（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的轴心轨迹分析仪的研制.pdf

中文摘要 摘要 随着现代化机械设备的不断改进，机械运行效率越来越高，对状态监测和故 障诊断系统的要求也越来越高。轴心轨迹包含了丰富的故障信息，是一种诊断旋 转机械故障的有力工具。传统的轴心轨迹识别基本上是依靠人的主观判断，影响 了整个诊断系统的效率和自动化程度，并且只对轴系故障进行初步识别，不能实 现对故障细节的描述，因此，研究轴心轨迹的特征提取和自动识别是十分必要的。 虚拟仪器是计算机技术、测量技术和通信技术相结合的产物，是使用计算机 软件算法来实现传统仪器仪表的功能。论文介绍了虚拟仪器的发展过程和现状， 以及其工作原理，并与传统仪器进行了综合比较。 论文介绍了转子振动的基本特性，正常情况下轴心轨迹的形状和在故障状态 下轴心轨迹特征和旋转机械故障之间的对应关系。介绍了常用的轴心轨迹分析的 信号处理方法，包括转子两路振动信号的自相关分析、频谱分析和特征值计算。 论文对谐波小波提纯轴心轨迹进行了应用研究，提纯结果相当良好，可以用在本 仪器中帮助我们抽取各个频率段的信号。论文提出了一种用来表示轴心轨迹的方 向变化特征，该特征利用了直观的图像特征，使得识别的结果更加明晰，而且特 征提取方法简单快捷，为轴心轨迹的分类识别提供了一种新思路。论文针对同种 类型不同变形程度的轴心轨迹，提出了衡量轴心轨迹变形量大小的特征，通过它 们可以知道各种故障的严重程度，为检修人员提供了更多的信息。 最后，论文结合虚拟仪器的思想，将轴心轨迹的各种处理算法用软件的方法 实现，设计了轴心轨迹分析仪。论文详细介绍了仪器的逻辑结构和软硬件设计， 并进行了试验使用。经过对现场实测数据的分析表明，该虚拟式轴心轨迹分析仪 具有功能强、精度高、效率高、成本低等特点，是一种可广泛推广应用的实用测 试仪。 关键词：虚拟仪器，轴心轨迹，故障诊断，特征提取，模式识别 英文摘要 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm a c h i n e r ya n di t si m p r o v i n ge f f i c i e n c y ，t h e r e q u i r e m e n to fs t a t u sm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e mb e c o m e sh i g h e ra n dh i d e r 1 1 1 e s h a f tc e n t e r l i n eo r b i tw h i c hc o n t a i n sr i c hf a u l ti n f o r m a t i o ni sap o w e r f u lt o o lf o r r o t a t i n gm a c h i n ed i a g n o s i s p r e s e n t l y ，t h ei d e n t i f i c a t i o no f s h a f te e n t e r l i n eo r b i tu s u a l l y r e l i e so nm a n u a lj u d g e m e n t , w h i c hs e r i o u s l yl i m i t st h ee f f i c i e n c ya n di n t e l l i g e n c eo ft h e d i a g n o s i ss y s t e m f u r t h e r m o r e ，o n l yp r e l i m i n a r yi d e n t i f i c a t i o n , w i t h o u ta n yf u r t h e r d e t a i ld e s c r i p t i o n , c o u l db ec o m p l e t e df o rs h a f t i n gf a u l t s s oi t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d y t h em e t h o d sf o rt h ef e a t u r ee x t r a c t i o na n da u t o - r e c o g n i t i o no ft h es h a f ic e n t e f l i n eo r b i t v i r t u a li n s t r u m e n ti sa ni n t e g r a t e dp r o d u c to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t e s t i n g t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i tu s e st h ec o m p u t e rs o f t w a r ea l g o r i t h m st o r e a l i z et h ef u n c t i o n so ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n g p r o c e s sh i s t o r y ，p r e s e n ts i t u a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t , a n d c o m p a r e si t w i t ht h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t , e n u m e r a t e st h ee x c e l l e n tf e a t u r e so ft h e v i r t u a li n s t r u m e n t t i l i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r o p e r t yo fr o t o rv i b r a t i o n , t h es h a p eo fo r b i ti n n o r m a lc o n d i t i o n , a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nf a u l t yr o t a t o r ym a c h i n ea n di t sc h a r a c t e ro f o r b i t t h ep a p e rs t u d i e st h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d so ft h es h a f tc e n t e r l i n eo r b i t , i n c l u d i n ga u t o c o r r e l a t i o n ，s p e c t r u ma n dc h a r a c t e r i s t i cv a l u eo f t h et w or o t o rv i b r a t i o n s i g n a l t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fh a r m o n i cw a v e l e ti nt h es i g n a lp u r i f y i n g ， a n dt h ep u r i f y i n gr e s u l ti sv e r yg o o d t h e r e f o r e ，w ec a l lt a k ea d v a n t a g eo ft h em e t h o d t oe x t r a c tt h eu s e f u ls i g n a l si nd i f f e r e n tf r e q u e n c ys e g m e n t t h i sp a p e ra l s op r o p o s e sa n e wc h a r a c t e rw h i c hu s e st h ec h a n g eo fd i r e e t i o nt or e p r e s e n tt h es h a f tc e n t e r l i n eo r b i t t l l ec h a r a c t e r i s t i c sb s e st h eo b v i o u sf e a t u r e so ft h es h a f ic e n t e r l i n eo r b i ti m a g e ，m a k e t h er e c o g n i s a b l er e s u l t sc l e a r e r , a n di se a s yt ob ee x t r a c t e d ac h a r a c t e rv a l u ei sa p p l i e d t od e s c r i b et h ed i s t o r t i o nd e g r e eo fs h a f tc e n t e r l i n eo r b i t si nt h es a m ef a u l t , w h i c hc a n r e p r e s e n tt h ef a u l ts e v e r i t yo ft h em a c h i n e r ya n dp r o v i d e sm o r ei n f o r m a t i o nf o rt h e m a i n t e n a n c es t a f f 1 f 1 1 cs i p p r o c e s s i n ga l g o r i t h m so f t h es h a f tc e n t e r l i n eo r b i th a v eb e e nr e a l i z e db y s o f t w a r eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fv i r t u a li n s t n m a e n t ，a n dt h es h a f tc e n t e r l i n ea n a l y z e ri s d e v e l o p e d n l el o g i cs t r u c t u r eo ft h ei n s t r u m e n ta n dt h ed e s i g no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h ef i e l dt e s t sh a v eb e e nc a r r i e do u t b yt h e 重庆大学硕士学位论文 r e s e t so ft h ef i e l dt e s t s ，i tc a nb es e e nt h a tt h i ss h mc e n t e r l i n ea n a l y s e ri so fm a n y m e r i t ss u c ha ss t r o n gf u n c t i o n s ，h i g hp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y ，a n dl o wc o s t w h i c hc a n b eae x t e n s i v e l yu s e df o rf a u l td i a g n o s i so fr o t a t i n gm a c h i n e r y k e y w o r d s ：v t r t u a li n s t r u m e n t , s h a f tc e n t e r l i n eo r b i t , f a u l td i a g n o s i s ，f e a t u r e e x t r a c t i o n , p a t t e r nr e c o g n i t i o n i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的监 士 学位论文 色蟛堑当继垒盘丛益必趟i ! 丛纽盆 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 导师躲害也 签字日期： 签字日期： p t ，p 心 砌吁夕朋 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人的选士学位论文翳丛敛羔钮纽缓幻，醴挞私 ；薪劲 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c 胍i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：导师签名： m 1 年歹月f 1 1 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书! 鳆装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 大型旋转机械如汽轮机组、大型离心式压缩机组等是支撑国家经济命脉的石 化企业、电力系统、冶金行业等部门的关键设备，一旦发生故障尤其是灾难性故 障，将给工厂和国家都带来巨大的经济损失。旋转机械的特点是，工作时都有转 子在高速旋转，故也称转子机械，转子的价格在整台机器中占有相当大的比例， 由转子故障造成的损失也在机器故障的总损失中占有很大的份额。自上世纪6 0 年 代，为了提高经济效益、劳动生产率和节约能源，旋转机械的设计和使用的发展 趋势是大型化和高参数化，如年产3 0 万吨合成氨用离心压缩机组，茂名石化年产 6 4 万吨大型裂解气压缩机组等，设备承受很大的应力和恶劣的工作环境，故障发 生率大大增加，并且灾难性事故造成的损失非常惊人。仅国内，1 9 8 0 年初期栖霞 山化肥厂机组转子断裂，1 9 8 5 年镇海石化总厂机组转子毁坏，二次事故的损失达 数千万元，1 9 8 5 年大同电厂2 号机组，1 9 8 8 年秦岭电厂5 号机组转子损坏，事故 的经济损失各达一个亿【l 】。为了保障设备安全可靠的运行，取得更大的经济效益和 社会效益，对状态监测和故障诊断技术提出了更高的要求。 旋转机械的故障常通过振动状况方面体现出来，因此对振动信号进行监测与 诊断仍是目前设备维护管理的主要手段，经过多年的发展与完善，旋转机械振动 故障诊断已经形成比较完备的理论与技术体系。近年来，随着非线性理论的发展， 尤其是信号处理、知识工程和计算智能等理论技术与故障诊断的融合渗透，使旋 转机械振动故障诊断的内容得到了进一步的丰富与充实。目前，用于旋转机械故 障诊断的故障征兆主要有振动信号的时域波形、频谱以及幅值域特征等。由于以 快速f o u r i e r 变换( f f t ) 为基础的数字信号处理技术在机械动力学中应用广泛，测试 分析方法已经达到比较完善的程度，而且，旋转机械的振动信号在频域内的能量 分布具有比较明显的特点，因此，目前旋转机械故障诊断仍以振动信号的频域特 征作为主要的故障征兆，出现了功率谱估计法、时频分析法、全息谱、角域分析、 分形维数等一系列提取故障征兆的方法 2 1 。 但是，在旋转机械故障诊断中，回转部件中心位置比振幅和幅频曲线等更能 直观地反映转轴的运动情况，轴心轨迹作为转子振动信号的一类重要图形征兆， 包含了大量的故障信息，它能够形象、直观地表达设备的运行情况。通常特定形 状的轴心轨迹对应着特定的故障类型，能正确反映系统的振动故障，比如由转动 部件不平衡或主轴轴线不直引起的摆度过大，轴心轨迹为椭圆形；动静件碰磨故障 会使得轴心轨迹呈现为规则或不规则的花瓣形；由油膜涡动引起的轴心轨迹为内 重庆大学硕士学位论文 “8 ”字形；不对中引起的轴心轨迹为香蕉形或外“8 字形等【3 】。另外，旋转机械 的轴心轨迹的形状与动态特性，也是诊断专家在诊断过程中采用的一项不可缺少 的故障征兆信息。因此，轴心轨迹作为旋转机械重要的一类图形征兆，一直是研 究的热点，在旋转机械故障诊断中得到广泛应用【4 】。同时，由于轴心轨迹图形比较 复杂，如何实现轴心轨迹特征的自动提取和轴心轨迹形状的自动识别，一直是设 备故障诊断研究的重要问题【5 】。为了能充分发挥轴心轨迹在旋转机械故障诊断中的 作用，使专家的知识经验得以充分利用，提高故障诊断专家系统的智能化水平， 需要对轴心轨迹进行全面深入的探讨和研究。 1 2 旋转机械轴心轨迹的国内外研究现状【6 】 轴心轨迹是指轴心上一点相对于轴承座的运动轨迹，这一轨迹是在与轴线垂 直的平面内的，因此在大型回转机械状态监测与诊断中，常常利用轴系同一截面 上两路相互垂直的振动信号合成轴心轨迹来监测其运行状态和故障类型。如果同 时从轴心轨迹的形状、稳定性和旋转方向等几方面进行综合分析，可以得到比较 全面的机组运行状态信息。 清晰的轴心轨迹图形是轴心轨迹能够进行特征提取和正确识别的前提。由于 实际中获得的轴心轨迹一般都受到噪声污染，使原始轴心轨迹很复杂，不易获得 清晰的特征，如何剔除噪声，提纯出干净的轴心轨迹，许多科研人员做了大量的 研究。常用方法有数字或模拟低通滤波以及小波变换等。 小波理论在最近几年已经得到了巨大发展，它已经被广泛应用于信号处理、 图像处理、模式识别等科学领域。近年来，小波理论被广泛地应用于旋转机械的 故障诊断以及轴心轨迹的研究上，并取得了很好的效果。采用小波变换提纯轴心 轨迹是利用了小波降噪原理，其基本思想是利用小波变换将原始信号分解到各个 频带上，得到不同频带上的时间波形，再选取若干频带重构信号，实现信号的提 纯。文献【7 】利用小波分析具有降噪能力很强的特性，采用小波和小波包分解对轴 心轨迹进行提纯处理。 利用信号的小波或小波包分解与重建降噪，应用的前提是知道有用信号分量 的频率范围，文献【8 】【9 】提出常用信号的小波变换模极大值幅度随尺度减小而减小， 而白噪声小波变换模极大值的幅度随尺度的减小而增大，利用这一点可以达到消 噪目的，此方法只要求噪声具有不同于信号的l i p s c h i t z 指数，同时文献还提出基 于模极大值的信号重建算法，这为利用小波变换模极大值降噪提供了理论支持。 文献1 0 】给出了两种小波降噪方法，其一是利用信号的小波或小波包分解与重建降 噪，应用的前提是知道有用信号分量的频率范围，其二是利用小波变换的模极大 值降噪。文献 1 1 1 利用最优小波包理论，将s h a n n o n 嫡作为选择最优小波基的准则 2 1 绪论 函数，信号经过这样的最优小波包分解，其中的主要部分，即能量比重大的子信 号就被自动提取出来形成轴心轨迹，从而达到提纯轴心轨迹的目的。 但是，小波或小波包分解一般采用隔点采样的二进方式，会造成数据量的减 少及细节信号的丢失，并且小波包分解的结果存在着各频带间能量的交叠的问题。 针对小波和小波包分解的上述问题，文献 1 2 1 基于谐波小波实现了等采样点数的任 意频带无能量泄漏分解，并利用谐波小波在频域的优良特性，在不同分解层和同 一层上对不同频段的局部频谱进行细化分析，并进行谐波小波逆变换，对信号重 构，可得到在某一个或某几个感兴趣频段的提纯轴心轨迹。 为了对轴心轨迹进行识别判断，需要知道各种不同轴心轨迹之间的差别，即 需要能表示每种轴心轨迹的特征量，因此提取特征量的过程是轴心轨迹识别的一 个关键点。从轴心轨迹的研究开始，轴心轨迹的特征提取技术就一直在进步，特 征也越来越具有代表性，提取方法也越来越简单。 特征提取是对轴心轨迹所包含的输入信息进行处理和分析，将不易受随机因 素干扰的信息作为该模式的特征提取出来。特征提取过程就是去除冗余信息的过 程，具有提高识别精度减少运算量和提高运算速度的作用。良好的特征应具有可 区分性、稳定性和独立性；可区分性指的是不同模式类别的特征之间有差别且差 别越大越好：稳定性指的是同一模式类别中不同模式的特征应接近且越接近越好， 受随机因素干扰较小；独立性指是选择的各个特征之间应彼此不相关。传统的方 法多是基于振动信号的时域和频域特征，其中基于频域特征的方法【l 6 1 应用的最 多。转子振动信号的主要成分是几个分频分量和各次倍频分量，因此可以通过傅 里叶变换对它进行特征提取，保留主要频率成分。该方法的主要不足是，比较难 于确诊机械的总体状况，并且在很大程度上依赖于工程技术人员的经验。基于时 域特征的方法主要是，观察研究轴心轨迹时域波形【1 4 1 的特点以此作为特征，这同 样需要依靠技术人员的经验。 小波分析作为一种时频分析方法，在轴心轨迹的特征提取中也得到了广范应 用，具体的方法包括小波模极大值方法【l 。7 1 、小波零交叉点匹配法【1 8 1 、小波多尺度 分析法【1 9 1 、小波包提纯法叫和小波向量法【2 0 】等。这主要是因为小波分析方法可以 自适应地改变时频窗口的大小，来兼顾不同频率分析的要求，同时小波适用于 瞬态信号的分析，对于瞬态故障信号特征可以很好地提取出来。 近年来，轴心轨迹的图像特征也越来越为人们所重视。该类方法应用了图像 识别的基本原理，将轴心轨迹看作二维图形进行图像处n t 2 l l f z 2 l 。图像处理的形状 分析主要是对区域的内部或外形作各种变换，提取区域的形状特征。基于图像特 征的用于轴心轨迹特征提取的方法，主要包括傅里叶描述子法 2 3 1 、几何特征法【1 4 1 、 矩方法阱堋和编码方法【2 7 2 9 】等。 重庆大学硕士学位论文 1 3 论文的主要研究内容 介绍了虚拟仪器的基本概念，虚拟仪器的优点和发展历程。 分析了转子振动的基本特征以及转子发生故障时所对应的轴心轨迹特征。 研究了轴心轨迹测试原理及其分析方法，进行了轴心轨迹的时、频域分析， 对谐波小波提纯轴心轨迹进行了应用研究，提纯结果相当良好。并提出了一种新 的识别轴心轨迹的方向特征，从而实现对轴心轨迹准确的描述，利用这种特征， 论文用模式识别方法实现了对轴心轨迹的自动识别。此外，本文还对同种类别的 轴心轨迹进行了细化描述，方便使用人员了解故障的严重程度。 将轴心轨迹分析算法用软件程序实现，设计形成轴心轨迹分析仪，并进行 了现场采集分析试验，试验结果表明该虚拟式轴心轨迹分析仪具有功能强、精度 高、效率高、成本低等特点，值得推广使用。 4 2 虚拟仪器 2 虚拟仪器 2 1 概念及现状【3 4 】 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 技术是计算机和测试技术共同孕育和发展的产 物，它是充分利用计算机的软、硬件资源，借助一定的模块化功能插卡和软件模 块来完成传统电测功能的一类全新概念的智能化仪器系统，是虚拟技术的重要组 成部分。 虚拟仪器( v i n u a li n s t r u m e n t ) 是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向 其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切集合，共同孕育出 的一项新的成果。1 9 8 6 年美国的国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o r p o r a t i o n 简 称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，这一概念的核心是：以计算机作为仪器统一的 硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理 等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机 结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同， 同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面 板控件都是由软件形成的，因此在国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”。自 2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特别是 它推出的l a b v i e w 图形编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开发系统的世界 生产大户。在n i 公司之后，著名的美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上。该公司推出h p v e e 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建和整机，用户可用它组建或挑选自 己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相继推出了多种总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。作为仪器领域 中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从9 0 年代 中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大 学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和 开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等 方面做出了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。相信在不久的将来，国内 将会推出种类更多、性能更优、功能更强的并具有自主版权的虚拟仪器产品。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们 的仪器观念。据“世界仪表与自动化杂志报道，2 1 世纪初叶，虚拟仪器的生产 厂家超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将占到电测仪器的5 0 。这一预 测对整个仪器仪表领域，不啻是一次强烈的震撼。使从事电测仪器、分析仪器科 学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑 5 重庆大学硕士学位论文 战，认识到在2 1 世纪虚拟仪器不仅无容争议地将成为仪器的发展方向，而且必将 逐步一一取代传统硬件化仪器，使成千上万种传统的硬件化的电测与分析仪器都 演变成软件，融入计算机中。 2 2 原理及形成【3 5 】【3 6 】 虚拟仪器以p c 机为仪器统一的硬件平台，将测试仪器的功能和形象逼真的仪 器面板控件均形成相应的软件并以文件形式存放于机内的软件库中，同时在计算 机的总线槽内插入对应的、可实现数据交换的模块化硬件接口卡，若使库内仪器 测试功能、仪器控件的软件和由接口卡输入至机内的数据，在计算机系统管理器 的统一指挥和协调下运行，便构成了一类全新概念的仪器虚拟仪器。由于虚 拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，故虚拟式仪器被认为是软件即仪 器，这是对仪器概念的延伸，是仪器领域中的一次革命。 传统的硬件仪器，主要由机箱和主板；插在主板上的反映仪器功能、性能、 精度指标的各种电子卡板和与电子卡有序联接，用以控制仪器的工作状态、调用 仪器功能和参数的面板控件等三大部分组成。 典型的虚拟仪器系统的基本组成为：被测对象、传感器、信号调理、数据采 集卡、虚拟仪器软件和计算机系统平台。被测信号首先经过传感器转化为电信号， 然后由信号调理器进行去噪、滤波及前级放大等各种预处理，经过预处理后的信 号由数据采集卡进行a d 转换，成为计算机系统能够直接处理的数字信号，随后 由计算机系统内置的虚拟仪器软件完成计算分析、显示、存储及打印等工作。图 2 1 表示虚拟仪器的系统结构图。 图2 1 虚拟仪器的系统结构框图 f i 9 2 1s 劬c a x r ed i a g r a mo f v i r t u a li n s t r u m e n t 6 2 虚拟仪器 如果我们将p c 机作为一套带有智能化功能的仪器通用的机箱和底盘；把电子 卡组成的硬功能( 包括性能和精度指标) 库和面板控件组成的硬控件库实现软件化， 从而形成软件功能库和软件控件库，然后将它们送入计算机，在计算机内的一个 称为“框架协议”的专家系统内进行软装配、软连接、软组合、软修改、软增删 等一系列软性操作，最后便形成一台从外观到功能、性能、精度到操作方法都与 同类硬件仪器完全一样的虚拟仪器，图2 2 是虚拟仪器外观图。 。 、，7i 、，。 、 ，l ，一- ，一一? 一 譬l 瑟薰；毒l = = 昌= 图2 2 虚拟仪器外观圉 h 醇2 a p p e , , a m l c e o f v i r t u a lb e m 此时若在计算机的总线插槽上插入一块相应的模块卡，并在测试对象与模块 卡之间接入传感器，这样虚拟仪器便可与被测对象进行数据交换，从而实现其测 试和分析任务。圈23 表示一台软硬件完整，可供使用的虚拟仪器系统。 重庆大学硕士学位论文 。眵遗 皿莎 图2 3 虚拟仪器系统的构成 f 螗2 3 as e t o f v i r t u a l i n s h - u m e n t 2 3 虚拟仪器的特点 由于虚拟式测试仪器以计算机为硬件支撑，计算机技术的先进性，使它与传 统仪器相比具有一系列无可比拟的优越性。 功能的集成性 从数据采集到数据处理分析，结果打印，数据存储，需要多台传统仪器协同 工作。虚拟仪器则不同，一台传统仪器在这里变成了功能插卡和软件模块。需要 什么功能，只需在微计算机的总线插槽内插接相应的板卡，在存储器内装入仪器 的功能软件，然后调用相应的软件模块，就能方便她将多台仪器的功能集成在一 起。这不仅可以用一台计算机代替多台传统仪器，而且还免去了过去那种多台传 统仪器之间相互联接的麻烦。 方便性 方便性得益于集成性。在寝i 试过程中，能方便地实现从数据采集、存储到波 形显示、数据分析、结果打印等一系列工作。大容量存储设备的采用，使得数据 保存不成问题，对在线测试和多次测试有利，可保存多次测得的全部数据，以便 随时调用分析：也可对某个对象进行多次测试，并对数据存储，以得到更准确的 分析结果和统计结果。对于野外测量，采用虚拟仪器更为方便，不必携带大量笨 重而又昂贵的精密仪器，只需使用一台体积小、重量轻的便携电脑，便代替了众 多繁重的仪器使钡4 试工作变得轻松而叉简单。 经济性 性能优秀的传统仪器产品开发周期长，成本高容易过时：对于用户，则意 味着高价格和要求较高的日常维护和保养。特别是测多项参数( 如机械效率、温升、 油耗) 需要多台仪器( 两台转矩仪、一台温度仪、一台油耗仪) 价格昂贵且只能测 指定参数而不能它用。由于计算机软硬件技术的发展，特别是可视化编程语言的 2 虚拟仪器 出现，开发容易，周期较短；从用户方面来考虑，软件部分基本不需要什么维护， 各硬件卡也和微机显卡、声卡一样，保管和使用都非常方便。 可扩展性( 易更新性) 传统仪器是封闭系统，一旦过时，基本无更新改造价值，造成资源的浪费； 而虚拟仪器则是开放系统，稍加增删便可形成性能更新的仪器，而且始终可跟得 上计算机技术的发展。 开放性 计算机可很容易地实现功能扩展，适当增加软件模块和硬件板卡就可多一类 仪器功能。将卡插在计算机主板p c i 扩展槽上，安装相应的驱动软件即可使用。 易用性 计算机作为普遍的工具具有广泛的用途，这给虚拟仪器的推广提供了广泛的 基础，它使不熟悉传统仪器使用方法的用户也能进行测试工作。只要他会用计算 机，就可以在计算机友好的帮助下完成测试工作和对数据进行分析。依靠计算机 为基础的虚拟仪器为用户提供了传统仪器无法提供的方便和好处。 用户中心性 传统的测试仪器其功能特性是由仪器生产厂家确定的，用户只能按厂家规定 使用而不能改变仪器。虚拟仪器给了用户更大的自由，用户可按自己意愿组建。 这比传统仪器有很大的进步。 2 4 本章小结 本章对虚拟仪器进行了简要介绍，从虚拟仪器的概念、产生和现状到虚拟仪 器的原理，以及虚拟仪器的形成过程，并与传统仪器进行了性能比较，表明虚拟 仪器具有传统仪器无法比拟的一系列优点。 9 3 转子振动的机理和轴心轨迹特征 3 转子振动的机理和轴心轨迹特征 旋转机械的主要功能是由旋转部件来完成的，转子是其最主要的部件。本章 主要介绍了转子振动的基本特性，转子正常工作状态下和常见故障状态下的轴心 轨迹特征，根据这些对应关系可以判断一些常见的旋转机械故障。 3 1 转子振动的基本特性【3 7 】【3 8 1 1 3 9 1 1 4 0 l 旋转机械的主要部件是转子，其结构形式虽然多种多样，但对一些简单的旋 转机械来说，为分析和计算方便，一般都将转子的力学模型简化为一圆盘装在一 无质量的弹性转轴上，转轴两端由刚性的轴承及轴承座支承。该模型称为刚性支 承的转子，对它进行分析计算所得到的概念和结论用于简单的旋转机械是适用的， 由于做了上述种种简化，若把得到的分析结果用于较为复杂的旋转机械时不够精 确，但基本上能够说明转子振动的基本特性。 大多数情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点在同一 水平线上。设转子上的圆盘位于转子两支点的中央，当转子静止时，由于圆盘的 重量使转子轴弯曲变形产生静挠度，即静变形。此时，由于静变形较小，对转子 运行的影响不显著，可以忽略不计，即认为圆盘的几何中心0 与轴线a b 上d 点 重合，如图3 1 所示。转子开始转动后，由于离心力的作用，转子产生动挠度。此 时转子有两种运动：一种是转子的自身旋转，即圆盘绕其轴线a o b 的转动；另一 种是弓形转动，即弯曲的轴心线a o b 与轴承联线a o b 组成的平面绕a b 轴线的转 动。 图3 1 单圆盘转子 f i 酪1s i g n a ld i s kr o t o r 圆盘的质量以m 表示，它所受的力是转子的弹性力f f = 一切 ( 3 1 ) 重庆大学硕士学位论文 式中，七为转子的刚度系数，a = o o 。圆盘的运动微分方程为 摩爱三：1 0 , b 2 ， 【彬= e = 一 、7 三二粪二二三 ( 3 3 ) 令国= 七m 则。 髂yy c c o s o s ( 蛾c o 捌 ( 3 4 ) i =+ 吼) r 7 式中，x 、y 为振动幅度；纯、缈，为相位。 由( 3 4 ) 式可知，圆盘和转子的中心d ，在相互垂直的两个方向做频率为的 简谐振动。在一般情况下，振幅x 、】，不相等，0 点的轨迹为一椭圆。0 的这种 运动是一种“涡动”或“进动。转子的涡动方向与转子的转动角速度彩同向时， 称为正进动；与国反向时，称为反进动。 3 2 转子正常工作时的轴心轨迹特征 转子的无故障状态，即转子处于平衡状态、对中情况良好、转轴界面的径向 刚度相等、转轴与机壳之间无摩擦等条件下的状态。在此情况下，转子运动不受 干扰。频率成分以一倍频为主，混有少量噪声成分。理想轴心轨迹为圆形，但由 于实际上不平衡总是存在的，轴心轨迹往往是椭圆形。正常情况下的轴心轨迹与 不平衡的轴心轨迹在形状上相同，但正常情况下的振幅比不平衡时要小得多。 3 3 转子常见故障原因及其轴心轨迹特征3 7 】【3 8 】【3 9 】【柏】 3 3 1 转子不平衡 引起振动的原因有很多，但转子的不平衡是引起机器振动的主要原因之一。 转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋转 机械最常见的故障。据统计，旋转机械约有一半以上的故障与转子不平衡有关。 因此，对不平衡故障的研究与诊断也最有实际意义。 造成转子不平衡的具体原因很多，按发生不平衡的过程可分为原始不平衡、 渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。按其机理又可分为静失衡、力偶失衡、 准静失衡、动失衡等四类。 1 2 3 转子振动的机理和轴心轨迹特征 转子的不平衡会产生下列不良后果： 引起转子的反复弯曲和内应力。这种弯曲和内应力会引起转子疲劳，甚至 引起转子断裂。 引起机械产生振动和噪声，会加速轴承等零件的磨损，降低机器的寿命和 效率。 转子的振动会通过轴承、基座传递到基础和建筑物上，恶化了工作环境。 由质量不平衡引起的转子不平衡的振动特征是： 轴心轨迹为椭圆，如图3 2 所示。 振动的时域波形近似为正弦波。 当工作转速一定时，相位稳定。 频谱图中，谐波能量集中于基频。并且会出现较小的高次谐波，使整个频 谱呈所谓的“枞树形如图3 3 所示。 稳态振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速按振动理论中的 共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。因此转子不平衡故障的突出表现 为一倍频振动幅值大。 从轴心轨迹观察其进动特征为正迸动。 图3 2 转子不平衡轴心轨迹 f i 驴2t h eo r b i to fu n b a l a n c e dr o t o r 图3 3 转子不平衡的频谱 f i 庐3t h es p c c t r t l m o fu n b a l a n c e dr o t o r 重庆大学硕士学位论文 3 3 2 转子不对中 大型机组通常由多个转子组成，各转子之间用联轴器联接构成轴系，传递运 动和转矩。由于机器的安装误差、工作状态下热膨胀、承载后的变形以及机器基 础的不均匀沉降等，可能会造成机器工作时各转子轴线产生不对中。 具有不对中的故障转子系统在其运行过程中将产生一系列有害于设备的动态 效应，如引起机器联轴器偏转、轴承早起损坏、油膜失稳、轴弯曲变形等。导致 机器发生异常振动，危害极大。 转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种情况。轴径在轴承中偏斜成为 轴承不对中。机组各转子之间用联轴节连接时，如不处在同一直线上，就称为轴 系不对中。轴系不对中又分为平行不对中、角度不对中和综合不对中三种情况。 不对中的作用就像转子上有一个不定向的预载荷，容易引起轴向振动。当转 子存在不对中故障时，具有以下特征： 转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主，随着不对中的情 况加重，二倍频所占的比例增加； 典型的轴心轨迹为8 字形，当不平衡和不对中故障同时发生时，为香蕉形。 图3 4 不对中的轴心轨迹 f i 9 3 4o r b i to fm i s a l i g n m e n t 3 3 3 转子弯曲 转子弯曲与不平衡相似，但是两者是有区别的，质量不平衡是指各横截面的 质心连线与其几何中心连线存在偏差，而转子弯曲是指各横截面的几何中心连线 与旋转轴线不重合，二者都会使转子产生偏心质量，从而使转子产生不平衡振动。 转子弯曲有永久性弯曲和临时性弯曲两种情况。 转子永久性弯曲和转子临时性弯曲与转子质量偏心基本相同。其不同之处是， 具有转子永久性弯曲故障的机器，开机启动时振动就较大；而转子临时性弯曲的 机器，则是随着开机升速过程振幅增大到某一值后有所减小。 1 4 3 转子振动的机理和轴心轨迹特征 3 3 4 油膜涡动与油膜振荡 油膜轴承因其承载性好，工作稳定可靠、工作寿命长等优点，在各种行业中 都得到了广泛的应用。采用流体膜润滑轴承的目的主要是减少摩擦与磨损，但轴 承油膜对转子振动特性有很大影响。油膜振荡是轴颈带动润滑油高速流动时，高 速油流反过来激励轴颈，使其发生强烈振动的一种自激振荡现象。转子轴径在油 膜中的剧烈振动将会直接导致机器零部件的损坏。 油膜振荡的一般特征有以下几点： 油膜振荡约在轴转速为第一临界转速的二倍或二倍以上发生。 一旦发生振荡，振幅急剧加大，即使再提高转速，振幅也不会下降。 油膜振荡时的涡动频率约等于转子的第一阶临界转速，而与轴的转速无 关，所以也称为油膜共振。 涡动频率与转速有关。小于0 5 倍的转动频率，当转子支承系统出现油膜 涡动时，振动的频率成分中o 厂频率成分很大，0 与1 厂的幅值比随转速的变 化而变化。当0 厂与1 厂的振幅比在o 3 2 范围内，属于油膜涡动；当比值超过 2 0 ，则很快发展成油膜振荡。 当出现油膜振荡时，振动的主要频率成分近似等于转子系统的第一阶临界转 速频率。此时，o 厂与1 厂的幅值比大于( 2 6 - , 1 0 ) 。 油膜涡动对应的轴心轨迹一般是内8 字形，如图( 3 5 ) ；油膜振荡对应的轴 心轨迹为花瓣形，如图( 3 6 ) 。 油膜振荡为正进动，即轴心轨迹涡动的方向与转子旋转方向相同。 图3 5 油膜涡动的轴心轨迹 f i 驴5o r b i to f o i l f i l ms w i r l 1 5 重庆大学硕士学位论文 图3 6 油膜振荡的轴心轨迹 f i 9 3 6o r b i to f o i l - f i l mo s c i l l a t i o n 3 3 5 转子碰摩 在高速、高压离心压缩机和蒸汽透平等旋转机械中，为了提高机组效率，往 往把轴封、级间密封、油封间隙和叶片顶隙设计得较小，以减小气体泄露。但是， 过小的间隙除了会引起流体动力激振之外，还会发生转子与静止部件的摩擦。 转子碰摩的定量分析比较困难。一般来说，在频谱图上出现频谱成分丰富， 不仅有工频，还有高次和低次谐波分量。当碰摩加剧时，这些谐波分量的增长很 快。 转子碰摩故障的特征： 转子失稳前频谱丰富，波形畸变；轴心轨迹不规则变化，正进动； 转子失稳后波形严重畸变或削波，轴心轨迹发散，反进动； 轻微摩擦时同频幅值波动，轴心轨迹带有小圆环，如图3 7 ( a ) 所示。 碰摩严重时，各频率成分幅值迅速增大，轴心轨迹附加的小环也增加，如 图3 7 ( b ) 所示。 oo ( a ) 图3 7 转子碰摩的轴心轨迹 f i 9 3 7o r b i to f f r i c t i o n 1 6 ( 3 转子振动的机理和轴心轨迹特征 3 4 本章小结 本章介绍了旋转机械转子振动的基本特性，转子正常工作时的轴心轨迹特征， 以及各种常见故障下的轴心轨迹特征和转轴振动波形的频谱特征。通过识别这些 特征，就可以判断旋转机械转子的工作状态以及判别发生的故障。 1 7 4 轴心轨迹的