基于LabVIEW的转子不平衡测量系统设计

胡鉴源，郑 文，李 涉

（广州大学机械与电气工程学院，广东广州 510006）

基于LabVIEW的转子不平衡测量系统设计

胡鉴源，郑 文，李 涉

（广州大学机械与电气工程学院，广东广州 510006）

以LabVIEW为平台，设计了一个转子不平衡测量系统。通过测量转子的振动信号，然后根据时域波形、频谱和轴心轨迹等信号特征来判断转子是否存在不平衡现象，最终得出结论。

LabVIEW；转子；不平衡；测量系统

0 前言

旋转机器的转子不平衡是指转子受材料质量、加工、装配以及运行中多种因素的影响，其质量中心和旋转中心线之间存在一定量的偏心距，使得转子在工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象。因此，把旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布叫作不平衡，由此引起的机器振动或运行时产生的其他问题称为不平衡故障。事实上一个平衡良好的转子也不能做到“绝对平衡”的，总是存在微量的不平衡，因此在转子振动信号的频谱上总会出现转速频率成分（或称工频），但不发生不平衡振动。只有当不平衡量超过一定值后，离心力才会引起机器明显的振动。文中基于虚拟仪器开发平台LabVIEW软件建立了转子不平衡测量系统，测量转子的振动信号，根据时域波形、频谱和轴心轨迹等信号特征来判断转子是否存在不平衡振动现象，可以快速进行在线监测与分析，降低了开发时间和成本[1]。

1 转子不平衡的故障特征

转子的不平衡振动是在周期性离心力干扰下产生的强迫振动，转子每旋转一周，离心力经过转子或轴承上的某一测点处产生一次扰动，在测点处就有一次振动响应，因此它的振动频率就是转子的转速频率，即f=n/60（其中，f为振动频率，n为转速）。

转速频率也称为工频（工作频率），由于转子在运行时总是残留一定的不平衡量，因此这种频率成分很容易在频谱图上观察到。当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现在如下几方面；

①不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频谱图，转速频率成分具有突出的峰值；

②单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波形是一个正弦波；

③转子的轴心轨迹形状基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于转轴同一界面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90°；

④转子的进动方向为同步正进动；

⑤转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降[1-2]。

2 测量系统硬件设计

系统的硬件设备主要包括：①本特利BENT⁃LY NEVADA转子实验台RK-4 ROTOR KIT②电涡流传感器③前置器RK-4 ROTOR KIT PROXIMI⁃TOR ASSEMBLY④电机转速控制器RK-4 ROTOR KIT MOTOR SPEED CONTROL⑤信号采集卡NI 9234和PC机。

图1 系统硬件结构图

（1）本特利BENTLY NEVADA转子实验台RK-4 ROTOR KIT

该转子实验台是由美国内华达Bently公司生产的，主要用于教学和研究领域，能够模拟转子不平衡（单面不平衡和多面不平衡）、转轴摩擦、转轴变形、油膜涡动和油膜振荡等故障工况。转子台的主要组成部分有发动机、速度传感器、键相传感器、防护罩、轴承座、底板、可调底部支撑、传感器机座和摩擦螺钉机座、质量盘等。

（2）电涡流传感器

电涡流传感器的灵敏度为7.87 mV/μm，其线性范围为0.25～1.75mm(10～70mils)，电压的测量范围为-1～-13 V。它是一种线圈封装型装置，可以测量设备的相对位置变化。它的原理是在被测对象的材料中感生涡流，然后测量被测对象表面运动时涡流的变化。随着被测对象靠近/远离传感器，能量损耗增加/减少。这种能量损失的变化反映在调制信号的变化上，最终变现为电压值和传感器到被测表面之间的距离成比例。信号被传输到监测系统中，就可以持续，并且非常准确地测试到被测对象表面的相对距离了。

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

前置器提供测量系统需要的高频信号，主要功能是信号调制，同时在系统运行范围内保持线性。前置器中的高频振荡电流通过延伸电缆流入电涡流传感器的探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。

（4）电机转速控制器RK-4 ROTOR KIT MO⁃TOR SPEED CONTROL

电机转速控制器的Min Speed(最小转速)为250 r/min，Max Speed(最大转速)为10 000 r/min，Max Ramp Rate（速度的最大变化率）为±15 000 r/ min。它主要有速度调控旋钮、速度变化率调控旋钮、实时速度/最大速度选择开关、升速/降速选择开关、运行/停止开关、LED显示屏等。

（5）信号采集卡NI 9234和PC机

NI9234采集卡提供了4路同步的模拟信号采集通道，每个通道都有一个可连接信号源的BNC接口，其电压的有效采集范围为-5 V～+5 V，A/D分辨率是24 Bit。PC机主要是把NI9234采集卡采集到的信号进行处理、分析和显示等。

3 测量系统软件设计

该系统软件设计是利用LabVIEW语言进行编写，LabVIEW语言类似于C和BASIC语言，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

软件系统的前面板如图2所示，主要有时域波形分析模块、频域分析模块和轴心轨迹分析模块。

软件系统的程序框图如图3所示。程序中利用DAQ助手对外部信号进行数据采集，通过设置好采样通道、采样频率和采样长度等可以实现快速采集；运用带通滤波器滤掉信号中的一些低频和高频干扰分量；运用拆分信号函数将采集到的信号拆分为两个分量信号后，分别送到波形图控件上显示转子的时域波形图；同时将两个分量信号叠加在一个XY图控件上显示转子的轴心轨迹；另外还将原始信号送到频谱测量控件上显示转子的频谱图[3-6]。

图2 软件系统前面板

图3 软件系统程序框图

4 测量与结果分析

（1）测量过程

安装并连接实验设备（如图1所示），特别是电涡流传感器的安装，由于电涡流传感器的灵敏度为7.87 mV/μm，其线性范围为0.25～1.75 mm（10～70 mils），电压的测量为-1～-13 V，理论上电涡流的探头和转轴的合理安装距离是1 mm，其对应电压值为7.87 V，但由于NI9234采集卡的电压测量范围为-5 V～+5 V，这样一来就超出了采集卡的测量范围了，经过仔细考虑和初步计算，电涡流和转轴的安装初始距离定为0.57 mm，其对应的初始电压为4.5 V。由于本系统要测量转子的轴心轨迹，所以在转轴同一截面上安装了两个相同的电涡流传感器，彼此互成90°，两个传感器拾取的位移信号经过前置器调制处理后，分别输入到NI9234采集卡，最终传送到PC机进行信号的处理和显示。测试的过程中，转子的转速设置为3 000 r/min，即转子的转速频率为50 Hz。另外，在转子质量盘中的某个螺纹孔上装了一个螺钉，使转子质量不平衡，以便于实验的模拟与分析。

图5 转子的频谱图

（2）测量结果分析

测量的结果如图4～5所示，其中，图4为转子的时域波形图，图5为转子的频谱图，图6为转子的轴心轨迹图。

从图4中可以看出，转子在时域上的波形是一个正弦波，正弦波的周期为0.02 s，频率为50 Hz，正好与转子的转速频率相同；从图5中可以看出，频谱图中产生了转子的转速频率及其谐波成分，其转速频率成分的幅值最大，其他谐波成分的幅值相对较小；从图6可以看出，转子的轴心轨迹形状基本上呈椭圆形；另外，在转子转速下降的过程中，转子的振幅明显下降。综合上

图6 转子的轴心轨迹图

述的特征，可以初步判断转子出现了不平衡现象。由于测试前已经预先在转子质量盘上加了一个螺钉，转子存在质量不平衡，所以说明测试的结果分析是正确的。

5 结论

将虚拟仪器应用于系统开发中，建立了基于LabVIEW的转子不平衡测量系统，可实时显示转子的振动波形、频谱和轴心轨迹，整个系统集成了传感器技术、数据采集技术、信号处理和分析技术等多种前沿学科，相对于传统的测量仪器，测量精度高，可靠方便，对促进机器转子故障诊断的自动化、智能化具有现实意义的推进作用。

［1］沈庆根，郑水英.设备故障诊断［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［2］钟秉林，黄仁.机械故障诊断学［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］罗开玉，李伯全，王小飞，等.基于虚拟仪器的机械转子轴心轨迹分析［J］.江苏大学学报：自然科学版，2008，29（6）：274-277.

［4］宋波，宋方臻，邵海燕，等.基于LabVIEW的转子实验系统设计［J］.中国现代教育装备，2009（6）：32-34.

［5］王娟，张婧，裘祖荣，等.基于LabVIEW的轴心轨迹测量系统［J］.天津师范大学学报：自然科学版，2007，27（4）：71-73.

［6］焦川，李艾华.基于LabVIEW的转子轴心轨迹监测系统设计［J］.兵工自动化，2007，26（2）：37-38.

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

胡鉴源，男，1990年生，广东揭阳人，硕士研究生。研究领域：机电设备状态监测与智能维护。

(编辑：向 飞)

2014－05－19