魏協(xié)奔，林 蓉，林若波，孫培明，鄭 文

（1.揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東揭陽(yáng) 522000；2.汕頭大學(xué)，廣東汕頭 515021；3.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，機(jī)械轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越來越高，轉(zhuǎn)子和定子之間的空隙也越來越小，因此，轉(zhuǎn)子與定子之間由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)而發(fā)生碰磨故障是不可避免的?，F(xiàn)代的機(jī)械設(shè)備，朝著高速重載的方向發(fā)展，在滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)中，軸與軸承之間的間隙越來越小。在滑動(dòng)軸承的生產(chǎn)過程中，由于加工時(shí)產(chǎn)生熱變形、質(zhì)量不平衡、軸系不對(duì)中以及其他因素，都會(huì)造成機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生動(dòng)靜碰磨[1]。在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，碰磨故障對(duì)轉(zhuǎn)子的正常工作產(chǎn)生很大的影響。碰磨故障會(huì)在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生切向力。當(dāng)轉(zhuǎn)子的阻尼力矩?zé)o法抵消摩擦力矩的時(shí)候，轉(zhuǎn)子就會(huì)從正向渦動(dòng)變?yōu)榉聪驕u動(dòng)，因此產(chǎn)生“干摩擦”的現(xiàn)象，從而引起軸系的自激振動(dòng)，這樣的結(jié)果會(huì)影響轉(zhuǎn)子的正常運(yùn)行，甚至是損壞整個(gè)機(jī)械機(jī)組。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多專家對(duì)碰磨進(jìn)行研究，如國(guó)外Pennacchi等（2009）分別利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元建模方法對(duì)轉(zhuǎn)子的早期局部碰磨現(xiàn)象進(jìn)行了對(duì)比研究[2]；國(guó)內(nèi)王翔等（2011）基于改進(jìn)Hilbert-Huang變換研究轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)[3]，馬輝等（2012）針對(duì)柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輪盤外緣定點(diǎn)分析碰磨動(dòng)力學(xué)特性[4]，熊炘等（2012）提出轉(zhuǎn)子全周碰磨與局部碰磨的識(shí)別方法[5]。通過這些研究可以得出，在轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障的初期，頻譜圖的低頻段會(huì)產(chǎn)生能量的集中現(xiàn)象，隨著機(jī)械振動(dòng)的傳播和碰磨振動(dòng)的擴(kuò)展，碰磨故障會(huì)在頻譜圖的高頻段存在諧波，這樣對(duì)碰磨故障的研究非常地方便。

1 高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件框架結(jié)構(gòu)

高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)是在LabVIEW平臺(tái)上，以電渦流位移傳感器、信號(hào)放大器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡模塊等硬件基礎(chǔ)，開發(fā)出來的高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷軟件系統(tǒng)，應(yīng)用恰當(dāng)?shù)男盘?hào)分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷。

高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的硬件框圖如圖1所示。先在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上安裝加速度傳感器及位移傳感器來檢測(cè)該機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)；然后通過信號(hào)放大器把信號(hào)進(jìn)行調(diào)理從而被采集卡所采集；最后把信號(hào)傳輸?shù)綆в刑摂M儀器的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行信號(hào)分析及處理，以達(dá)到所要的頻譜波形圖。根據(jù)轉(zhuǎn)子碰磨振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)要求，該硬件系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)它體積小、功能全面、便于攜帶，有利于現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷。

圖1 高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)硬件框圖

1.2 虛擬儀器

虛擬儀器是上世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的在測(cè)控領(lǐng)域帶有革命性意義的新技術(shù)。它以計(jì)算機(jī)為基本平臺(tái)，把傳感器、多功能控制器以及各種數(shù)據(jù)采集卡等硬件有機(jī)地集成在一起，然后根據(jù)要求，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上開發(fā)出相關(guān)的軟件系統(tǒng)，對(duì)所要研究的對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或運(yùn)動(dòng)控制。虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)把測(cè)試儀器硬件進(jìn)行軟件化，大大地降低系統(tǒng)的硬件成本，同時(shí)又增強(qiáng)了系統(tǒng)功能及操作的靈活性。虛擬儀器設(shè)計(jì)靈活、操作可視化、同時(shí)可隨時(shí)修改各種功能參數(shù)，得到了眾多學(xué)者及測(cè)控技術(shù)人員的青睞，是本世紀(jì)工業(yè)測(cè)量及控制發(fā)展技術(shù)的新趨勢(shì)，目前，虛擬儀器在圖像處理、數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)測(cè)試和過程控制等相關(guān)測(cè)控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6-10]。

本設(shè)計(jì)的高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)具有信號(hào)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)管理以及故障分析等相關(guān)功能。根據(jù)所測(cè)量對(duì)象的工作環(huán)境以及工作特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子碰磨測(cè)量系統(tǒng)采用多種信號(hào)處理及頻譜圖分析技術(shù)，在計(jì)算機(jī)LabVIEW軟件平臺(tái)上，根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械高速、重載、高精度運(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套具有數(shù)據(jù)采集、分析、處理和故障判斷等相關(guān)功能的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)的工作環(huán)境及相關(guān)功能的特點(diǎn)，本測(cè)試系統(tǒng)在本特利高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高速轉(zhuǎn)子地碰磨振動(dòng)故障測(cè)試。該系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試連接圖如圖2所示。

圖2 高速轉(zhuǎn)子碰磨實(shí)驗(yàn)硬件連接圖

圖3是實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)轉(zhuǎn)子碰磨故障前后原始頻譜對(duì)比圖，可以看出：由于轉(zhuǎn)子碰磨故障的存在，碰磨后的波形出現(xiàn)了諧波。從頻譜圖中可以看出，轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障之前，其振動(dòng)能量集聚于一倍頻率上，基頻之外的振動(dòng)能量值很?。辉诎l(fā)生碰磨故障的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)中，除基頻之外，還存在著大量的高倍頻率波形成份，該振動(dòng)量所對(duì)應(yīng)的頻率剛好是基頻的整數(shù)倍，說明高速轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在著與基頻相關(guān)的機(jī)械故障，進(jìn)一步從頻譜圖上可以得出是轉(zhuǎn)子碰磨所產(chǎn)生的。

圖4是轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障前后單通道信號(hào)分析對(duì)比圖。從信號(hào)分析小波濾噪后的波形可以清晰地看出，轉(zhuǎn)子碰磨故障后，頻譜圖波形明顯比碰磨前存在較多的高頻波形能量成份，這高頻成分是由于碰磨所產(chǎn)生的振動(dòng)諧波所產(chǎn)生的。從基頻波形中，進(jìn)一步可以看出頻譜圖中存在著鋸齒形的小波峰，同時(shí)這些波形出現(xiàn)在基頻的倍數(shù)頻能量之后，隨著轉(zhuǎn)數(shù)的倍數(shù)而出現(xiàn)，可以得出出轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈就發(fā)生一次磨擦碰撞，而可以得知該轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)中存在著于頻率倍數(shù)相關(guān)的故障，進(jìn)一步從FFT波形中明顯得出周期性諧波的存在，而且該諧波呈現(xiàn)緊跟轉(zhuǎn)數(shù)的規(guī)律性，從而得知所檢測(cè)轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障。

圖3 轉(zhuǎn)子碰磨故障前后原始頻譜對(duì)比圖

圖4 轉(zhuǎn)子碰磨故障前后單通道信號(hào)對(duì)比圖

高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)在試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障前后的雙通道波形相關(guān)分析圖如圖5所示。通過垂直于旋轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，然后用相關(guān)得出轉(zhuǎn)子的軸心軌跡圖。從該軸心軌跡圖中可以看到，在高速轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障之前，所檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子軸心軌跡呈圓形，說明此時(shí)高速轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，沒發(fā)生轉(zhuǎn)子不對(duì)中或者轉(zhuǎn)子碰磨等方面的機(jī)械運(yùn)動(dòng)故障[11]；而對(duì)于高速轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障之后的軸心軌跡圖，可以明顯地看出所檢測(cè)到的軸心軌跡圖呈半月形，這時(shí)候我們可以得出：由于轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障，轉(zhuǎn)子在每轉(zhuǎn)到碰磨處的地方就發(fā)生一次軸的偏移振動(dòng)，從而引起軸心軌跡往碰磨處的反方向偏移。從該高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)所檢測(cè)的雙通道波形圖可以清晰地看出該系統(tǒng)可以很好地對(duì)轉(zhuǎn)子的碰磨故障進(jìn)行波形檢測(cè)和判斷分析，有利于對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)論

圖5 轉(zhuǎn)子碰磨故障前后軸心軌跡對(duì)比圖

高速轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷系統(tǒng)能夠很好地對(duì)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)及轉(zhuǎn)子碰磨地相關(guān)故障診斷，該系統(tǒng)所檢測(cè)得到的波形圖顯示清晰、觀察及故障判斷效果好、該系統(tǒng)在故障檢測(cè)中反應(yīng)靈敏，同時(shí)能夠清晰地反映出高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械其轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及發(fā)生故障時(shí)的故障診斷，有利于工程師們?cè)诟咚傩D(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)量中進(jìn)一步對(duì)高速轉(zhuǎn)子碰磨的監(jiān)測(cè)和故障判斷，達(dá)到了預(yù)期的效果。

［1］楊文剛.轉(zhuǎn)子碰磨故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)及其分析系統(tǒng)［D］.北京：華北電力大學(xué)，2006.

［2］Pennacchi P，Bachschmid N，Tanzi E.Light and short arc rubsin rotating machines：Experimental tests and modelling［J］.Mechanical Systems and Signal Process?ing，2009，23（7）：2205-2227.

［3］王翔，王仲生.基于改進(jìn)Hilbert-Huang變換的轉(zhuǎn)子碰磨故障診斷［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2011，22（24）：2937-2940.

［4］馬輝，太興宇，汪博，等.柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輪盤外緣定點(diǎn)碰磨動(dòng)力學(xué)特性分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（17）：89-95.

［5］熊炘，楊世錫，甘春標(biāo).轉(zhuǎn)子全周碰磨與局部碰磨的識(shí)別方法研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31（16）：13-17.

［6］徐欽桂，劉桂雄，高富榮.虛擬儀器的時(shí)間特性建模與實(shí)時(shí)優(yōu)化分析［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38（1）：113-117.

［7］張若青，周高偉.基于LabVIEW的電液比例閥控缸系統(tǒng)分析［J］.機(jī)床與液壓，2009（04）：106-108.

［8］吳黎明，石艷軍，姜華，等.基于虛擬儀器的電飯鍋能效自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與信息工程，2011，32（2）：10-14.

［9］趙曉東，賈孔昊.基于LabVIEW的磁控電抗器測(cè)試系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2013（3）：380-383.

［10］倪偉，鄭文.基于LabVIEW的齒輪箱故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013（10）：8-11.

［11］魏協(xié)奔.TRT機(jī)組在線檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)研究［D］.廣州：廣州大學(xué)，2012.