)的不同測試功能進行模塊化區(qū)域劃分，然后逐次編程。測試系統(tǒng)中主要需要編寫的測試功能模塊分別有：曲軸振動信號的采集、測試數(shù)據(jù)的識別轉(zhuǎn)換，以及曲軸軸心運動位移信號在電腦終端的顯示、分析、儲存和輸出讀寫等。系統(tǒng)測試流程如圖5所示。

測試系統(tǒng)編程時選用2個while循環(huán)函數(shù)、3個事件結(jié)構(gòu)和1個層疊式順序結(jié)構(gòu)相結(jié)合來實現(xiàn)事先劃分的各個區(qū)域功能。首先，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡采用2通道分別對X和Y方向的2路信號采集進行相關(guān)程序編寫;然后，采取DAQmx板塊中相應(yīng).VI對振動信號實現(xiàn)長、寬度和周期、頻率等相關(guān)參數(shù)實時測量的程序編寫，并對振動信號是否具有相關(guān)性等相關(guān)程序進行編寫;最后，選用LabVIEW中Index Array函數(shù)分別對測得的X和Y兩路信號進行邏輯索引。曲軸振動測試系統(tǒng)程序框圖如圖6所示。

數(shù)據(jù)存儲是將采集到的渦旋壓縮機振動測試信號以數(shù)據(jù)形式儲存在計算機中，以便日后對其進行查看和相關(guān)分析。本系統(tǒng)選用LabVIEW中的TDMS對采集到的相關(guān)振動信號進行儲存，相比于其他記錄存儲文件，它具有高速記錄的優(yōu)點，且可儲存大批量測量數(shù)據(jù)。開啟TDMS，PCI?6221可將采集到的曲軸振動數(shù)據(jù)從LabVIEW設(shè)定的緩沖區(qū)以流盤的方式輸入至預先設(shè)定的磁盤內(nèi)，供試驗人員查看。

5? 振動測試結(jié)果分析

測試系統(tǒng)設(shè)計完成后進行振動測試試驗，相互垂直的2路電渦流傳感器處于曲軸同一平面上的不同位置，如圖2所示，試驗臺運行30 min后借助LabVIEW軟件開始對曲軸振動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實施采集，圖7為渦旋壓縮機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時曲軸振動信號采集。由圖7可知：渦旋壓縮機曲軸振動的位移改變量蘊含著大量的曲軸運轉(zhuǎn)信息。通過改變試驗條件，可分別獲得曲軸在不同運轉(zhuǎn)工況下，其振動位移改變量所形成的軸心運動軌跡、振幅、截止頻率等，從而可推斷出渦旋壓縮機曲軸的運轉(zhuǎn)是否處于平衡狀態(tài)，并可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析引起壓縮機故障的原因等。

例如，從X，Y兩個方向功率譜圖形關(guān)系可知，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，X方向主要頻率為19.1 Hz，Y方向主要頻率為19.7 Hz，均接近渦旋壓縮機曲軸的固有轉(zhuǎn)動頻率20 Hz，從而可知，這是由于電機在運轉(zhuǎn)過程中周期性激發(fā)所造成的曲軸振動。由曲軸軸心運動軌跡可知，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，曲軸軸心運動軌跡為橢圓形。根據(jù)相關(guān)資料[18]可知，這是由于軸心不對中引起的振動，進而可說明該振動是由于電機周期性激發(fā)引起了曲軸軸心不對中而造成的振動。

6? 結(jié)? 語

基于LabVIEW圖形化編程語言，實現(xiàn)了對渦旋壓縮機曲軸振動信號采集系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)可完成對曲軸振動信號的采集、調(diào)理和數(shù)據(jù)存儲等，從而可對曲軸運轉(zhuǎn)狀況進行實時監(jiān)測;并可從前面板中方便讀出曲軸振動位移改變量所形成的曲軸軸心的運動軌跡及互成90°位移信號的波形、功率譜及相關(guān)性等，進而可推斷渦旋壓縮機曲軸振動的類型及分析引起振動的原因，為預防渦旋壓縮機故障和故障判別提供理論依據(jù)。相比于其他渦旋壓縮機的信號采集系統(tǒng)，依據(jù)電渦流傳感器和虛擬儀器搭建的曲軸振動測試系統(tǒng)具有識別準確度高、采集速度快和維護方便等優(yōu)點。

參考文獻

[1] 張龍，孫兵，劉叢.同排量直流調(diào)速轉(zhuǎn)子式壓縮機和渦旋式壓縮機測試分析[J].制冷與空調(diào)，2019，19（6）：49?52.

[2] OQUENDO M T F， PERIS N E， MACIA G J， et al. Performance of a scroll compressor with vapor?injection and two?stage reciprocating compressor operating under extreme conditions [J]. International journal of refrigeration， 2016， 63： 144?156.

[3] 桂偉兵，李海生，武濤，等.渦旋壓縮機振動測試的試驗研究[J].流體機械，2016，44（11）：1?5.

[4] 王文真，他倫，錢偉.零等級無油空氣壓縮機在制藥行業(yè)中的應(yīng)用[J].通用機械，2016（2）：81?83.

[5] 周峰，劉鵬，馬國遠，等.小容量制冷壓縮機技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].家電科技，2019（5）：52?57.

[6] 曹蘭寶，徐秀娟，劉忠剛，等.電動渦旋壓縮機在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào)（四川），2019，33（5）：521?523.

[7] 李玉斌，謝利昌，初琦，等.第2章 壓縮機市場發(fā)展分析[J].制冷技術(shù)，2019，39（z1）：8?39.

[8] 宋天虹，鄭尚書.渦旋壓縮機曲軸動力特性研究[J].石油化工設(shè)備，2013，42（z1）：18?21.

[9] 李超，丁凱，劉小菲，等.變?nèi)萘繙u旋壓縮機曲軸系統(tǒng)動力特性分析[J].蘭州理工大學學報，2016，42（6）：52?56.

[10] 嚴黎堅，黃志剛，張京.渦旋壓縮機曲軸有限元分析[J].電器，2011（z1）：342?348.

[11] 劉濤，劉袁帥.渦旋壓縮機曲軸及曲軸部件的有限元分析[J].機械制造，2016，54（9）：5?7.

[12] 龍華偉.LabVIEW數(shù)據(jù)采集與儀器控制[M].北京：清華大學出版社，2016.

[13] 王平，楊濤，侯守全，等.LabVIEW中DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化儀表，2015，36（7）：31?33.

[14] 胡向東，唐賢倫，胡蓉，等.現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[15] 吳先球.基于閉合式圓形線圈系統(tǒng)金屬探測儀傳感器的研究[D].合肥：安徽大學，2016.

[16] 姜磊，王黎明，張小章.應(yīng)力作用對電渦流法測試碳纖維復合材料位移的影響機理[J].原子能科學技術(shù)，2019，53（3）：518?524.

[17] 李毅，李曉輝，郭萬里.基于LabVIEW?Multisim的低頻虛擬實驗室設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（6）：72?75.

[18] 孫慧芳，潘羅平，張飛，等.旋轉(zhuǎn)機械軸心軌跡識別方法綜述[J].中國水利水電科學研究院學報，2014，12（1）：86?92.