一种多盘转子系统振动信号检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种模拟检测回转机械振动系统振动信号的装置和方法，尤其涉及一种多盘转子系统振动信号检测装置和检测方法。

背景技术

回转机械工作时，受到自身材料，形状，安装误差等因素和外界因数的影响，会出现不同程度的振动，在现代机械工业工程中，振动检测、测试及信号的处理分析都是十分重要的。而通过虚拟仪器检测平台能大量减少振动检测中所需的人力物力，具有操作简单灵活、运行可靠等特点。牛洪涛等人(牛洪涛,李超.基于LabVIEW的涡旋压缩机曲轴振动测试系统设计[J].现代电子技术,2020,43(18):71-74.)为实时显示曲轴振动情况，利用同一平面且相互垂直的2个电涡流传感器，通过虚拟仪器检测平台及相关硬件产品搭建曲轴振动测试系统，实现曲轴振动信号的实时采集、分析和存储。实时显示曲轴振动位移改变量所形成的轴心轨迹及互相垂直位移信号处理后的波形、功率谱等；并能通过轴心运动轨迹来推断曲轴振动的故障类型，为涡旋压缩机故障预防提供理论参考。杨明珠(杨明珠.基于LABVIEW的振动信号分析系统的研究与设计[D].天津工业大学,2018)设计的振动检测程序，功能主要包括时域分析、频域分析以及轴心轨迹分析。

上述对于大型回转机械的故障监测与诊断方法如FFT幅值谱分析、轴心轨迹分析、频谱图分析等，都存在一些缺点，例如分析结果不直观，幅值与相位分离；相位谱由于误差太大基本不用；转子在不同点不同方位的振动分别孤立地考虑，很难完整地表现转子的故障特征；在时域中得到的轴心轨迹受噪声的干扰，很难准确地提取故障特征。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟检测回转机械振动系统振动信号的装置和方法，能通过综合分析振动信号的幅值、相位和频率等信息，更加准确的对系统的振动故障特征加以识别。

为实现本发明目的，本发明首先提出一种多盘转子系统振动信号检测装置。待检测的多盘转子系统包括转动轴、左转子、中转子和右转子，所述转动轴依次垂直穿过所述左转子、中转子和右转子并依次相互固定，左转子和中转子之间的转动轴上还套设有组合支承D，中转子和右转子之间的转动轴上还套设有组合支承E，组合支承D和组合支承E均为在圆锥动静压轴承外装上圆锥钢片阻尼器的组合支承，且组合支承D和组合支承E关于中转子镜像对称。所述多盘转子系统以转动轴为水平方向放置，所述振动信号检测装置包括多个测试水平垂直于转动轴方向振动信号的电涡流位移传感器X、多个测试竖直垂直于转动轴方向振动信号的电涡流位移传感器Y、多个测试转动轴轴向振动信号的电涡流位移传感器Z和信号处理系统，所述X、Y、Z均连接于所述信号处理系统。

本发明以圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承的多盘转子系统为检测对象，同时检测转轴上多点的水平、竖直、轴向和圆锥轴瓦轴向的振动信号，将整个圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承多盘转子系统的各个检测面工频椭圆按时间和空间位置加以集成，在具备检测转子振动信号输出波形图、频谱图、轴心轨迹图的同时，绘制三维全息谱，利用了传统谱分析中被忽略的相位信息，克服了传统谱分析中的缺点，三维全息谱可以在几个检测面同时反映转子所受激振力大小和方位的变化，更加准确的对圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承多盘转子系统的振动故障特征加以识别。

作为本发明的多盘转子系统振动信号检测装置的进一步改进，所述信号处理系统包括信号放大器、滤波器、数据采集卡和安装有LabVIEW测试程序的计算机，所述X、Y和Z均连接于所述信号放大器，所述信号放大器依次连接所述滤波器、所述数据采集卡和所述安装有LabVIEW测试程序的计算机。

作为本发明的多盘转子系统振动信号检测装置的进一步改进，所述多个测试水平垂直于转动轴方向振动信号的电涡流位移传感器X包括：无接触设置在左转子周侧且与转动轴轴心同水平面的电涡流位移传感器X1、无接触设置在中转子周侧且与转动轴轴心同水平面的电涡流位移传感器X2和无接触设置在转动轴水平侧边且临近右转子端面的电涡流位移传感器X3。

作为本发明的多盘转子系统振动信号检测装置的进一步改进，所述多个测试竖直垂直于转动轴方向振动信号的电涡流位移传感器Y包括：无接触设置在左转子周侧且位于转动轴轴心正上方的电涡流位移传感器Y1、无接触设置在中转子周侧且位于转动轴轴心正上方的电涡流位移传感器Y2、无接触设置在在转动轴正上方且临近右转子端面的电涡流位移传感器Y3。

作为本发明的多盘转子系统振动信号检测装置的进一步改进，所述多个测试转动轴轴向振动信号的电涡流位移传感器Z包括：临近所述组合支承D端面的电涡流位移传感器Z1、临近中转子端面的电涡流传感器Z2、临近所述组合支承E端面的电涡流位移传感器Z3。

本发明其次还提供一种多盘转子系统振动信号检测方法，应用于上述的振动信号检测装置，该方法的特征如下：

首先由电涡流位移传感器X、Y和Z感知多盘转子系统运转时的振动信号，通过信号放大器将转子的振动信号放大，再由滤波器对放大的振动信号进行滤波，

滤波后的振动信号输入数据采集卡，而后再由数据采集卡将采集到的多盘转子系统的振动信号输送至计算机，

最后再由计算机通过LabVIEW测试程序对采集的高速转子系统的振动信号进行分析与处理。

作为本发明的多盘转子系统振动信号检测方法的进一步改进，所述由计算机通过LabVIEW测试程序对高速转子系统的振动信号进行分析与处理，包括对采集的振动信号进行FFT幅值谱分析、时域分析和频域分析，求解出转子系统的多个监测点的波形图、频谱图、轴心轨迹图和三维全息谱。

作为本发明的多盘转子系统振动信号检测方法的进一步改进，所述由计算机通过LabVIEW测试程序对高速转子系统的振动信号进行分析与处理，具体包括以下步骤：

(1)LabVIEW测试程序通过AI Acquire Ware forms函数采集数据采集卡输送的多盘转子系统的振动数据信号，再通过Butterworth Filter进行低通数字滤波处理，过滤掉高于截止频率的外界的干扰信号；

(2)经过低通数字滤波后的信号经过基本平均直流-均方根Basic DC/RMS处理转化为直流电压信号D

(3)直流电压信号通过信号逻辑处理器，将直流电压、电涡流位移传感器探头与转子之间的间距关系式输入信号逻辑处理器内，在水平垂直于转动轴方向、竖直垂直于转动轴方向和转动轴轴向方向的波形图的配置关系式中输入(S

(4)直流电压信号通过信号逻辑处理器输出水平垂直于转动轴方向、竖直垂直于转动轴方向和转动轴轴向方向的波形图；其中水平和竖直方向波形图通过数据合并输出转动轴的轴心轨迹图；

(5)直流电压信号通过Hanning窗函数处理，输出多盘转子检测面的水平、竖直方向的频谱图；

(6)直流电压信号通过单频测量的测量幅值、频率、相位，搜索指定频率，根据信息融合将圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承多盘转子在一个截面的水平、竖直、轴向振动信号以及圆锥轴瓦轴向的振动信息加以融合，并且根据振动的幅值与相位输出三维全息谱图。

作为本发明的多盘转子系统振动信号检测方法的进一步改进，步骤(1)中的采集流程的具体步骤如下：

S1，设置转子系统采样数、采样频率和采样模式，驱动适应转子系统振动信号检测所需要的虚拟仪器；

S2，系统接收操作人员发出的数据采集指令，开始采集振动数据，设置数据采集模式为连续采集，系统将采集一个时间段的数据；

S3，操作人员发出停止采集指令，LabVIEW测试程序自动存储采集到的数据至计算机。

作为本发明的多盘转子系统振动信号检测方法的进一步改进，步骤(6)中，所述单频测量为测量转动轴得转动频率，转动频率包括一倍频、二倍频、三倍频和四倍频。

本发明根据信息融合的观点，将一个测量面的信息加以融合后考察，与孤立地分析各个测点信息相比，能更加充分地利用现有信息。本发明在二维全息谱的理论基础上，通过检测转轴水平、竖直和轴向振动信号以及圆锥动静压轴承圆锥轴瓦轴向振动信号，将整个圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承多盘转子系统的各个检测面工频椭圆按时间和空间位置加以集成，获得三维全息谱，它能更加深刻地反映整个转子系统的振动全貌。

附图说明

图1为具体实施方式中的多盘转子系统振动信号检测装置的示意图。

图2为计算机通过LabVIEW测试程序对高速转子系统的振动信号进行分析与处理的流程图。

图3为计算机通过LabVIEW测试程序对高速转子系统的振动信号进行数据采集流程图。

附图标记：转动轴1、左转子2、中转子3、右转子4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细介绍。

如图1所示，为本发明的多盘转子系统振动信号检测装置的示意图，其中包括待检测的多盘转子系统和本发明的振动信号检测装置。待检测的多盘转子系统包括转动轴1、左转子2、中转子3和右转子4，所述转动轴1依次垂直穿过所述左转子2、中转子3和右转子4并依次相互固定，左转子2和中转子3之间的转动轴1上还套设有组合支承D，中转子和右转子之间的转动轴上还套设有组合支承E，组合支承D和组合支承E均为在圆锥动静压轴承外装上圆锥钢片阻尼器的组合支承，且组合支承D和组合支承E关于中转子镜像对称。待检测的多盘转子系统以转动轴1为水平方向进行整体放置。本发明的振动信号检测装置包括三个测试水平垂直于转动轴1方向振动信号的电涡流位移传感器X、三个测试竖直垂直于转动轴1方向振动信号的电涡流位移传感器Y、三个测试转动轴1轴向振动信号的电涡流位移传感器Z、信号放大器、滤波器、数据采集卡和安装有LabVIEW测试程序的计算机。X、Y和Z全部连接于所述信号放大器，信号放大器依次连接所述滤波器、所述数据采集卡和所述安装有LabVIEW测试程序的计算机。

三个测试水平垂直于转动轴1方向振动信号的电涡流位移传感器X分别为：无接触设置在左转子2周侧且与转动轴1轴心同水平面的电涡流位移传感器X1、无接触设置在中转子2周侧且与转动轴1轴心同水平面的电涡流位移传感器X2和无接触设置在转动轴1水平侧边且临近右转子4端面的电涡流位移传感器X3。

三个测试竖直垂直于转动轴1方向振动信号的电涡流位移传感器Y分别为：无接触设置在左转子2周侧且位于转动轴1轴心正上方的电涡流位移传感器Y1、无接触设置在中转子3周侧且位于转动轴1轴心正上方的电涡流位移传感器Y2、无接触设置在在转动轴1正上方且临近右转子4端面的电涡流位移传感器Y3。

三个测试转动轴1轴向振动信号的电涡流位移传感器Z分别为：临近所述组合支承D端面的电涡流位移传感器Z1、临近中转子3端面的电涡流传感器Z2、临近所述组合支承E端面的电涡流位移传感器Z3。

本发明以圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承的多盘转子系统为检测对象，同时检测转轴上多点的水平、竖直、轴向和圆锥轴瓦轴向的振动信号，将整个圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承多盘转子系统的各个检测面工频椭圆按时间和空间位置加以集成，在具备检测转子振动信号输出波形图、频谱图、轴心轨迹图的同时，绘制三维全息谱，利用了传统谱分析中被忽略的相位信息，克服了传统谱分析中的缺点，三维全息谱可以在几个检测面同时反映转子所受激振力大小和方位的变化，更加准确的对圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承多盘转子系统的振动故障特征加以识别。

本发明的多盘转子系统振动信号检测方法，应用于上述的振动信号检测装置，该方法概括为：

首先由电涡流位移传感器X、Y和Z感知多盘转子系统运转时的振动信号，通过信号放大器将转子的振动信号放大，再由滤波器对放大的振动信号进行滤波，

滤波后的振动信号输入数据采集卡，而后再由数据采集卡将采集到的多盘转子系统的振动信号输送至计算机，

最后再由计算机通过LabVIEW测试程序对采集的高速转子系统的振动信号进行分析与处理。

其中，上述由计算机通过LabVIEW测试程序对高速转子系统的振动信号进行分析与处理，包括对采集的振动信号进行FFT幅值谱分析、时域分析和频域分析，求解出转子系统的多个监测点的波形图、频谱图、轴心轨迹图和三维全息谱。

图2为计算机通过LabVIEW测试程序对高速转子系统的振动信号进行分析与处理的流程图，该流程包括：

(1)LabVIEW测试程序通过AI Acquire Ware forms函数采集数据采集卡输送的多盘转子振动信号，再通过Butterworth Filter进行低通数字滤波处理，过滤掉高于截止频率的外界的干扰信号；

(2)经过低通数字滤波后的信号经过基本平均直流-均方根Basic DC/RMS处理转化为直流电压信号D

(3)直流电压信号通过信号逻辑处理器，将直流电压、电涡流位移传感器探头与转子之间的间距关系式输入信号逻辑处理器内，在水平垂直于转动轴1方向、竖直垂直于转动轴1方向和转动轴1轴向方向的波形图的配置关系式中输入(S

(4)直流电压信号通过信号逻辑处理器输出水平垂直于转动轴1方向、竖直垂直于转动轴1方向和转动轴1轴向方向的波形图；其中水平和竖直方向波形图通过数据合并输出转动轴1的轴心轨迹图(轴心轨迹检测点位置如图1中的A、B、C所示)；

(5)直流电压信号通过Hanning窗函数处理，输出多盘转子检测面的水平、竖直方向的频谱图；

(6)直流电压信号通过单频测量(1M、2M、3M、4M)的测量幅值、频率、相位，搜索指定频率，根据信息融合将圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承多盘转子在一个截面的水平、竖直、轴向振动信号以及圆锥轴瓦轴向的振动信息加以融合，并且根据振动的幅值与相位输出三维全息谱图。M表示所测转轴转动的频率，1、2、3、4为倍数，即一倍频、二倍频、三被频、四倍频。倍频多用于故障分析，通常取至四倍。

需要说明的是：LabVIEW为虚拟仪器工作平台，通过编程可以实现特有仪器才能实现的功能。LabVIEW测试程序为基于LabVIEW软件编写的处理程序。Butterworth Filter低通数字滤波器、基本平均直流-均方根Basic DC/RMS、AI Acquire Ware forms函数和信号逻辑处理器均为所编写的LabVIEW程序的里的功能之一，均为虚拟仪器。

如图3所示，为上述步骤(1)的采集流程的具体步骤，如下：

S1，设置转子系统采样数、采样频率和采样模式，驱动适应转子系统振动信号检测所需要的虚拟仪器；

S2，系统接收操作人员发出的数据采集指令，开始采集振动数据，设置数据采集模式为连续采集，系统将采集一个时间段的数据；

S3，操作人员发出停止采集指令，LabVIEW测试程序自动存储采集到的数据至计算机。

本发明根据信息融合的观点，将一个测量面的信息加以融合后考察，与孤立地分析各个测点信息相比，能更加充分地利用现有信息。本发明在二维全息谱的理论基础上，通过检测转轴水平、竖直和轴向振动信号以及圆锥动静压轴承圆锥轴瓦轴向振动信号，将整个圆锥钢片阻尼器与圆锥动静压轴承组合支承多盘转子系统的各个检测面工频椭圆按时间和空间位置加以集成，获得三维全息谱，它能更加深刻地反映整个转子系统的振动全貌。