基于LabVIEW的渦旋壓縮機(jī)曲軸振動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛洪濤 李超

摘? 要： 渦旋壓縮機(jī)曲軸振動(dòng)是反映壓縮機(jī)工作性能的一個(gè)重要參數(shù)。為實(shí)時(shí)顯示曲軸振動(dòng)情況，利用同一平面且相互垂直的2個(gè)電渦流傳感器，并運(yùn)用LabVIEW及相關(guān)硬件產(chǎn)品，搭建曲軸振動(dòng)測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)曲軸振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、分析和存儲(chǔ)，提高了測量精度。結(jié)果表明：該測試系統(tǒng)能及時(shí)反饋渦旋壓縮機(jī)曲軸的振動(dòng)情況，實(shí)時(shí)顯示曲軸振動(dòng)位移改變量所形成的軸心軌跡及互相垂直位移信號(hào)處理后的波形、功率譜等;并能通過軸心運(yùn)動(dòng)軌跡來推斷曲軸振動(dòng)的故障類型，為渦旋壓縮機(jī)故障預(yù)防提供理論參考。

關(guān)鍵詞： 渦旋壓縮機(jī); 曲軸振動(dòng)測試; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); LabVIEW; 信號(hào)處理; 故障預(yù)防

中圖分類號(hào)： TN875?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(jī)具有構(gòu)造簡易、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)[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(jī)曲軸是壓縮機(jī)重要的轉(zhuǎn)動(dòng)部件之一，其運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接關(guān)系到壓縮機(jī)的安全性能，為此許多學(xué)者對(duì)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力特性問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]運(yùn)用ANSYS對(duì)無油潤滑渦旋壓縮機(jī)曲軸建立機(jī)構(gòu)模型并對(duì)其進(jìn)行受力分析，計(jì)算出曲軸的最大應(yīng)力和應(yīng)變。文獻(xiàn)[9]利用多元?jiǎng)恿W(xué)等相關(guān)知識(shí)對(duì)渦旋壓縮機(jī)主副軸承、曲柄銷和曲軸等傳動(dòng)部件建立統(tǒng)一的多元力學(xué)模型，得到不同轉(zhuǎn)速條件下的曲軸受力載荷，并對(duì)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(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[10]根據(jù)渦旋壓縮機(jī)實(shí)際工況利用有限元方法對(duì)渦旋壓縮機(jī)曲軸及主副軸承施加約束條件，然后建立物理模型，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得出曲軸的受力特點(diǎn)，從而為提高曲軸壽命及整機(jī)性能提出參考意見。文獻(xiàn)[11]根據(jù)渦旋壓縮機(jī)實(shí)際工況及工作原理和材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)對(duì)渦旋壓縮機(jī)曲軸進(jìn)行力學(xué)分析、計(jì)算，并利用ANSYS對(duì)渦旋壓縮機(jī)曲軸、曲柄銷及主副軸承等相關(guān)部件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)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(dòng)頻率及各階的振動(dòng)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(xiàn)從理論和模擬仿真方面對(duì)曲軸轉(zhuǎn)子傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行不同側(cè)重點(diǎn)的研究，研究結(jié)果對(duì)于曲軸轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力狀況等提供理論參考。本文以渦旋壓縮機(jī)為研究對(duì)象，基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)，并借助其相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)了渦旋壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)的測試與分析。LabVIEW是一種用函數(shù)圖標(biāo)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(dòng)化程度高，可以搭建性能穩(wěn)定且裝備價(jià)格低廉的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[13]。

1? 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及渦流傳感器的安裝

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

2? 系統(tǒng)測量原理

電渦流傳感器分別由一個(gè)平面線圈和一塊金屬導(dǎo)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(xué)相關(guān)知識(shí)得知，在其周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場[H1]，若某一導(dǎo)體處在此交變磁場范圍內(nèi)，則該導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)電渦流[I2]，同樣[I2]也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)線圈的結(jié)構(gòu)尺寸、材質(zhì)固有屬性及2個(gè)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(gè)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(gè)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(jī)曲軸振動(dòng)信號(hào)的測量要求。

3? 采集系統(tǒng)的構(gòu)成

信號(hào)采集系統(tǒng)主要由傳感器（SE990）、數(shù)據(jù)采集卡（PCI?6221）和計(jì)算機(jī)（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(dòng)化科技有限公司旗下型號(hào)為SE990的電渦流傳感器，探頭型號(hào)SE990?05?01?01?01?08?020?01，前置器型號(hào)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(diǎn)就是可以對(duì)曲軸、軸承等被測元件進(jìn)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(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)的樞紐，在該樞紐中要進(jìn)行A/D振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換和完成振動(dòng)信號(hào)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(jì)數(shù)器。

4? 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的不同測試功能進(jìn)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(dòng)信號(hào)的采集、測試數(shù)據(jù)的識(shí)別轉(zhuǎn)換，以及曲軸軸心運(yùn)動(dòng)位移信號(hào)在電腦終端的顯示、分析、儲(chǔ)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(shí)選用2個(gè)while循環(huán)函數(shù)、3個(gè)事件結(jié)構(gòu)和1個(gè)層疊式順序結(jié)構(gòu)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)事先劃分的各個(gè)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(duì)X和Y方向的2路信號(hào)采集進(jìn)行相關(guān)程序編寫;然后，采取DAQmx板塊中相應(yīng).VI對(duì)振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)長、寬度和周期、頻率等相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)測量的程序編寫，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)是否具有相關(guān)性等相關(guān)程序進(jìn)行編寫;最后，選用LabVIEW中Index Array函數(shù)分別對(duì)測得的X和Y兩路信號(hào)進(jìn)行邏輯索引。曲軸振動(dòng)測試系統(tǒng)程序框圖如圖6所示。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是將采集到的渦旋壓縮機(jī)振動(dòng)測試信號(hào)以數(shù)據(jù)形式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，以便日后對(duì)其進(jìn)行查看和相關(guān)分析。本系統(tǒng)選用LabVIEW中的TDMS對(duì)采集到的相關(guān)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存，相比于其他記錄存儲(chǔ)文件，它具有高速記錄的優(yōu)點(diǎn)，且可儲(chǔ)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(dòng)數(shù)據(jù)從LabVIEW設(shè)定的緩沖區(qū)以流盤的方式輸入至預(yù)先設(shè)定的磁盤內(nèi)，供試驗(yàn)人員查看。

5? 振動(dòng)測試結(jié)果分析

測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行振動(dòng)測試試驗(yàn)，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(yàn)臺(tái)運(yùn)行30 min后借助LabVIEW軟件開始對(duì)曲軸振動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)施采集，圖7為渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)曲軸振動(dòng)信號(hào)采集。由圖7可知：渦旋壓縮機(jī)曲軸振動(dòng)的位移改變量蘊(yùn)含著大量的曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)信息。通過改變試驗(yàn)條件，可分別獲得曲軸在不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，其振動(dòng)位移改變量所形成的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡、振幅、截止頻率等，從而可推斷出渦旋壓縮機(jī)曲軸的運(yùn)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(jī)故障的原因等。

例如，從X，Y兩個(gè)方向功率譜圖形關(guān)系可知，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，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(jī)曲軸的固有轉(zhuǎn)動(dòng)頻率20 Hz，從而可知，這是由于電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中周期性激發(fā)所造成的曲軸振動(dòng)。由曲軸軸心運(yùn)動(dòng)軌跡可知，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，曲軸軸心運(yùn)動(dòng)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(duì)中引起的振動(dòng)，進(jìn)而可說明該振動(dòng)是由于電機(jī)周期性激發(fā)引起了曲軸軸心不對(duì)中而造成的振動(dòng)。

6? 結(jié)? 語

基于LabVIEW圖形化編程語言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦旋壓縮機(jī)曲軸振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可完成對(duì)曲軸振動(dòng)信號(hào)的采集、調(diào)理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，從而可對(duì)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;并可從前面板中方便讀出曲軸振動(dòng)位移改變量所形成的曲軸軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡及互成90°位移信號(hào)的波形、功率譜及相關(guān)性等，進(jìn)而可推斷渦旋壓縮機(jī)曲軸振動(dòng)的類型及分析引起振動(dòng)的原因，為預(yù)防渦旋壓縮機(jī)故障和故障判別提供理論依據(jù)。相比于其他渦旋壓縮機(jī)的信號(hào)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(dòng)測試系統(tǒng)具有識(shí)別準(zhǔn)確度高、采集速度快和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張龍，孫兵，劉叢.同排量直流調(diào)速轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)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(jī)振動(dòng)測試的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2016，44（11）：1?5.

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

[5] 周峰，劉鵬，馬國遠(yuǎn)，等.小容量制冷壓縮機(jī)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(dòng)渦旋壓縮機(jī)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(jī)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(jī)曲軸動(dòng)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(jī)曲軸系統(tǒng)動(dòng)力特性分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42（6）：52?56.

[10] 嚴(yán)黎堅(jiān)，黃志剛，張京.渦旋壓縮機(jī)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(jī)曲軸及曲軸部件的有限元分析[J].機(jī)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(xué)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(jì)[J].自動(dòng)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(jī)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(xué)，2016.

[16] 姜磊，王黎明，張小章.應(yīng)力作用對(duì)電渦流法測試碳纖維復(fù)合材料位移的影響機(jī)理[J].原子能科學(xué)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(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與實(shí)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(jī)械軸心軌跡識(shí)別方法綜述[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2014，12（1）：86?92.