應(yīng)用LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭信心+馮素菊+李想

摘 要：旋轉(zhuǎn)機(jī)械被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)中，其葉輪的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到整機(jī)運(yùn)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(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的研究的一個(gè)重要方向。采用葉尖計(jì)時(shí)法來(lái)采集葉片的振動(dòng)信息，以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)模擬故障響應(yīng)驗(yàn)證了程序的正確性，該程序的實(shí)現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究提供了軟件支持。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)機(jī)械；葉尖定時(shí)法；非接觸；LabVIEW；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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

0 前言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的葉輪作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能量轉(zhuǎn)化的核心部件，其可靠運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)作的安全性與高效性，因此準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)狀態(tài)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的研究的一個(gè)重要方向。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障征兆基本都包含在它的振動(dòng)信號(hào)里，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理獲得故障特征參數(shù)，進(jìn)而可以判斷它是否正常運(yùn)行[1]。

1 葉尖計(jì)時(shí)法的概述

葉尖計(jì)時(shí)法原理如圖1，傳感器S1和S2安裝在相對(duì)靜止的殼體上，利用傳感器感知葉片經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)[2]。如果葉片無(wú)振動(dòng)，那么相應(yīng)得到的脈沖間隔一定是等距的，可以根據(jù)軸盤的轉(zhuǎn)速和葉片與軸盤的相對(duì)位置關(guān)系計(jì)算出每個(gè)葉片掃過(guò)傳感器S1的時(shí)間，而當(dāng)葉片出現(xiàn)裂紋的情況下，實(shí)際采集到的脈沖與理論脈沖上升沿時(shí)間之間將產(chǎn)生一個(gè)差值，由這個(gè)差值序列計(jì)算得到振動(dòng)的位移。葉輪經(jīng)過(guò)一定的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)之后，兩傳感器采集到一系列振動(dòng)信號(hào)，對(duì)該振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，可以求得各葉片的振幅值與頻率值。測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要充分考慮實(shí)際因素，由于制造精度導(dǎo)致的葉片本身的不均勻分布也會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果，因此需要在監(jiān)測(cè)之前對(duì)葉片位置進(jìn)行校正來(lái)補(bǔ)償本身的位置誤差。

2. 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與軟件程序

2.1 需求分析與總體設(shè)計(jì)

離心葉輪振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)知維修功能，防止惡性事故的出現(xiàn)，降低設(shè)備維修成本。系統(tǒng)主要功能為實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的波形數(shù)據(jù)的處理與管理需求，同時(shí)還要提供完備的圖形與報(bào)表生成的功能。具體的要求如下：

（1）信息采集全面化。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)連續(xù)化。

（3）數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)化。

（4）系統(tǒng)安全性。要求系統(tǒng)不對(duì)葉輪的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響。

（5）界面操作簡(jiǎn)易懂。數(shù)據(jù)處理程序的關(guān)鍵是在能滿足功能要求的前提下盡量用簡(jiǎn)潔的方式來(lái)描述每個(gè)模塊的執(zhí)行過(guò)程，這就要求所設(shè)計(jì)的程序功能明確，內(nèi)容規(guī)范，布局合理，可擴(kuò)充性強(qiáng)。友好的用戶操作界面是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，在運(yùn)行中，用戶通過(guò)此界面對(duì)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，由此監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信息?；贚abVIEW開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)儀器功能固定，技術(shù)更新周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，系統(tǒng)的總體界面風(fēng)格如下圖2所示。

2.2 各功能模塊的介紹

（1）數(shù)據(jù)分析與處理模塊。此模塊為葉輪故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，對(duì)采集到的振動(dòng)時(shí)間序列進(jìn)行時(shí)頻分析，圖3展示了分析過(guò)程的脈絡(luò)關(guān)系。

數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)中最重要的模塊是由脈沖時(shí)間序列得到葉片振動(dòng)位移序列的程序，該程序的實(shí)現(xiàn)如圖4，根據(jù)振動(dòng)時(shí)間與葉片瞬時(shí)速度和振動(dòng)位移的關(guān)系得出所有葉片振動(dòng)位移的一維數(shù)組，之后在此一維數(shù)組中挑出單個(gè)葉片的振動(dòng)位移序列，得到葉片數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的二維數(shù)組，并且分別提取出每個(gè)葉片的所有振動(dòng)數(shù)據(jù)。

得到了每個(gè)葉片的振動(dòng)位移序列之后，便能夠分別對(duì)他們進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析。設(shè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)N圈，當(dāng)N取到一個(gè)足夠大的值，就可以求得振幅。將振幅與所設(shè)定振幅上限值比較，若所分析所得結(jié)果大于設(shè)定值將會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。對(duì)于頻域分析，次采樣為非均勻采樣，因此在兩個(gè)傳感器之間補(bǔ)M-1個(gè)0將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虿蓸?，這樣就能夠進(jìn)行傅里葉變換，得到頻域分析的結(jié)果。圖5是各個(gè)葉片振動(dòng)位移篩選模塊；圖6是非均勻采樣信號(hào)處理模塊；圖7是報(bào)警模塊。

（2）數(shù)據(jù)保存與回放模塊。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，使用者通過(guò)前面板上的數(shù)據(jù)保存按鈕能夠?qū)⒉杉降恼駝?dòng)序列的數(shù)據(jù)保存在指定目錄下的EXCEL文件中，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)磁盤中；通過(guò)前面板上的數(shù)據(jù)回放按鈕可以把存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出，并且顯示出時(shí)域波形，圖8就是數(shù)據(jù)保存與數(shù)據(jù)回放模塊。

（3）生成應(yīng)用程序。測(cè)試系統(tǒng)的最終用戶一般并不會(huì)購(gòu)買LabVIEW系統(tǒng)，那么該監(jiān)測(cè)程序也無(wú)法在用戶計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這就需要在LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中生成獨(dú)立的應(yīng)用程序。找到葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的項(xiàng)目文件，在項(xiàng)目瀏覽器中右擊“程序生成規(guī)范”項(xiàng)，建立一個(gè)新的應(yīng)用程序文件來(lái)生成執(zhí)行程序。

3 結(jié)論

本文采用葉尖計(jì)時(shí)法這一非接觸式測(cè)量法來(lái)監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)信息，結(jié)合光電傳感器對(duì)葉片振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)被測(cè)設(shè)備運(yùn)行無(wú)干擾，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。以界面直觀、便于使用的LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)需安裝多個(gè)傳感器就能監(jiān)測(cè)到所有葉片，提出了監(jiān)測(cè)方法和程序?qū)崿F(xiàn)手段，詳細(xì)介紹了各模塊的功能，并通過(guò)模擬故障響應(yīng)驗(yàn)證了程序的正確性，該程序的實(shí)現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全運(yùn)行提供了軟件支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]張玉貴，段發(fā)階，方志強(qiáng).基于葉尖定時(shí)的非接觸旋轉(zhuǎn)葉片異步振動(dòng)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（07）：147-151.

[2]王宇華，葉聲華，馮心梅.葉端定時(shí)測(cè)量方法及關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2004，15（15）：50-54.

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金（E201203110）

作者簡(jiǎn)介：郭信心（1992-），女，河北石家莊人，研究生在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及故障診斷學(xué)。