双轴转子系统非线性动特性测试研究与实现

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Study on Monitoring of Nonlinear Dynamic Characteristics of Two·SpanRotor Bearing SystemREN Wei，MA Chao，WANG Shao-hong，XU Xiao-li(Key Laboratory of Modem Measurement&Control Technology(Ministry of Education)，Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China)Abstract：The study iS earried out for better understanding the nonlinear dynamic characteristics of two.spanrotor bearing system.After obtained the information of vibration signal，the signal process is continued to ana-lyze typical failure status of the system and fault diagnosis is carried out corresponded.With.NET FrameW orksand Win32 SDK，the motoring system is programmed to accomplish data acquisition，signal process and thenonlinear dynamic characteristics analysis with fractal dimension method，etc.The results show that the fractaldimension method can be used as a analysis platform for the study of dynamic characteristics，which is valuablein fault evolution。

Key words：dynamic characteristics test；fault diagnosis；fractal dimension双跨转子系统的传动轴受力形式复杂，多种耦合故障问题尤为突出，其耦合故障特征信号往往具有非线性特性。机械设备系统运行过程中的振动及其信号特征是反映系统动态特性变化规律的主要信号。利用振动信号对机械设备进行分析，是目前设备故障诊断实际运用中最常用的方法 J，传统信号处理方法难以准确地对故障进行分析和预测 。非线性动特性的实时监测和故障的快速诊断是耦合故障诊断应用领域的-个难点，特征信号构成复杂，传统平稳信号的时频域分析方法往往不能满足需要。

目前，研究人员主要通过实验台测试与分析的方收稿 日期：2012-07-27基金项目：北京市教委科教发展计划项目(SQKM201211232021)作者简介：任伟(1983-)，男，山西临汾人，硕士研究生，主要研究方向为旋转机械故障诊断与预报。

式，开展对故障信号非线性动特性的研究 j。设计制造了双轴转子故障实验台，并在此基础上深入研究双轴转子系统的故障机理及其监测、预报等技术。实验故障测试与分析中，研究较为深入的是利用分形几何理论研究非线性系统特性。其中，分形维数是-个非常重要的参数，它可以定量地刻画系统吸引子的奇异”程度，在非线性行为的定量描述中得到了较为广泛的应用。分形维数主要包括：Hausdorf维数、盒维数、自相似维数、信息维数、关联维数等。其中，盒维数和关联维数的应用较为深人，方式包括研究系统时序信号的关联维数以及轴心轨迹图的盒维数，在很多研究中都取得了较好的实验结果 J。

本研究主要针对双轴转子故障动特性，以双轴转子实验台为研究对象，以数据流处理接口为中心的总体架构思想，整合传感器与数字信号采集设备，基于Microsoft.NET 2.0平台实现-套通用的故障诊断软双轴转子系统非线性动特性测试研究与实现 ·29·件，实现了快速、准确地获取试验数据，可针对双轴系统的非线性动特性，建立基于分形几何理论的测试方案。

1 双轴转子系统分析实验主要装置是转子实验台，转子实验台机械结构部分主要由电机、传动轴、传动齿轮、滚动轴承以及台座等组成，如图 1所示。

图 1 实验台装置图实验台结构示意图如图2所示。系统使用电涡流位移传感器测量转子水平和垂直方向的弯曲振动。

1-直流电机；2-轴承座 ；3-联轴器 ；4-涡流传感器；5-不平衡质量盘 ；6-2根转轴 ；7-齿轮减速机图2 实验台结构示意图通过设置特定故障后，实验台运行状态经传感器及放大滤波采样，采集到在-定转速下各种常见转子故障的振动信号数据。

实验台进行实验研究的故障形式有以下几种：① 偏心量和初始偏心相位对系统运行动特性的影响。实验台圆盘上面有平衡螺栓孔，增加和减少平衡螺栓的个数可以调整转子的偏心量。

② 轴承支撑故障对系统运行动特性的影响。实验台转子系统采用滚动轴承支撑，通过调节轴承刚度模拟轴承支撑故障。

③ 转子碰摩故障对系统运行动特性的影响。使用定子通过螺纹连接固定在传感器支架上，通过调节其间隙，以便模拟不同程度的碰摩，实验中用电涡流传感器获取转子系统的振动信号。

2 非线性动特性测试系统的实现2.1 系统组成测试系统搭建如图3所示，由双轴转子实验台、传感器信号采集系统、软件系统等组成。

数据储存图3 测试系统结构图测试系统的核心为配有多通道数据采集卡的计算机，它通过数据采集卡和 A/D转换接口采集实验台传感器信号；将获取的实验数据通过应用程序进行数据分析处理后，提取得到故障特征。实验过程中，测试系统使用对应垂直布置的电涡流位移传感器采集转子水平和垂直方向的振动信号；使用对应同轴线方向的电涡流位移传感器采集弯曲振动信号；并分析转子部位不同工作条件下的基于轴心轨迹的分形维数。

整个测试系统由测试仪主计算机、数据采集卡和通信接口组成，A/D多通道数据采集卡、传感器和计算机组成了测试硬件系统。测试系统采用电涡流传感器对轴的径向振动、轴向位置振动信号进行采集；采用加速度传感器对轴承座、台体振动信号进行采集；数据采集卡对采集到的传感器信号进行模数转换，并输送到计算机进行数据处理。

2.2 软件系统架构设计故障诊断系统主要实现从采集系统中获得数据，根据需求目的，进行不同的数据处理，并将分析结果进行显示和评估。

测试软件系统架构采用了三层架构设计，这样可以只关注整个结构中的某-层，从而易于用新的实现来替换原有层次的实现，降低层与层之间的依赖，并且有利于标准化和各层逻辑以及代码的复用。

② 业务逻辑层：实现了对抽象功能的具体化，是- 系列用来管理软件运行的功能逻辑代码。

③ 数据算法层：具有两种作用，其-是通过.NET平台底层完成对采集卡和数据文件的操作；其二是利用DLL接口和Matlab接口实现高效算法。

· 30· 《测控技术)2013年第32卷第9期显示接I：1 Il算法接口 lI设置基类 ll数据接口Chart[件 l DLL算法库 l对话框类 l数据存取频域分析时域分析设置 l采集数据小波算法分形维TeeChart l 1.NET DLL I l WinForm堑丝 l l 旦 I I 平台图4 软件系统总体架构2.3 软件功能实现双轴转子实验台数据分析软件采用 VS2005设计完成，主程序运行于.NET平台上，信号处理算法库由Win32 DLL封装，软件主要实现了以下功能：① 多通道实时采集、显示；②信号分析的高效率实时运算能力；③ 可处理多样性的振动、噪声以及轴心轨迹等故障信号；④ 可处理非线性信号的特征提取；⑤ 数据以及处理结果的存龋测试系统软件采用设计模式的方法进行规划，可划分为4大功能拈，分别为参数设置、实时显示、信号处理算法、数据管理。每-功能拈包装成独立的接El，每-个接口功能又由继承类具体实现，便于用户对系统进行维护、改进。软件结构如图5所示。

显刁设置测试系统软件算法接口l I显示接口ll数据接口萋 数采设备计 算机文件系统图5 软件系统功能结构图参数设置拈包含了系统工作设置、信号采集、信号处理和显示等参数设置功能。其中系统工作设置可实现实验信息、数据目录及实验设备的修改、删除和添加等功能；信号采集设置可以设置采样频率、通道等参数信息；信号处理设置拈可以设置算法调用方法、采用的参数等；显示设置可以根据用户要求使得界面友好，方便灵活，简单易行等。

实时数据拈用来监测振动信号的波形、频谱、轴心轨迹等。本系统实时监测功能包括单通道和多通道时、频监测，其过程包括数据的实时采集和显示波形图、频谱图等。系统实现了实时波形测试分析和实时频谱测试分析；并且对信号实时算法提出了优化处理，提高了实时信号处理的运算速度。通过实时频谱变化特点，及时观察系统不同工作条件下的变化情况。图6为双通道采集示波界面。

2豆面 1馨0g 5理 3氅124.9 49.8 74.71 99.61 124.51时间/ms24.9 49-8 74.71 99.6l 124.51时间/ms(a)实时信号采集0.6誊o.4擎 O.2O0 120 240 360 480 600 720频率/Hz(b)实时频域分析图6 双通道采集不波界面数据采集拈是专门负责采集旋转机械的运动、振动和噪声等信号。传感器信号经数据采集拈后，可以利用实时显示功能 自动连续地显示机器运行情况，并且记录完整的原始数据，使得软件系统可以具备分析和诊断功能，记录故障发生时刻的原始数据，便于通过-系列算法实现故障特征提龋拈采用多线程设计，可以单通道采集，也可以多通道同时采集，以二进制文件保存到文件系统中。

数据分析算法拈可以读取储存的振动数据，从而可以全面分析和了解机械运行过程，判断故障的发生和发展情况，可以从不同的信号分析方法对信号进行观察和分析，提取与设备运行状态有关的特征信息。

本拈通过-系列算法类，调用封装 DLL信号处理算法库，不仅实现了对数据的频域分析、功率谱分析、倒谱分析、传函分析和轴心轨迹分析等传统信号处理，并且能实现非线性特性分形维数分析等非线性信号处～- -T'文件系统参数设置 -iT.系统操作参数设置