双轴转子系统动态测试系统开发及应用

王志，栾忠权，马超

（北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192）

0 引言

旋转机械通常是指含有回转运动部件的机械设备，在机械、交通和能源等领域发挥着非常重要的作用。旋转机械中的双轴转子轴承系统是指在不同轴系中传递动力的机械部件，其设备运行状态直接影响到旋转机械运行的稳定性［1-3］。目前针对大型旋转机械设备进行状态监测与故障诊断的系统可以分为两类：一类是在线式状态监测与故障诊断系统；另一类是以便携式数据采集系统为前端的计算机辅助状态监测与故障诊断系统。采用可携带式故障诊断系统具有重量轻、体积小、携带方便等优点［4］。基于此，本文开发了适用于双轴转子系统的动态测试分析系统。

1 系统整体构成

本系统由PC 工业计算机、数据采集模块、信号调理模块、ICP 加速度传感器和转子实验台组成。转子实验台装置图如图1 所示。

系统工作过程为：ICP 加速度传感器拾取双轴转子轴承系统的振动信号，经过信号调理电路滤波等处理以后把信号传递给数据采集卡模块，采集卡对振动信号进行采集并将采集到的数据通过USB 线传输到工业计算机内存中，工业计算机通过虚拟仪器软件对采集到的数据进行分析处理，并以波形的形式显示在系统界面上［5-6］。系统整体原理框图如图2所示。

图1 转子实验台装置图

图2 系统整体原理框图

1.1 ICP 加速度传感器

传统的压电式传感器输出的是电荷需要经过电荷放大器转化成电压后再连接至数据采集器。ICP 加速度传感器内置ICP（IEPE）前置放大器，它集成了传统的压电加速度传感器与电荷放大器的功能，简化了测试系统，提高了系统进度和可靠性。

1.2 信号调理模块设计

经过ICP 加速度传感器输出的信号虽然幅值上满足数据采集的条件，但是各种信号频率成分共存，无法对其进行分析，因此设计一款信号调理电路显得十分必要。本文对放大信号进行滤波处理，采用四阶低通滤波电路对信号进行滤波，除去信号中的高频成分，使得输出信号在采集卡可识别的频率范围内。信号调理电路的实物图如图3 所示。

图3 信号调理电路的实物图

1.3 数据采集模块

数据采集模块具有16 位12 路高速同步采集功能，内置8M Byte DFIFO 提供8s 的采集数据缓冲，A/D 部分采用软件自动零点、满度校正技术，可以有效避免输入零点误差。

2 系统软件开发及方案设计

实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）是一个集数据采集系统各个环节于一身的智能开发应用软件平台。它具有多种仪器驱动应用程序和界面设计组件。应用LabVIEW 开发双轴转子系统的动态测试系统能够充分利用图形化编程的语言优势，通过对数据采集来的初始化设置和数据采集系统程序设计，就可以快速方便地构建数据采集系统［7］。

LabVIEW 是图形化的编程语言，它所编写的交互界面操作相对简便、易于维护和扩展。LabVIEW 设计的双轴转子动态测试系统是由程序框图以及前面板组成。程序框图负责数据采集、测试、处理和分析等功能；前面板用于数据显示和人机交互。

基于模块化的设计思想，将复杂功能系统从上到下、逐层分解成为若干功能比较简单的模块，分别予以实现，这样不仅简化了设计过程，系统也更加便于维护和功能升级。本系统基于模块化的设计方法，将双轴转子动态测试系统分为参数设置、信号采集和数据分析3 个功能模块，如图4 所示。

参数设置模块包含文件的参数设置、采样通道设置以及采样信号设置等；信号采集模块具有波形显示和操作等功能；信号分析模块包含了振动信号的幅域分析、时域分析和频域分析等功能。

图4 软件结构图

3 系统测试与结果分析

本文实验对某一双跨轴承转子实验台进行动力学特性测量，得到正常运转状态下的振动信号，利用本测试系统进行分析。分析所选参数设置为采样点数1 024，分析频率1 024 kHz，采样时间100s。

通过对信号进行时频域分析（如图5、图6）可以得出轴承转子实验台正常运行时的时频域分布，能够快速准确地对设备运行是否正常进行判断。

在旋转机械一类设备中，各类故障频谱通常很接近，单纯使用时频域波形图很难对特征信号进行提取。运用关联维数，可以以定量的方式反映振动信号在相空间中的动力学特性，反映轴承转子系统不同状态下的信号特征，可以很明显地区分不同的故障状态。

实验过程中模拟基座松动和径向碰摩两种故障情况，嵌入维数从1逐渐增加，当嵌入维度为30 时，关联维数趋于稳定，此时的关联维数是2.30，图7 是关联维数稳定时得到的拟合曲线。

图5 振动信号均值

图6 振动信号幅值谱图

图7 关联维数拟合曲线界面

基于上述数据的关联维数分析结果，进行故障状态下轴承转子系统的统计分析。早前的研究资料表明，有限故障的特征是相互重合的，基座松动混沌吸引子的关联维数范围在2～2.5 之间，而径向碰摩故障的混沌吸引子的关联维数范围在2.2～3.0 之间［8］。分析结果为：双跨轴承转子系统在松动与碰摩两种故障情况下的关联维数在故障置信区间范围内，因此本系统可以准确地评价系统的故障特征与类型。

4 结语

针对双轴转子实验台的动力学行为，进行了相关的实验测试，开发了故障信号测试与分析软件系统。该系统具有对信号进行时频域以及关联维数等分析功能。测试运行表明，通过分析得到的关联维数，在进行转子系统运行动特性分析和故障类型诊断时具有良好的识别能力。此外，该测试系统在对双轴转子实验台的动特性测试设计过程中，运用设计模式进行软件规划，使得系统在功能模块和算法模块有较强的复用性和扩展性。

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