（计算机应用技术专业论文）基于wince平台的故障分析仪应用程序设计与开发.pdf

摘要 基于w i n c e 平台的故障分析仪应用程序设计与开发 摘要 设备故障诊断技术对于保障机械设备的安全可靠、加强设备的管理与 维护、减少因故障带来的经济损失有着重大的意义。本文实现了一种基于 w i n c e 平台的便携式故障分析仪，该仪器为设备故障诊断技术和嵌入式 技术相结合的产物，提供友好的操作界面供用户进行数据分析与故障诊 断。 本系统在硬件平台上以s u m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器为核心，挂接数据 采集板卡等外部设备，软件上以m i c r o s o f tw i n d o w sc e4 2 为操作系统， 并设计开发数据采集的处理应用系统。故障分析仪利用加速度、速度、位 移等传感器将高速采集的数据进行滤波、放大等处理后通过1 2 c 总线传至 应用系统进行显示、分析与存储。系统支持双通道数据采集，采集信号时 域波形、频谱及功率谱的实时显示，采集数据的存储与回放，轴心轨迹， 现场动平衡，任务单管理，自动关机时间设置，传感器灵敏度设置等功能。 本文侧重于应用软件的设计与开发，主要内容有：( 1 ) 介绍国内外便 携式故障分析仪的研究应用状况及本课题的研究内容；( 2 ) 概述设备故障 诊断技术、软硬件平台的选型及系统结构图；( 3 ) 阐述系统软件框架及应 用程序的设计，包括数据库、数据采集与保存、数据显示、采集数据管理、 分析诊断动平衡、系统设置等部分；( 4 ) 讨论了系统实现所采用的主要技 术，如数字信号处理、嵌入式数据库s q l i t e 等；( 5 ) n 用e m b e d d e dv i s u a lc + + 实现各模块的功能，及采用的进程通信与线程同步技术；( 6 ) 对系统数据 i 北京化工大学硕士学位论文 库的操作、数据采集及整体性能做了相应的测量与分析，进而优化了系统 的设计与实现，并对后续的工作作了展望。 关键词：故障诊断，w i n c e ，数据采集，现场动平衡，嵌入式数据库s q l i t e ， 远程应用接口r a p i i i a b s t r a c t d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n p r o g ra m m ef o ri 湓u i j ta n a l y z e r b a s e do n 、n c ep l a t f o r m a b s t r a c t f a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g y h a s g r e a ts i g n i f i c a n c e i n k e e p i n g e q u i p m e n t su n d e rs t a b l eo p e r a t i o n ，s t r e n g t h e n i n ge q u i p m e n tm a n a g e m e n t a n dm a i n t e n a n c e , a n dr e d u c i n ge c o n o m i cl o s s e sc a u s e db yf a i l u r e so f d e v i c e t h i sa r t i c l ei m p l e m e n t sap o r t a b l ef a u l ta n a l y z e rb a s e do nw i n c e p l a t f o r m ，ap r o d u c to ft h ec o m b i n a t i o no fe q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i s t e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g y t h i sd e v i c ep r o v i d e saf r i e n d l yu s e r i n t e r f a c ef o rd a t aa n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i s t h es y s t e mc h o s es u m s u n g $ 3 c 2 410 ap r o c e s s o ra st h ek e r n e lo f h a r d w a r ep l a t f o r m ，w i t hp e r i p h e r a l ss u c ha sd a t a a c q u i s i t i o nb o a r d s a t t a c h e d t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei st h ec o m b i n a t i o no fw i n d o w sc e 4 2o p e r a t i n gs y s t e m ，d e v i c ed r i v e r s ( s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o nd r i v e r ) a n d u p p e rd i s p l a y i n ga n a l y s i sa p p l i c a t i o n t h i sa n a l y z e ru s e sa c c e l e r a t i o n s e n s o r , v e l o c i t ys e n s o r , o rd i s p l a c e m e n ts e n s o rt oc o l l e c tv i b r a t i o n a ls i g n a l s ， a n dt h e nf i l t e r i n ga n da m p l i f i n ga r ec o n d u c t e d ，a f t e rw h i c ht h ed e v i c e d e l i v e r st h ed a t at ou p p e ra p p l i c a t i o n sf o rd i s p l a y , a n a l y s i sa n ds t o r a g e i i i 北京化工大学硕士学位论文 t h r o u g h1 2 cb u s s y s t e ms u p p o r t sm a n yf u n c t i o n si n c l u d i n gd u a lc h a n n e l d a t a a c q u i s i t i o n ，d i s p l a y i n go ft i m e w a v e ，a m p l i t u d es p e c t r u m ，p o w e r s p e c t r u mo ft h ea c q u i r e dd a t a ，s t o r a g ea n dp l a y b a c ko f t h ed a t a ，s h a f to r b i t ， f i e l db a l a n c i n g ，t a s kl i s tm a n a g e m e n t ，a u t o m a t i cs h u t d o w nt i m es e t t i n g ， s e n s i t i v i t ys e t t i n go ft h es e n s o r sa n ds oo n t h i sp a p e rf o c u s e so nd e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r es y s t e m ， t h em a i nc o n t e n t so fw h i c ha le ：( 1 ) d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs t a t u so f p o r t a b l ef a u l ta n a l y z e ra sw e l la st h ec o n t e n to ft h i sp a p e r ；( 2 ) a no v e r v i e w o ff a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g ya n dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ep l a t f o r m ；( 3 ) i l l u s t r a t i o no ft h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e m s o f t w a r ea n dm o d u l e sd e s i g ni n c l u d i n gd a t a b a s ed e s i g n ，d a t ac o l l e c t i o na n d s t o r a g e ，d a t ad i s p l a y i n g ，d a t am a n a g e m e n t ，a n a l y s i s a n dd i a g n o s i so f b a l a n c i n ga n ds y s t e ms e t t i n g s ；( 4 ) d i s c u s s i o no ft h em a i nt e c h n o l o g i e s a d o p t e dt oi m p l e m e n tt h es y s t e m ，s u c ha sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， e m b e d d e dd a t a b a s es q l i t ee t c ；( 5 ) r e a l i z a t i o no fm o d u l e su s i n ge m b e d d e d v i s u a lc - i - + ，w h i c hi n v o l v e st h ei n t e rp r o c e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h r e a d s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s ；( 6 ) i nv i e wo ft h es y s t e md a t a b a s eo p e r a t i o n s ， d a t ac o l l e c t i o na n do v e r a l l p e r f o r m a n c e h a v e b e e nu n d e r g o i n g c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s ，w h i c hc a no p t i m i z et h es y s t e m d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，a n df i n a l l yf o l l o w u pw o r k i sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，w i n c e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，f i e l db a l a n c i n g ， e m b e d d e dd a t a b a s es q l i t e ，r e m o t ea p i i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。对本文的研究做出重 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。 作者签名：1 鞭易膏作者签名： l 二兰：三：廷 日期：羔兰! ! ：王 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：杰学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：壶墨兰耋日期：堡! ：三：兰 导师签名：墅坌i 丝良 日期： 趁f 叟：! 丛 第一章绪论 1 1 课题来源及背景 第一章绪论 随着科学技术的不断发展和工业管理的不断进步，现代机械设备日趋大型化、 连续化、高速化与自动化，这在给人们的生活带来极大便利的同时也给工业生产 带来了很高的经济效益。但另一方面，设备的复杂程度越来越高也增加了故障发 生的几率，一旦设备产生故障，不仅会造成巨大的经济损失，甚至有可能危及生 命安全。现代科技主导下的工程活动就像一把双刃剑，我们应该在享受其带来益 处的同时尽量去规避其带来的危害。据统计，近八年来我国每年因安全事故造成 的直接经济损失约为2 5 0 0 亿元，已超过自然灾害带来的损失，而在某些行业由于 设备故障检修和停机造成的损失已占生产成本的三成至四成。 因此，人们对机械设备的安全、高效、长时间运行的要求也日益强烈，这对 设备管理水平和保障设备安全稳定的运行提出了更高的要求。将设备状态监测与 故障诊断自愈技术应用于生产实践，使其极大限度地提高工业生产水平，是故障 诊断科研人员肩负的重大职责。 设备故障诊断技术运用现代检测技术和诊断方法，通过提取机械设备运行过 程中的状态信息，对所测信号进行数据分析与处理，并结合诊断对象的历史资料， 对故障类别和产生机理进行识别与判断，进而确定设备的维修方案或防范措施。 设备状态检测和故障诊断技术的推广与运用是推动设备维修的主要动力。大致来 讲，机械设备的维修方式大致经历了三个阶段：事后维修阶段、定期维修阶段、 状态监测维修阶段。事后维修是当设备出现故障或性能下降到无法承受时才进行 的维修；定期维修是按照故障产生的概率推断出维修周期，据此做定期维修；状 态监测维修是通过检测设备运行的状态信息，判断设备是否存在故障风险，提出 最佳的维修时间和方案【。 伴随机械设备的大型化与复杂化，设备的故障诊断也变得异常复杂。仅凭工 程实践人员过往的操作经验来解决设备运行中出现的故障，或对设备进行日常管 理与维护变得越来越困难。机械设备运行过程中的振动信号包含丰富的状态信息， 反映了设备当前的运行状况，诸多故障都能从振动信号中体现出来，如机械设计 是否合理、零部件是否存在缺陷、设备安装是否符合要求等信息。设备故障诊断 需要对振动信号进行实时提取、处理与分析，判断设备是否处在j 下常运行状态， 如果不是则根据状态特征分析故障原因并提出故障维修的方案。近年来迅猛发展 的嵌入式技术，恰恰满足了设备故障诊断对数据高速采集、处理分析及动态显示 的要求。 以应用为中心、软硬件可剪裁的嵌入式系统大致经历了无操作系统阶段、简 北京化工大学硕七学位论文 单操作系统阶段、实时操作系统阶段和面向网络与应用阶段等四个时期。与通用 桌面计算机相比，嵌入式系统像一台专用的计算机，它是为了特定目标而设计的 系统。如今的嵌入式智能设备已运用于国防电子、工业自动化、汽车消费电子、 数字家庭、医学科技、。无线通讯等国民经济的各行各业，影响着人们生活的方方 面面。 将嵌入式软硬件技术应用于设备故障诊断系统，已经逐步成为一种趋势。嵌 入式故障诊断设备的研究及应用也变得越来越热门。 1 2 课题研究现状 设备状态监测与故障诊断技术在国外已有约半个世纪的研究历史，在理论与 设备研制方面都已相对成熟。目前国内外常见的设备状态监测系统主要有三类： 离线状态监测系统、在线状态监测系统、便携式状态监测系统。离线状态监测系 统通过对设备特定部位进行检查发现可能存在的安全隐患，使用简单，但不能及 时反映设备的运行状态；在线状态监测诊断系统能进行实时数据分析与故障诊断， 但其处理的数据量繁多，生产及研发成本很高；便携式状态监测系统兼具上述两 种监测系统之长，稳定可靠、运行高效、便于携带、操作便捷，适用于对安全性 能要求较高的机械设备的状态监测与诊断【2 1 。 当前国外市场上出现了一系列的便携式状态监测分析仪，如e m e r s o n 公司的 c s i2 1 3 0 ，b e n t l y 公司的n e v a d a ，d i a n o s t i ci n s t r u m e n t 公司的d i 4 6 0 ，s k f 公司的 s k fg xs e r i e s ，r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司的d a t a p a c1 5 0 0 ，p r u f t e c h n i k 公司 的v i b x p e r t 等，它们便携轻巧、显示美观、操作便捷，能够高速采集设备的振动 信号，实时显示信号波形，并提供分析诊断功能。上述便携式分析仪的硬件体系 结构采用i n t e lx s c a l e 架构或m i p s 架构：而操作系统则采用w i n c e 或l i n u x 。目 前国内市场上的便携式智能分析仪大致有两种类型：单片机系统架构；硬件采用 a r m m p i s 等微处理器，软件采用w i n c e l i n u x 等操作系统的嵌入式设备。表1 1 为国内外便携式分析仪软硬件的对比，表1 2 为d a t a p a c1 5 0 0 与国内的e m t - 3 9 0 性能比较1 3 1 。 从表1 1 和表1 2 可以看出体系结构的差异对系统性能的影响。单片机系统曾 因较短的开发周期和较小的生产成本被广泛运用于工业生产的各个领域。随着实 际需求的不断深入，单片机结构贫乏的软硬件资源无法承担大规模的数据采集、 没法提供完善的数据分析与诊断功能，也缺少图形化操作界面的支持，注定了其 退出主流市场成为必然。 2 第一章绪论 表1 - 1 国内外便携分析仪的比较 表1 - 2d a t a p a c1 5 0 0 与e m t - 3 9 0 性能比较 t a b l e1 - 2c o n t r a s tt h ef u n c t i o n so fd a t a p a c15 0 0a n de m t - 3 9 0 从上述两表可以看出体系结构的差异对系统性能的影响。单片机系统曾因较 短的开发周期和较小的生产成本被广泛运用于工业生产的各个领域。随着实际需 求的不断深入，单片机结构贫乏的软硬件资源无法承担大规模的数据采集、没法 提供完善的数据分析与诊断功能，也缺少图形化操作界面的支持，注定了其退出 主流市场成为必然。 目前a r m ，m i p s ，s h x 等3 2 位微处理器硬件和w i n c e m o b i l e ，l i n u x ，v x w o r k s 等实时多任务操作系统软件相结合的嵌入式故障分析仪逐渐成为故障诊断领域必 备的分析工具，能够大幅的提高生产效率。由于国外的故障分析仪价格十分昂贵， 且都是英文操作界面，而国内的类似设备操作较为繁琐，功能又相对简单，不具 备大规模数据采集、显示、分析、诊断等综合功能。本课题就是在这样的背景下 3 北京化工大学硕十学位论文 所开展的研究，即实现一个功能尽量完善、中文操作界面的故障分析仪。 1 3 课题的主要内容及研究意义 1 3 1 研究内容 本课题所研发的故障分析仪承担现场机械设备振动数据的采集工作，系统能 根据采集的历史数据自动调整故障分析仪每天的采集任务，工程操作人员通过该 分析仪对相关任务的数据进行采集，生成每天的历史数据，并通过分析仪的u s b 端口传送到上位机( 桌面计算机) ，上位机软件再根据历史数据生成下一天的采集 任务并下载到分析仪。 分析仪软件包含数据采集、数据显示、采集数据管理、数据分析诊断及系统 设置等功能，各功能由相应的模块实现，如图1 1 所示。 妙 、 - ， ，、 、 俪两 ，r 一+ 7 由式( 4 5 ) 可知，一个n 点的d f t 可表示为两个n 2 点的d f t ，但是x i ( r ) ，x 2 ( r ) 及五( 七) ，t ( 七) 都为n 2 点的序列，而x ( 是) 的长度却有n 点。故式( 4 - 5 ) 计算得到 的值只是x ( 后) 的前半部分，欲用墨( 忌) ，x 2 ( 露) 表达完整的x ( k ) ，需要利用系数的 周期性，即 嚼2 = 蝶譬川2 、，一( 4 6 ) 于是 1 - 1 五( 后+ 2 ) = ( ，_ 厂、r z t r ( k ：州他= 五( k ) 一( 4 7 ) r = o ，2 - i t ( 后+ 2 ) = 屯 、，_ ，、r l z r f t ：州坨) - 五( k ) ( 4 - 8 ) 则后半部分的x ( 七) 为 第四章系统中使用的主要技术 x ( 后支驯2 i 罂+ 他) + 孵州位置( “驯孙( 4 - 9 ) = 五( k ) - 碟五( 后) 、。 经过上述分解后，复数乘法次数为c = 2 ( n 2 ) 2 + n 2 = n ( n + i ) 2 n 2 2 ，复 数加法次数为j = 2 x n 2 x ( n 2 一1 ) + n 2 x 2 = n 2 2 ，与直接对长度为n 的时域序 列x ( n ) 做d f t 运算相比，计算量大致减少了一半! 同理可以把两个n 2 点的子序列按奇偶分解成四个n 4 点的子序列，即 五( r ) = 五( 2 ) + 玉( 2 ，+ 1 ) = 气( ，) + j c 4 ( z ) ，( ，= o ，1 ，2 ，n 4 一1 ) ( 4 1 0 ) x z ( r ) = x 2 ( 2 1 ) + x 2 ( 2 1 + 1 ) = 黾( ，) + 讫( d ，( ，= o ，i ，2 ，n 4 1 ) 一( 4 1 1 ) 则 五( 尼) = 五( 后) + 孵，：五( 尼) ，( 后= o ，l ，2 ，吁4 一1 ) ( 4 - 1 2 ) j ，l ( 后+ n 4 ) = - ，3 ( 七) 一阿葛，2 - ，4 ( 露) ，( 七= 0 , 1 ，2 ，n 4 1 ) ( 4 一1 3 ) j ，2 ( 后) = j ，5 ( j i ) + 黟蛮，2 j ，6 ( 后) ，( 后= 0 , 1 ，2 ，n 4 - 1 ) ( 4 1 4 ) 五( k + n 4 ) = 墨( 尼) 一蝶，：氕( 后) ， = 0 l ，2 ，n 4 1 ) ( 4 1 5 ) 依此类推，直至把长度为n 的序列细分成n 2 个2 点序列为止，即把n 点d f t 分解成n 2 个2 点d f t 运算。由= 2 膨知m = l o g ：n ，则复数乘法总次数从原来的2 减少为：c = n 2 x m - n 2 x l o g ：n ，复数加法总次数从原来的约n 2 减少为： j = n m = n x l o g ：n 。假设要进行5 1 2 点的f f t ，复数乘法次数从原来直接进行d f t 计算的2 6 万次，减少为2 3 0 0 次，计算速度大幅提升彻。 4 1 2 振动信号幅值和相位的精确提取 旋转机械的许多振动问题都与转频有关，因此从检测信号中提取出转频信号是振 动信号分析与处理的最基本内容。在进行现场动平衡时，频谱图上转频处的幅值是否 为主要分量是判断有没有必要进行动平衡的主要依据。另外，转频信号的幅值和相位 ( 即由不平衡量所引起振动的幅值与相位) 是进行动平衡运算的主要参量，需要精确 地测取。 传统做频谱运算的做法是对时域信号加各种窗函数后再进行快速傅里叶变换，由 于时域截断的缘故，不管窗函数设计得多么优良，都会或多或少地出现频谱泄漏的现 北京化工大学硕上学位论文 象。加窗后尽管改善了幅值的精度，但很难解决相位误差，而振动信号的相位是否精 确对于现场动平衡来说是决定性因素。因此，动平衡运算没法直接使用传统的快速傅 里叶变换方法。如下介绍当前比较常用的振动信号幅值和相位精确提取的两种方法： 整周期截断法和离散频谱相位差校正法。 ( 1 ) 整周期截断法 整周期截断法是以转频整数倍的采样频率对振动信号进行采样，再对采集信号进 行快速傅里叶变换，准确解算出转频和高次倍频的幅值与相位。 如式( 4 1 ) 所列，所有的周期信号均可表示成频率为f o ( 转频) 的基次谐波与整数 倍厶的高次谐波的线性叠加，表达式中含有各次谐波的幅值及初相位，这些谐波在频 谱图上表示为一系列的离散谱线。 由于我们处理的是有限长度的信号，即真实信号的一部分。如果直接利用该段信 号，等效在时域将真实信号与一个矩形窗相乘。设截断的数据长度为，根据卷积定 理，时域相乘，频域卷积。矩形窗的窗谱函数为s i n e 函数，即矽( 力= s i n ( n 3 9 ) s i n ( t r f ) ， 它并不是一个理想的冲击函数。 保证整周期采样要配合采样频率，：和采样点数两个采集参量，也就是要保证采 集的数据刚好是振动信号的一个周期或整数倍周期。假如信号周期为r ，即需保证 a t f , = l * t ，其中工为自然数。在整周期采样的情况下，( 门除了= o n e 有值外， 在其它处厂= k ( k = l ，2 n 1 ) 均为零。这样矩形窗的频谱相当于一个冲击信号，与真 实信号的卷积仍然是真实信号，不会造成频谱的泄漏。 这种算法的优点为：计算时只需解算关心的谐波分量，不必做点的快速傅里叶 变换，因此运算效率极高，比如在做动平衡运算时只需要解算转频处的幅值与相位， 大幅的节省了运算时间。缺点是该算法必须精确的知道转频值，并且数据采集需要在 设备平稳运行的状态下进行。 ( 2 ) 离散频谱相位差校正法 离散频谱相位差校j 下法主要是通过时域平移和加不同长度的对称窗函数进行两 次快速傅里叶变换，根据频谱峰值谱线的相位差解算出频率校正量，进而算出幅值和 相位的精确值。本系统则是采用该种方法，其主要原理为： 设某谐波信号的数学表达形式为x ( t ) = a c o s ( 2 7 r f o t + o ) ，则其傅晕叶变换的表达 式为x ( 力= 兰，e - j 0 6 ( 厂+ ) + 詈6 ( 厂一五) 。在时域加窗函数嵋( f ) ，其中( f ) 为对称 二二 窗w ( t ) 时域平移t 的结果，即w ( f ) - - = “f r ) 。则加窗后的信号表达式为x ( f ) ( f ) ， 由卷积定理知加窗后的信号石( f ) w t ( t ) 傅里叶变换可表示为两个信号各自傅里叶变换 的卷积，即 3 2 第四章系统中使用的主要技术 f 【工( f ) ( f ) 】= f 【顶f ) 】幸可w l ( f ) 】一 a es f f ( f + s o ) + 罢6 ( 厂一兀) 】幸【矿( 厂) e - j f ：r = a w ( f + f o ) e - s p r + ：o + 口l + a zw ( f 一五) e 一删，一删( 4 - 1 6 ) 设z ( 谱线号i 所对应的信号频率) 为校正前谐波信号离散频谱的峰值频率。加 窗后谐波信号的相位为o = p x r ( f , - f o ) ，设误差频率为a f = z - f o ，则 = o - ，r t a f 。 将连续信号工( f ) 平移a t 得x ( f ) ，即x o ) = x ( t a t ) ，其中a o ，贝l j x ( f ) 的相角为 = 0 + 2 7 r f o a t 。给信号( f ) 加对称窗w z ( t ) ，其中w 2 ( t ) 为对称窗0 ( f ) 时域平移t 的 结果，即w e ( t ) = o 一即。对加窗后的信号x ( f ) w 2 ( f ) 做相同长度的傅里叶变换，据 先前推导，同理得m = p 一万r “- f o ) + 2 x f o a t = o - 7 r t a f + 2 7 r f o a t 。 故平移前后经过傅里叶变换得到的相位差为： = 一m = ( 乡一万r 鲈+ 2 x l a r ) 一( 秒一刀? d = 2 7 r a t ( f 一矽) ，【4 - 1 7 j 频率校正量为： 鲈= z 一荔a o 历，( 4 - 1 8 ) 所以校正频率为彳一矽。 设z 处对应的傅罩叶变换的幅值为4 ，则校正后的幅值为谚叁万。 相位校正量为a o = n t a f ，设z 处傅里叶变换的实部为r ，虚部为，则校正后 的相位为孤c t 呱r ) + 乡 1 8 - 2 1 1 0 4 2 现场动平衡 转子不平衡是由转子质量偏心造成的故障，是旋转机械最常见的故障。造成转子 不平衡的原因很多，按发生过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡三 种情况。其中原始不平衡是由于转子装配偏差、材质不均等因素造成的，其振动趋势 是在运行初期设备的振动就处于较高水平；渐发性不平衡是由于转子在长期的运转中 附着的一些不均匀粉尘或其他磨损造成，其振动趋势在运行初期振动较弱，随着时间 的推移逐步增强；突发性不平衡是由于转子部件脱落或卡塞等因素引起，其振动趋势 3 3 北京化工大学硕士学位论文 为振动值突然升高，然后稳定在一个较高水平。 如果转子的质心与轴承中心线不重合，如图4 1 所示： 厂铲；一 图4 - l 转子力学模型 f i 9 4 - 1r o t o rm e c h a n i c a lm o d e l 由于偏心质量和偏心距的存在，转子转动时将产生离心力或离心力矩。离心力的 大小可表示为f 之m e c 0 2 ，其中m 为偏心质量，e 为偏心距，功为转子旋转的角速度， 该离心力会引起转子的振动，这就是由不平衡量产生振动的机理。转子不平衡故障的 显著特征是转频的高次谐波幅值很低，频谱能量集中于基频。 随着转子动力学的发展，转子平衡理论也逐步得到完善。归纳起来大致有两类1 第一类是以t h c a r l e 、b a k e r 等为代表的推崇影响系数法，影响系数法使用简单，在工 程实践中应用广泛；另一类是以m c l d a l 、b i s h o p 等为代表的使用振型平衡法，该方法 是将特定转速下转子的振型分解为各阶振型，分别予以平衡。本系统采用的动平衡方 法为影响系数法。 旋转机械转子轴承处的振动响应是各平衡面不平衡量各自引起振动响应的线性 叠加，各平衡面上单位不平衡量在各轴承处引起的振动响应被称为影响系数。在进行 现场动平衡时根据试重前后转子的振动矢量变化求出影响系数，利用影响系数解算出 平衡原始不平衡量所需的校正质量的大小及相位。 现场动平衡通常按转子的外径d 与其跨距l 比值的差异，将平衡方法分为单平 面动平衡和双平面动平衡。对于外径跨距比d l 5 的盘形转子可使用单平面动平衡进 行校正，对于外径跨距比d l i 的长轴转子可采用双平面动平衡方法。 4 2 1 单平面动平衡 在进行现场动平衡时，利用传感器测得设备的振动数据，根据传感器类型决定是 否需要对采集数据进行积分操作。采用离散频谱相位差校正法提取基波信号( 转频) 第四章系统中使用的主要技术 的振动幅值和相位。 假设在未施加试重前转子的初始振动矢量为毳= 4 么。【。( a 为振动幅值，0 。为振 动初始相位) ，在校正半径r 上加试重m o ( 露。= 豌，其中而。为试重质量，为试重 位置所处的旋转半径) ，设施加试重后转子的振动矢量变为五= 4 么0 【。设原始不平衡 量为以= 霞，由于试重前后转子的影响系数未变，则五或= ( 互一磊) 况。如 下就是现场单平面动平衡时对是否卸载试重块分别解算的情况： ( 1 ) 卸载试重块 为平衡掉原始不平衡量庸，校正平衡量应为： m = 川，= 一4 m o i ( 4 一代) 。( 4 1 9 ) ( 2 ) 不卸载试重块 此时需要平衡掉引起振动为丑的不平衡量，它是由原始不平衡量及试重亿共同 引起的。设当前不平衡量为皿，则 m o ( 4 4 ) = m c 4 ， 故校正平衡量为：一府。= 一丑亿( 丑一五) 。( 4 2 0 ) 4 2 2 双平面动平衡 采用与单平面动平衡同样的方法计算轴承上两个测点的振动幅值与相位，根据校 正面分离原理将待测设备的原始不平衡量化归到两个校正平面上，设两个校正面为i 和i i 。设两个测点的原始振动矢量为元，鼠，在i 面施加试重庸。后，测点的振动矢 量分别变为五，毒，则两校正面的试重相对于i 面的影响系数分别为 a ，= ( 五一五) 厨，i j l 垃= ( 亘一或) 庸。设两个校正面的平衡质量分别府，庸：。如 下对解算平衡质量庸h ，露：。时是否去掉校正面i 和l i 的试重分别讨论： ( 1 ) 去掉i 面试重时，在i i 面施加试重露：后，设两测点的振动矢量变为互，豆， 则两校正面的试重相对于i i 面的影响系数分别为： i j i 。= ( 4 4 ) 鸩，反m = ( 垦一n o ) 鸠。( 4 2 1 ) a 如果去掉i i 面试重，则只需平衡掉原始不平衡量，即引起振动为磊，磊的不平 衡量。于是可列方程： p 撕n 些，色( 4 2 2 ) i - 一一一 7 、o 【& 1 2 m l ，+ 反m m 2 ，+ a o = 0 解得 娅吼1 1 a o 砘啦。，) j 1 弼您吨m 喊( 4 - 2 3 ) 【m 2 ，= ( 覆l i 。或一i j l n 4 ) ( 反l i j l 垃一f j l i i f j l i l 2 ) b 如果不去掉i i 面试重，则需平衡掉引起振动为互，豆的不平衡量。可列方程： 3 5 北京化工大学硕士学位论文 净翟h 瓶1 2 m 一2 x + 苎= ”，( 4 - 2 4 t ) - 一一一 、o ， 【0 c n 肘l ，+ 0 1 1 2 朋2 x + 垦20 解得 翟h2 m 刍一反m ，) i i 反m 一- 岖叫( 4 2 5 ) 【m 2 x2 ( 0 【i l 哎一反配4 ) ( 反珊厦乜一l j i l i 反比) ( 2 ) 如果不去掉i 面试重，在n 面施加试重府：后，设两测点的振动矢量变为互， 豆，则两校正面的试重相对于i i 面的影响系数分别为： 反。= ( 互- 2 , ) m 2 ，反啦= ( 厦一毒) 庸：。( 4 2 6 ) a 如果去掉1 1 面试重，则需平衡掉引起振动为丑，毒的不平衡量。可列方程： 导。翟t ，托1 2 * 謦x + 皂= ”，：( 4 - 2 7 ) l 一 一一 + 、， 【0 【1 2 朋i ，+ 反舷朋2 。+ 垦20 解得 竺h = 玳刍一反磁，) 1 1 毛毪一吼t 喊叫( 4 - 2 8 ) 【 如，= ( a i l b i 一反n 4 ) ( a l 反e 一& i l 反i 趁) b 如果不去掉i i 面试重，则需平衡掉引起振动为互，垦的不平衡量。可列方程： 导翟h 瓶1 2 警，冬件2 9 ) l 一一 一 ，、， 【0 【卫朋l x + 0 。【1 1 2 m 2 x + 呸20 解得 些，_ ( 弼1 1 当- - ( 一x i 位 - ，) 1 1 越n 1 ) ( 4 - 3 0 ) 【m 2 。2 ( 1 j i i i 。哎一反也4 ) ( & n l 反比一i j i l l l j i 皿) 根据解算得到的平衡质量，在校正面i 和i i 上分别添加吼、成，的校正块，再 重新启动转子至平衡转速 2 2 2 6 | 4 3 嵌入式数据库s qi ir e 目前w i n c e 系统常用的数据存储管理方法大致有三种，第一种是直接使用文件 系统，利用文件系统的应用程序接口实现对数据的读写管理操作；第二种是使用与 w i n c e 系统匹配的数据库s q ls e r v e rc e 对数据进行存储管理；第三种是使用嵌入式 数据库s q l i t e 管理数据。 s q l i t e 与文件系统相比在进行数据存储管理时有巨大优势。s q l i t e 数据库只在写 操作时采用独占方式，读操作时采用共享方式，允许并发访问；而w i n c e 系统对文 件的访问采用独占方式，不利于实现数据共享。使用s q l i t e 能够方便的进行数据的插 第p q 章系统中使用的主要技术 入、读取、排序，并能够快捷的获取某一项记录的特定属性；而使用文件系统要实现 上述功能非常麻烦，需要频繁的使用文件系统a p i 函数，并解析出感兴趣的属性。另 外s q l i t e 支持a c i d 事务，能够保证即使在系统崩溃时数据的完整性和有效性，而文 件系统却没法实现。 s q l i t e 与s q ls e r v e rc e 某些方面相比也有足够的优势。s q l i t e 占用很少的存储 器空间，约为2 0 0 k b ；而s q ls e r v e rc e 则大致占用2 m b ，这对资源极其珍贵的嵌入 式系统来说无疑是个挑战。s q l i t e 与s q ls e r v e rc e 都采用标准的s q l 语句，s q l i t e 使用非常简单，只需要掌握3 个核心a p i 函数就可以实现基本的数据库操作，而s q l s e r v e rc e 相对复杂，需要充分理解数据库引擎和掌握高级数据库接口组件a d o c e 的编程。另外s q l i t e 完全独立，有良好的移植性；s q ls e r v e rc e 为m i c r o s o f t 开发的 w i n c e 平台上的嵌入式数据库，没法移植到其它嵌入式平台上。 零配置、功能齐全的开源嵌入式数据库s q l i t e 越来越受到嵌入式开发人员的青 睐，广泛应用于各种嵌入式系统，如智能手机i p h o n e ，a n d r o i d 等，它具备如下特点： ( 1 ) 无需安装，可利用提供的a p i 直接进行编程； ( 2 ) 体积轻便，编译后约占2 5 0 k b 的空间，能支持近2 t b 的数据； ( 3 ) 支持原子、一直性等事务，兼容视图，子查询及触发器； ( 4 ) 数据库与磁盘文件一一对应； ( 5 ) 支持变长字符串及b l o b 二进制数据： ( 6 ) 操作简单，执行效率高； ( 7 ) 支持大量s q l 9 2 标准语句； ( 8 ) 支持w i n d o w s 、l i n u x 、m a c 等操作系统平台，方便移植； ( 9 ) 支持如c c 抖，j a v a ，p e r l 等多种主流开发语言。 这些完善的特性归功于s q l i t e 良好的设计，其体系结构从下到上可划分为操作系 统接口层、存储管理层、虚拟机层及用户接口层。s q l i t e 内部有四个核心部件：内核 c o r e ，s q l 编译器c o m p i l e r ，后端b a c k e n d 和附件a c c e s s o r i e s ，它们及其内部的组件 完成了数据库命令的解析、处理等操作。如图4 - 2 所示。 在提供的源码中文件m a i n - c 、l e g a c y c 和v d b e a p i c 实现了s q l i t e 类库的大多数接 e 1 函数。当执行一个含有s q l 语句的字符串命令时，接1 2 1 程序i n t e r f a c e 把这个字符 串传递给标记处理器t o k e n i z e r 。t o k e n i z e r 将原有字符串分解为单独的标示符，并把 这些标示符传递给解释器p a r s e r 。在p a r s e r 收集完符号且将之转换成完整的s q l 语句 后，调用代码产生器c o d eg e n e r a t o r 来产生虚拟的机器代码，这些机器代码将运行在 虚拟机v i r t u a lm a c h i n e 中，s q l i t e 虚拟机实现了一个抽象的计算机引擎，使调试、修 改和扩展s q l i t e 的内核更加方便。 3 7 北京化工大学硕士学位论文 内核c o r e s q l 编译器s q lc o m p i l e r 接口 h 能警 i n t e