基于虚拟仪器的转子不平衡故障模拟及故障分析

= 1
ωe n ω2
-ω n
(1)
·190·
机床与液压
第 36卷
式中 :
k为轴在中点的刚度系数 ;
ω 为转子无阻尼时 n
的横向振动固有频率 ,
ω n
=
k。 m
当转速 ω =ωn 时 , 由式 ( 1) 可知 , 轴挠度 δ理 论上为无限大 , 这个角速度 ω就称为轴的临界转速 。
对某些转子 , 如果不考虑回转效应的影响 , 则在临界
图 5给出了该种故障的轴心轨迹 , 其形状基本上 为一个椭圆 , 可以判断 , 转子具有典型的不平衡故 障。
4 故障机理分析
图 6为转子不平衡运动的力学模型 , 转子两端对
称支撑于刚性轴承上 , 中间有一个质量为 m 的圆盘 。
当转轴以角速度旋转时 , 圆盘的离心力使转轴发生挠
曲 , 图 6中 O 为轴承中心 , C为圆盘旋转中心 , G为
则 。在转子实验台的飞轮上共有 12 个螺孔 , 通过改
变所添加螺钉的数量和位置可以模拟多种质量不平衡
故障 。
系统使用光电转速传感器来测量转速 , 采用两个
垂直安装的电涡流传感器来测量转子轴心轨迹 , 振动
速度及加速度参数测量用压电式加速度传感器和振动
传感器 , 最后通过 LabV IEW 软件进行故障信号处理 。
实验系统由转子实验台 、数据采集仪 (DRDAQ2 EPP2) 、开关电源和通道转接器等组成 。
系统采用深圳蓝津信息公司的 DRZZS2A 型多功 能转子实验台 , 它由主体和多种传感器组成 。使用的 传感器有光电转速传感器 (DRHYF2122A 型 ) , 两个 垂直安装的电涡流传感器 ( RS29008 ( 03 ) 型 ) , 压 电式加速度传感器 ( YD237 型 ) 和磁电式振动速度 传感器 ( CD 221型 ) 。
之比 。其值大小反映了转子共振振幅的高低 。由式
( 6) 看出 , β值不仅取决于频率比ωω, 还取决于阻尼 n
比 ζ。当ωω = 1时 , 无阻尼情况下振幅将趋于无穷大 ; n
当存在阻尼时 , 放大因子为 β= 21ζ, 即阻尼对振幅具
有衰减作用 。阻尼越大 , 转子过临界速度时的振幅越
小 , 接近临界转速时 , 这种阻尼衰减作用尤为明显 。
Keywords: V irtual instrument; Rotor imbalance; W ave in time domain; W ave in frequency domain
0 引言 虚拟仪器 V I (V irtual Instrument) 是现代计算机
技术 、仪器仪表技术以及其它一些新技术完美结合的 产物 , 它把计算机 、仪器硬件 、计算机软件等结合起 来 , 在实现传统仪器的功能之外 , 还增加了许多传统 仪器所没有的先进功能 。虚拟仪器高度的灵活性 , 突 破了传统仪器在数据处理 、表达 、传送以及存储方面 的限制 。旋转机械是企业生产中的关键设备 , 转子作 为旋转机械重要部件 , 对其进行状态监测与故障诊断 技术研究 , 可有效避免意外事故 , 减少维修次数 , 提 高设备利用率 , 缩减维修备件的库存及库存时间 , 降 低生产成本 , 大幅提高企业效益 。旋转机械故障中经 常发生且影响最大的就是振动故障 , 本文使用转子实 验台模拟转子不平衡故障 , 通过虚拟仪器系统采集处 理故障信号 , 将实验结果与理论分析相结合分析故障 机理 , 从中积累对旋转机械故障诊断的知识和经验 。 1 实验系统搭建
212 故障原因 (1) 设计错误 。旋 转体 几 何形 状 设计 不 对称 ,
重心不在旋转轴线上 ; 转子上有未加工表面 ; 配合面 过松 ; 联轴节过长 、过重等 。
(2) 材料缺陷 。铸件有气孔 , 材料内部组织不 均匀 ; 转轴材质不良 , 热处理不正确 , 产生转子弯曲 变形 ; 滚动轴承质量不佳 , 产生转动误差或间隙等 。
211 转子不平衡概念 转子不平衡是指转子受材料质量 、加工 、装配以
及运行中多种因素的影响 , 其质量中心和旋转中心线 之间存在一定量的偏心距 。使得转子在工作时形成周 期性的离心力干扰 , 在轴承上产生动载荷 , 从而引起 机器振动的现象 。因此 , 把产生离心力的原因 ———旋 转体质量沿旋转中心线的不均匀分布叫做不平衡 , 由 此引起的机器振动或运行时产生的其它问题称为不平 衡故障 。
GENG M eng, SH I L insuo ( The Second A rtillery Engineering Institute, Xiπan 710025, China)
Abstract: A method for simulating rotor imbalance fault on a rotor test rig was p resented. The features of the vibration signals generated by the fault and tFra Baidu biblioteke mechanism of p roducing such feature were analyzed by LabV IEW. Processing results were given in time domain and in frequency domain. Compared the test results w ith theory analysis results, identical diagnosis features were obtained.
2008年 2月 第 36卷 第 2期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
Feb12008 Vol136 No12
基于虚拟仪器的转子不平衡故障模拟及故障分析
耿萌 , 石林锁
(第二炮兵工程学院 502教研室 , 西安 710025)
摘要 : 使用转子试验台模拟转子不平衡故障 , 利用虚拟仪器系统采集故障信号 , 并对信号进行机理分析 , 采用 Lab2 V IEW 软件分析了故障的时域图和频域图 , 将实验结果和理论分析相结合 , 验证了转子不平衡故障的识别特征 。
质量中心 , 动挠度 OC =δ, 偏心距 CG = e。转子在低
速时 , G在 C 的外侧 , 无阻尼情况下 O、C、G 三点
在同一直线上 。当不计圆盘重力影响和系统阻尼时 ,
转子受到的离心力 F = m ( e +δ)ω2 与弹性回复力 kδ
相平衡 , 即可得到圆盘处的动挠度公式 :
ω2
δ=
eω2 k - ω2 m
(3) 加工与装配误差 。切削加工误差 , 产生轴 向偏心 、轴颈倾斜 、端面与轴线不垂直 ; 转子材料热
收稿日期 : 2007 - 04 - 16 作者简介 : 耿萌 (1979—) , 男 , 河南许昌人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为故障诊断及信号处理 。 E - mail: deljapanese@
ho tm a il1com。
第 2期
耿萌 等 : 基于虚拟仪器的转子不平衡故障模拟及故障分析
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处理不符合要求 , 加工 、焊接产生的残余应力未消
除 , 转子产生永久性变形等 。
( 4) 动平衡方法不正确 。批量生产的转子 , 旋
转零件装在一个芯轴上做动平衡 , 如果芯轴装配间隙
与实际转轴配合间隙不同 , 则动平衡精度破坏等 。
转速下转子的转速频率等于其横向固有频率 。
实际中转子总是存在阻尼 , 这种阻尼来自工作介 质的粘性阻尼 , 轴承油膜的粘性阻尼 、滑动面之间的 摩擦阻尼以及转子轴承系统在振动过程中变形能耗所
产生的结构阻尼等 。对于现行系统 , 阻尼力与速度成
正比 , 力的方向与速度方向相反 。如图 6中存在阻尼
时 O、C、G三点就不在同一直线上 , OC 和 CG成 φ
数据采集仪 (DRDAQ 2EPP2) 中的数据采集卡使
用 N I公司的 PX I26052E DAQ 卡 (多 功能 数 据采 集 卡 ) 。 PX I26052E DAQ 卡是 16位的动态数据实时采集 板卡 , 通道采样 /输出频率可达 333kHz, 有 16 个单 端或 8个差分模拟输入通道 , 两个精度达 16 位的模 拟输出通道 , 8通道数字 I/O , 2通道定时 /计数器 I/ O, 采集的数据可直接传送至计算机内存 RAM , 与 CPU 并行工作保证了数据采集的连续性 。 2 转子不平衡故障
角 。取坐标系 OX Y, 在 X 和 Y 两坐标轴上列力的平
衡方程组 :
m
x¨+
·
cx
+
kx
= m eω2
co sωt
m
y¨+
·
cy
+
ky
= m eω2
sinωt
(2)
式中 c为阻尼 , 方程 ( 2) 的特解为 :
x = A cos(ωt - φ)
y = A sin (ωt - φ)
(3)
式中 : φ为离心力导前位移的角度 , 称为相位角 ; A
213 故障特征
( 1) 振动频率就是转子的转速频率 (工频 ) 。
( 2) 轴心轨迹是近似椭圆 。
(3) 由于轴承与转子间的非线形关系 , 在轴承
座上测得的振动随转速的增加而加大 , 但并不与转速
的平方成正比 。
(4) 在临界转速附近振幅出现峰值 , 且相位相
差近 180°。
实际上 , 由 于轴 承在
关键词 : 虚拟仪器 ; 转子不平衡 ; 时域谱图 ; 频域谱图 中图分类号 : TH16513; TP21219 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2008) 2 - 188 - 3
S im ula tion and Ana lyses on Rotor Im ba lance Fault Ba sed on V irtua l In strum en t
当转速基本稳定时 , 利用加窗快速傅立叶变换对 振动速度 (或加速度 ) 进行时 - 频分析 , 结合转子 的转速参数和轴心轨迹图 , 可正确判断出转子的不平 衡故障 。
实验中测得转子 转 速 约 为 50 r/ s。因 转子转速较高且其振 动参数受到多种随机 干扰 , 因此从图 3 所 示的振动时域波形上 看不出任何与故障有 关的信息 。图 4 为振 动信号经自相关及带 图 4 不平衡故障振动频谱 通滤波 , 然后进行加 汉宁窗快速傅立叶变换后的频谱图形 , 从该图看出 , 在转子的转速频率 (工频 , 50 r/ s) 处 , 出现明显且 较大的幅值 , 而其倍频及多倍频处没有明显幅值 。
312 基于加窗快速傅立叶变换的故障特征提取结果
LabV IEW 软件的部分快速傅立叶变换 V I带有窗函
数选项 , 见图 2。编程时可在后面板上固定某一窗函数
类型 , 也可在前面板上生成一个选择性控件 , 当程序
运行时更换不同的窗函数 , 以多角度分析信号的频谱。
图 2 同时显示了 LabV IEW 提供的多款 FFT算法 V I, 其到达路径均为 A ll Functions \ Analyze。实验中 采用的为带有窗函数选项的输出为 r/θ (幅值 /相位 ) 的算法 V I, 而 窗 函 数 均 默 认 采 用 汉 宁 ( Hanning) 窗 , 同时提供在前面板上的窗函数可选功能 。
正常的高速旋转机器 , 在启动过程中必须保证 β值在
某一限定值以内 , 并且升速时应迅速通过临界转速 ,
因为临界转速时 , 挠度最大 , 转子振幅最大 。
由上述分析得出转子不平衡转动时的特点 : ( 1) 振幅 A 与偏心距 e成正比 ; ( 2) 离心力 F = m ( e +δ)ω2 与转速的平方成正 比 , 阻尼一定 , 转速不变时 , 振动的振幅与转子同一 平面 、同一半径处的不平衡质量的大小成正比 ; ( 3) 阻尼越大 , 转子过临界速度时的振幅越小 ; ( 4) 临界转速时 , 挠度最大 , 振幅最大 。 由此得出不平衡故障的典型特征 : ( 1) 转速不变时 , 时域波形近似等幅正弦波 ; ( 2) 轴心轨迹为一个圆或椭圆 ; (3) 频谱成分以转子工频为主 , 常伴有部分谐 波成分 。 5 结束语 本文使用虚拟仪器对转子不平衡故障进行信号采 集和处理 , 将实验结果与理论分析相结合进行研究 , 对故障机理详细分析 , 通过时域谱图 、频域谱图和轴 心轨迹来识别故障特征 。研究结果验证了旋转机械转 子不平衡故障的识别特征 , 积累了知识和经验 。当 然 , 在实际的故障诊断中 , 还需要对故障设备的振动 特点 , 运行参数的变化以及设计 、安装 、维修 、操作 中带来的多种因素进行综合分析 , 才能作出较为符合 实际的诊断结论 。 参考文献 【1】沈庆根 , 郑水英 1设备故障诊断 [M ] 1北京 : 化学 工业出版社 , 2005: 65 - 851 【2】冯国彦 1基于虚拟仪器的转子状态监测与故障诊断技 术研究 [D ] 1第二炮兵工程学院 , 2007: 36 - 381 【3】宋振华 , 李素有 , 杜小军 1基于 LabV IEW 的振动试验 控制与数据采集系统 [ J ] 1 实验技术与管理 , 2006 (5) : 72 - 731 【4】邓焱 , 王磊 1LabV IEW 711测试技术与仪器应用 [M ]. 机械工业出版社 , 2004: 34 - 651 【5】周德照 , 张进明 , 江志农 1基于 LabV IEW 的旋转机械 振动信号的采集与处理 [ J ] 1 自 动 化 技 术 与 应 用 , 2005 (3) : 62 - 631
为振幅 。
ω2
ωe
A=
n
(4)
1-
ω2 2 ω+
2ζωω 2
n
n
式中 ,
ζ为阻尼比 ,
ζ
=
c 2mωn
;
当转子以固定的
转速 ω转动时 , 振幅 A 与偏心距 e成正比 。
转子的静挠度为 :
Xst
= m eω2 k
=
ω ω
n
2
e
(5)
β= A =
1
(6)
Xst
1-
ω2 2 ω+
2ζωω 2
n
n
式中 , β称为放大因子 , 是转子的振幅与静挠度
不同的方向上刚度不相等 ,
使轴 承 在 不 同 方 向 上 的 振
动大小并不一样 , 通常是
水平方向刚度较小 , 振动
幅值较大 , 使轴心轨迹成 为椭圆形 , 并且会出现较 小的高次谐波 , 其振动频
图 1 转子不平衡故 障振动频谱
谱如图 1所示 。
3 转子不平衡故障模拟
311 模拟转子平衡故障
故障的模拟应坚持不破坏原有转子机械性能的原