基于LabVIEW转子故障信号分析系统的开发

西安航空技术高等专科学校学报

JournalofXi󰀁anAerotechnicalCollege

Vol󰀁29No󰀁3May2011

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710077)

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

本系统主要任务是完成对油膜振荡故障信号的采集、处理及分析。运用本系统对碰磨和不对中故障数据进行处理,也得到了良好的效果。根据Lab󰀁VIEW的编程特点,对每个特定功能编写子VI,然后主VI再调用子VI。主要功能模块有:数据采集、

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。1.1󰀁频谱分析

主要实现FFT变换、功率谱分析和短时傅立叶变换(STFT)等。FFT的主要功能是实现信号的时域分析向频域分析的转换,如图1~2。

图1󰀁FFT程序框图

1.2󰀁HHT分析

HHT(Hilbert-Huang)变换是处理非平稳信号的时频分析方法

[4󰀁6]

稳、非线性信号分解成一组稳态和线性的数据序列集,即本征模函数(IMF)[7]。图3~4为主要程序框图,分别为EMD分解核心程序框图和IMF筛选程序框图。

。HHT分析能较早的发现

故障信号,利用经验模态分解(EMD)方法能把非平

收稿日期:2011󰀁01󰀁10

作者简介:魏朝晖(1980-),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

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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

实验装置采用能够模拟旋转机械故障的Bently模拟转子试验台(见图5),带有信号的前置适配器、转速控制调节装置和油膜涡动所需要的轴承油泵系统,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USB2.0、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,会产生油膜涡动,频谱图上出现与转速相关的涡动频率,大约为转速频率0.42~0.47倍,追踪转速的变化而变化;当转速升到2倍于轴系的第一阶临界转速时,油膜涡动转变为油膜振荡,转子的振幅增大,转速失稳,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,确定转子试验台在1600~1700r/min即出现涡动现象,一阶临界转速在3100~3200r/min,当转速上升到6100~6200r/min时涡动转化为振荡。

图5󰀁转子试验台

从图6可以看到:在轴运行稳定时,相位相对变化比较平稳,基本保持在󰀁100度左右;当转速逐渐提高,相位变化也逐渐剧烈,在3000r/min时,相位变化幅值大约在-50󰀁25;当转速升到6500r/min64

西安航空技术高等专科学校学报第29卷

图6󰀁油膜涡动和油膜振荡相位图图8󰀁转子油侧垂直HHT分析图(2000r/min)

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3000r/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6500r/min时,既发生油膜振荡,半频振(45.9Hz)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。

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1860r/min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

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16.11Hz,

图9󰀁转子质量不平衡垂直振动分析图(1860r/min)

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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,一直维持在136.36度附近。其反映出来的故障特征符合转子质量不平衡故障特征。2.3󰀁碰磨实验数据分析

图10是转子单点碰磨的实验数据分析图,轴心轨迹近似为椭圆;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。其反映出来的故障特征符合转子单点碰磨故障特征。

3󰀁结论

在LabVIEW环境下开发了󰀁转子故障诊断系统󰀁的应用软件,对油膜涡动、油膜振荡、转子质量不平衡和转子碰磨故障进行分析。通过在本特利转子实验台的试验验证,该系统是成功的、可靠的。

参󰀁考󰀁文󰀁献

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图10󰀁转子单点垂直振动分析图(860r/min)

[责任编辑、校对:王󰀁悦]

DevelopmentofLabVIEW󰀁basedRotorFailureSignalAnalysisSystem

WEIZhao󰀁hui,LUOZi󰀁yan,LIYi

(DepartmentofPowerEngineering,Xi'anAerotechnicalCollege,Xi'an710077,China)

Abstract:Inthelightoffailurefeatureofoilfilmvortexandoilfilmvibrationofrotarymachines,thearti󰀁cledesignsanddevelopsLabVIEW󰀁basedsignalanalysissystemtorealizetheanalysisoffailuresignalofoilfilmvortexandvibration.Thesystemcanreadandstoreagreatnumberofdataformats,makingfre󰀁quencyspectrumanalysisandHHTanalysisonvibrationsignal,extractinginformationofsignalfeatures,andconductpreliminarydiagnosisoffailuresofrotarymachines.Throughtheanalysisofoilfilmvortex,oilfilmvibration,rotorqualityimbalance,androtorycollisionvibrationdata,thearticleverifiesthecor󰀁rectnessandreliabilityofthesystem.

KeyWords:LabVIEW;HHToilfilmvortex;oilfilmvibration