胡鑒源，鄭 文，李 涉

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子不平衡測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡鑒源，鄭 文，李 涉

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

以LabVIEW為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)子不平衡測(cè)量系統(tǒng)。通過測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，然后根據(jù)時(shí)域波形、頻譜和軸心軌跡等信號(hào)特征來判斷轉(zhuǎn)子是否存在不平衡現(xiàn)象，最終得出結(jié)論。

LabVIEW；轉(zhuǎn)子；不平衡；測(cè)量系統(tǒng)

0 前言

旋轉(zhuǎn)機(jī)器的轉(zhuǎn)子不平衡是指轉(zhuǎn)子受材料質(zhì)量、加工、裝配以及運(yùn)行中多種因素的影響，其質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心線之間存在一定量的偏心距，使得轉(zhuǎn)子在工作時(shí)形成周期性的離心力干擾，在軸承上產(chǎn)生動(dòng)載荷，從而引起機(jī)器振動(dòng)的現(xiàn)象。因此，把旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量沿旋轉(zhuǎn)中心線的不均勻分布叫作不平衡，由此引起的機(jī)器振動(dòng)或運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的其他問題稱為不平衡故障。事實(shí)上一個(gè)平衡良好的轉(zhuǎn)子也不能做到“絕對(duì)平衡”的，總是存在微量的不平衡，因此在轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)的頻譜上總會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率成分（或稱工頻），但不發(fā)生不平衡振動(dòng)。只有當(dāng)不平衡量超過一定值后，離心力才會(huì)引起機(jī)器明顯的振動(dòng)。文中基于虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW軟件建立了轉(zhuǎn)子不平衡測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)時(shí)域波形、頻譜和軸心軌跡等信號(hào)特征來判斷轉(zhuǎn)子是否存在不平衡振動(dòng)現(xiàn)象，可以快速進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與分析，降低了開發(fā)時(shí)間和成本[1]。

1 轉(zhuǎn)子不平衡的故障特征

轉(zhuǎn)子的不平衡振動(dòng)是在周期性離心力干擾下產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，離心力經(jīng)過轉(zhuǎn)子或軸承上的某一測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生一次擾動(dòng)，在測(cè)點(diǎn)處就有一次振動(dòng)響應(yīng)，因此它的振動(dòng)頻率就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率，即f=n/60（其中，f為振動(dòng)頻率，n為轉(zhuǎn)速）。

轉(zhuǎn)速頻率也稱為工頻（工作頻率），由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)總是殘留一定的不平衡量，因此這種頻率成分很容易在頻譜圖上觀察到。當(dāng)發(fā)生不平衡振動(dòng)時(shí)，其故障特征主要表現(xiàn)在如下幾方面；

①不平衡故障主要引起轉(zhuǎn)子或軸承徑向振動(dòng)，在轉(zhuǎn)子徑向測(cè)點(diǎn)上得到的頻譜圖，轉(zhuǎn)速頻率成分具有突出的峰值；

②單純的不平衡振動(dòng)，轉(zhuǎn)速頻率的高次諧波幅值很低，因此在時(shí)域上的波形是一個(gè)正弦波；

③轉(zhuǎn)子的軸心軌跡形狀基本上為一個(gè)圓或橢圓，這意味著置于轉(zhuǎn)軸同一界面上相互垂直的兩個(gè)探頭，其信號(hào)相位差接近90°；

④轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)方向?yàn)橥秸M(jìn)動(dòng)；

⑤轉(zhuǎn)子振幅對(duì)轉(zhuǎn)速變化很敏感，轉(zhuǎn)速下降，振幅將明顯下降[1-2]。

2 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括：①本特利BENT?LY NEVADA轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)RK-4 ROTOR KIT②電渦流傳感器③前置器RK-4 ROTOR KIT PROXIMI?TOR ASSEMBLY④電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器RK-4 ROTOR KIT MOTOR SPEED CONTROL⑤信號(hào)采集卡NI 9234和PC機(jī)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）本特利BENTLY NEVADA轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)RK-4 ROTOR KIT

該轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)是由美國(guó)內(nèi)華達(dá)Bently公司生產(chǎn)的，主要用于教學(xué)和研究領(lǐng)域，能夠模擬轉(zhuǎn)子不平衡（單面不平衡和多面不平衡）、轉(zhuǎn)軸摩擦、轉(zhuǎn)軸變形、油膜渦動(dòng)和油膜振蕩等故障工況。轉(zhuǎn)子臺(tái)的主要組成部分有發(fā)動(dòng)機(jī)、速度傳感器、鍵相傳感器、防護(hù)罩、軸承座、底板、可調(diào)底部支撐、傳感器機(jī)座和摩擦螺釘機(jī)座、質(zhì)量盤等。

（2）電渦流傳感器

電渦流傳感器的靈敏度為7.87 mV/μm，其線性范圍為0.25～1.75mm(10～70mils)，電壓的測(cè)量范圍為-1～-13 V。它是一種線圈封裝型裝置，可以測(cè)量設(shè)備的相對(duì)位置變化。它的原理是在被測(cè)對(duì)象的材料中感生渦流，然后測(cè)量被測(cè)對(duì)象表面運(yùn)動(dòng)時(shí)渦流的變化。隨著被測(cè)對(duì)象靠近/遠(yuǎn)離傳感器，能量損耗增加/減少。這種能量損失的變化反映在調(diào)制信號(hào)的變化上，最終變現(xiàn)為電壓值和傳感器到被測(cè)表面之間的距離成比例。信號(hào)被傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，就可以持續(xù)，并且非常準(zhǔn)確地測(cè)試到被測(cè)對(duì)象表面的相對(duì)距離了。

（3）前置器RK-4 ROTOR KIT PROXIMITOR ASSEMBLY

前置器提供測(cè)量系統(tǒng)需要的高頻信號(hào)，主要功能是信號(hào)調(diào)制，同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)保持線性。前置器中的高頻振蕩電流通過延伸電纜流入電渦流傳感器的探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。

（4）電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器RK-4 ROTOR KIT MO?TOR SPEED CONTROL

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的Min Speed(最小轉(zhuǎn)速)為250 r/min，Max Speed(最大轉(zhuǎn)速)為10 000 r/min，Max Ramp Rate（速度的最大變化率）為±15 000 r/ min。它主要有速度調(diào)控旋鈕、速度變化率調(diào)控旋鈕、實(shí)時(shí)速度/最大速度選擇開關(guān)、升速/降速選擇開關(guān)、運(yùn)行/停止開關(guān)、LED顯示屏等。

（5）信號(hào)采集卡NI 9234和PC機(jī)

NI9234采集卡提供了4路同步的模擬信號(hào)采集通道，每個(gè)通道都有一個(gè)可連接信號(hào)源的BNC接口，其電壓的有效采集范圍為-5 V～+5 V，A/D分辨率是24 Bit。PC機(jī)主要是把NI9234采集卡采集到的信號(hào)進(jìn)行處理、分析和顯示等。

3 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是利用LabVIEW語言進(jìn)行編寫，LabVIEW語言類似于C和BASIC語言，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

軟件系統(tǒng)的前面板如圖2所示，主要有時(shí)域波形分析模塊、頻域分析模塊和軸心軌跡分析模塊。

軟件系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示。程序中利用DAQ助手對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過設(shè)置好采樣通道、采樣頻率和采樣長(zhǎng)度等可以實(shí)現(xiàn)快速采集；運(yùn)用帶通濾波器濾掉信號(hào)中的一些低頻和高頻干擾分量；運(yùn)用拆分信號(hào)函數(shù)將采集到的信號(hào)拆分為兩個(gè)分量信號(hào)后，分別送到波形圖控件上顯示轉(zhuǎn)子的時(shí)域波形圖；同時(shí)將兩個(gè)分量信號(hào)疊加在一個(gè)XY圖控件上顯示轉(zhuǎn)子的軸心軌跡；另外還將原始信號(hào)送到頻譜測(cè)量控件上顯示轉(zhuǎn)子的頻譜圖[3-6]。

圖2 軟件系統(tǒng)前面板

圖3 軟件系統(tǒng)程序框圖

4 測(cè)量與結(jié)果分析

（1）測(cè)量過程

安裝并連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如圖1所示），特別是電渦流傳感器的安裝，由于電渦流傳感器的靈敏度為7.87 mV/μm，其線性范圍為0.25～1.75 mm（10～70 mils），電壓的測(cè)量為-1～-13 V，理論上電渦流的探頭和轉(zhuǎn)軸的合理安裝距離是1 mm，其對(duì)應(yīng)電壓值為7.87 V，但由于NI9234采集卡的電壓測(cè)量范圍為-5 V～+5 V，這樣一來就超出了采集卡的測(cè)量范圍了，經(jīng)過仔細(xì)考慮和初步計(jì)算，電渦流和轉(zhuǎn)軸的安裝初始距離定為0.57 mm，其對(duì)應(yīng)的初始電壓為4.5 V。由于本系統(tǒng)要測(cè)量轉(zhuǎn)子的軸心軌跡，所以在轉(zhuǎn)軸同一截面上安裝了兩個(gè)相同的電渦流傳感器，彼此互成90°，兩個(gè)傳感器拾取的位移信號(hào)經(jīng)過前置器調(diào)制處理后，分別輸入到NI9234采集卡，最終傳送到PC機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理和顯示。測(cè)試的過程中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min，即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率為50 Hz。另外，在轉(zhuǎn)子質(zhì)量盤中的某個(gè)螺紋孔上裝了一個(gè)螺釘，使轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，以便于實(shí)驗(yàn)的模擬與分析。

圖5 轉(zhuǎn)子的頻譜圖

（2）測(cè)量結(jié)果分析

測(cè)量的結(jié)果如圖4～5所示，其中，圖4為轉(zhuǎn)子的時(shí)域波形圖，圖5為轉(zhuǎn)子的頻譜圖，圖6為轉(zhuǎn)子的軸心軌跡圖。

從圖4中可以看出，轉(zhuǎn)子在時(shí)域上的波形是一個(gè)正弦波，正弦波的周期為0.02 s，頻率為50 Hz，正好與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率相同；從圖5中可以看出，頻譜圖中產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率及其諧波成分，其轉(zhuǎn)速頻率成分的幅值最大，其他諧波成分的幅值相對(duì)較??；從圖6可以看出，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡形狀基本上呈橢圓形；另外，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降的過程中，轉(zhuǎn)子的振幅明顯下降。綜合上

圖6 轉(zhuǎn)子的軸心軌跡圖

述的特征，可以初步判斷轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象。由于測(cè)試前已經(jīng)預(yù)先在轉(zhuǎn)子質(zhì)量盤上加了一個(gè)螺釘，轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡，所以說明測(cè)試的結(jié)果分析是正確的。

5 結(jié)論

將虛擬儀器應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)中，建立了基于LabVIEW的轉(zhuǎn)子不平衡測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)子的振動(dòng)波形、頻譜和軸心軌跡，整個(gè)系統(tǒng)集成了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號(hào)處理和分析技術(shù)等多種前沿學(xué)科，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，測(cè)量精度高，可靠方便，對(duì)促進(jìn)機(jī)器轉(zhuǎn)子故障診斷的自動(dòng)化、智能化具有現(xiàn)實(shí)意義的推進(jìn)作用。

［1］沈慶根，鄭水英.設(shè)備故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］鐘秉林，黃仁.機(jī)械故障診斷學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］羅開玉，李伯全，王小飛，等.基于虛擬儀器的機(jī)械轉(zhuǎn)子軸心軌跡分析［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29（6）：274-277.

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［5］王娟，張婧，裘祖榮，等.基于LabVIEW的軸心軌跡測(cè)量系統(tǒng)［J］.天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，27（4）：71-73.

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The Design of Rotor Unbalance Measurement System Based on LabVIEW

HU Jian-yuan，ZHENG Wen，LI She
（Guangzhou University，Mechanical and Electrical Faculty，Guangzhou51006，China）

This article designs a rotor unbalance measurement system based on the programming and testing platform LabVIEW.Acquire the vibration signal of the rotor，then judge whether the rotor is unbalance according to the feature of time waveform，spectrum and axis orbit，finally come to a conclusion of the rotor fault.

LabVIEW；rotor；unbalance；measurement system

TP274

A

1009－9492(2014)09－0099－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.027

胡鑒源，男，1990年生，廣東揭陽人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能維護(hù)。

(編輯：向 飛)

2014－05－19