宋　強(qiáng)

（安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南　安陽　455000）

引言

作為工業(yè)生產(chǎn)中常常使用到的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，無論是電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)還是電力、冶金、核能等關(guān)鍵組成中都有它的身影。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，機(jī)械設(shè)備正趨向于連續(xù)化、高速化、輕型化、重載化、大型化與高度自動(dòng)化的方向[1]。正因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備所扮演的角色愈發(fā)的重要，生產(chǎn)中對(duì)設(shè)備的安全要求也越發(fā)的嚴(yán)格，時(shí)有發(fā)生的設(shè)備損壞事件得到了人們越來越多的重視。有效避免意外事故的發(fā)生，顯著地降低維護(hù)成本，延長設(shè)備工作的使用壽命，增強(qiáng)利用率不僅能更好地保證人身和設(shè)備安全，減少相應(yīng)的耗損成本，還意味著經(jīng)濟(jì)效益的明顯提高。為了滿足這些發(fā)展方面的迫切需求，關(guān)于設(shè)備的監(jiān)測及故障診斷分析方面的設(shè)備與技術(shù)陸續(xù)誕生了，振動(dòng)測量方面的研究更是其中的重要組成。

1　振動(dòng)測量的數(shù)學(xué)模型

1.1　振動(dòng)測量的數(shù)學(xué)形式

慣性式振動(dòng)測量，可以把它簡化成一個(gè)單自由度阻尼振動(dòng)的力學(xué)模型來便于學(xué)習(xí)與研究，如圖1所示。

圖1　慣性式測振器原理

本次振動(dòng)測量應(yīng)用的加速度傳感器所涉及的是慣性原理，用數(shù)學(xué)形式來表示上述的慣性模型可以假設(shè)：m為慣性振動(dòng)體質(zhì)量，k為彈簧剛度系數(shù)，c為阻尼系數(shù)，ω為轉(zhuǎn)子加速度角頻率，d為轉(zhuǎn)子位移。那么可以得出它的運(yùn)動(dòng)微分方程[2-4]：

考慮到相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況：

那么：

又因?yàn)椋?/p>

得：

可以得到穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)為:

其中：

這時(shí)有兩種情況：度的振幅是正比關(guān)系?？梢杂米魉俣葌鞲衅?。

本次轉(zhuǎn)子的振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)是在學(xué)校提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)進(jìn)行的，振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)主要包括對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)采集、處理分析等，基于科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)思想，可以通過轉(zhuǎn)子調(diào)速器多次改變轉(zhuǎn)速研究轉(zhuǎn)子的振動(dòng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備十分完善，這為實(shí)驗(yàn)測量研究的順利進(jìn)行提供了良好的基礎(chǔ)條件。

1.2　實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備

在本次關(guān)于振子振動(dòng)測量研究的課題中，選用的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)DRZZSY-2型多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示，這種實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求加載多種傳感器達(dá)到多種參量的測量來開設(shè)多種實(shí)驗(yàn)。

圖2　DRZZSY-2型多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)和調(diào)速器

本測量系統(tǒng)就是使用加載在它上面的加速度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)子的振動(dòng)測量研究工作。除此之外它還具有可以轉(zhuǎn)速易調(diào)節(jié)，性能優(yōu)良、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。

2　實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)

如前面所說，測量了兩種轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況。這兩種轉(zhuǎn)速分別為1 200 r/min以及2 000 r/min。

2.1　1 200 r/min轉(zhuǎn)速下的時(shí)域信號(hào)及頻域信號(hào)

當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)的原始信號(hào)和低通濾波波形圖如圖3和圖4所示。

圖3　1 200 r/m in下的原始信號(hào)波形圖

圖4　1 200 r/m in下的低通濾波信號(hào)波形圖

在軟件的總體程序框圖（見圖5）中，可以看到程序的第一步是完成系統(tǒng)的初始化，在這個(gè)步驟中如果程序發(fā)生錯(cuò)誤的話系統(tǒng)就會(huì)立刻停止，無誤的話程序會(huì)繼續(xù)運(yùn)行下去。第二個(gè)部分是設(shè)定USBDAQ8設(shè)備的采樣參數(shù)，發(fā)送采樣命令。需要配置的參數(shù)主要有采樣長度和采樣頻率，如果輸入錯(cuò)誤的話會(huì)停止運(yùn)行，否則的話程序會(huì)一直循環(huán)運(yùn)行下去，除非通過開關(guān)按鈕才能停止它的運(yùn)行。前兩個(gè)程序運(yùn)行無誤的話就會(huì)進(jìn)入獲取采樣數(shù)據(jù)程序，程序無誤就開始對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)，不然程序會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。另外在這個(gè)總體程序框圖上方有個(gè)100ms的延遲程序。

圖5　軟件的總體程序框圖

2.2　2 000 r/min轉(zhuǎn)速下的時(shí)域信號(hào)及頻域信號(hào)

用調(diào)速器把轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速改為2 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)的原始信號(hào)和低通濾波波形圖如圖6和圖7所示。

圖6　2 000 r/m in下的原始信號(hào)波形圖

圖7　2 000 r/m in下的低通濾波信號(hào)波形圖

經(jīng)過兩個(gè)不同轉(zhuǎn)速下波形圖的對(duì)比，能夠得出這樣的結(jié)論：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)度越高，加速度傳感器采集到振動(dòng)信號(hào)的頻率、峰值幅值、加速度的值就越大。

3　結(jié)論

利用加速度計(jì)，利用圖形化編程軟件Labview開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序，在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上完成徑向位移測量，該方法有效可靠，能夠達(dá)到實(shí)際振動(dòng)測試的任務(wù)要求。

[1]劉國揚(yáng).基于Labview設(shè)計(jì)的虛擬儀器在化工過程中對(duì)壓力和溫度控制的研究與應(yīng)用[D].南昌：東華理工大學(xué)，2013.

[2]陳至坤，逄鵬，王福斌，等.基于壓電加速度傳感器的振動(dòng)測量系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22（12）：3 923-3 925.

[3]曹麗曼，Cao Liman.壓電式加速度傳感器振動(dòng)測量應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015（7）：164-166.

[4]秦敏，劉志國，劉剛，等.基于加速度傳感器的高頻振動(dòng)信號(hào)檢測分析[J].測控技術(shù)，2013，32（5）：1-4.