基于labview轉(zhuǎn)子軸心軌跡測量與識別畢業(yè)設(shè)計（含外文翻譯）

1、<p>　　基于LabVIEW轉(zhuǎn)子軸心軌跡測量與識別</p><p><b>　　系統(tǒng)開發(fā)</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子軸心軌跡作為轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的一類重要圖形征兆，包含了大量的故障信息，是診斷專家在診斷過程中采用的一項不可缺少的故障征兆信息，由于軸心軌跡的提純效果、

2、軸心軌跡的特征自動提取和形狀自動識別的水平，都直接影響著故障診斷專家系統(tǒng)的智能化水平，因此我們需要對軸心軌跡全面的進行研究。</p><p>　　首先搭建了轉(zhuǎn)子故障實驗臺,在該實驗臺上能夠模擬一些典型的轉(zhuǎn)子故障,如不平衡、不對中、轉(zhuǎn)子彎曲等。在此基礎(chǔ)上，搭建信號測量電路，包括傳感器、電荷放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集卡等器件，能夠測量轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的兩個相互垂直方向的徑向位移。</p><p>　　

3、其次編制軸心軌跡測量及識別程序，該程序能夠?qū)崟r顯示軸心軌跡，并進行頻譜分析，也可以進行數(shù)據(jù)的存儲。為了給軸心軌跡識別提供標準，進而編制了軸心軌跡仿真程序，對幾種典型故障的軸心軌跡進行了仿真。根據(jù)不變矩理論，編制了不變矩計算程序，通過對傳統(tǒng)算法的改進，實現(xiàn)了對離散數(shù)據(jù)的不變矩計算，改進算法能夠自動識別軸心軌跡。</p><p>　　通過連接實驗臺、測量裝置和軟件應(yīng)用程序，對整個系統(tǒng)進行了整合，可實時顯示軸心軌跡，同

4、時計算不變矩。通過大量實驗確定識別臨界值，使程序既滿足靈活性又滿足準確性，有效實現(xiàn)在線自動識別。</p><p>　　關(guān)鍵詞：軸心軌跡;虛擬儀器；LabVIEW；不變矩</p><p>　　Development of measurement and identification of axis orbit system on LabVIEW</p><p><

5、;b>　　Abstract</b></p><p>　　The 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

6、 the diagnosis of an indispensable fault symptom information. Axis path due to the effect of purification, the axis trajectory characteristics of the level of automatic extraction and automatic shape identification, dire

7、ctly affects the level of intelligent fault diagnosis expert system, So we need the axis trajectory comprehen</p><p>　　First set the rotor fault test-bed in the laboratory bench to simulate some of the typic

8、al 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 t

9、he axis trajectory radial displacement of two directions.</p><p>　　Second axis trajectory measurement program, the program can real-time display the axis trajectory, and spectrum analysis, can also for data

10、storage. To provide standards for axis path identification, and then compiled the axis trajectory simulation program, the axis trajectory of several typical faults are simulated. The recognition system is used as a means

11、 for identifying, invariant moment invariant moment calculation program, therefore, according to the features of the experiment, the moment </p><p>　　Finally integrate the compiled program can display the ax

12、is 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 automa

13、tic identification.</p><p>　　Key words:Axis trajectory; Virtual instrument; LabVIEW; Invariant moments</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><

14、;p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 旋轉(zhuǎn)機械軸心軌跡研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 轉(zhuǎn)子軸心軌跡自動識

15、別研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 研究的意義和主要內(nèi)容4</p><p>　　1.3.1 研究的意義4</p><p>　　1.3.2 研究的主要內(nèi)容4</p><p>　　第2章 轉(zhuǎn)子振動機理和軸心軌跡特征6</p><p>　　2.1 旋轉(zhuǎn)機械振動機理分析6</p><p&g

16、t;　　2.2 轉(zhuǎn)子振動的基本特征7</p><p>　　2.3 常見故障原因及軸心軌跡的特征8</p><p>　　2.3.1 轉(zhuǎn)子不平衡8</p><p>　　2.3.2 轉(zhuǎn)子不對中9</p><p>　　2.3.3 轉(zhuǎn)子彎曲9</p><p>　　2.3.4 轉(zhuǎn)子碰磨10</p><

17、;p>　　2.3.5 油膜震蕩11</p><p>　　2.4 軸心軌跡測試方法及信號分析12</p><p>　　2.5 本章小結(jié)14</p><p>　　第3章 LabVIEW應(yīng)用程序設(shè)計16</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)采集和軸心軌跡合成16</p><p>　　3.2 軸心軌跡仿真程序19

18、</p><p>　　3.3 不變矩計算程序21</p><p>　　3.3.1 不變矩方法簡介21</p><p>　　3.3.2 不變矩計算方法22</p><p>　　3.4 相似度計算程序24</p><p>　　3.5 軸心軌跡自動識別程序25</p><p>　　3.6 本

19、章小結(jié)26</p><p>　　第4章 實驗系統(tǒng)與實驗結(jié)果27</p><p>　　4.1 實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計27</p><p>　　4.2 測量裝置28</p><p>　　4.2.1 傳感器與測量電路28</p><p>　　4.2.2 數(shù)據(jù)采集卡29</p><p>　　4.2

20、.3 數(shù)據(jù)采集卡基本性能指標30</p><p>　　4.3 實驗結(jié)果分析31</p><p>　　4.4 本章小結(jié)32</p><p><b>　　結(jié)論33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻35

21、</b></p><p><b>　　附錄37</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題的背景</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)機械是機械設(shè)備的重要組成部分并且占有相當大的比重，如機械、化工、電力、冶金等行

22、業(yè)的機床、汽輪機、發(fā)電機、壓縮機等都是典型的旋轉(zhuǎn)機器,它們以轉(zhuǎn)子及其他回轉(zhuǎn)部件作為工作的主體,一旦發(fā)生事故將造成巨大損失。目前旋轉(zhuǎn)機械向著大型、高速和自動化方向發(fā)展，為了保障設(shè)備運行安全可靠，對旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提出了更高的要求。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)機械故障常在振動狀況方面體現(xiàn)出來，因此對振動信號進行監(jiān)測和診斷仍是目前的主要手段，經(jīng)過多年的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械振動故障診斷已經(jīng)形成比較完備的理論和技術(shù)體系

23、。近年來，隨著非線性理論的發(fā)展，尤其是信號處理和計算機智能理論技術(shù)與故障診斷的融合滲透，使旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)更加豐富成熟。目前，用于旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的征兆主要有時域、頻域和幅值域等。由于以快速Fourier變換(FIT)為基礎(chǔ)的數(shù)字信號處理技術(shù)在機械動力學中應(yīng)用廣泛，測試分析方法已經(jīng)達到比較完善的程度，而且，旋轉(zhuǎn)機械的振動信號在頻域內(nèi)的能量分布具有比較明顯的特點，因此，目前旋轉(zhuǎn)機械故障診斷仍以振動信號的頻域特征作為主要的故障征兆，出現(xiàn)

24、了功率譜估計法、時頻分析法、全息譜角域分析、分形維數(shù)等一系列提取故障征兆的方法[1]。</p><p>　　但是，在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中，回轉(zhuǎn)部件中心位置比振幅和幅頻曲線等更能直觀地反映轉(zhuǎn)軸的運動情況，軸心軌跡作為轉(zhuǎn)子振動信號的一類重要圖形征兆，包含了大量的故障信息，它能夠形象、直觀地表達了設(shè)備的運行情況。并且，軸心軌跡相較于時域、頻域和幅值域響應(yīng)更快，不需要人為的對振動信號進行分析，所以更容易實現(xiàn)在線監(jiān)測和自動診

25、斷。通常特定形狀的軸心軌跡對應(yīng)著特定的故障類型，能正確反映系統(tǒng)的振動故障，比如由轉(zhuǎn)動部件不平衡或主軸軸線不直引起的擺度過大，軸心軌跡為橢圓形：動靜件碰磨故障會使得軸心軌跡呈現(xiàn)為規(guī)則或不規(guī)則的花瓣形；由油膜渦動引起的軸心軌跡為內(nèi)“8”字形；不對中引起的軸心軌跡為香蕉形或外“8”字形等[2]。另外，旋轉(zhuǎn)機械的軸心軌跡的形狀與動態(tài)特性，也是診斷專家在診斷過程中采用的一項不可缺少的故障征兆信息。因此，軸心軌跡作為旋轉(zhuǎn)機械重要的一類圖形征兆，一直

26、是研究的熱點，在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷中得到廣泛應(yīng)用[3]。同時，由于軸心軌跡圖形比較復(fù)雜，如何對軸心軌跡進行提純和自動識別成為研究的重點。</p><p>　　因此，本課題對于基于虛擬儀器的軸心軌跡測量與提純和自動識別的研究就顯得很有意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 旋轉(zhuǎn)機械軸心軌跡研究現(xiàn)狀</p><

27、;p>　　在轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)中，當作用在滑動軸承上的載荷的大小和方向都是隨時間作周期性的變化時，由于其載荷是變化的，所以各個瞬時軸心的平衡位置也是變化的，在油膜力和載荷互相平衡的情況下，軸心都會逐漸納入(即收斂于)一個確定的軌跡，就形成軸心軌跡。目前國際上存在兩種較為典型的軸心軌跡的計算方法[4]，一種就是由德Karlsruhel大Han授提出的稱為漢氏法，一種由德國Claustlutl工業(yè)大學J．Holland教授提出的稱為荷氏法．

28、這兩種方法都能夠根據(jù)軸承載荷的變化情況，算出軸頸中心在軸承中的一系列平衡位置，經(jīng)過若干次迭代計算，這一系列軸心平衡位置最終封閉為一條的曲線形成軸心軌跡曲線。漢氏法與荷氏法的最大區(qū)別在于如何求解雷諾方程，漢氏法對于雷諾方程的旋轉(zhuǎn)項及擠壓項采用統(tǒng)一的邊界條件求解所以解法嚴密，荷氏法對雷諾方程的旋轉(zhuǎn)項及擠壓項并沒按照統(tǒng)一的邊界條件求解，它把旋轉(zhuǎn)項及擠壓項分開按照各自的邊界條件求解方程，再把兩者所求得的油膜反力進行合成，忽略了兩者之間的互相影響

29、。根據(jù)統(tǒng)計用荷氏法計算其計算結(jié)果比較接近實測結(jié)果，并且也適合對一些形狀復(fù)雜的軸承進行軸心軌跡求解。由于漢氏法計算過程相對復(fù)雜所以大量的計</p><p>　　1.2.2 轉(zhuǎn)子軸心軌跡自動識別研究現(xiàn)狀</p><p>　　轉(zhuǎn)子軸心軌跡的識別一般的方法，通常是在轉(zhuǎn)子某一截面兩個相互垂直的方向上安裝兩個電渦流傳感器，測得該方向的振動，然后合成軸心軌跡圖形，然后在利用模式識別技術(shù)進行軸心軌跡形狀的

30、識別。</p><p>　　轉(zhuǎn)子軸心軌跡的識別實質(zhì)是一個二維圖形的模式識別問題，主要包括兩部分內(nèi)容：特征提取和特征分類。特征提取是對圖形所包含的輸入信息進行處理和分析，將不易受隨機因素干擾的信息作為該圖形的特征提取出來。特征分類過程是去除冗余信息的過程，具有提高識別精度、減少運算量和提高運算速度的作用。良好的特征應(yīng)具有可區(qū)分性、穩(wěn)定性和獨立性。</p><p>　　圖像處理的形狀分析主要是

31、對區(qū)域作各種變換，提取區(qū)域的圖形特征。軸心軌跡的特征提取主要方法是對圖形作各種變換，定義圖形的不變性質(zhì)[5]。常用的方法有：1)幾何特征法：通過對軸心軌跡圖形進行幾何運算，使其具有規(guī)定的性質(zhì)[6]。2)矩方法：以HU氏不變矩最為常用，有一定的應(yīng)用局限，現(xiàn)有許多改進方法。3)編碼方法：主要用于對輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進行改進編碼，提高網(wǎng)絡(luò)的分辨率，涉及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。應(yīng)用的方法有離散余弦變換法[7][8]，平面圖形可變等長度壓縮編碼方法[9]，

32、加權(quán)編碼法[10],小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮法[11]。這些方法可使降噪后的軸心軌跡圖形編碼得到較大的壓縮，加快了網(wǎng)絡(luò)的訓練速度，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別系統(tǒng)比傳統(tǒng)的布爾編碼方法有更高的準確率和穩(wěn)定性。此類提取軸心軌跡的圖像特征的方法是目前研究的熱點，有許多相關(guān)文獻對此進行了論述。以上所述幾種方法普遍存在針對性不強的問題，即只是應(yīng)用了圖</p><p>　　像識別的基本原理，沒有充分地將該原理與軸心軌跡所特有的圖形特征結(jié)合起來

33、分析，因此可以加強這方面的研究。</p><p>　　在對軸心軌跡進行了圖形特征的提取之后就可以進行識別了，這涉及到了一個合理的分類器的問題。識別的分類實際也是模式識別問題，即將所提取的特征按一定規(guī)則分為若干個模式，確定模式中心，將輸入信號與己知的各個模式中心進行匹配，在根據(jù)一定的判定規(guī)則，確定輸入信號應(yīng)歸入哪一個模式。具體方法主要包括概率統(tǒng)計方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，關(guān)聯(lián)度分析方法等。</p><

34、p>　　二維圖形識別常采用基于統(tǒng)計特征的矩不變性進行自動識別。矩是一種線性特征，可以用來對區(qū)域進行描述，而不變矩由于在尺度、平移和旋轉(zhuǎn)等條件下的穩(wěn)定性被廣泛用于模式識別領(lǐng)域。HU在1962在文獻[12]給出了連續(xù)函數(shù)矩的定義和關(guān)于矩的基本性質(zhì)，證明了有關(guān)矩的平移的不變性、伸縮的不變性和旋轉(zhuǎn)的不變性等性質(zhì)，具體給出了具有平移、旋轉(zhuǎn)和比例不比變性的七個不變矩的定義。但實驗及理論分析都表明在離散情況下HU氏不變矩有一定的局限性[13]。

35、，主要表現(xiàn)在HU氏不變矩在離散情況下不能保證對圖形比例縮放的不變性。為此，許多研究者在通過大量試驗后給出了一些改進算法，使之更符合軸心軌跡的特點，這也是本文研究的重點。</p><p>　　現(xiàn)今，已經(jīng)提出的各種方法以解決軸心軌跡的信息處理和自動識別，如武漢大學的動力機械學院就提出了用灰色理論關(guān)聯(lián)度分析和基于不變性矩的徑向基函數(shù)方法來進行水輪機組的軸心軌跡自動識別[14][15]。華中科技大學的王海則綜合應(yīng)用了小波

36、去嗓理論、平面圖形不變矩理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，實現(xiàn)了識別過程的自動化，東南大學的趙林度利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對軸心軌跡的離散余弦變換的描述子進行分類識別[16]。浙江大學的丁昭同將廣泛應(yīng)用于語音識別的隱馬爾科夫模型用于旋轉(zhuǎn)機械的軸心軌跡的識別[17]，取得了一定的效果。</p><p>　　1.3 研究的意義和主要內(nèi)容</p><p>　　1.3.1 研究的意義</p><p>

37、;　　在工業(yè)生產(chǎn)當中,旋轉(zhuǎn)機械是機械設(shè)備的重要組成部分,一旦發(fā)發(fā)生事故,將造成重大損失。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對機械設(shè)備的安全、穩(wěn)定、高可靠性工作的要求日益迫切。這就對旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)提出了個高的要求。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)機械軸心軌跡作為旋轉(zhuǎn)機械的一類重要圖形征兆，包含了大量的故障信息，它形象、直觀地表達了設(shè)備的運行情況，是診斷專家在診斷過程中采用的一項不可缺少的故障征兆信息，軸心軌跡的提純與自動識別

38、的研究水平?jīng)Q定著故障診斷專家系統(tǒng)的智能化水平，因此有著重要的研究價值。</p><p>　　基于微機硬件平臺的虛擬測量儀器已經(jīng)在各行各業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。它功能靈活、開放，易于與其他儀器設(shè)備組成強大的測量系統(tǒng)，比傳統(tǒng)儀器效率更高、成本更低、功能更強大。將故障診斷技術(shù)基于虛擬儀器來實現(xiàn)，能夠充分發(fā)揮虛擬儀器的上述特點，為旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)，提供了有力的支持</p><p>　　1.3

39、.2 研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題主要是研究軸心軌跡的自動識別和旋轉(zhuǎn)機械典型故障的在線診斷。搭建實驗臺和測試電路編制數(shù)據(jù)采集程序完成數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用不變矩理論，編程實現(xiàn)其算法實驗軸心軌跡的識別。整合程序?qū)崿F(xiàn)軸心軌跡自動識別和在線診斷。</p><p><b>　　硬件方面：</b></p><p>　?。?）設(shè)計搭建轉(zhuǎn)子典型故障故障

40、模擬實驗臺，使之能夠可靠地模擬出各種典型故障；</p><p>　　（2）搭建信號測量電路，保證傳感器、電荷放大器、濾波器和數(shù)據(jù)采集卡能夠正常工作。</p><p><b>　　軟件方面：</b></p><p>　?。?）編制信號采集采集程序。該程序能夠持續(xù)采樣，對信號處理合成軸心軌跡并實施顯示，也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和信號的頻譜分析功能；

41、</p><p>　?。?）編制軸心軌跡仿真程序，該程序能夠?qū)崿F(xiàn)對幾種典型故障軸心軌跡的仿真，并將數(shù)據(jù)保存；</p><p>　　（3）編制不變矩計算程序，通過大量實驗對不變矩算法進行改進，使之適合軸心軌跡的不變矩計算，最后算取個典型故障軸心軌跡的不變矩值作為標準值；</p><p>　?。?）編制關(guān)聯(lián)度計算程序，大量實驗找出一個既簡單又相對準確的關(guān)聯(lián)度計算方法；&

42、lt;/p><p>　?。?）整合各程序，實現(xiàn)自動識別與在線診斷，優(yōu)化程序中的參數(shù)。</p><p>　　第2章 轉(zhuǎn)子振動機理和軸心軌跡特征</p><p>　　在旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)檢修系統(tǒng)中，影響設(shè)備運行狀態(tài)的因素是多種多樣的，包括振動、瓦溫、氣蝕等。由于振動的廣泛性、振動信號的多維性、測振技術(shù)的實用性，一般監(jiān)測系統(tǒng)均將振動信號作為主要監(jiān)測項目。設(shè)備在運行過程中必然會產(chǎn)生不

43、同程度的振動。據(jù)統(tǒng)計，約有70％的故障或事故都在振動信號中有所反映，振動的超標威脅著旋轉(zhuǎn)設(shè)備的安全運行。當振動超過一定限度時就會對設(shè)備造成危害，嚴重時將威脅設(shè)備安全運行，帶來巨大的經(jīng)濟損失。</p><p>　　2.1 旋轉(zhuǎn)機械振動機理分析</p><p>　　對于機械設(shè)備來說，通常會產(chǎn)生兩種不同形式的振動：強迫振動和自激振動。強迫振動是由外界對系統(tǒng)持續(xù)激勵所引起的。它是從外界不斷地獲得能

44、量來補充阻尼所消耗的能量，使系統(tǒng)得以維持持續(xù)的等幅振動。外界激勵的來源可能是直接作用在振動系統(tǒng)上的激振力，也可能是由于系統(tǒng)中運動部件的不平衡離心慣性力，再就是由支撐件的持續(xù)運動而引起。這些激勵作用可能是周期性的，也可能是非周期性的。如旋轉(zhuǎn)機械運動中的質(zhì)量不平衡、幾何軸線不對中、齒輪嚙合不好、傳動件配合不當、軸頸軸承問隙過大等都會引起機械設(shè)備的強迫振動。同樣，往復(fù)機械設(shè)備一般都具有大質(zhì)量的曲柄活塞機構(gòu)，這些大質(zhì)量構(gòu)件在高速周期性運動時就會

45、產(chǎn)生周期性的慣性力，進而就可引起機器和基礎(chǔ)的強迫振動及曲軸的扭轉(zhuǎn)振動。強迫振動會使設(shè)備或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的動應(yīng)力，成為疲勞破壞的重要原因。</p><p>　　自激振動是依靠系統(tǒng)自身各部分間相互偶合而維持的穩(wěn)態(tài)周期振動，是無需周期變化的外力就能維持的穩(wěn)態(tài)振動，因而與強迫振動有原則性的區(qū)別。自激振動的突出特點是它的自治性，即當它處于自激振狀態(tài)時并不承受隨時間變化的外力，而是依靠系統(tǒng)的各個組成部分間相互作用的內(nèi)力來維持穩(wěn)

46、態(tài)周期振動的。引起自激振動的原因很多，其產(chǎn)生的機理也十分復(fù)雜，如油膜振蕩使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)渦動失衡等。</p><p>　　引起機械振動的的主要原因有：(1)因機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡引起的機組振動，其主要特征是機組振幅隨機組轉(zhuǎn)速變化較敏感，其振幅一般與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，且水平振動較大（2)機組轉(zhuǎn)動部件與固定部件相碰(或摩擦)所引起的機組振動，其特征為：一般振動較強烈，并常常伴有撞擊聲響(3)因軸承間隙過大、主軸過細、軸

47、的剛度不夠所引起的振動，其特征為：機組振幅隨機組負荷變化較明顯(4)因機組軸線曲折、緊固零部件松動、機組對中心不準、推力軸承調(diào)整不良所引起的機組振動，其特征為：機組在空載低轉(zhuǎn)速運行時，機組便有明顯振動。</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)子振動的基本特征</p><p>　　轉(zhuǎn)子正常工作，即轉(zhuǎn)子在無故障狀態(tài)，具體說是轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)、對中情況良好、轉(zhuǎn)軸截面的徑向剛度相等、轉(zhuǎn)軸與機殼之間無摩擦等

48、條件下的狀態(tài)，在此情況下，轉(zhuǎn)子運動不受干擾。頻率成分以一倍頻為主，混有少量噪聲成分。理想軸心軌跡為圓形，但由于實際上不平衡總是存在的，軸心軌跡往往是橢圓形。正常情況下的軸心軌跡與不平衡的軸心軌跡在形狀上相同，但正常情況下的振幅比不平衡時要小的多。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)機械的主要部件是轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)形式雖然多種多樣，但對一些簡單的旋轉(zhuǎn)機械來說，為分析和計算方便，一般都將轉(zhuǎn)子的力學模型簡化為一圓盤裝在一無質(zhì)量的彈性

49、轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸兩端由剛性的軸承及軸承座支承。該模型稱為剛性支承的轉(zhuǎn)子，對它進行分析計算所得到的概念和結(jié)論用于簡單的旋轉(zhuǎn)機械是適用的。由于做了上述種種簡化，若把得到的分析結(jié)果用于較為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機械時不夠精確，但基本上能夠說明轉(zhuǎn)子振動的基本特性。</p><p>　　圖2-1 單圓盤轉(zhuǎn)子</p><p>　　大多數(shù)情況下，旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子軸心線是水平的，轉(zhuǎn)子的兩個支承點在同一水平線上。設(shè)轉(zhuǎn)子上的圓

50、盤位于轉(zhuǎn)子兩支點的中央，當轉(zhuǎn)子靜止時，由于圓盤的重量使轉(zhuǎn)子軸彎曲變形產(chǎn)生靜撓度，即靜變形。此時，由于靜變形較小，對轉(zhuǎn)子運行的影響不顯著，可以忽略不計，即認為圓盤的幾何中心O’與軸線AB上O點重合,如圖2-1所示。轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動后，由于離心力的作用，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動撓度。此時轉(zhuǎn)子有兩種運動：一種是轉(zhuǎn)子的自身旋轉(zhuǎn)，即圓盤繞其軸線AO’B的轉(zhuǎn)動；另一種是弓形轉(zhuǎn)動，即彎曲的軸心線AO’B與軸承聯(lián)線AOB組成的平面繞AB軸線的轉(zhuǎn)動。</p>

51、<p>　　這時，圓盤的中心O’在相互垂直的兩個方向上，以某一頻率做簡諧振動。一般情況下，兩個方向的振幅不相等，因此圓心O’的軌跡為橢圓，O’的這種運動是一種渦動或進動。轉(zhuǎn)子的渦動方向與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角速度同向時，稱為正進動；反向時，稱為反進動。由于有轉(zhuǎn)子正進動和反進動的存在使得的軸心軌跡具有較復(fù)雜的形狀。一般情況下，當非同步渦動的角速度與轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系為整數(shù)比時，軸心軌跡仍將是一條封閉的曲線，否則軸心軌跡不是封閉的。<

52、/p><p>　　2.3 常見故障原因及軸心軌跡的特征</p><p>　　2.3.1 轉(zhuǎn)子不平衡</p><p>　　引起振動的原因是多方面的,但轉(zhuǎn)子的不平衡是引起機器振動的主要原因之一。轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損造成的故障，它是旋轉(zhuǎn)機械最常見的故障。據(jù)統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)機械約有一半以上的故障與轉(zhuǎn)予不平衡有關(guān)。因此，對不平衡故障的研究與診斷也最有實際意

53、義。</p><p>　　造成轉(zhuǎn)子不平衡的具體原因很多，主要有：結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，制造和安裝誤差，材質(zhì)不均勻，受熱不均勻，運行中轉(zhuǎn)子的腐蝕、磨損、結(jié)垢、零部件的松動和脫落等。按發(fā)生不平衡的過程可分為原始不平衡、漸發(fā)性不平衡和突發(fā)性不平衡等幾種情況。按其機理又可分為靜失衡、力偶失衡、準靜失衡、動失衡等四類。</p><p>　　轉(zhuǎn)子的不平衡故障包括：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子初始彎曲、轉(zhuǎn)予熱態(tài)不平衡

54、、轉(zhuǎn)子部件脫落、轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢、連軸器不平衡等，不同原因引起的轉(zhuǎn)子不平衡故障規(guī)律接近，但也有各自的特點。轉(zhuǎn)子的不平衡故障會產(chǎn)生許多不良后果，首先會引起轉(zhuǎn)子的彎曲和內(nèi)應(yīng)力進而引起轉(zhuǎn)子疲勞甚至斷裂。其次會引起機器的振動與噪聲，加速機械零件的磨損。由質(zhì)量不平衡引起的轉(zhuǎn)子不平衡的振動特征有</p><p>　　(1) 軸心軌跡為橢圓，如圖2-2所示</p><p>　　圖2-2 轉(zhuǎn)子不平衡軸心軌跡&

55、lt;/p><p>　　(2) 振動的時域波形近似為正弦波；</p><p>　　(3) 頻譜圖中，能量主要集中在基頻并有較小的高次諧波；</p><p>　　(4) 其進動特征為正進動。</p><p>　　2.3.2 轉(zhuǎn)子不對中</p><p>　　大型機組通常由多個轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間用連軸器聯(lián)接構(gòu)成軸系，傳遞運動和

56、轉(zhuǎn)矩。由于機器的安裝誤差、工作狀態(tài)下熱膨脹、承載后的變形以及機器基礎(chǔ)的不均勻沉降等，有可能會造成機器工作時各轉(zhuǎn)子軸線之間產(chǎn)生不對中。</p><p>　　具有不對中的故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在其運行過程中將產(chǎn)生一系列有害于設(shè)備的動態(tài)效應(yīng)，如引起機器連軸器偏轉(zhuǎn)、軸承早期損壞、油膜失穩(wěn)、軸彎曲變形等，導(dǎo)致機器發(fā)生異常振動，危害極大。</p><p>　　轉(zhuǎn)子不對中包括軸承不對中和軸系不對中兩種情況。軸徑在

57、軸承中偏斜稱為軸承不對中。機組各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸節(jié)連接時，如不處在同一直線上，就稱為軸系不對中。軸系不對中又分為平行不對中、角度不對中和綜合不對中三種情況。不對中的作用就像轉(zhuǎn)子上有一個不定向的預(yù)載荷，容易引起軸向振動。當轉(zhuǎn)子存在不對中故障時，具有以下特征：</p><p>　　(1) 轉(zhuǎn)子徑向振動出現(xiàn)二倍頻，以一倍頻和二倍頻分量為主，隨著不對中的情況加重，二倍頻所占的比例增加；</p><p&g

58、t;　　(2) 典型的軸心軌跡為香蕉形，正進動。二倍頻增加的過程中相應(yīng)的軸心軌跡從香蕉型變?yōu)椤?”字形，如圖2-3所示；</p><p>　　圖2-3 不對中故障軸心軌跡</p><p>　　(3) 連軸器不對中時軸向振動較大，振動頻率為一倍頻，振動幅值和相位穩(wěn)定，軸承不對中時徑向振動較大，有可能出現(xiàn)高次諧波，振動不穩(wěn)定；</p><p>　　(4) 振動對負荷變化

59、敏感。</p><p>　　2.3.3 轉(zhuǎn)子彎曲</p><p>　　轉(zhuǎn)子彎曲與不平衡相似，但是兩者是有區(qū)別的，質(zhì)量不平衡是指各橫截面的質(zhì)心連線與幾何中心連線存在偏差。而轉(zhuǎn)子彎曲是指各橫截面的幾何中心連線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，二者都會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心質(zhì)量，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動。轉(zhuǎn)子彎曲故障的軸心軌跡一般為香蕉型與不對中故障相似但是其軸心軌跡不會因為二倍頻分量的增加而變?yōu)椤?”字形，軸心軌跡如

60、圖2-4所示</p><p>　　圖2-4 轉(zhuǎn)子彎曲軸心軌跡</p><p>　　轉(zhuǎn)子彎曲有永久性彎曲和臨時性彎曲兩種情況。</p><p>　　轉(zhuǎn)子永久性彎曲和轉(zhuǎn)予臨時性彎曲與轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心基本相同。其不同之處是，具有轉(zhuǎn)子永久性彎曲故障的機器，開機啟動時振動就較大：而轉(zhuǎn)子臨時性彎曲的機器，則是隨著開機升速過程振幅增大到某一值后有所減小。</p><

61、;p>　　2.3.4 轉(zhuǎn)子碰磨</p><p>　　隨著機組參數(shù)的不斷提高，動靜間隙的不斷減小，以及運行過程中不平衡、不對中、熱彎曲等的影響，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子碰摩故障。在國產(chǎn)20萬千瓦氣輪發(fā)電機組中，已有多臺因動靜碰摩而造成轉(zhuǎn)子彎曲的嚴重事故。根據(jù)摩擦部位的不同，碰摩分為兩種情況，轉(zhuǎn)子外緣與靜止件接觸而引起的摩擦，成為徑向碰摩；轉(zhuǎn)子在軸向與靜止件接觸而引起的摩擦，成為軸向碰摩。從不同的角度，摩擦還可以分為局部摩

62、擦和全周摩擦；早期、中期和晚期碰摩等。</p><p>　　碰摩是一個復(fù)雜的過程，從機理上分析，碰摩振動對轉(zhuǎn)子有以下幾方面的影響：</p><p>　　(1) 直接影響轉(zhuǎn)子的運動可以分為自轉(zhuǎn)和進動兩種形式。摩擦對自轉(zhuǎn)的影響在于附加了一個力矩，因此，在轉(zhuǎn)子原有力矩不變的條件下有可能使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生波動。至于進動，由于摩擦力的干預(yù)可能使正進動轉(zhuǎn)化為反進動，特別是全周摩擦，常常產(chǎn)生所謂的“干摩擦

63、”現(xiàn)象，從而引起自激振動，影響轉(zhuǎn)子的正常運行，甚至損壞機組。</p><p>　　(2) 間接影響摩擦的作用使動靜部件相互抵觸，相當于增加了轉(zhuǎn)子的支撐條件，增大了系統(tǒng)的剛度，改變了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速及振型，且這種附加的支承是不穩(wěn)定的，所以可能引起不穩(wěn)定的振動和非線性振動。</p><p>　　(3) 沖擊影響局部碰摩除了摩擦作用外還會產(chǎn)生沖擊作用，其直觀效應(yīng)是給轉(zhuǎn)子施加了一個瞬態(tài)的激振力，激發(fā)

64、轉(zhuǎn)子以固有頻率作自由振動。雖然自由振動是衰減的，但由于碰摩在每個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)都產(chǎn)生沖擊激勵作用，在一定的條件下有可能使轉(zhuǎn)子振動成為疊加自由振動的復(fù)雜振動。</p><p>　　(4) 熱變形摩擦引起的熱變形可能引起轉(zhuǎn)子彎曲，加大偏心量，使振動加大。轉(zhuǎn)子碰摩的定量分析比較困難。一般來說，轉(zhuǎn)子與靜止件發(fā)生碰摩時，轉(zhuǎn)子受到靜止件的附加力作用，它是非線性和時變的，因此使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非線性振動，在頻譜圖上表現(xiàn)出頻譜成分豐富，不僅

65、有工頻，還有高次和低次的諧波分量，當摩擦加劇時，這些諧波分量的增長很快。</p><p>　　轉(zhuǎn)子碰磨的故障特征有：</p><p>　　(1) 轉(zhuǎn)子失穩(wěn)前頻譜豐富，波形畸變；軸心軌跡不規(guī)則變化，正進動；</p><p>　　(2) 轉(zhuǎn)子失穩(wěn)后波形嚴重畸變或削波，軸心軌跡發(fā)散，反進動；</p><p>　　(3) 輕微摩擦時同頻幅值波動，軸心

66、軌跡帶有小圓環(huán)，如圖2-5(a)所示。</p><p>　　(4) 碰摩嚴重時，各頻率成分幅值迅速增大，軸心軌跡附加的小環(huán)也增加，如圖2-5(b)所示。</p><p>　　(5) 系統(tǒng)的剛度增加，臨界轉(zhuǎn)速區(qū)展寬，各階振動的相位發(fā)生變化。</p><p>　　(6) 工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生的輕微摩擦振動，其振幅隨著時間緩慢變化t相位逆轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)。</p>&

67、lt;p>　　(a) (b)</p><p>　　圖2-5 轉(zhuǎn)子碰磨軸心軌跡</p><p>　　2.3.5 油膜震蕩</p><p>　　油膜軸承因其承載性好，工作穩(wěn)定可靠、工作壽命長等優(yōu)點，在各種機械、各個行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。采用流體膜潤滑軸承的目的主要是減少摩擦與磨損，但軸承油膜對轉(zhuǎn)子振動特性有很大影

68、響。油膜振蕩是軸頸帶動潤滑油高速流動時，高速油流反過來激勵軸頸，使其發(fā)生強烈振動的一種白激振蕩現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子軸徑在油膜中的劇烈振動將會直接導(dǎo)致機器零部件的損壞。</p><p>　　轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速在失穩(wěn)轉(zhuǎn)速以前的轉(zhuǎn)動是平穩(wěn)的，當達到失穩(wěn)轉(zhuǎn)速后即發(fā)生半速渦動，隨之轉(zhuǎn)速的提高，渦動角速度也隨之增加，但總保持著約等于轉(zhuǎn)動速度一半的比例關(guān)系，半速渦動一般并不劇烈，但當轉(zhuǎn)速升到比一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍稍高以后，由于此時的半速渦動的渦動

69、速度與轉(zhuǎn)軸的第一階臨晃轉(zhuǎn)速相重合即產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為強烈的振動現(xiàn)象，稱為油膜振蕩。油膜振蕩發(fā)生以后，就將始終保持約等于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的渦動頻率，而不在隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而升高。油膜震蕩的故障特征有：</p><p>　　(1) 油膜振蕩總是發(fā)生在轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍以上。</p><p>　　(2) 油膜振蕩的頻率接近于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即使轉(zhuǎn)速在升高，其頻率特征不變。<

70、;/p><p>　　(3) 油膜渦動時，軸心軌跡呈內(nèi)8字型，如圖2-6所示；油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子渦動方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相同，軸心軌跡呈花瓣形，正進動，如圖2-7所示。</p><p>　　(4) 油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子的撓曲呈一階振型。</p><p>　　(5) 油膜振蕩的發(fā)生和失真具有突然性，并具有慣性效應(yīng)，即升速時產(chǎn)生振蕩的轉(zhuǎn)速比降速時振蕩消失的轉(zhuǎn)速要大。</p>

71、;<p>　　(6) 油膜振蕩劇烈時，隨著油膜振蕩的破壞，振蕩停止，油膜恢復(fù)后，振蕩再次發(fā)生，這樣持續(xù)下去，軸承與軸頸不斷碰摩，產(chǎn)生撞擊聲，軸瓦內(nèi)油膜壓力有較大的波動。</p><p>　　圖2-6 油膜渦動軸心軌跡 圖2-7 油膜震蕩軸心軌跡</p><p>　　2.4 軸心軌跡測試方法及信號分析</p><p>　　軸心軌跡是軸心上一點相對

72、于軸承座的運動軌跡。這一軌跡是在與軸線垂直的平面內(nèi)。因此要求在該平面內(nèi)的兩個垂直方向安裝電渦流位移傳感器對轉(zhuǎn)軸振動進行測量。整個測量裝置如圖2-8所示，這樣可以同時檢測軸心在x和y方向上的振動，將振動輸入到電子示波器中，就可以觀察到經(jīng)濾波后的軸心軌跡圖形。</p><p>　　圖2-8 軸心軌跡測試圖</p><p>　　一般來說，在由不平衡引起的軸的運動中，當軸的各方向的彎曲剛度相同時，

73、軸的運動為同步正進動。軸心軌跡為一圓，反映在X和Y方向上是只有基頻成分的簡諧振動，而且他們的幅值相等，相位相差900。但在許多的實際情況下，軸的各向彎曲剛度及支撐剛度存在差異，由不平衡引起的軸心相應(yīng)不在是一個圓，而是一個橢圓，這對反映在X和Y方向上的振動不僅振幅不同，而且相位相差也不是900。在這種情況下，軸的彎曲相對軸的部位不是固定不變的，而是以軸上某一線為中心的左右擺動。在一般情況下，軸的運動除了上述由不平衡響應(yīng)引起的同步正進動之外

74、，還存在非同步的正進動和反進動，有時也稱為正向渦動和反向渦動。這時軸心的運動軌跡具有較復(fù)雜的形狀。</p><p>　　我們用運動分解的概念來說明軸心軌跡的形成。ρ為同步正向渦動分量，它以和轉(zhuǎn)子角速度相同的角速度ω旋轉(zhuǎn)。這樣，構(gòu)成了軸心c的運動軌跡。當有渦動存在時，反映在X和Y方向上的振動，除了基頻成分之外，還有頻率為ωe的振動成分。當ω和ωe的關(guān)系為整數(shù)比時，我們?nèi)钥梢垣@得一條封閉曲線的形式的軸心軌跡：當ω和ω

75、e不是整數(shù)關(guān)系時，曲線將是不封閉的。</p><p>　　下面介紹常用的振動信號分析方法。</p><p>　　(1)振動信號的幅值分析方法</p><p>　　應(yīng)用于幅值分析的參數(shù)有：均值、均方根值、最大值、最小值和絕對平均值等。這些參數(shù)計算簡單，對于故障診斷有一定的作用，但它們會因工作條件(負載、轉(zhuǎn)速等)的改變而變化，所以又存在對故障不十分敏感、不好區(qū)分的缺點。

76、因此，人們又引入了無量綱的幅值參數(shù)，如波形指標、峰值指標、脈沖指標、裕度指標以及峭度指標等。這些參數(shù)對故障有足夠的靈敏度，對信號的幅值、頻率變化不敏感，而只取決于概率密度函數(shù)的形狀，在故障診斷中有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　(2)振動信號的相關(guān)分析方法</p><p>　　相關(guān)分析主要是應(yīng)用相關(guān)系數(shù)與相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)，即通過相關(guān)函數(shù)來研究兩個信號之間的相關(guān)性和收斂性。不同的信號有不同的

77、相關(guān)函數(shù)，自相關(guān)函數(shù)不含有信號的相位信息，只存在單一的量值關(guān)系，而互相關(guān)函數(shù)則包含相位信息，這在分析振動信號的特性時是很有用的。</p><p>　　(3)振動信號的頻域分析方法</p><p>　　頻域分析的基礎(chǔ)是頻譜分析，即分析動態(tài)信號的幅值、相位、功率和能量隨頻率的變化關(guān)系。頻譜分析主要包括功率譜密度函數(shù)分析、細化譜分析、倒頻譜分析、沖擊響應(yīng)譜分析、最大墑譜分析以及全息譜分析等。頻域

78、分析是機械故障診斷中用得最廣泛的信號處理方法之一。因為故障發(fā)生、發(fā)展時都會引起頻率結(jié)構(gòu)的變化。頻域分析還研究系統(tǒng)的傳遞特性、系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系，這可以幫助我們了解系統(tǒng)的固有特性以及故障源的信息如何傳遞變化等。</p><p>　　(4)振動信號的時序分析方法</p><p>　　時序分析法簡單地說就是對有序的觀測數(shù)據(jù)(觀測的時間序列簡稱觀測時序)進行統(tǒng)計學處理與分析的一種數(shù)學方法，是數(shù)據(jù)

79、的統(tǒng)計處理與系統(tǒng)分析相結(jié)合的一種方法。一方面可以對系統(tǒng)進行動態(tài)分析，另外還可以對系統(tǒng)的未來狀態(tài)和趨勢進行預(yù)報和控制。時序分析的手段就是建立時序模型。而時序模型譜具有許多優(yōu)點，如譜峰清晰、譜線光滑、頻率坐標準確、分辨率高、不要求周期采樣及加窗處理等，因而克服了常規(guī)FFT譜分析所存在的缺陷，即要求固定數(shù)據(jù)長度、短數(shù)據(jù)信號處理失真、加窗引起泄漏、產(chǎn)生誤差、降低分辨率等。機器故障診斷的時序模型法就是在機器的運行過程中，首先選定恰當?shù)脑\斷參數(shù)，然

80、后建立一個時序模型，通過時序模型的相應(yīng)判據(jù)以診斷機器狀態(tài)的變化。這種方法在相當多的場合下能可靠地回答機器是屬于正?；虍惓顟B(tài)。</p><p>　　(5)振動信號的特征分析方法</p><p>　　特征分析主要是依據(jù)旋轉(zhuǎn)機械最基本的運動變量一轉(zhuǎn)速在變化時或在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，機器的各重要部位振動量大小來進行特征描述。一般隨自變量選用的不同，特征分析有如下的幾種方法，即功率譜分析、階比譜分析、

81、跟蹤譜分析(又分頻率跟蹤、階比跟蹤及復(fù)合功率跟蹤)、坎貝爾跟蹤分析(又分頻率坎貝爾圖和階次坎貝爾圖)、轉(zhuǎn)速譜陣分析(包括頻率譜陣與階比譜陣)、時間譜陣分析(包括頻率譜陣與階比譜陣)。特征分析的目的就在于把眾多的特征分量(頻率)從復(fù)雜的信息中識別出來，研究和分析它們的變化特征，從而判別機器運行狀態(tài)是否正常。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p

82、>　　本章首先主要介紹了轉(zhuǎn)子的振動機理，振動的類型以及這些振動產(chǎn)生的原因。其次介紹了幾種典型故障的的軸心軌跡圖形和它們的時域及頻域特性，為以后的分析提供理論基礎(chǔ)。最后介紹了軸心軌跡測試方法和常用的振動信號分析方法。</p><p>　　第3章 LabVIEW應(yīng)用程序設(shè)計</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)采集和軸心軌跡合成</p><p>　　軸心軌跡的測量原理

83、已經(jīng)在第二章中進行了介紹，圖2-2就是該測量電路的硬件部分。用兩個電渦流傳感器字相互垂直的兩個方向上測量轉(zhuǎn)子的徑向位移，將電壓信號經(jīng)電荷放大器放大濾波器濾波后送到計算機進行處理，以合成軸心軌跡。在這里采集信號用的是數(shù)據(jù)采集卡，它首先需要驅(qū)動，然后配合程序來完成數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　LabVIEW的兩大基本功能是DAQ數(shù)據(jù)采集和儀器控制。DAQ數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的核心技術(shù)之一，也是LabVIEW與其

84、他編程語言相比較的優(yōu)勢所在，甚至可以認為，DAQ數(shù)據(jù)采集是LabVIEW最大的功能。</p><p>　　一般地說，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動程序，驅(qū)動程序控制數(shù)據(jù)采集卡的硬件操作。目前NI公司的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動軟件有NI-DAQ和NI-DAQmx，這兩種驅(qū)動軟件提供各種DAQ函數(shù)節(jié)點，用戶可以方便的訪問硬件。</p><p>　　這里，我采用的是DAQmx來作為驅(qū)動。對于數(shù)據(jù)采集來說，有幾個

85、組成部分是必不可少的，如采集通道、定時、觸發(fā)、啟動和清除等。首先要設(shè)置虛擬通道，我們用到的是DAQmx Create Virtual Channel.vi。該vi的作用是為任務(wù)添加一個或一批虛擬通道，如果沒有指定任務(wù)，它將建立一個任務(wù)，由于其多態(tài)性，其I/O通道類型可以是模擬輸入輸出、數(shù)字I/O或者計數(shù)器輸出等。</p><p>　　其次，用到的是DAQmx Timing.vi。數(shù)據(jù)采集一定要設(shè)置采樣數(shù)、采樣率、

86、以及采樣模式等，這些都是在該vi來實現(xiàn)。它用于指定設(shè)備的數(shù)據(jù)采集操作是否連續(xù)或有限，為有限的操作指定或生成的樣本數(shù)，以及在需要時創(chuàng)建一個緩沖區(qū)。對于模擬輸入這種需要采樣定時的操作，它可以設(shè)置采樣時鐘源級采樣速率。</p><p>　　然后需要設(shè)置觸發(fā)。DAQmx Tigger.vi配置一個觸發(fā)器使DAQ設(shè)備完成一個特定的動作，最為常用的是啟動觸發(fā)和參考觸發(fā)。啟動觸發(fā)初始化一個采集或生成，參考觸發(fā)則在采樣集中的位置

87、設(shè)置一個參考點，早那里觸發(fā)前數(shù)據(jù)采集結(jié)束，而觸發(fā)后數(shù)據(jù)采集開始。</p><p>　　從通道中采集的數(shù)據(jù)存放在緩存區(qū)，如果要對數(shù)據(jù)進行更進一步的處理，需要將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)中讀取出來，這就用到了DAQmx Read.vi。當連續(xù)采樣時，該vi會讀取緩存區(qū)中所有可讀的樣本，當有限采樣時，該vi會等待任務(wù)獲取了所有被請求的樣本，然后將這些樣本從緩存區(qū)中全部讀出。</p><p>　　最后是對DAQ

88、mx Start Task.vi的使用。該vi顯示的將一個任務(wù)轉(zhuǎn)換至運行狀態(tài)，在運行狀態(tài)，這個任務(wù)將完成特定的采集或生成。如果程序中沒有使用該vi，當讀取或?qū)懭雸?zhí)行的時候，任務(wù)可以隱性的轉(zhuǎn)換至運行狀態(tài)，或者自動開始。</p><p>　　雖然不是在任何時候都需要用到該vi，但是使用它來顯示的啟動一個與硬件定時有關(guān)的采集生成任務(wù)是個值得選擇的，例如在循環(huán)之中，就應(yīng)該使用該vi，否則任務(wù)會重復(fù)的啟動或停止，這樣會降低

89、執(zhí)行性能。</p><p>　　如圖3-1所示，是用NI-DAQmx編制的數(shù)據(jù)采集程序的部分程序框圖</p><p>　　圖3-1 DAQmx數(shù)據(jù)采集</p><p>　　從圖中可以看到創(chuàng)建虛擬通道vi、定時vi、啟動任務(wù)vi和讀取vi。這些vi都有一些輸入輸出端子用以連接一些必要的的控件，進行參數(shù)的設(shè)定，比如采樣數(shù)、采樣率等。</p><p&g

90、t;　　圖3-1只是單通道的數(shù)據(jù)采集程序，由于本課題所采集的是兩路電壓信號且需要將兩路信號合成軸心軌跡，用DAQmx編制的程序比較繁瑣，信號流程不明顯，不宜與隨后的各程序進行整合，所以放棄了DAQmx，改用DAQ助手。</p><p>　　DAQ助手是建立在DAQmx上的一個基于步驟的向?qū)?，它擁有一個交互式的圖形界面，無需編程就能一步一步的進行測量任務(wù)、采集通道、信號自定等配置，而且能夠自動生成代碼，實現(xiàn)DAQm

91、x應(yīng)用的快速開發(fā)。</p><p>　　首先驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡新建一個采集兩路信號的任務(wù)，并設(shè)置采樣數(shù)、采樣率、采樣模式、測量模式等，隨后將這個任務(wù)生成代碼，這時在新建vi的程序框圖上就會生成一個DAQ助手圖標，接下來就可以完成對信號的處理了，如圖3-2所示就是編制的數(shù)據(jù)采集和軸心軌跡合成程序。</p><p>　　圖3-2 數(shù)據(jù)采集和軸心軌跡合成</p><p>　　

92、從圖中可以看到，由DAQ助手采集的程序在經(jīng)由濾波器濾波后由拆分數(shù)組節(jié)點將兩路信號分開連接波形顯示控件和寫入測量文件控件，用以實驗位移信號的實時顯示和數(shù)據(jù)存儲。接下來信號連接到了頻譜分析控件，分別對兩路信號進行頻譜分析。最后，兩路信號輸入到XY圖波形顯示控件完成軸心軌跡的合成。用該程序在實驗臺上進行了實驗，測試結(jié)果如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 軸心軌跡合成</p><p>

93、　　在圖上可以看到兩路信號的波形以及合成的軸心軌跡，由此數(shù)據(jù)采集和軸心軌跡合成程序就編制完成了。</p><p>　　對于所采集的數(shù)據(jù)我們需要對數(shù)據(jù)進行保存以便管理，需要某一數(shù)據(jù)進行分析時又需要將它們讀取出來。LabVIEW中已經(jīng)把讀取和保存功能進行了模塊化處理，變成了一個控件，需要時選取它們并設(shè)置參數(shù)即可。如圖3-4和3-5所示即為進行數(shù)據(jù)存儲和讀取時的前面板</p><p><b

94、>　　圖3-4 數(shù)據(jù)存儲</b></p><p><b>　　圖3-5 數(shù)據(jù)讀取</b></p><p>　　3.2 軸心軌跡仿真程序</p><p>　　在進行軸心軌跡的自動識別時,需要有一標準與待測軸心軌跡進行比較,從而進行識別。從本課題的思路可以看出，這個標準就是典型故障的軸心軌跡。在第二章介紹軸心軌跡的形成機理時已經(jīng)知

95、道，不同的轉(zhuǎn)子故障其軸心軌跡也是不同的。比如轉(zhuǎn)子不平衡故障的軸心軌跡為橢圓、轉(zhuǎn)子不對中故障的軸心軌跡為“香蕉”或“外八字”等。</p><p>　　我們知道當轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)異常時，轉(zhuǎn)子軸心軌跡變的十分不規(guī)則，研究各分量的特征頻率將會得到許多故障信息。</p><p>　　有前面的數(shù)據(jù)采集程序得到的徑向位移信號的波形可以看出，其波形在濾波后可以近似的認為是正弦波，由此我們我們構(gòu)造了如

96、下方程式來仿真轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時的軸心軌跡。</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中，A1、A2、α1、α2、B1、B2、β1、β2分別為x(t)和 y(t)的一倍頻和二倍頻的幅值和初相位。在復(fù)平面對其進行組合形成復(fù)信號</p><p><b>　　(3-2)</b></p>&

97、lt;p>　　調(diào)整公式(3-1)中的8個參數(shù)，就能仿真出主要的軸心軌跡。通過改變這八個參數(shù)可以獲得我們所需的軸心軌跡圖形。如圖3-6所示為我們仿真出的幾種典型的軸心軌跡圖形。</p><p>　　圖3-6 基于LabVIEW常見軸心軌跡曲線仿真</p><p>　　在用以上方程式得到軸心軌跡圖形時，我們可以發(fā)現(xiàn)不同的軸心軌跡圖形與振動頻率之間有種對應(yīng)的關(guān)系具體描述如下[18]：<

98、;/p><p>　　當x(t)、y(t)的二倍頻分量的幅值均為0時，軸心軌跡的形狀隨一倍頻分量的幅值和初始相位變化，其形狀為直線、橢圓和圓。當x(t)、y(t)的一倍頻分量的初始相位相等時，軸心軌跡為～條直線，其斜率由一倍頻分量的幅值確定：當x(t)、y(t)的一倍頻分量的初始相位差900且一倍頻分量的幅值相等時，軸心軌跡是圓形，否則為橢圓。</p><p>　　當x(t)或者y(t)的二倍頻

99、分量的幅值為0時，軸心軌跡的形狀隨一倍頻和二倍頻分量的幅值和相位變化，其形狀為圓弧、外8字形和香蕉形等。當x(t)和y(t)方向的一倍頻分量的幅值之比大于2倍以上時，軸心軌跡呈現(xiàn)圓弧形、外8字形和香蕉形，其曲率隨二倍頻的分量的幅之增大而增大。</p><p>　　當工x(t)、y(t)的～倍頻和二倍頻分量的幅值均不為0時，軸心軌跡的形狀隨一倍頻和二倍頻分量的幅值和初始相位變化，其形狀具有直線、橢圓、圓、內(nèi)8字形、

100、外8字形、香蕉形以及其他各種復(fù)雜不規(guī)則的形狀。</p><p>　　以上的這些軸心軌跡圖形都是由編制的仿真程序完成的，如圖3-7所示為軸心軌跡仿真程序的框圖的前面板。</p><p>　　圖3-7 軸心軌跡仿真程序</p><p>　　3.3 不變矩計算程序</p><p>　　3.3.1 不變矩方法簡介</p><p&g

101、t;　　矩在統(tǒng)計學中用于表征隨機量的分布，而在力學中用于表征物質(zhì)的空間分布。若把二值圖或灰度圖看作是二維密度分布函數(shù)，就可把矩技術(shù)應(yīng)用于圖像分析中。這樣，矩就可以用于描述一幅圖像的特征，并提取為與統(tǒng)計學和力學中相似的特征。近年來由二維和三維形狀所求取的矩值的不變性已引起了矩技術(shù)發(fā)展很多，現(xiàn)已被應(yīng)用于圖像分類與識別處理的許多方面，如景物匹配、直方圖匹配、圖像重建、目標識別和圖像檢索等。</p><p>　　1961

102、年，HU由代數(shù)不變量的理論推出一系列的矩不變量于形狀的識別。這里的“不變”意味著圖像或圖形的某些特征量在下列情形下保持不變:大小變化(尺度)、位置變化（平移）、方向變化（旋轉(zhuǎn)）。</p><p>　　方便起見，我們假設(shè)同一物體的不同圖像之間只相差一個旋轉(zhuǎn)、平移和尺度變換，即同一物體的不同圖像差別有物體擺放的方向、位置或攝像機與物體間距離不同引起的尺度不同。因此可以找到一些不變量，這些量只與物體形狀有關(guān)與它們的位置

103、、方位、尺度無關(guān)，這就是這里要討論的矩不變量。矩不變量是目標圖像的一種區(qū)域描述，也是目標的特征匹配的常用方法。由于它對平移、旋轉(zhuǎn)和尺度變化的目標具有不變性，因此可以對經(jīng)區(qū)域分割得到不同目標圖像區(qū)域計算其不變矩，并以不變矩作為特征量來對具有旋轉(zhuǎn)和尺度變化的目標圖像進行識別。</p><p>　　3.3.2 不變矩計算方法</p><p>　　不變矩的計算方法分為不變面矩和不變線矩，其區(qū)別是前

104、者對圖形填充求面積分后者對圖像的輪廓求線積分。根據(jù)軸心軌跡作為二維矢量曲線的特點，以及簡化自動識別程序的編制，本課題采用的是不變線矩作為識別的工具。</p><p>　　直接用普通矩或中心矩進行特征表示，不能使特征值同時具有平移、旋轉(zhuǎn)和比例不變性。如果利用歸一化中心矩，則特征矩不僅具有平移不變性，而且還具有伸縮不變性。如果希望圖像的特征對平移、旋轉(zhuǎn)和比例變換均具有不變性，則可以利用規(guī)格化中心矩的線性組合，以期理論

105、上達到圖形得不變特征構(gòu)造的目的。Ming-kuei HU于1968年利用以上關(guān)系式提出了不變矩的構(gòu)造方法，即七個不變矩函數(shù)式φ1—φ7。</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　對于軸心軌跡圖形，可以認為其經(jīng)過的各點的灰度值相同，即取f(x,y)=1，軸心軌跡沒有經(jīng)過的點灰度值為零，即f(x,y)=0,由此可以定義軸心軌跡c的p+q階矩mp

106、q為：</p><p>　　mpq= p,q=0,1,2,3… (3-4)</p><p>　　滿足平移不變性的中心矩：</p><p>　　p,q=0,1,2,3… (3-5)</p><p>　　其中，代表圖形的質(zhì)心，。</p><p>　　對進行歸