旋轉(zhuǎn)軸扭振測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

旋轉(zhuǎn)軸扭振測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1扭振測量儀器存在的問題旋轉(zhuǎn)振動監(jiān)測是旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的重要組成部分。截至目前,扭振測量技術(shù)還不是很成熟,實際應(yīng)用的扭振測量儀器大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分析功能有限、對測試條件要求較高等問題。為改善這些缺陷,選用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)扭振測量儀器,不僅簡化了傳統(tǒng)儀器的硬件結(jié)構(gòu),而且充分發(fā)揮了計算機在數(shù)值計算和圖形處理等方面的強大功能2軸系特性測試分析整套測試系統(tǒng)包含以下幾個部分:(1)扭振試驗臺:提供測試對象,產(chǎn)生扭振信號;待測軸選取自大型旋轉(zhuǎn)機械測試平臺中的傳動軸,該平臺主要用于構(gòu)建大型高速旋轉(zhuǎn)機械測試系統(tǒng),以研究旋轉(zhuǎn)機械在各種工況下的機械及電氣特性,輸出轉(zhuǎn)速最高可達15000r/min。待測軸在試驗臺上的安裝情況如圖1所示。軸的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過變頻器控制驅(qū)動電機來實現(xiàn);試驗臺配備B&K激振裝置用于對軸進行加載,軸端安裝有葉輪,可以設(shè)置不平衡量。調(diào)整轉(zhuǎn)速和激振條件可以改變轉(zhuǎn)軸的扭振狀態(tài)。(2)傳感器:準確拾取轉(zhuǎn)軸的扭振及轉(zhuǎn)速等信息,并將其轉(zhuǎn)換成電信號傳輸至數(shù)據(jù)采集設(shè)備;傳感器安裝位置,如圖1所示。本系統(tǒng)選用ATI2000系列加速度扭振傳感器,該系列傳感器采用卡環(huán)式安裝,不需要改變軸系結(jié)構(gòu),且采用無線遙測信號傳輸方式,保證系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動運行狀態(tài)下,傳輸轉(zhuǎn)軸上的扭振加速度信號,感應(yīng)式供電可用于連續(xù)不間斷的測量。(3)測試分析儀器:高性能A/D卡及D/A卡和安裝了Labview軟件的工控機共同組成了系統(tǒng)的測試分析儀器,用于采集傳感器輸出量,提供轉(zhuǎn)速信號、時間信號等參考輔助信號,并對測試信號進行分析、處理、存儲及顯示。整套測試系統(tǒng)框架,如圖2所示。3軸類振動測量傳動軸在工作中會受到變化力矩的作用,而軸本身具有彈性,因而當扭矩平衡受到干擾時,各彈性部分間就會產(chǎn)生瞬時速度起伏,引起軸的扭轉(zhuǎn)振動圖中:a由上式可以看出,對角安裝加速度計不僅消除了徑向振動及重力加速度的影響,而且使扭振加速度信號擴大了二倍,可以實現(xiàn)對微小量的扭轉(zhuǎn)振動進行測量。4扭振數(shù)據(jù)的存儲與回流扭振測試軟件要實現(xiàn)的功能有:輸出轉(zhuǎn)速控制信號;控制硬件進行數(shù)據(jù)采集;快速高效地處理扭振數(shù)據(jù);顯示扭振時域與頻域波形;數(shù)據(jù)的存儲與回放。采用圖形化編程語言LabVIEW編寫扭振測試系統(tǒng)設(shè)計軟件,大大提高了開發(fā)及調(diào)試效率。4.1數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)設(shè)計要求,編輯測試軟件功能結(jié)構(gòu),如圖4所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成軟硬件的采集參數(shù)設(shè)置、扭振信號的采入及轉(zhuǎn)速信號的輸出控制;數(shù)據(jù)處理模塊在數(shù)據(jù)進行分析之前完成對采集的數(shù)據(jù)的慮噪、平均等處理;采集到的數(shù)據(jù)以TDMS文件格式存入數(shù)據(jù)庫,并自動以采集時間命名,方便管理和回放調(diào)用。實際測得的軸系扭振信號大多是一個復(fù)雜的周期波形,需要借助信號的分析處理來獲得扭振特性信息,本系統(tǒng)的信號分析部分包含在線分析和離線分析兩部分,其中離線分析模塊主要完成對存儲數(shù)據(jù)的離線處理,便于對信號進行更深入的分析。4.2界面設(shè)計用戶界面要求結(jié)構(gòu)清晰,便于各功能模塊間切換和查看,設(shè)計人機交互界面,如圖5所示。5實驗與研究5.1扭振固有頻率測量(1)實驗原理:對軸不加任何人為的激勵,使其處于自然振動狀態(tài)下,此時軸可能受到一些擾動力矩的作用,如轉(zhuǎn)速的波動、軸承摩擦力矩周期性變化等的影響,因此通過采集多組自然振動狀態(tài)的角加速度信號進行頻譜分析,其中頻率譜線的共同部分即為軸的扭振固有頻率。(2)實驗過程:開啟電機及變頻器,通過轉(zhuǎn)速設(shè)定窗口調(diào)整轉(zhuǎn)速,使軸分別在某一特定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)一段時間,并在此期間采集軸在自然振動狀態(tài)下的角加速度信號。測量結(jié)果如6所示。(3)數(shù)據(jù)分析:由于試驗臺周圍的儀器設(shè)備比較多,使得測量信號中引入了噪聲干擾。通過LabVIEW中的MATLABScript節(jié)點調(diào)用MATLAB程序可實現(xiàn)信號的小波消噪、相關(guān)積累從數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖7(a)～(c)所示可以看出:(1)各組扭振頻域譜中都存包含68HZ左右的譜線,為軸的扭振固有頻率;(2)工作轉(zhuǎn)速扭振譜線在各圖中都存在,這是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡造成的;(3)重復(fù)測量發(fā)現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速只有5r/min左右的誤差,證明轉(zhuǎn)速控制較為精確。5.2碼流旋轉(zhuǎn)軸勻速振動隨轉(zhuǎn)速的變化轉(zhuǎn)軸在加速和減速時有速度波動,轉(zhuǎn)速高時密集,轉(zhuǎn)速低時疏散,在扭振測量時就會有很大的幅值。試驗中,先保持軸在100r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)一段時間,然后調(diào)整轉(zhuǎn)速突增至500r/min再降至100r/min,相當于測試軸在勻速旋轉(zhuǎn)的情況下受到外加脈沖激勵,在這一過程中可以看到明顯的轉(zhuǎn)速及扭振變化。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速變化,如圖8(a)所示。在外加激勵前是勻速轉(zhuǎn)動,曲線光滑,加載脈沖激勵后轉(zhuǎn)速曲線發(fā)生振蕩,并呈現(xiàn)衰減振蕩趨勢,最后恢復(fù)勻速轉(zhuǎn)動。扭振角加速度反映了轉(zhuǎn)軸實時的角速度波動情況。圖8(b)中可以看到,轉(zhuǎn)軸勻速時角加速度波動很小,在轉(zhuǎn)軸突然加載時波動變化很大,當轉(zhuǎn)軸恢復(fù)勻速時角加速度曲線也趨于平穩(wěn),這與轉(zhuǎn)速變化情況相符。因此在工業(yè)應(yīng)用中要避免旋轉(zhuǎn)機械有過大的轉(zhuǎn)速波動,以免引起軸的扭轉(zhuǎn)振動造成疲勞損傷。6測試系統(tǒng)的構(gòu)建對于旋轉(zhuǎn)軸扭振的分析檢測根據(jù)扭振測試原理,應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了旋轉(zhuǎn)軸扭振測試系統(tǒng)。虛擬儀器提供了高性能的模塊化硬件以及高效靈活的編程軟件,能夠?qū)εふ裥盘栠M行準確采集,并能快速高