The Challenge:

由于沒有白噪聲作為激勵(lì)，同時(shí)變轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動中多個(gè)諧波的混疊，造成頻率混疊或者無法激勵(lì)除模態(tài)，所以旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作模態(tài)測試（OMA）一直是一個(gè)難題。

The Solution:

使用NI PXI平臺和NI聲音振動工具包，構(gòu)造了能夠用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的模態(tài)測試方案，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的共振監(jiān)測和動態(tài)特性測試提供了新方法

"基于LabVIEW的圖形化開發(fā)平臺，我們開發(fā)了可用于工作旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作模態(tài)測試的ModalVIEW-OMA軟件，對測試結(jié)果進(jìn)行處理"

背景介紹

工作狀態(tài)模態(tài)分析（Operational Modal Analysis）是從來自于工作運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)構(gòu)振動測量數(shù)據(jù)中提取結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的方法，適合在無法施加人工激勵(lì)或者激勵(lì)信號無法測量的場合下使用。上個(gè)世紀(jì)末以來，工作狀態(tài)模態(tài)分析逐漸成熟與發(fā)展，并在土木工程和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是車輛、船舶和機(jī)床等設(shè)備的重要組件，它的動態(tài)特性決定了整個(gè)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析提供了可用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測重要信息。使用工作狀態(tài)的模態(tài)分析方法來解決旋轉(zhuǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)模態(tài)測試的應(yīng)用需求不斷增加，并引起國內(nèi)外測試工程人員的濃厚興趣。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行一般有兩種狀態(tài)：旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行在一個(gè)恒定轉(zhuǎn)速下。這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)引起的對整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動激勵(lì)可以被視為有著離散頻譜的多個(gè)諧波組成激勵(lì)信號，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號的頻譜也是多個(gè)諧波構(gòu)成的離散譜。如圖 1所示。另一種是旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行在升速或降速過程。這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)引起的振動激勵(lì)可以被視為通過某個(gè)頻率范圍的寬頻帶掃頻激勵(lì)信號，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號的頻譜是寬頻帶響應(yīng)譜，如圖 2所示。

圖 1 功率譜（恒定轉(zhuǎn)速）

圖 2 轉(zhuǎn)速-頻率譜圖（升速過程）

本文是針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的升速或降速工作的狀態(tài)下，介紹怎樣使用諧波階次提取和工作狀態(tài)頻率響應(yīng)函數(shù)估計(jì)相結(jié)合的工作狀態(tài)模態(tài)分析方法，利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械變速過程的振動信號來提取旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。

測試對象與試驗(yàn)設(shè)備

本文中使用的旋轉(zhuǎn)機(jī)械升速過程中的結(jié)構(gòu)振動信號來自于一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)器故障仿真設(shè)備，如圖 3所示。

圖 3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備

整個(gè)結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號通過分別安裝在兩個(gè)軸承座和機(jī)器底座的加速度傳感器獲得。軸承座上的三個(gè)加速度傳感器分別按照水平，垂直和軸向三個(gè)方向安裝，獲得結(jié)構(gòu)在不同方向上的振動。激光轉(zhuǎn)速計(jì)用來測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動速度，如圖 4所示。使用兩塊8通道的NI 4472動態(tài)信號采集卡配合NI 1042Q PXI機(jī)箱對加速度振動信號和轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。

圖 4 傳感器的安裝布置

數(shù)據(jù)測量與分析

調(diào)節(jié)變頻器控制旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速從低到高線性變化，同時(shí)采集8個(gè)通道的加速度信號和1通道模擬轉(zhuǎn)速信號，獲得采樣頻率為1kHz，采樣時(shí)間為24秒的結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)，如圖 5所示。

圖 5 結(jié)構(gòu)振動信號

旋轉(zhuǎn)機(jī)械變速過程中，測量到的結(jié)構(gòu)振動信號可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)對機(jī)械旋轉(zhuǎn)激勵(lì)的響應(yīng)。由于測量到的振動信號中含有對旋轉(zhuǎn)激勵(lì)不同階次的響應(yīng)。在進(jìn)行模態(tài)分析前，需要用階次提取的方法獲得某一階次的振動響應(yīng)信號。整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程如圖 6所示

圖 6 旋轉(zhuǎn)機(jī)械模態(tài)分析數(shù)據(jù)處理流程

依照圖6，基于LabVIEW的圖形化開發(fā)平臺，我們開發(fā)了可用于工作旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作模態(tài)測試的ModalVIEW-OMA軟件，對測試結(jié)果進(jìn)行處理。

在階次提取環(huán)節(jié)，采用了Gabor變換與時(shí)頻濾波的階次提取方法從數(shù)據(jù)中提取某個(gè)階次的振動響應(yīng)。整個(gè)升速過程的轉(zhuǎn)速-頻率譜圖如圖 7所示。提取出的某一階次的振動信號如圖 8所示。

圖 7 旋轉(zhuǎn)機(jī)械升速過程轉(zhuǎn)速-頻率譜圖

圖 8 階次提取出的振動響應(yīng)信號