基于LabVIEW的机械振动信号剖析系统的开发 测试测量
郭信心+冯素菊+李想
摘 要：旋转机械被广泛应用于各种工业生产各个环节中，其叶轮的可靠运转直接关系到整机运行的安全性与高效性。叶片的损坏是叶轮失效的主要形式，因此如何准确可靠的监测叶片的振动成为旋转机械的研究的一个重要方向。采用叶尖计时法来采集叶片的振动信息，以LabVIEW为开发平台开发了旋转机械叶片振动监测系统，并通过模拟故障响应验证了程序的正确性，该程序的实现为旋转机械故障诊断系统的开发与研究提供了软件支持。
关键词：旋转机械；叶尖定时法；非接触；LabVIEW；监测系统
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.006
0 前言
旋转机械的叶轮作为旋转机械能量转化的核心部件，其可靠运转直接关系到旋转机械运作的安全性与高效性，因此准确可靠的监测叶片的振动状态是旋转机械的研究的一个重要方向。旋转机械的故障征兆基本都包含在它的振动信号里，对所采集的数据进行分析与处理获得故障特征参数，进而可以判断它是否正常运行[1]。
1 叶尖计时法的概述
叶尖计时法原理如图1，传感器S1和S2安装在相对静止的壳体上，利用传感器感知叶片经过时产生的脉冲信号[2]。如果叶片无振动，那么相应得到的脉冲间隔一定是等距的，可以根据轴盘的转速和叶片与轴盘的相对位置关系计算出每個叶片扫过传感器S1的时间，而当叶片出现裂纹的情况下，实际采集到的脉冲与理论脉冲上升沿时间之间将产生一个差值，由这个差值序列计算得到振动的位移。叶轮经过一定的旋转圈数之后，两传感器采集到一系列振动信号，对该振动信号进行相应的处理，可以求得各叶片的振幅值与频率值。测量系统开发需要充分考虑实际因素，由于制造精度导致的叶片本身的不均匀分布也会影响监测结果，因此需要在监测之前对叶片位置进行校正来补偿本身的位置误差。
2. 监测系统与软件程序
2.1 需求分析与总体设计
离心叶轮振动监测系统能够实现预知维修功能，防止恶性事故的出现，降低设备维修成本。系统主要功能为实现对采集到的波形数据的处理与管理需求，同时还要提供完备的图形与报表生成的功能。具体的要求如下：
（1）信息采集全面化。
（2）状态监测连续化。
（3）数据处理实时化。
（4）系统安全性。要求系统不对叶轮的运转产生不利影响。
（5）界面操作简易懂。数据处理程序的关键是在能满足功能要求的前提下尽量用简洁的方式来描述每个模块的执行过程，这就要求所设计的程序功能明确，内容规范，布局合理，可扩充性强。友好的用户操作界面是系统监测与报警功能实现的基础，在运行中，用户通过此界面对运行状态实时监测，在系统产生故障时，由此监测平台发出报警信息。基于LabVIEW开发的旋转机械振动监测系统避免了传统仪器功能固定，技术更新周期长，开发费用高等缺点，系统的总体界面风格如下图2所示。
2.2 各功能模块的介绍
（1）数据分析与处理模块。此模块为叶轮故障监测系统的核心，对采集到的振动时间序列进行时频分析，图3展示了分析过程的脉络关系。
数据分析与处理系统中最重要的模块是由脉冲时间序列得到叶片振动位移序列的程序，该程序的实现如图4，根据振动时间与叶片瞬时速度和振动位移的关系得出所有叶片振动位移的一维数组，之后在此一维数组中挑出单个叶片的振动位移序列，得到叶片数与转动圈数的二维数组，并且分别提取出每个叶片的所有振动数据。
得到了每个叶片的振动位移序列之后，便能够分别对他们进行时域和频域的分析。设转子旋转N圈，当N取到一个足够大的值，就可以求得振幅。将振幅与所设定振幅上限值比较，若所分析所得结果大于设定值将会发出警报信号。对于频域分析，次采样为非均匀采样，因此在两个传感器之间补M-1个0将其转变为均匀采样，这样就能够进行傅里叶变换，得到频域分析的结果。图5是各个叶片振动位移筛选模块；图6是非均匀采样信号处理模块；图7是报警模块。
（2）数据保存与回放模块。系统监测过程中，使用者通过前面板上的数据保存按钮能够将采集到的振动序列的数据保存在指定目录下的EXCEL文件中，存储在计算机磁盘中；通过前面板上的数据回放按钮可以把存储的数据读出，并且显示出时域波形，图8就是数据保存与数据回放模块。
（3）生成应用程序。测试系统的最终用户一般并不会购买LabVIEW系统，那么该监测程序也无法在用户计算机上运行，这就需要在LabVIEW开发系统中生成独立的应用程序。找到叶片振动监测系统的项目文件，在项目浏览器中右击“程序生成规范”项，建立一个新的应用程序文件来生成执行程序。
3 结论
本文采用叶尖计时法这一非接触式测量法来监测叶片的振动信息，结合光电传感器对叶片振动信号进行采集，对被测设备运行无干扰，测量结果稳定可靠。以界面直观、便于使用的LabVIEW为开发平台开发了旋转机械叶片振动监测系统，无需安装多个传感器就能监测到所有叶片，提出了监测方法和程序实现手段，详细介绍了各模块的功能，并通过模拟故障响应验证了程序的正确性，该程序的实现为旋转机械的安全运行提供了软件支持。
参考文献：
[1]张玉贵，段发阶，方志强.基于叶尖定时的非接触旋转叶片异步振动分析[J].机械工程学报，2008，44（07）：147-151.
[2]王宇华，叶声华，冯心梅.叶端定时测量方法及关键技术的研究[J].中国机械工程，2004，15（15）：50-54.
基金项目：河北省自然科学基金（E201203110）
作者简介：郭信心（1992-），女，河北石家庄人，研究生在读，研究方向：机械设计及故障诊断学。
