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1、哈尔滨理工大学学士学位论文基于LabVIEW转子轴心轨迹测量与识别系统开发摘 要转子轴心轨迹作为转子振动状态的一类重要图形征兆，包含了大量的故障信息，是诊断专家在诊断过程中采用的一项不可缺少的故障征兆信息，由于轴心轨迹的提纯效果、轴心轨迹的特征自动提取和形状自动识别的水平，都直接影响着故障诊断专家系统的智能化水平，因此我们需要对轴心轨迹全面的进行研究。首先搭建了转子故障实验台,在该实验台上能够模拟一些典型的转子故障,如不平衡、不对中、转子弯曲等。在此基础上，搭建信号测量电路，包括传感器、电荷放大器、滤波器、数据采集卡等器件，能够测量转子旋转时的两个相互垂直方向的径向位移。其次编制轴心轨迹测量及
2、识别程序，该程序能够实时显示轴心轨迹，并进行频谱分析，也可以进行数据的存储。为了给轴心轨迹识别提供标准，进而编制了轴心轨迹仿真程序，对几种典型故障的轴心轨迹进行了仿真。根据不变矩理论，编制了不变矩计算程序，通过对传统算法的改进，实现了对离散数据的不变矩计算，改进算法能够自动识别轴心轨迹。通过连接实验台、测量装置和软件应用程序，对整个系统进行了整合，可实时显示轴心轨迹，同时计算不变矩。通过大量实验确定识别临界值，使程序既满足灵活性又满足准确性，有效实现在线自动识别。关键词：轴心轨迹;虚拟仪器；LabVIEW；不变矩Development of measurement and identifica
3、tion of axis orbit system on LabVIEWAbstractThe rotor axis path as a kind of important graphic sign of rotor vibration state contains a large number of fault information is used in the process of diagnosis expert in the diagnosis of an indispensable fault symptom information. Axis path due to the ef
4、fect of purification, the axis trajectory characteristics of the level of automatic extraction and automatic shape identification, directly affects the level of intelligent fault diagnosis expert system, So we need the axis trajectory comprehensive research.First set the rotor fault test-bed in the
5、laboratory bench to simulate some of the typical rotor faults, such as imbalance, in the wrong, rotor bending, etc. On this basis, the structures, signal measuring circuit, including the data acquisition card, sensor, charge amplifier and filter device, to measure the axis trajectory radial displace
6、ment of two directions.Second axis trajectory measurement program, the program can real-time display the axis trajectory, and spectrum analysis, can also for data storage. To provide standards for axis path identification, and then compiled the axis trajectory simulation program, the axis trajectory
7、 of several typical faults are simulated. The recognition system is used as a means for identifying, invariant moment invariant moment calculation program, therefore, according to the features of the experiment, the moment invariant algorithm was improved, in order to meet the automatic identificati
8、on.Finally integrate the compiled program can display the axis trajectory and moment invariant can be calculated, and through experiments to determine the identification of the critical value, satisfies program meets the flexibility and accuracy, effectively realize online automatic identification.K
9、ey words:Axis trajectory; Virtual instrument; LabVIEW; Invariant moments目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的背景11.2 国内外研究现状21.2.1 旋转机械轴心轨迹研究现状21.2.2 转子轴心轨迹自动识别研究现状21.3 研究的意义和主要内容41.3.1 研究的意义41.3.2 研究的主要内容4第2章 转子振动机理和轴心轨迹特征62.1 旋转机械振动机理分析62.2 转子振动的基本特征72.3 常见故障原因及轴心轨迹的特征82.3.1 转子不平衡82.3.2 转子不对中92.3.3 转子弯曲92.
10、3.4 转子碰磨102.3.5 油膜震荡112.4 轴心轨迹测试方法及信号分析122.5 本章小结14第3章 LabVIEW应用程序设计163.1 数据采集和轴心轨迹合成163.2 轴心轨迹仿真程序193.3 不变矩计算程序213.3.1 不变矩方法简介213.3.2 不变矩计算方法223.4 相似度计算程序243.5 轴心轨迹自动识别程序253.6 本章小结26第4章 实验系统与实验结果274.1 实验台的结构设计274.2 测量装置284.2.1 传感器与测量电路284.2.2 数据采集卡294.2.3 数据采集卡基本性能指标304.3 实验结果分析314.4 本章小结32结论33致谢34
11、参考文献35附录37- 58 -第1章 绪论1.1 课题的背景旋转机械是机械设备的重要组成部分并且占有相当大的比重，如机械、化工、电力、冶金等行业的机床、汽轮机、发电机、压缩机等都是典型的旋转机器,它们以转子及其他回转部件作为工作的主体,一旦发生事故将造成巨大损失。目前旋转机械向着大型、高速和自动化方向发展，为了保障设备运行安全可靠，对旋转机械的状态监测和故障诊断提出了更高的要求。旋转机械故障常在振动状况方面体现出来，因此对振动信号进行监测和诊断仍是目前的主要手段，经过多年的发展，旋转机械振动故障诊断已经形成比较完备的理论和技术体系。近年来，随着非线性理论的发展，尤其是信号处理和计算机智能理论
12、技术与故障诊断的融合渗透，使旋转机械故障诊断技术更加丰富成熟。目前，用于旋转机械故障诊断的征兆主要有时域、频域和幅值域等。由于以快速Fourier变换(FIT)为基础的数字信号处理技术在机械动力学中应用广泛，测试分析方法已经达到比较完善的程度，而且，旋转机械的振动信号在频域内的能量分布具有比较明显的特点，因此，目前旋转机械故障诊断仍以振动信号的频域特征作为主要的故障征兆，出现了功率谱估计法、时频分析法、全息谱角域分析、分形维数等一系列提取故障征兆的方法1。但是，在旋转机械故障诊断中，回转部件中心位置比振幅和幅频曲线等更能直观地反映转轴的运动情况，轴心轨迹作为转子振动信号的一类重要图形征兆，包含
13、了大量的故障信息，它能够形象、直观地表达了设备的运行情况。并且，轴心轨迹相较于时域、频域和幅值域响应更快，不需要人为的对振动信号进行分析，所以更容易实现在线监测和自动诊断。通常特定形状的轴心轨迹对应着特定的故障类型，能正确反映系统的振动故障，比如由转动部件不平衡或主轴轴线不直引起的摆度过大，轴心轨迹为椭圆形：动静件碰磨故障会使得轴心轨迹呈现为规则或不规则的花瓣形；由油膜涡动引起的轴心轨迹为内“8”字形；不对中引起的轴心轨迹为香蕉形或外“8”字形等2。另外，旋转机械的轴心轨迹的形状与动态特性，也是诊断专家在诊断过程中采用的一项不可缺少的故障征兆信息。因此，轴心轨迹作为旋转机械重要的一类图形征兆，
14、一直是研究的热点，在旋转机械故障诊断中得到广泛应用3。同时，由于轴心轨迹图形比较复杂，如何对轴心轨迹进行提纯和自动识别成为研究的重点。因此，本课题对于基于虚拟仪器的轴心轨迹测量与提纯和自动识别的研究就显得很有意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 旋转机械轴心轨迹研究现状在转子轴承系统中，当作用在滑动轴承上的载荷的大小和方向都是随时间作周期性的变化时，由于其载荷是变化的，所以各个瞬时轴心的平衡位置也是变化的，在油膜力和载荷互相平衡的情况下，轴心都会逐渐纳入(即收敛于)一个确定的轨迹，就形成轴心轨迹。目前国际上存在两种较为典型的轴心轨迹的计算方法4，一种就是由德Karlsruhel大Han授提出
15、的称为汉氏法，一种由德国Claustlutl工业大学JHolland教授提出的称为荷氏法这两种方法都能够根据轴承载荷的变化情况，算出轴颈中心在轴承中的一系列平衡位置，经过若干次迭代计算，这一系列轴心平衡位置最终封闭为一条的曲线形成轴心轨迹曲线。汉氏法与荷氏法的最大区别在于如何求解雷诺方程，汉氏法对于雷诺方程的旋转项及挤压项采用统一的边界条件求解所以解法严密，荷氏法对雷诺方程的旋转项及挤压项并没按照统一的边界条件求解，它把旋转项及挤压项分开按照各自的边界条件求解方程，再把两者所求得的油膜反力进行合成，忽略了两者之间的互相影响。根据统计用荷氏法计算其计算结果比较接近实测结果，并且也适合对一些形状复杂的轴承进行轴心轨迹求解。由于汉氏法计算过程相对复杂所以大量的计算过程中边界条件的选用简单地采用半Sommcrnd边界条件，这就造成其计算精度下降。这两种算法的原理基本相同，只是在求解雷诺方程时忽略的因素不同，边界条件假设也不同，最后结果也有差异。但是这两种算法都需经过大量计算，来近似的求出轴心轨迹，由于轴心轨迹形状比较复杂又有许多的噪声，所以计算出的轴心轨迹并不符合真实的情况。随着测试技术的不断发展，传感器技术的成熟，现在多用位移传感器测量转轴不同方向的径向位移，进而合成轴心轨迹。这种方法相比较于前两种算法，它更能反应轴心轨迹的真实情况并且响应快，近年来渐渐得到应用。1.2.2 转子
