（测试计量技术及仪器专业论文）基于usb的振动信号采集仪的研究与实现.pdf

摘要 壤名：基予u s b 靛振动髂母采集仪的科究与实现 皴名：张搬伟 静师：黄石红 学校；东糍大学 燕文： 电厂旋转机械的振动问题是影响机纽安全和经济性的重要问题，目前的狄态监铡系统虽 然功麓强灭，餐不够灵活。有时不能及时茇境主概及鞴祝存在的故障，无法真正实现机组的 安全霹靠运行。 数据采集系统燕信纛辩学麴一令重要分支，宅磅究信慧数据鹃采集，存储、处理缓及控 截等，褥到了j l 泛的癌蹦。同黠，菠黄擞非系统全瑟的支持u s b 技本撂准，u s b 嚣赢崩正褥到 突飞猛进的发艘。本文所要论述的正楚如魁使崩u s b 这一凝璎总线形式，来实现一个振动售 母采集系统( 包括软，l ：番i 硬件) 。对旋转机械的振动信号进纷采集传输，以便对机城设备进行 状态监测上故障诊断。 本课题针对c h 3 7 5 接口的振动信号采集系统的设计。采用u s b 总线取代传统的数据采集 总线，论文首先介鲥了旋转机械振动的儿种旗抱故障机理、振动信号测鲑及处理方法，然后 研究7 u s b 的一些原理和基本概念通过对u s b 原理和设备构榘的学习和理解，对数据采集系 统进行了磺f i ：设计和软中 ：设计。 璇f 部分主要安瑗了擎片橇、u s b 遥蓿、数攒采样、 o 井潮扩盛等电路戳及它们之间静 接口设计。软p 编鞋主蘩分为两鄄分：一是为满是获得最大铸输速率鞫运行散率鳇溺伟箨痔 编挫+ 重点握予单片虮擞作u s b 与上位毫f 涯傧；二楚用户毋疆熬设计，重点在于v b 与鹳8 如舞 进行遇信。最聪。对本论文进 亍7 总结，并指出了后续一l ：作中震要注意的姆舷。 关键谰：振动信号，数据采集，通_ i j 串行总线，c 1 1 3 7 5 a b s t r a c 鼍 t i t l e ：s t u d y 毅堪r e a l i z a t i o no fv i b r a t i o ns i g n a ia c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s b n t r e e ：z h a n g7 _ , h e n w e j s u p e r v l i ：h u a n gs h i h o n g s e h o n hs o u t h e a s tu n i v e r s i t y t e x t ： v i b r a t i o no f r o t a t i n gm a c h i n e r yi sak e yp r o b l e mi nt h e r m a lp o w e r 耐甜壤m o n i t o t d n gs y s t e m u s e dn o wi sp o w e r f u l b u tn o tf l e x i b l ee n o g h m a l f u n c t i o nc a n tb ed e t e c t e de f f e c t i v e l y , t h u sc 锄 n o te n s u r et h eu n i to p e r a t i n gs a f e l y * d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，s t u d i e dm a i n l yo nd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t as t o r i n ga n dp r o c e s s i n g , i s 秘eo f t h ei m p o r t a n tb r a n c ho f 自：i e n e e ri sw i 鼬每u s e di na l lk i n 惑o f f i e l d sn o w a tt h es a m et i m e a st h ew i n d o w s 2 0 0 0o p e r a t i o ns y s t e ms u p p o r t st h eu s bs p e c i f i c a t i o nc o m p r e h e n s i v e l y , t h e a p p l i c a t i o no fu s b i sg o i 毽a h e a db yl e a p sa n db o u n d s t h i sp a p e rj u s tf o c u so nh o w 协a s i m p l ev i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s 8 t oc o l l e c tv i b r a t i o ns i g n a lo fl a r g er o t a r y 翔a c h i n e s oa st or e a l i z et h e $ 纽u i sm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so f t h em e c h a n i c a ld e v i c e 。 t h ee s s a ya i m sa td e s i g n i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mo r c h 3 7 5i n t e r f a c e ai n t h i sp a p e r , f i r s t l y , s e v e r a lk i n d so fv i b r a t i o nf a u l tm e c h a n i s m , t h em e a s u r i n ga n dp r o c e s s i n go f v i b r a t i o ns i g t m l m e i n t r o d u c e dd e t a i l y w i t h w e l l u n d e r s t a n d i n g o f u s bp r o t o c o l a n d d e v i c e 扭懒文 t h es y s t e mi sd e s i g n e du s i n gu s bi n s t e a do f o t h e rb u s e s t h ef o l l o w i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e d ：c o n t r o l l e r , u s bc o m m u n i c a t i o n s , d a t as a m p l i n g , f o e x t e r n a le x p a n s i o nc i r c u i ta n ds oo n i n t e r f a c e sb e t w e e nt h e ma r ea l s od e s i g n e d t h es o l h v a r e p r o g r a m m i n gm a i n l yc o n s i s t so ft w op a r t s ：f i r s t , t h ef i r m w a r ec o d ei nt h ec o n t r o l l e r , w h i c hi s u s e dt od e r i v et h em a x i m u mt r a n s m i s s i o ns p e e da n de f f i c i e n c y s e c o n d l y , t h eu s e ri n t e r f a c ed e s i g n , w h i c hi sm a i n l yu s e d 倚r e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e i lu s ba n dv b f i n a l l y as u m m a r yo f t h i st h e s i sa n dt h ep r o b l e m st h a tn e e dt og e ta t t e n t i o ni nt h ef o l l o w - u pw o r ka r eg i v e i l k e y w o r d s ：v i b r a l i o ns l g n 蝴，d a t aa c q u i s r i o n ，u s b , c h 3 7 5 l l 东素大学学位论文独锢性声明 本人声明所矍交的学位论文是哉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，论文中不包台其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包禽为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使朋过 的材料。与我一间工作的间志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 ， 研究生签名： 东瘫大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术佰怠研究所、国家图书馆有权保留本入所送交学位论文的 复印件鞠电子文档，可以采用影印、缩印或其绝复制手段保存论文。本入电子文档的内 容和纸髓论文的内容相一致。除在保密斓内的保密论文外。允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊鼗) 论文的全部或部分内容。论文的公稀( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 东南丈学硕士学位论文 1 。1 选艨背景 第一章绪论 电厂汽轮机组在运行中产生振动魑一个非常严重而且又不可谶免的现毅，汽轮发电机组 运行的可靠性，在缀大程度上可以认为悬由枫组的振动状态赝决定的。汽轮发电机维振动， 其危害性是较大的。搬动在一定范围内，机组可以长时同邋行，振动过大时将会缩短寿命，损 坏部件以至干机组无法运行甚至发生危险。 一些新投运机缴和在役大机组由予振动敲簿影响生声的事例时有发生。倒如，2 0 0 2 年某 电厂引进的6 6 0 唧机缀发电机的振动问蹶，历时一年才得以解决，经济损失艇大；2 0 0 3 年仅 广东省就有3 台大型梳组发生搿压转子永久弯辘黧大事故。瑷一台2 0 渊爵的汽轮机发电机为 例每停机一天，则少发电4 8 0 万千瓦时，经济损失高达数百万。 豫茈之辨还包话众多分散静辅辊设鬻，在辅梳巍中囊转梳械占了i 蕤大沈重。毽括密漂辘、给 水泵、送风机、引风机等。据国家电力可靠性管理中心2 0 0 0 年对龛国2 0 0 m w 及以上机组 胃箍佳性熊糖振缝谤公毒秘绫诗结采羲示：藿肉低速瘗攥梳羧簿攀这弱7 5 5 次碡：，津计翻 停运率为1 3 1 ：给水泵故障率达到6 0 4 次，年，非计划停运率为o 6 6 ；邀风机故障率为 0 4 5 次绰，l # 诗刘搏运率为0 0 6 ；l 鼹辊鼓鼯率先l 。l l 掘年， 诗划痒遴搴为e 1 。奄 厂机组的生臻辅机非计划停避原因很复杂，但从总的情况来看，旋转机械部分振动过大是引 起瀑疫裹，薅擐的较建主要联因i i l 。 利用旋转机械在运行中产生的振动信号进行故障诊断，是目前最常用的诊断手段。主要 因为振动信母中包含了丰富的故障信患，有时还4 # 鬻壹瓣，其测试分析手段、方法靼理论比 较成熟。尉此对振动信号的采集和分析就可以判断出机械的状态燎胥正常忙i 对于现场振动信号通常的采集方式是通过数据采集卡，常塌的有a d 卡，以及4 8 5 等总 线板卡。由于采用板卡不仅安装麻烦、荔受机箱内环境的干扰，而殿计算机插槽数量和地址、 中断资源有限不可能桂接很多设备最大的不便就是每一次插入戏拔除扳卡时，都不得不 鬟复关翻枫嚣、插入板卡、稿动枫器、安装驱动，进行调试等一系列繁杂的步骤。 u s b 接口是近年成熟并在p c 、笔记本计算机中得到广泛使用的新的计算机总线接口。1 9 9 4 军，i n t e l ，c o m p a q ，d i g i t a l ，1 8 狐m i c r o s o f t ，k e c ，n o r t h e r nt e l e c o m 乇窳整界著名静计 算机和通讯公司成立了u s b 论坛花了：i 瞪两年的时间形成了统一的意见，于1 9 9 5 年1 1 月正式 裁定7 u s b o 9 逶嗣攀行悬线( u n i v e r s a ls e r i a l 秘s 蔑熬。1 9 9 7 年嚣戆青囊芷符台满8 接零 标准的外设出现。u s b i 1 是目前推出的在支持u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准。1 9 9 9 零镪在i n t e l 约舞发毒论坛大会主，与会毒奔绍了u s b 2 。0 癯范，该撬范静支挎尝除7 琢育静 c o m p a q ，i n t e l ，m i c r o s o f t 和n e c 四个成员外，还钉惠普、朗讯和飞利浦三个新成员。 u s b 接搿比起啦缝驰接口形式舂着嚷显的优势峰 ( 1 ) 能够自貔检测外设自动地进行设备驱动、设置： 第一章绪论 ( 2 ) 适应不同设备，传输速率从几千比特率到几十兆比特率； ( 3 ) 支持对多个设备的同时操作； ( 4 ) 有着出错处理差错恢复机制； ( 5 ) 与p c 机的即插即用的体系结构的一致性： ( 6 ) 价格低廉； u s b 2 0 向下兼容u s b i i ，数据的传输率将达到4 8 0 枷o p s ，还支持宽带数字摄像设各及下 一代扫描仪、打印机及存储设备。它的出现大大简化了p c 机和外设的连接过程。使p c 机的接 口的扩展变得更加容易。 对电厂各种类型的机械进行日常维护、监测，使得其向小型化、便携式、通用化方向发 展。这种类型的小仪器只需要现场的工人携带在身上定时从机组外壳取得振动信号( 通过传 感器) ，并在现场进行简单的计算判断存储后，就可传输给计算机进行处理。 目前很多大型电厂都配置了大型的故障诊断专家系统，它们功能强大，知识库丰富，诊 断能力强，但是它们也有一些弱点，如只能监视一些重要的部件，不易携带，不够灵活操 作复杂。而便携式故障诊断仪恰恰弥补了大型故障诊断专家系统的这些缺点 4 1 。虽然它的功 能还不如大型故障诊断专家统丰富，但是仍可以解决大部分的故障诊断。因此目前许多厂家 把大型故障诊断专家系统和便携式故障诊断仪相结合使用，大大提高了故障诊断的成功率和 效率将许多隐患消灭在无破坏状态，避免了许多大的灾难。本课题所研究的便携式数据传 输仪是便携式故障诊断仪的重要组成部分，有实际需求背景，可以预测它的前景是光明的。 1 2 国内外现状 1 2 i 数据采集技术的发展 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 0 年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目 标是测试中不依靠相关的测试文件，由非髂练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高 速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多 传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在6 0 年代后期，国 外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统 吼 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机融为一体的数 据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采 集系统，因此获得了惊人的发展。从7 0 年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一 类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数 据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通 用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，类以仪器仪表和采集 器、通用接口总线和计算机等构成例如：国际标准i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接口总线系统就是一个典 2 农南大学确士学位论文 型的代表。这类系统斑要用干实验室，在工业生产现场也有一定的虚用。第二类以数据采集 卡，标准总线和计算机构成，倒如：s t i ) 总线系统是运一类的典型代寝。这种接口系统采用积 木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然簸由一台计算机控制。第5 - 2 类系统在工业 现场威用较多。这两种系统中，如聚采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，绒 搀耘卡再添粕裂专用鳃机麓帮可完成硬件乎台重建，显然，这秘系绞比专耀系统爱涯霉多。 2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化。工业计算机、单片机和大规模集成电 路豹缀会，麓较箨譬疆，使系统静戒本终低，体耪磺夺，功l 毙残倍磺魏，数据楚璎能力太大 加强。 2 0 世纪9 0 年我至今，在蠲际土技术先遴嬲国家，数据采集技术穗经在军事、航空电予设 备及字航技术、工业等领域被广泛成用。由予集成电路制造技术的不断提瘫，出现了高性能、 高可靠性的单片数揩采集系统。目前有的数据采集产品精魔己达1 6 位，采集速度每秒达到几 十万次以上。数据采集技术融经成为一种专门的技术，在工业领域褥到了广泛的艘用。该蹬 段数据采集系统采用盟先进的模块式结构根据不同的应用要求通过简单的增加和更改模 块，势维会系统编撵，裁可扩展或修改系统，迅速蛾组藏一个錾黪系统。该黢段数摆采集系 统向i 断速、模块化和即插即用方向发展。 麓着善， 徽电子技术、诗雾枫技术、溅投技术秘数字遴僖技术舱发蓑，嚣蘸翟努数据采 集技术己经较韧期有了很大的发展。从近来阑外公司展示的新产品可以看出，主受的发展可 蕊繇播为功能多样，体积减小和使辩方便等三个方蕊。 目前，低速、低犄度的数据采集器技术已经比较成熟，但是高速度、商精度、远距离的 数据采集器的制作还有许多的技术嘲难。以数据采集行业的佼佼者n i 公司为例，数据采集系 统的锯种各样的技术解决方寨中，基于计算枫的数据采集嚣大部分都屡予低速采集器，焉羼 大部分是基予p c i 总线的，也有部分p x i 、a t 、i e e e l 3 9 4 和并行方式的。6 0 4 0 e 是基于p x i 和p c i 豹，程1 6 位采集采集壤疫，采集速攀失5 x s o ，6 0 3 5 e 是蒸于u s b ，采集壤度1 2 鬣，最太采 集速率是l o o k s o 。 既辨，萄内一撬糖较、磷究辑及有关i 厂正在天为舞麓计算鞔检测与诊断系统及各种各 样的便携式数据采集器。如上海发电设备成套所研制的t g d - 2 旋转机械振动监测和诊断装舞， 北京石景由覆电厂程该厂的2 0 0 1 l w l # 汽轮机缀的德潮飞剽浦公司的r 淞7 0 0 虢测保护系统基础 上二次开发耐成的计算机数摆采集与管理系统，哈尔滨电工仪表所，清华大学研制的2 0 0 瓣 汽轮机状态j | 氛测、分析与故障诊断系统等，与国外相比，虽然起步较晚，但是发展速度很快。 1 2 2u s 8 在数据袋集系统豹应翻现状 爨裁，农工业控剑襄监测领域，慰现场数据黪采集基本采用戥下的摸妓：霪弩经过黉感 器将模拟墩转化为数字量，然后经过数据采集单觉进入上位机，然后对现场的数据进行分 拆楚疆。数攥采集摹嚣与上像撬静遴禳手段在0 s b 采壅瑗鞋籍，主蘩透过r s 4 8 5 慧线或上谴撬 内置的i s a p c i 板卡两种方法。r s 4 8 5 是一个扩展性能良好的低速总线，被广泛应用在温度、 压力，流量的数据采集中，徽是今天的工业环境日蘸复杂，我们所面对豹对象种类和数据大 3 第一章绪论 稻增加，翔电信领域的数据监铡。i n t e r n e t 的数据流量监溯，数据流量越来越大，显然r 8 4 8 5 的传输带觉远不能达到要求。i s a p c i # 给我们提供了满足耍求的另外一种选择，p c i 的最大 传输速率这铡1 3 3 m b p s ，完全可以满足簧求，但识安装麻颊、容易受翻机箱内环境干扰，而 且受计算机内插槽莆i 地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设铸。u s b 总线的出现改变了 过去+ 几年入钔美予数据采集系统死_ 静援式的剃有蘑维，醛b 总线鬻继承了r s 4 8 5 总线的可扩 展性，又一定程度上增加了对带宽的适应性，同时克服了p c i 卡的一些尉有缺点，可以连接 在箱舞，誉受鼙| 捶穗鞠孛蘩等其它聚割。 u s b 接口进入数据采集领域是从1 9 9 8 年开始的，当时i o t e c h 和n i 两家公司首先在他们的 数据采集纹嚣孛使_ l 了u s 鹋辩，耱磊诲多著名 更器公司都接纳了u s 8 接口。2 0 0 0 年，横潺毫 机开始在数字示波器上安装u s b 接口。之后安捷伦、力科、泰克亦在数字示波器上配备u s b 接霸。2 3 每，嚣为安捷绝和n l 在广泛艘臻豹袭孝菝纹器软搏结麴( v l s a ) 静l 两层增热了对璐b 的支持，所以u s b 接口普遍被螽式、便携式、模块式测量仪器接受为标准接口之一。传统的 r s 2 3 2 接口仪器也可以遵过溺b r s 2 3 2 转换器与台式耪笔记本电脑逡接。经避实际应用，证明 u s b 接口在数据采集领域中确实是简单方便和低成本的互琏技术，怯在数据采集领域取得了 令人瞩目的成果 6 1 。因此璐b 慧线成为爨靛设计可扩展性数据采集系统的最镶选择之一。 1 3 本文研究内容 本课题的目的就是将u s b 技术应用到振动信号采集系统，拟设计一个将振动信号转化为 谤舞枧可以接受的数字信号，_ 磐通过u s b 慧线送到计算枧形戏数据文傅势进移处理静软埂锌 系统。该系统具有多路数据采熊能力，具有较好的实时性羊较高的数据精度。带有c p l d ，和液 晶餍显示一媲必要数据。通过对u s b 协议和设备构架的充分理解，对u s b 设备设计开发方法及 步骤的学习，完成系统的硬件软件设计殿调试。全文工作内容如下： 首先介罄l 了常j l ! l 旋转机械振动的参数和故障虮理。包括转子不平衡、转予弯曲、轴系不 对中、油膜涡动和油膜振荡、动静碰摩等故障机理。然后叉介绍了振动测鬣技术，包括相对 振动测量、绝对振动测量以及搬动相位测量的方法。振动傣号分析方法包括振动信号的时域 分析、振动信号的鞭域分析方法等。对强动信号的分析，遁常是馥快速博赢竹交换鸯基础， 然厢对信号在幅值域、时域及频域上分别进行一系列的变换与处理。 u s b 是一牵争先逮酌接叠标壤，支持帮捶鞠掰、热插援，潞b 接日本身具有电源线，霹为外 设提供稳定可靠的工作电源，现在基于u s b 接口的振动测试仪器有逐步取代其他接口的趋势。 在第二章孛童要对u s b 基线豹转辕摄理秘u s b 传蠊蠡冬舔分豁议律了磺究。箕串镪捂各种惹线援 术的对比研究、u s b 总线定义、不同传输类型的技术特点、数据格式、事务处理等，为以后 王程实现螅惩嚣论述锻驽理谂籍谖的键簧。 第三章对系统整体设计进行了把握并且研究了信号采集的相荚理论知识。最后根本系 绕瓣慧体要壤设计出了系统鳇憨俸续稳。 u s b 数撼采集系统硬件部分的总体设计应围绕u s b 处理芯片0 1 3 7 5 和单片机在其纂础上 4 东南火学硕士学位论文 进行扩展，选择其他的元器件，设计出岛其相配套的电路部分。针对硬件电路的各功能模块 的具体实现。第三章做了详细的闸述。包括核心电路c l l 3 7 5 接口电路，以及信号调理电鼹。 a d 采集电路，键盘液晶显示电路等。 软件部分是系统的“灵魂”。在第四章中。对下位机稷序，上使机应用程序的各个主要 功麓模块散了详细的论述，下彼祝方面生要讨论了单片机以及外围备个器件豹编程问题。重 点解决了单片机操作c 1 1 3 7 5 与上位机通依的问题，上位机方丽研究了c 1 1 3 7 5 动态链接库的操作 方法，班及麴何使蠲数据痒控俘a d o t t 作数据簿铸内容，赛现了￥# 每c h 3 7 5 疆倍，最衙给出 了运行结果。 第二牵旋转橇镰撵魂特点琵纛魂信等湃蠢薤理方法 第二章旋转机械振动特点及振动信号测量处理方法 旋转机械振动监测和故障诊断是- f 综食性的学科。它是借助机械振动、转子动力学等 理论深入研究和认识设备的故障机理；运用现代测试技术、测量技术、测黉与监视伴随设备 运行的振动、噪声、温度、压力、流量等状态参数：利用信号分析与数据她理技术，对这些 参数静禳撅或数字信息进行巯理；建立动态信息与设备故障之间的联系班计算机技术为核 心，建立敬跨罄溅岛诊断静系统。 旋转规挑的主要构成部件是转子、支撑转子数轴承、定子、搬器壳体，联辘苇，北势还 有齿轮传动部件及密封等。旋转机械在发生赦障时，往往在振动状况方恧德至q 体现。通常有 如- 卜，两类性质不同的振源会引起部件和机体的振动； ( 1 ) 由于机械运动部件的质数不平衡、几何轴线不对中、齿轮啮合不好、传动件配合 失当，轴颈轴承问隙过大等引起的机械强迫搬动，其中包括周期振动，冲击振动，随机振动 等，弼爵还 超嗓声。这一天类振动多髓轴转速为褶藏涵数。 ( 2 出予结构晌痰、垂激振动或环境振动；l 起豹搬动稚应，妇：流体的嚷激摄动，鞠 承的油蟆振动、部件本身的响应振动，续鹈l 瞄龆撮动等。这类振动豹黪点楚与旋转极壤斡转 速无直接关系。 由于转子、轴承、壳体、联轴节、密封和基础等部分的结构及加正和安装方面的缺陷， 使机器在运行时引越振动过火的振动又往往是机器破坏的主要原因，所以对旋转机械振动 的测麓、簸税和分析都稚常重簧。叉由乎振动这个参数沈其拖状态参数如：润滑油或内部流 俸静湿度、压力、流量或奄瓿豹电流等受能蠢接建、靛速准确逮爱浚菪| 组运孪亍获态( 繇正常 状态还是努棠状态 ，联以振动一般非为对撬组牧；蠡进行诊叛的主要依据。阁此了解帮掌握 旋转机械在故障状态下的振动机理，对予监测旋转机械的状态和撮离诊断故障的准确度具有 重要的理论意义。 2 。1 篷转援辕振动整蔫熬基本爹藏 作为单一频率的振动信号，数学公式可袭示为； 。f ( x ) = 4 + a s i n ( 2 7 r f l + d ( 2 1 ) 式( 2 。1 ) 中焉袭示饿号妻漉分爨；a 表零售号交藏信号黝蛭馕；秽表示分辑孵刻的奶始橱攫 振动镕号豹监渊实黪上赣是磷定各个谐波分囊懿上述各参数 ( 一) 动态参数：它楚反映视械憝予稳态对摄动静特征参数。 ( 1 ) 振动幅值：它是衡罱机械振动大小的标志，遥常可以用能移、速度、加速度兰种方式来 表示。一觳在低频搬动中用位移来表示，高频或冲击振动用加速度表两鼍。中频用速度表示。 在实际瘦嗣孛撅辐还可默鼹峰峰筐，平均值、有效僵表示。 6 东南丈学硕士学位论文 ( 2 ) 振动颓率：由于机械的不间的故障通常表瑰为不同频率的信号，所以通过分析信号的频 率是诊断设备故障的最为常用的方法。 ( 3 ) 振动相德：相德戆指信号相对参考时刻发生先后的时阕差。一般用角度表示。 ( 4 ) 峭度系数：它是反映时问序列分布特性的数值统计量；在数学公式上被定义为观铡4 样本的 嚣输中心缀。 ( 5 ) 振动烈魔：它被定义为振动速度的有效值，所以它反映了振动能量的大小，反映了振动物 体豹强覆 ( 二) 静态参数：静；菸参数是搬稳定状态下机嚣备部件所处位置的参数 ( 1 ) 偏心位簧：指轴承中心相对于轴颈中心的位鬣，若偏心位置偏离正常值道大有可能发生 轴承碰磨故障，它遇常用二个薅直于转轴的传黪器来监侧； ( 2 ) 轴向位鬣：它是指旋转机械中转子岛静子之闻的轴向阚隙若它们离正常值过大有可能 发生碰磨故障，它邋常用一个和转轴的轴心同方向的传感器来监测； 3 ) 偏心度：它表示转轴在静淼时的挠壤，对偏心心度韵j | 茳视可以预防出现驾轴事敲，它的 监视方式同偏心位置的监测； ( 4 ) 差张：它是指旋转机械中的转子与静子之闻轴向间陈的变化值，对它的髓褫是为了防止禹 转予和静子由于膨胀的位移不同而造成轴向碰磨事故，尤其对保证机组启动的安全时特别有 意义，它黪簸褫方式阚辘囱链譬秘釜测 ( 5 ) 机壳膨胀：它是指机壳相对地基的位移； 6 ) 对孛疫：它表示毒蠡幕备转予趣妻孽连接辩孛疆袭： ( 三) 工艺参数：机器设备系统的有些故障往往反映在一赂工艺参数上 ( 1 ) 温度； ( 2 ) 压力： ( 3 ) 流量； 2 。2 囊转撬辕圭樊振动载猿 2 。2 。1 转予不平簿振动 由于设计、制造、安装中转子材质不均匀、结构不对称、加工和装配的误差等原因和由 予褫辘运舒审结辗、熬弯蠡、零部锌聪落、电磁予撬力等琢西磊产憋矮量俊心。转子旋转对， 质艇不平衡将激起转子的振动，这是旋转机械域常见的故障。它约占了故障总数的8 0 。随 蔫赘 建厂撩王、装配猿痘鞋及奄厂捡骖璜量豹举蘩提毫，这类薮糍豹发生率正在逐海减多。 转子不平衡是旋转机械生硬的激搬源，也是许多自激振动的触发因素。不平衡会引起转 孑兹挠夔耱内应力，壤规器产生振动嚣l 噪声。热遽辘承、辍封等零转戆囊攒，降绦撬器瓣工 作效率，引发各种事故。此外，振动还会通过轴承、机座缚传到基础和建筑物，恶化附近的 ， 第二章旋转j i l 链雏动特点及销动信号测量处骥方法 工作环境。转子的质鬟不平餐绣产生的襄心力始终终闺在转子上，它辐辫子转子是静废熬， 其搬动频率就是转子转速频率，也牵8 ：为工作频率，在频谱分摄时，巷先要找到的就是工终频 率成分。不平衡的主戮特征有： ( i ) 对于刚性转子，不平衡产生的离心力与转速的平方成正比，露在轴承座测德的搬动隧 转速增加而加大，但不一定与转速的平方成磁比，这是由于轴承与转子之问的非线性所致。 ( 2 ) 在临界转速附近，振幅会出现一个峰值。 ( 3 ) 振动频率和转速频率一致，转速频率的商次谐波幅值根低。 由于转予残余不平衡的积累、材质不良、安装不当等原因，即使机组在制造过程中己对 各个转予作了动平衡，但是装配起来的转子系统还是存在固有不平衡。为消除量不平衡产生 的掀动，应在平衡机或现场作动平衡，加以校正。诊断不平衡的方法有很多，其中最简便而 有效的方法麓迸行颓谱分祈，故障主要由一倍频反映出来。 2 2 2 转予弯曲 转予弯曲包括转予弓形弯曲和临时性弯曲两种故障。弓形弯曲是指转子轴呈弓形它 是由于转轴结构不合理、制造误差大，材质不均匀、转子长期存放不当等，发生永久弯曲变 形或楚由于熟态箨机时来及时盘车、热稳定性麓、长期运行届转轴自然弯曲加火等原因造成。 转予牾时性弯曲是指转子的转轴有较大预负荷、开杌运行对暖机不足、升速过快、加载太大、 转鞠热变形不均匀簿骧闵造成。僵这两种敌障的税理魑相黼的。旋转轴弯曲时，由于弯曲 掰产生酌办和转予不平衡群产生豹力辐谴不同，两者之闯稽互律镉有所抵消，转轴的振幅将 在某个速度f 减套。当弯麴的季 ；墙小予不平鬻对，振柩的减，j 、发生r 龟稿拜转速瑷。f ：当弯曲 豹作趔太予不平饕嚣孝，振幅麴减夺裁发生在牾界转速塔上。转子弓形弯曲和转子裕对性弯魏 豹数障诊断，与转予不平簿的诊凝方法基本樱霹。其不霹之处是，具窍转子弓形弯麴簸簿的 帆爨，开虮启动时振动裁较大：露转予妊冀重性弯蛭的枧嚣，是睫羲舞壤舞速过程擐壤增大裂 某一值后振幅寓所减少。 2 2 3 转子不对中 旋转规槭一般是多搬转予袋鳃成瓣多转予系统，转子闻一般采用剐瞧绶半挠性联李蠹节联 接。由于劐造、安装及运霉中支承轴絮不均匀膨胀、管遴力作用、枫先膨胀、缝基不均匀下 沉等多神原因影响，造成转子不对中故障，从蕊；l 起机组蛇振动。 转子系统机械故障的6 0 是由不对中引起的。具有不对中故障的转子系统在其运转过程 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、轴承早期损坏，油膜失稳 和轴的挠曲变形等，导致机器发难异常振动危害极大。转f 不对中的轴系，不仅改变丁转 乎轴颈与轴承的相互位蓬利轴承的工作状态，同时也降低了轴系的固有频率。轴系由于转子 不对中，使转于受力及支承所受的附加力是转子发生异常振动和轴承早期损坏的重要原因。 联轴器韵结构种类较多。大型高速旋转机械常用齿式联轴器联接，齿式联轴器联接不对中的 s 农臻天学硬士学位论文 振动祝理建，馋残联轴器是最具代袭幢的允许综合位移的联轴嚣，为一般大型旋转设备所采 用。它由两个具有外齿环的半联轴嚣和具有内齿环的中间齿凄组成半联轴器分别岛主动轴 和从动轴联接。其不对中形式有三种，即轴线平行位移不对中、轴线角度位移不对中，和轴 线综合位移不对中。 当规缀辆系每转手之阂鹑联接对巾趣差辩，蕴式联轴嚣内强嚣嚣翡接皴馕提都发囊了交 纯。齿式联鞠器联接的不对孛的转予系统，箕主要振动特袄务： ( 1 ) 由不对中故障产生的对转子的激励力帽，随转速的升高丽加大因此，高速旋转机械应 更加注重转予的对中要求； ( 2 ) 激励力幅均不对中量成正比，随不对中量的增加，激励力幅里线性加大； 3 ) 轴系转予在不对中绪况下，中闯壤套的轴心线相对于联辍嚣豹轴心线产生相对邂幼，在 平行经移不j i 重巾瓣静离转轮薅鸯一圈较镩，角位移不对孛孵为一疆锥俸，综台往移举辩中嚣重 是介于二者之间的形状。回转体的回转范围由不对中量决定； ( 4 ) 轴系具有过犬的不对中量时，即使转予能够联接上也套导致联轴器不符合萁邀幼条件 而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和附加轴向力，使转予发生异常振动和轴承早期损 坏，这对转予蒜缝其有更太的破坏性 2 2 。4 泊壤辨渤釉油膜振荡 轴在轴颈中作偏心旋转时，形成一个进口断面大于出口晰硼的油楔，如果进1 2 1 娥的油浪t 流速不能马上”f 降一则轴颈从油楔中间隙大的地方带入的油擞火于从间隙小的地方带出的油 量。由于液体构举可压缩性，多余的油就推动轴颈翦进，形成姆轴旋转方向相同的涡渤运动， 禚动速疫嚣必演撰本赛豹蓑遂速瘦。演羧振荡的主要特薤鲡下： ( 1 ) 油膜满霸廷有当角频率高于第一阶临界频率时才可栽麓嫩； ( 2 ) 油膜麸报时，轴颈中心的涡动频率为转子一阶固有频率： ( 3 ) 油膜振荡飙有惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速和降速时油膜振荡消失时的转速 不同； ( 4 ) 涵貘振荡辩轴心羁动约方自积襞予旋转考羯耜嗣。 2 2 。5 动静麟擦及其诊断 汽轮发电机组转动部件与静止部件的碰摩是运行中常见故障。随着现代机组向着i 断性 能、高效率发殿，动静间隙交小，碰腾韵砸能性随之增加。碰摩饿转子产生非常复杂冉勺搬动， 是转子系统发擞失稳的一个重要甄因，较者傻褥撬组出现强烈振动，严重熬可以恣成转辘永 久性弯蓥，甚至整个辘系毁彝a 霹忿辩汽轮发电梳缍磋摩的诊断和预报无疑会蠢效逸撵商 运行的安全性，防止重大事故发生。理论研究和实验室研究结果表明，不同类型的磁摩和处 于不同的发展阶段具有不同的故障特，饿，它们可以作为诊断的依据。机组动静碰摩遇常有下 列起因： 夸 第二掌旋转撬撼瓣动鞲森殛撵动信号测釜箍壤方潦 ( 1 ) 转轴振动过大。造成振动过大可以是质量不平衡、转子弯曲、轴系失稳等，不管何种 起冈，大振动下的转轴振幅一旦大到动静间隙值，都可能与静j e 部位发生碰雕。因此，和动 静碰摩有关的机组故障中，碰摩常常是中问过程而非根本原因； ( 2 ) 由于不对中等原因使轴颁处于极端的位置，整个转予偏斜。非转动部件的不对中或翘 魏也会寻致碰簿； ( 3 ) 劝静闻酿不是； ( 4 ) 旺体魏镶、弯虢或变形。 她外，豢霓教簿还鸯转予旋转失速、嚷振、冬过擞配台孛 避盈不足、支承系统捡动、密 封和闻踩动力失稳及转轴出璎裂纹等，在她不霉一一赘述1 7 1 【越。 2 3 振动溺董技术 一般来说，监测转予比测试轴承座藏撬宠戆援动偿患受失蠢接鞍毒教。褒出瑷鼓簿时， 转子上的扳动变化比轴承座及外壳要敏感褥多。尤其是当支承系统( 轴承瘫、簇体及基础等) 的刚度相对来说较硬时( 或者说机械阻抗较大) ，轴颈的搬动常常可以比轴承座的振动大几 倍到十几倍。不过监测转子轴的振动常常要比测量轴承座或外壳的振动需要更高的测试条 件和技术，其中最基本的条件是能够合理安装传感器。在高速大型旋转设备上，传感器的安 装位置常常是制造时留下的，目的是对设备实行连续j i 茳视。而对低速中、小设备来说常常不 其备这种条件。在此种情况下，可以选择在机壳域轴承座上放簧传感器进行测试。 2 ，3 1 转轴振动测量 旋转机械的振动测试，一般测量三个方向，即水平方向、垂直方向和轴向方向，因为 不同的故障在不同的溯量方向上有不同的反映，鞫：如，不平衡在承平方向松动在垂直方向。 不对串在辅商反映较强。对于转轴的振韵测薰可虢分为相对振动涮麓和绝对振动测量 测鼙转轴棚对搬动鹫蔫主要采雉魏楚湃流传感嚣。采蠲电满瀛传惑器测鼙转辘的襁对 擞动蛙，为了能测量垂直翔水平方肉振动，一般褒一令艇是平瑟上安装廷令漏流传感器麴圈 2 3 所示。 x湫 tl 厂 、 萄2 3 测量转轴相对振动时电涡流传感器安装方式 测量转辘振动的奄满流传藩器赢接翻定在支檠上支檠x 固定在轴瓦或轴承瘗士，因此 l o 末辩大学硬士学位论文 由此方法溅鼍如的是转辘辐对轴承窿的掇动，帮转轴相对振动。目前转轴相对振动较绝对振 动应用更加广泛。在压缩机、航空发动机及高压汽轮机转予上，测量转子相对振动较转子绝 对振动更能有效地反映出机纽部件的焱危状况。 对于转轴的绝对振动测量有两种方法：接触式转轴绝对振幼测量和利用组合式传感器 测量转辘绝对掇渤。麓一种方法是一季争缝攀的测量转辘绝对缀勰麴方法，遥过承振耪一端连 接黏予辘上豹瀵块，舅一臻连接速度传蓐嚣。当转轴存在扳动糖，振动由滑块抟至承强抒， 再传至速度传感嚣便其产生振动信号。聪一种方法是将绝对式速度传感器和电涡流传雅嚣组 合成一体，用逋魔传感器测量轴承绝对搬动，用电涡流传感器测量转轴相对振动，然后将两 个振动信号( 必黛) 叠加，即可获得转轴的绝对振动 9 1 。 2 。3 。2 振动鞠翅戆溅耋 旋转机械中的相位是指基频脉冲储号相对于振动信号的菜点( 例如高点或雁向反向 零点) 的相位麓。在工程上最为有用的魁基频振动相位，在此生要讨论基频振动相位测量。 测量振动相位目前主要采用的脉冲法。脉冲法测量相位的纂本原理是：在转予上贴一反 光条或开一键襁，采用光电传感器或涡流传感器产生一个与转逑完全同步的脉冲僖蟹，求脉 孛薅号嚣溢冬藏貔信号菜一煮之翔豹鼷蒜，静为振动援霞。胡德骞不嗣戆谵霎方式，粪内铰 表一般规定为辣冲信号前沿超前摄动惯弩高点的角度。所谓商点是指轴上菜一点，巍这一点 转至测点位置时，振动正好在止峰点。如图2 4 所示，设0 为键相传感器，0 为轴上的键槽 位置，当轴转动麓d 。与d 重合时给出键相脉冲信号这一脉冲信号即作为相位的参考信 号。v 隽涡流转撼攀潮焘。当0 与0 鬟会粒，壹潮熹v 逆转翔转避一舻角褥到蹇轰瓢当冀 转至西定标记0 处聍，振动正叠予芷蜂纛，此时高点h 恰好在测点v 处。茈处角废桫鄄为 测量到的振动相位。 v、八 v | ii 圈2 - 4 振动相位测量 第二章旋转机械振动特点及撷幼信号刹量处理方法 2 4 振动信号分析方法 旋转机械在运行过程中，和运行状态相关的物理量( 如振动) 随时问的变化基现出一定 静簸律。逶避箨静摆癌转惑器铡褥静夔霹闻变纯韵攘号中镪窘瓣税器获态谖嗣与诊断j # 常有 用的备种信息。有效地分析、处理选些信息，建立它们与设备运行状态之间的联系，是设备 敢酶诊断的纂硇。然而，信号中常件有各种噪声和千抗，鬻消除和减少啜声和干扰的影响， 需对信号进行预处理。为了更有效地进行识别和诊断，遥常还要对信号进行加工处理，抽取 其特征。旋转机械故障诊断中，工稷信号处理的目的就是去伪存真。提取与设备运行相关的 特缝信息。傣号黔分糖穗处理是在蠛篷、时阂、数搴等域遴行懿，宅嚣】从不同角覆对信号进 行观察和分析。 2 4 1 信母的时域分析 常用的工程信母都是时城波形的形式。时域波形有直观、易于理解等特点，由于是最原 始戆蠖号，疑以包禽驰售枣德大。酸点是誉容易看囊赝包禽嫔患乓敬薄弱联系。波形分辑是 通过观测信母的时间历程对信号的周期性和随机性给出基本的评价，对分析不稳怒状态和瞬 态敖滩；孛毒 索有效。然嚣，当辍嚣在恶劣静绪嚣f 运行辩振动信号常常受羁强大魏疆钒 因素的干扰，特别是在缺陷的初发期冲击特征很微弱常被干扰嵘声所淹没，影响了对缺陷 豹识潮，这辩如果结台数字滤波技零，通过选择适当的频带，滤除其它的频率成分，莉缺陷 的微小冲击特征就会在时域波形中明显地暴露出来。时域分析中最霾要的就是提取信号的时 域统计特征假。常用时域统计特征饿，包= 西最大值、最小值、峰值、蜂峰德、有效值、均值、 均方壤、方麓等。带因次的振幅分掇参数不但与枫瞧凌簧鳇状态鸯关，嚣艇与捉嚣妁运行参 数( 如转速、躐荷) 有关，所以在设备故障诊断进行时必须保证运行参数基率一致。无因次振 掘参数其与设备豹毅态夺- 爻，纛与撬器静运行状态薏关，鹫箍篷藉频率静变纯不敏感，酝越 是一种较好的诊断参数1 1 0 。 2 4 2 信号的频域分析 正程上所得的信号一般为时域信号，然而由于敞障的发生、发展往往引起信号频率结构 戆变纯，为了逶过爱测售号了瓣、袋测对象豹动态簿先，筑往需要壤域信惠。耨辩域蓓号交 换到频域加以分析的方法称为频谱分析。频谱分析的目的魁把复杂的时间历程波形，经傅立 辞交换分解务若干单一的谐波分蟹来研究，戳获得信号的频率结构珏及各谐波的懈值和稠位 信息。频域分析是机械故障诊断中削得最，“泛的信号处理方法之一。 频谱分祈的数学基础是傅立叶变换，傅立叶变换对如下： l 霹) = f 肖穆垃穆矽 x 乏非川x f t d t 乜吨 1 2 东南火学硕士学位论文 在叛域势祈申，当不是蘩糯耨采样时，荆分析结栗会蠢境能鬻潢满，减少渣漏的方法是麓 窗处理。由于能量泄漏使得额谱幅值、频率和相位都存在着较大的误差，为了提高分析精度， 需要对f f t 的结粟进行修戚。在颡域分析中常用的有三种谱分析方法：自功率谱( 自诺) 、幅值 谱、对数谴。谱分橱能够拎辑攘母的能鬃( 或功攀) 的频攀分布，功率谱突出信号频谱嬲的主 要成分幅值谱越幅值的线性分布，对数谱将次要的频率成分最示出米，所以在设备故障诊 鞭审壹找攮瓣，癸辑寻找事援覆爨、帮像、类鹫等方嚣赣撮为广泛豹戏瘸i l “。 2 。5 本掌小结 本章舟绍了常见旋转机械振动的参数和故障机理，包括转子不平衡、转子弯曲、轴系不 对中、油膜涡动和油膜撤荡、动静碰摩铸故障机理。然厨又介绍了振动测量技术，包括相对 摄动测量、绝对振动测量娃及振动摆位溯星豹方法。扳动信号分辑方竣镪括振鹚薅号豹嚣重壤 分析、振动信号的频域分析方法薄