基于LabVIEW转子故障信号分析系统的开发

第２９卷第３期　西安航空技术高等专科学校学报　Ｖｏ１．２９Ｎ０．３　２　０　１　１年５月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ａｅｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｍａｙ　２　０　１　１　基于ＬａｂＶＩＥＷ转子故障信号　分析系统的开发　魏朝晖，骆紫燕，李　异　（西安航空技术高等专科学校动力工程系，陕西西安７１０Ｏ７７）　摘要：针对旋转机械设备油膜涡动和油膜振荡故障的特征，基于ＬａｂＶＩＥＷ的信号分析系统，对实现油膜涡动和油　膜振荡故障信号进行分析处理。该系统可读取、存储多种类型数据格式，对振动信号进行频谱分析，ＨＨＴ分析是提　取信号特征信息用于旋转机械故障初步诊断。通过本系统，对“ＢＥＮＴＩＬＥＹ”实验台的油膜涡动、油膜振荡、转子质　量不平衡和转子碰磨振动数据进行分析处理，验证系统的正确性和可靠性。　关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；ＨＨＴ；油膜涡动；油膜振荡　中图分类号：Ｈ３１９．１文献标识码：Ａ文章编号：１００８－９２３３（２０１１）０３－００６２－０４　１基于ＬａｂＶＩＥＷ的转子故障诊断系统　数据预处理、数据分析等。本文主要就系统故障信　号分析程序框图给予展示。　本系统主要任务是完成对油膜振荡故障信号的　１．１频谱分析　采集、处理及分析。运用本系统对碰磨和不对中故　主要实现ＦＦＴ变换、功率谱分析和短时傅立叶　障数据进行处理，也得到了良好的效果。根据Ｌａｂ－　变换（ＳＴＦＴ）等。ＦＦＴ的主要功能是实现信号的时　ｖＩＥＷ的编程特点，对每个特定功能编写子ｖＩ，然　域分析向频域分析的转换，如图１～２。　后主ＶＩ再调用子ＶＩ。主要功能模块有：数据采集、　图１　ＦＩ　程序框图　１．２　ＨＨＴ分析　稳、非线性信号分解成一组稳态和线性的数据序列　ＨＨＴ（Ｈｉｌｂｅｒｔ－Ｈｕａｎｇ）变换是处理非平稳信　集，即本征模函数（ＩＭＦ）［　。图３～４为主要程序框　号的时频分析方法　４－６］。ＨＨＴ分析能较早的发现　图，分别为ＥＭＤ分解核心程序框图和ＩＭＦ筛选程　故障信号，利用经验模态分解（ＥＭＤ）方法能把非平　序框图。　收稿日期：２０１１—０１—１０　作者简介：魏朝晖（１９８０一），男，陕西咸阳人，助教，硕士研究生，从事转子故障诊断的研究。　第３期　魏朝晖，等：基于ＬａｂＶＩＥＷ转子故障信号分析系统的开发　６３　图２双边频谱转化为单边频谱　图３　ＥＭＤ分解核心程序框图　图４　ＩＭＦ筛选程序框图　２实验验证　稳，且振荡频率不再追踪转速的变化，稳定在某一特　定的值（轴系第一阶临界转速）。经多次实验，确定　实验装置采用能够模拟旋转机械故障的Ｂｅｎｔｌｙ　转子试验台在１６００￣１７００ｒ／ｍｉｎ即出现涡动现象，　模拟转子试验台（见图５），带有信号的前置适配器、　一阶临界转速在３１００￣－－３２００ｒ／ｍｉｎ，当转速上升到　转速控制调节装置和油膜涡动所需要的轴承油泵系　６１００￣－－６２００ｒ／ｍｉｎ时涡动转化为振荡。　统，可仿真转子的故障信号。信号采集卡采用ＮＩ　公司的生产的ＵＳＢ６２１０（Ｍ系列高性能）：２５０ｋｓ／ｓ、　１６位、１６路，２５０ｋｓ／ｓ采样速率，４路数字输入、４路　数字输出，支持ＵＳＢ２．Ｏ、无需外部供电。　２．１油膜涡动及油膜振荡实验验证　涡动是转子绕自身轴线旋转的同时，其轴心又　绕轴承中心连心线回转的一种运动形式。当流体膜　润滑轴承里转子的转速到达某一转速时，会产生油　图５转子试验台　膜涡动，频谱图上出现与转速相关的涡动频率，大约　从图６可以看到：在轴运行稳定时，相位相对变　为转速频率０．４２～Ｏ．４７倍，追踪转速的变化而变　化比较平稳，基本保持在一１００度左右；当转速逐渐　化；当转速升到２倍于轴系的第一阶临界转速时，油　提高，相位变化也逐渐剧烈，在３０００　ｒ／ｍｉｎ时，相位　膜涡动转变为油膜振荡，转子的振幅增大，转速失　变化幅值大约在一５０±２５；当转速升到６５００　ｒ／ｒａｉｎ　６４　西安航空技术高等专科学校学报　第２９卷　（ａ）无涡动振荡（１５００ｒ／ｍｉｎ）　（ｂ）涡动（３０００ｒ／ｍｉｎ）　（ｃ）振荡（６５００ｒ／ｍｉｎ）　图６油膜涡动和油膜振荡相位图　时，在所有区域相位剧烈变化。这些现象也符合转　子在正常、油膜涡动和油膜振荡时的相位特征。　从图７可以看出，在３０００　ｒ／ｍｉｎ时，既发生油　膜涡动，频谱图中基频（５０．３１Ｈｚ）振幅最大，但出现　了半频（２５．１１Ｈｚ），半频振幅相对比较小；当转速升　到６５００　ｒ／ｍｉｎ时，既发生油膜振荡，半频振（４５．９　Ｈｚ）幅已经达到最大。这也符合转子发生油膜涡动　和油膜振荡时的频谱特征。　（ａ）涡动（３０００ｒ／ｍｉｎ）　（ｂ）振荡（６５００ｒ／ｍｉｎ）　图７油膜涡动和油膜振荡频谱图　图８为利用系统的ＨＨＴ分析模块对转速为　２０００ｒ／ｍｉｎ时发生油膜涡动进行的分析。　图８是转子在２０００ｒ／ｍｉｎ时的频谱图，从图上　可以看出，转子工频为３３．２１Ｈｚ，半频为１６．１ｌＨｚ，　（ａ）ＩＭＦ分量一　（ｂ）ＩＭＦ分量二　（ｃ）时频图　图８转子油侧垂直ＨＨＴ分析图（２０００ｒ／ｍｉｎ）　并且工频的振幅远大于半频。当涡动刚开始发生时　候，半频振幅非常小，很难从频谱图上看到半频成　份，因此很容易造成对机组状态误判。而ＨＨＴ分　析，通过经验模态分解（ＥＭＤ）就能得到半频成份，　如图８（ｃ）所示。因此ＨＨＴ分析为早期故障诊断　提供了方便。　２．２质量不平衡实验数据分析　图９是转子在１８６０　ｒ／ｒａｉｎ下，利用本系统对转　子质量不平衡的分析结果。从图９中可以看出，质　（ａ）轴心轨迹　（ｂ）频谱图　（ｃ）相位图　图９转子质量不平衡垂直振动分析图（１８６０ｒ／ｒａｉｎ）　第３期　魏朝晖，等：基于ＬａｂＶＩＥＷ转子故障信号分析系统的开发　６５　量不平衡时，轴心轨迹是椭圆；频谱图是一倍频振幅　最大，同时出现了较小的高次谐波；相位基本不变，　３结论　一直维持在１３６．３６度附近。其反映出来的故障特　在　ｂＶＩＥ．ｗ　环境下开发了“转子故障诊断系　征符合转子质量不平衡故障特征。　统”的应用软件，对油膜涡动、油膜振荡、转子质量不　２．３碰磨实验数据分析　平衡和转子碰磨故障进行分析。通过在本特利转子　图１Ｏ是转子单点碰磨的实验数据分析图，轴心　实验台的试验验证，该系统是成功的、可靠的。　轨迹近似为椭圆；频谱图中，以工频成份为主，还有　二倍频、三倍频等；相位也变化比较剧烈。其反映出　参考文献　来的故障特征符合转子单点碰磨故障特征。　阮奇桢．我和Ｉ　ａｂ、　：ｗ－＿一一个ＮＩ工程师的十年编程　经验［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版杜，２００９：１—１Ｏ．　Ｊａｎｔｕｎｅｎ　Ｅ　Ａ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｄｅｔｅｃ－　ｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｏｇｃ￣ｄｍｇ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎ－　ｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｋｇｎ　ａｎｄ　Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＥＣ］／／Ｈｅｌｓｉｎｋｉ：［＆ＴＬ］，１９９７：５９－７２．　张正松．旋转机械振动监测及故障诊断［Ｍ＝］．北京：机　］口　　］　］　械工业出版社，１９９１：１－Ｉ］！Ｊ　　５０．］　　］　］口　　（ａ）轴心轨迹　Ｈｕａｎｇ　Ｎ　Ｅ，Ｓｈｅｎ　Ｚ，Ｌｏｎｇ　Ｓ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｅｍｐｉｉｒｃａｌ　ｍｏｄｅ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｈｉｌｂｅｒｔ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｆｏｒ　ｎｏｎ－　ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｎｏｎ－ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ　ｔｉｍｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ａｎａｌｙｓｉｓＥＪ］．ＰｒＯ—　ｃｅｅｄｉｇｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｏｙａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｌｏｎｄｏｎ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ａ－　Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９９８，　４５４：９０３－９９５．　（ｂ）频谱图　ＨｕａｎｇＮＥ，ＳｈｅｎＺ，ＬｏｎｇＳＲＡｎｅｗｖｉｅｗｏｆｎｏｎ－ｌｉｎｅ—　ａｒ　ｗａｔｅｒ　ｗａｖｅｓ：Ｔｈｅ　Ｈｉｌｂｅｒｔ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ［Ｊ］．Ａｎｎｕａｌ　Ｒｅ－　ｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，１９９９，３１（３）：４１７－４５７．　汤宝平，钟佑明，程发斌．基于ＨＨＴ的非平稳信号分　析仪的研究口］．仪器仪表学报，２００７，２８（１）：２９—３３．　（ｃ）相位　胡劲松，杨世锡．基于ＨＨＴ的旋转机械故障诊断方法　的研究［Ｊ］．动力工程，２００４，２４（６）：８４５－８５１．　图１Ｏ转子单点垂直振动分析图（８６０ｒ／ｍｉｎ）　［责任编辑、校对：王悦］　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＬａｂＶＩＥＷ－ｂａｓｅｄ　Ｒｏｔｏｒ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｓｉｇｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＷＥ　Ｚｈａｏ—ｈｕｉ，ＬＵＯＺｉ—ｙａｎ，Ｌ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇｎ，Ｘｉ＇ｎａ　Ａｅｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ＇ａｎ　７１００７７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｏｉ１　ｆｉｌｍ　ｖｏｒｔｅｘ　ａｎｄ　ｏｉ１　ｆｉｌｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｔａｒｙ　ｍａｃｈｉｎｅｓ，ｔｈｅ　ａｒｔｉ—　ｃｌｅ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ＬａｂＶＩＥＷｒ－ｂａｓｅｄ　ｓｉｇｎａ１　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｖｏｒｔｅｘ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｒｅａｄ　ａｎｄ　ｓｔｏｒｅ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｆｏｒｍａｔｓ，ｍａｋｉｎｇ　ｆｒｅ—　ｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ＨＨＴ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ，ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，　ａｎｄ　ｃｏｎｄｕｃｔ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　ｆａｉｌｕｒｅｓ　ｏｆ　ｒｏｔａｒｙ　ｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｖｏｒｔｅｘ，　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｒｏｔｏｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｍｂａｌａｎｃｅ，ａｎｄ　ｒｏｔｏｒｙ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄａｔａ，ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｖｅｒｉｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒ－　ｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥＷ；ＨＨＴ　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｖｏｒｔｅｘ；ｏｉ１　ｆｉｌｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ