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基于labview的二维全息谱绘制

练晓婷 张雷 李光宇/沈阳鼓风机集团有限公司    
摘要:二维全息谱在一个截面内融合了两个方向的幅值和相位,并且由于使用了在传统谱分析中被忽略的相位信息,所以与传统谱分析比较起来能更加准确的识别和诊断转子的故障。本文通过对二维全息谱的构成及其算法进行描述,并采用labview对其进行编程,能更方便的提取转子的二维全息谱,从而进行故障诊断。
关键字:二维全息谱,labview,故障诊断
中图分类号:TP319 文献标识号:A
0 引言
  对于大型回转机械的故障监测与诊断方法FFT幅值谱、轴心轨迹、瀑布图以及趋势图等都存在一些缺点,例如分析结果不直观,幅值与相位分离;而相位谱由于误差太大基本不用;转子在水平与垂直方向的振动分别孤立的考虑,很难完整的表现转子的故障特征;在时域中得到的轴心轨迹往往由于噪声的干扰,也很难准确的提取故障特征。
  二维全息谱是根据信息融合的观点,将转子在一个截面的水平和垂直的振动信息加以融合,并且根据振动的幅值与相位绘制谱图,这样可以将转子在一个支承截面上的综合振动情况既精确有直观的表达出来,它能很好的反映转子在一个支承面的振动情况。二维全息谱也是在FFT变换的基础上发展的,它充分的利用相位信息,克服了传统谱分析中的一些缺点,成为传统谱分析的一个有效补充[1-2] 。本文讲述的是在labview中编制程序来绘制二维全息谱图。
1 二维全息谱的构成
  二维全息谱是将一个支承截面上的XY两方向的振动信号经过FFT变换,再将变换之后的幅值与相位以阶次为单位进行融合,这样根据幅值和相位信息就可以知道在每个阶次处的离心率、长轴和短轴等椭圆信息,然后就可以将各个阶次上的椭圆依次排列在横坐标上,其构成原理[2]如下图所示。

  在构成二维全息谱时,对进行信息融合的数据层有严格的要求:XY传感器的安装条件和特性应该一致;在进行数据采集时,信号的传输路径、采样频率、起始采样时间也应一致;同时各个分量的幅值、频率和相位的数值要精确。只有这样,才能构造出完整和正确的二维全息谱,从而对故障进行准确的识别。
2 二维全息谱的算法实现
  只有将传感器采集到的振动信号经过一定的处理,才能获得二维全息谱的信息。首先将传感器采集来的信号经过去均值和傅里叶变换,将信号从时域转换到频域,得到振动信号在频域内的全部信息。而二维全息谱需要的只是在某个截面上各倍频处的频域信息,所以经过变换提取频域信号中有用的信息,即可得到某个倍频处XY方向的幅值和相位

  而要绘制出椭圆,则要知道振动的椭圆方程,设传感器安装时X方向的传感器安装方向与水平方向夹角为an,则椭圆方程[2]为:

四、二维全息谱的labview实现
  根据二维全息谱的算法,可以由labview进行绘制[3] ,如图2所示为二维全息谱的主要流程图,依次经过信号读取、去均值、FFT变换、选取倍频、椭圆信息以及二维全息谱的形成,绘制了在工频,二倍频,三倍频和四倍频处的二维全息谱。

  二维全息谱的前面板如图3所示,二维全息谱横坐标是频率的阶次,前面的符号表示的是进动方向,“+”表示逆时针进动,“-”表示顺时针进动,振动椭圆由三部分组成,即椭圆,长轴以及中心点。下图为在指定截面处四个频率处的振动椭圆构成的二维全息谱。

 

五、 结论
  二维全息谱利用了在传统谱分析中被忽略的相位信息,使故障诊断能力得到很大的提高。同时由于二维全息谱在频域中集成了一个截面上的X和Y两个方向的振动信号的幅值和相位,使得大机组运行中隐含的故障特征充分的显示出来,从而正确的加以识别和诊断。
  二维全息谱上的信息可以作为故障诊断的依据,例如将转子标准状态下的二维全息谱和工作状态下的二维全息谱进行比较,通过比较各阶次处的椭圆大小、偏心率、进动方向等,就可确定转子在该截面处在什么频率下有可能产生的故障[4-5]
  要想识别和诊断整根转子的故障状态,仅仅靠二维全息谱监测一个截面的振动状态是不够的,需要在转子上多监测几个截面,通过观察每个截面处的二维全息谱,以及将多个截面上信息加以融合,构成三维全息谱,将会更加准确的识别和诊断的转子的故障状态。

                                                           参考文献
[1] 髙运达.基于LabVIEW的二维全息谱分析在压缩机转子故障诊断中的应用.水利电力机械,2006,28(2): 58~59.
[2] 屈梁生.机械故障的全息诊断原理.北京:科学出版社,2007.
[3]宁绍斌.二维全息谱分析在电厂通风机转子故障诊断中的应用.南华大学学报,2007,21(4):110~111.
[4] 乔俊伟,魏永梅,张雷,林建中,郑七振.基于二维全息谱的汽轮发电机的振动分析.机械设计与研究,2006,22(2):95~97.
[5] 刘献栋,李其汉.质量偏心旋转机械碰摩故障特征及全息谱分析.航空动力学报,1998,13(4):429~430.