【毕业学位论文】基于DSP的振动监测平台及其在转子动平衡测试中的应用研究

分类号 校 代 码 10495 621 学 号 0915113009武汉纺织大 学硕士学位论硕士学位论硕士学位论硕士学位论文文文文基于 基于 基于 基于 测平台及其 的振动 监测平台及其 的振动 监测平台及其 的振动 监测平台及其在转子 动平衡测试中 的应用研究 在转子 动平衡测试中 的应用研究 在转子 动平衡测试中 的应用研究 在转子 动平衡测试中 的应用研究作者姓名：作者姓名：作者姓名：作者姓名：王睿王睿王睿王睿指导教师：指导教师：指导教师：指导教师：陈陈陈陈燚涛副教授涛副教授涛副教授涛副教授学科门类：学科门类：学科门类：学科门类：工学工学工学工学专专专专业：业：业：业：机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程研究方向：研究方向：研究方向：研究方向：状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断状态监测与故障诊断完成日期：完成日期：完成日期：完成日期：二零一二年三月二零一二年三月二零一二年三月二零一二年三月E. 明 ： 所呈交的 学位论文 ， 是本人在 导师的指导下 ， 独立进行 研究工作所取得 的成果 。除文中 已经注明引用的 内容外，本论文 不包含任何其他 个人或集体已经 发表或撰写过的 作品成果。对本文 的研究作出重要 贡献的个人和集 体，均已在文中 以明确方式标明 。本人完全意识 到本声明的法律结果 由本人承担。学位论文 作者签名： 签字日期 ： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论 文作者完全了解武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学有关保留 、 使用学位 论文的规定 。 特授权武汉纺织大武汉纺织大武汉纺织大武汉纺织大学学学学可以将学 位论文的全部或 部分内容编入有 关数据库进行检 索 ， 并采用影 印 、 缩印或扫 描等复制手段保存、 汇编以供查阅和 借阅。同意学校 向国家有关部门 或机构送交论文 的复印件和磁盘 。（保密的 学位论文在解密 后适用本授权说 明）学位论文 作者签名： 导师签名 ：签字日期 ： 年 月 日 签字日期 ： 年 月 日论文题目：基于 ：机械电子工程硕 士 生：王 睿指导老师：陈燚涛摘要 随着 经济的 发展和 科学技 术的不 断提高 ， 机电 设备朝 着大型 化 、 精密 化 、 高速 化和自动 化方向 发展 。 以此 同时 ， 设备 故障维 修成本 在设备 全生命 周期中 所占的 比例也 越来越高 ， 为了 减少设 备故障 事故损 失 ， 就必 然对设 备的状 态监测 和故障 诊断技 术也提 出了更高 的要求 。 研究 表明 ， 机械 振动是 导致设 备故障 的主要 原因之 一 ， 因此 ， 本课 题在研究设 备振动 一般特 点的基 础上 ， 研究 和开发 了一套 基于 监测 平台 ， 对振 动状态信 息进行 实时采 集和分 析，为 设备故 障诊断 奠定 了 基础 。本系 统采用 上、下 位机协 调工作 的模式 ：根据 振动信 号的特 点和振 动测试 的要求 ，同时 为了适 用系统 的扩展 ， 下位 机采用 制运 算核心 ， 选用 路转 速信号 、 8路数 字信号 、 16路振 动信号 的采集 ， 并对 振动信 号进行 实时时 域及 频域 分 析； 以 位 机 ，通 过 实 时 接收 下 位机 采 集处 理 后的 采 样信 息 和特征 数据， 根据需 要运用 行进 一步的 信号分 析及处 理。本文 主要进 行三个 方面的 研究 ：（ 1） 基于 平台 开发通过 对外围 接口电 路包括 模拟量 输入接 口电路 、 频率 量输入 电路 、 数字 量输入 输出电路 的设计 ， 实现 了 设备 振动 状态 参数的 采集 ； 利用 结构 和指令 系统实 现片内快 速数字 滤波和 基于 信接 口解决 了上 、 下位 机通信 时大量 数据实 时传输 的难题 。（ 2） 上位 机数据 分析与 处理利 用 的 数 据处 理 能力 和 可视 化 界面 ， 将下 位 机通 过 至 进行 进一步 地存储 、 读取 、 分析 、 处理 和显示 。 通过 频谱分 析 、 时域 分析和 轴心轨迹 分析等 方法获 取振动 状态信 息，从 而便于 找出振 动的原 因，达 到故障 诊断的 目的 。（ 3） 转子 动平衡 测试在 子 振 动模 拟 试验 台 上进 行 了转 子 动平 衡 测试 实 验， 将 振动 监 测平 台 采集到 的振动 信号通 过 分析 处理 ， 提取 出 特征 性能 参数 ， 最终 通过三 点加重法 找出不 平衡点 的质量 的大小 和位置 。基于 监测 平台将 硬件和 软件相 结合 ， 实现 了对设 备振动 信号 、 转速 信号的采 集 、 分析 和处理 ， 目前 设计的 平台能 采集处 理振动 信号的 最高频 率为 4能满 足一般 机械振 动监测 的需要 。 转子 动平衡 测试的 结果进 一步 验证 了振动 监测 分析 平台 的 开发的 正确 性和 实用性 。关键 词： 机械 振动； 状态监 测；数 据采集 ； 平衡测 试研究 类型： 应用 研究：of y im of m m e, m e It of m of m e is of 8e e e )e of e ic m ic K m ic 1绪论 .课题 的研究 背景和 意义 .振动 状态监 测发展 趋势 .振动 状态监 测技术 发展概 况 .态监 测系统 的发展 趋势 .动平 衡测试 发展状 况 .基于 监测 平台的 应用必 要性 .论文 组织框 架 . 62振动 监测平 台需求 分析及 总体设 计 .机械 振动监 测基本 原理 .因 .动的 描述方 法和分 析手段 .号分 析方法 .振动 信号监 测的需 求分析 . 特点 .系统 的需求 .基于 监测 平台总 体框架 . . 构 . 架 . 结 .测平 台硬件 设计 .平台 的硬件 结构框 架 .的选 定 . . .信号 调理电 路的设 计 .及电 路的设 计 .2812接口 电路 .测频 电路的 设计 .理 . 件电 路 .与上 位机的 通信 .口的 选择 .实现 方式 . 路设 计 .辅助 电路的 构架 .路 . 路 . 路 . 路 .硬件 开发工 具介绍 .本章 小结 .件设 计 . 发平 台介绍 .件开 发平台 .软件 开发平 台 . 软件 总体框 架 .程序 .算子 程序 .号采 集子程 序 .输入 输出子 程序 . 程序 .程序 .上位 机软件 构架 .软件 总体设 计 .界面 设计 .通信 模块与 实现 . 入模 块与实 现 .析与 处理模 块与实 现 .本章 小结 .监测 平台在 转子动 平衡测 试中的 应用 .动平 衡测试 原理 .动平 衡测试 平台 .台 . 台 . 衡测 试方案 .动平 衡试验 结果分 析 .本章 小结 .展望 .总结 .展望 .献 .课题的研究背景和意义在机 械、石 油化工 、冶金 、核工 业、电 力、航 空等工 业领域 ，发电 机、汽 轮机 、 离心压 缩机 、 水轮 机等旋 转机械 占据着 核心地 位 。 随着 经济的 高速发 展和科 学技术 的不断提高 ， 这些 旋转机 械在工 业生产 中越来 越大型 化 、 连续 化和高 速化 。 一方 面 ， 自动 化生产在 提高生 产效率 的同时 降低了 成本获 得了巨 大的经 济效益 ； 另一 方面 ， 由于 机电设 备的结 构复杂 ， 从设 计 、 制造 到运行 、 维护 ， 每一 个环节 都会对 机械性 能造成 影响 。 一旦偏差 产生 ， 会使 设备发 生故障 ， 从而 无法实 现预定 的功能 ， 更严 重的会 造成灾 难性的 事故 。 而据 有关资 料显示 ， 大多 数的机 械故障 都是由 振动引 起的 。 振动 过大会 使机械 部件疲劳 损坏 、 变形 、 承受 大幅的 应变力 ， 影响 了机械 安全 、 稳定 运行 ， 对机 械生产 造成直接或 间接的 损失 1， 2。振动 是描述 机械设 备状态 最重要 的信息 来源 ， 含有 丰富的 机械设 备故障 信息 。 在运转过 程中， 机械工 作状态 发生的 变化， 一般都 可以从 振动信 号中反 映出来 3。振 动状态监测 的目的 在于防 患于未 然 。 根据 监测系 统所获 得的设 备当前 的运行 状态信 息 （ 如从 振动信 号中提 取的反 映振动 状态的 特征参 数） ， 结合 被测对 象的历 史状况 和结构 特性 ， 进行分 析和研 究 ， 判断 设备是 否处于 正常状 态 ， 为设 备的故 障诊断 提供基 础数据 ， 从而 确定故 障发生 的位置 、 类型 、 程度 及发展 趋势 ， 提出 维修改 善的策 略措施 消除故 障 ， 使设备正 常运行 4， 5。通 过对设 备振动 信号监 测 ， 可以 直接达 到以下 两个方 面的基 本目的 ：（ 1）预 防事故由振 动引起 的机电 设备的 故障会 毁坏设 备 ， 带来 巨大的 经济损 失 ， 更甚 者会造 成人员的 伤亡 。 只有 在提高 设计可 靠性的 同时辅 以有效 的振动 状态监 测 ， 才能 避免恶 性事故的发 生，把 故障消 灭在萌 芽里， 保证人 身和设 备的安 全。（ 2）提 高经济 效益振动 状态监 测系统 避免故 障的发 生 ， 减少 了机械 故障停 机率 ， 充分 利用零 部件的 使用寿 命 ， 延长 检修周 期 ， 从而 减少了 维修人 员的配 置和机 电设备 的检修 率 ， 大大 地提高了经 济效益 6。因此 ， 通过 开发振 动监测 平台 ， 进一 步有针 对性地 来减少 机械振 动 、 消除 故障从 而使旋 转机械 高效、 可靠的 运行， 无论是 在理论 上还是 在实践 中都具 有重要 的意义 。械的 振动监 测技术 是一门 新兴的 机械动 力学学 科 ， 使人 们能够 在正确 认识振动的 基础上 分析故 障产生 的原因 从而提 高设备 的运行 效率 。 目前 ， 技术 人员已 由早期 的凭借 经验 （ 例如 ， 触觉 、 听觉 、 视觉 、 嗅觉 的感受 ） 来判 断机械 振动的 位置 、 原因 和程度 ， 进而 做出应 对措施 ， 发展 到有效 地利用 科学技 术 ， 并与 新兴学 科相结 合的高 技术领域。 各种 科学技 术的发 展对振 动监测 技术起 到了巨 大的推 动作用 ， 使旋 转机械 的振动 监测技 术在各 个时期 有着不 同的发 展 7， 8：表 监测技术发展 历程时间 振动状态 监测技术的发展 历程20世纪40 于第二 次世 界大 战的爆 发， 为了 制造安 全可 靠的 军事装 备， 必须 严格地 检查和 监测军 事产 品和 设备的 生产 过程 ，人们 才逐 渐 地 意 识到振 动监 测仪 器的重 要性 。从 此，振 动监 测便 建立在 科学 理论 分析的 基础 上 ， 告 别了凭 借经 验来 判断故 障问 题的时代 。20世纪50 种类型 和功 能的 测振仪 和传 感器 相继研 制成 功， 使振动 状态 监测 技术开 始应用于工程 实际和科学研究 。20世纪60 号数字 分析 处理 技术的 形成 ，电 子计算 机技 术、 数字电 路的 发展 ，推动 了振动检测技 术在机电设备上 的应用。20世纪70多发达 国家开始了旋转 机械的振动状态 监测技术的研究 。 随着现代 测试技术 、故 障诊断 技术 与信 号处理 技术 的发 展，将 实验 室的 研究成 果在 各种 大型的 成套 机械设备中逐 步推广，旋转机 械的振动状态监 测研究进入了系 统化的阶段。20世纪90年代以来 高 档微机 迅速 更新 的同时 价格 不断 下降， 随着 数字 信号处 理计 算方 法的不 断优化，数据 处理速度大大提 高，使在工业现 场直接应用振动 状态监测技术成 为可能。动状 态监测 技术的 研究起 步较早 ， 一直 占据国 际领先 地位 。 美国 是 最 早开 展振动 状态监 测技术 的国家 之一 ， 力于 转子动 力学研 究 ， 对旋 转机械 故障机理的 研究比 较透彻 ， 3300系列 振动监 测系统 已经达 到较高 的水平 。 丹麦 B& K 公司 的传感器 制造技 术 、 英国 中心发 电部的 瑞典 司的 轴承监 测技术 在状态监 测领域 占有一 席之地 。 日本 密切关 注世界 各国最 新技术 ， 在引 进和消 化的同 时积极研制 本国的 振动监 测仪器 ， 在钢 铁 、 铁路 、 化工 等民用 工业上 发展飞 速 。 他们 一方面 在高等 院校 ， 如东 京大学 、 早稻 田大学 、 东京 工业大 学中开 展基础 性理论 研究 ， 另一 方面 ，1绪论3在企 业中以 生产为 中心开 展较高 应用水 平的实 用项目 ， 如三 菱公司 的机械 健康监 测系统（ 汽轮机 发电机 组故障 诊断中 起到了 有效的 作用 1， 5， 6。20世纪 80年代 ，我国 开始振 动监测 技术的 开发与 研究， 由于政 府的高 度重视 ，结合中 国国情 制定了 一系列 的条例 ， 如 1983年提 出的 国营 工业交 通设备 管理试 行条例 ，对我 国振动 状态监 测技术 的开发 和研究 工作起 到了巨 大的推 动作用 。 其后 ， 企业 、 高校 、研究 院所自 行或者 合作研 究振动 状态监 测技术 ， 开发 出相应 的状态 监测系 统 ， 在理 论研究和 工程实 践方面 取得了 成果 。 高等 院校先 后建立 了故障 诊断研 究室 ， 培养 高科技 专门人才 ， 在进 行理论 研究的 同时研 制诊断 系统 ， 如哈 工大用 模糊数 学理论 进行机 组振动 分析和 故障诊 断 ， 研制 了 投入 运行 ， 郑州 大学采 用先进 的矢谱 分析理 论开发 了 ， 使诊 断的 准确 度大 大提 高。 国内 的民 用工 业由 引进 国外 监测 系统 演变成 自主研 发诊断 系统， 如宝钢 和太钢 公共研 制的 轴承 纹理监 测系统 ，深圳 创为实 公司 测系 统 ， 这些 根据实 际需求 研制的 系统 ， 功能 齐全 ， 更符合中 国人的 使用习 惯 1， 5。目前 我国的 状态监 测技术 水平在 某些方 面已达 到世界 先进水 平 ， 如计 算机监 测与故障诊 断的软 件 ， 但在 可靠性 等方面 仍存在 一定的 差距 。 我国 应该加 大对研 究振动 状态监测的 事业力 度，在 状态监 测技术 领域占 有一席 之地。机电 设备状 态监测 系统有 如下的 发展趋 势： （ 1） 在结 构上， 由集中 监测朝 着分布 式、网 络化方 向发展 。通过 工业局 域网将 大型设 备主机 与功能 不同 、 分布 地域不 同的辅 机互联 起来 ， 实现分散 监测 、 集中 管理 ， 使资 源得到 共享 ， 各测 点辅机