基于LabVIEW的涡旋压缩机曲轴振动测试系统设计
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摘 要： 涡旋压缩机曲轴振动是反映压缩机工作性能的一个重要参数。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，并运用LabVIEW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，提高了测量精度。结果表明：该测试系统能及时反馈涡旋压缩机曲轴的振动情况，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。
关键词： 涡旋压缩机; 曲轴振动测试; 系统设计; LabVIEW; 信号处理; 故障预防
中图分类号： TN875?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）18?0071?04
Abstract： The crankshaft vibration of scroll compressor is an important parameter to reflect the working performance of a compressor. In order to display the vibration condition of crankshaft in real time， two eddy current sensors in the same plane and perpendicular to each other， LabVIEW and related hardware products are used to build a crankshaft vibration test system， which can realize the real?time collection， analysis and storage of crankshaft vibration signals and improve the measurement accuracy. The testing results show that the test system can immediately fed back crankshaft vibration condition of scroll compressor， display in real time the axes trajectory formed by the change of crankshaft vibration displacement， the waveform and the power spectrum of the processed displacement signal perpendicular to each other， and judge the fault type of the crankshaft vibration by means of the axes movement trajectory. The testing result can provide a theoretical reference for fault prevention of scroll compressor.
Keywords： scroll compressor; crankshaft vibration test; system design; LabVIEW; signal processing; fault prevention
0 引 言
由于涡旋压缩机具有构造简易、节能环保、运转平稳等优点[1?3]，被广泛应用于生物制药[4]、食物冷藏冷冻[5]、汽车空调[6]和纺织[7]等相关领域。涡旋压缩机曲轴是压缩机重要的转动部件之一，其运转的平稳性直接关系到压缩机的安全性能，为此许多学者对曲轴转动系统的动力特性问题进行了研究。文献[8]运用ANSYS对无油润滑涡旋压缩机曲轴建立机构模型并对其进行受力分析，计算出曲轴的最大应力和应变。文献[9]利用多元动力学等相关知识对涡旋压缩机主副轴承、曲柄销和曲轴等传动部件建立统一的多元力学模型，得到不同转速条件下的曲轴受力载荷，并对曲轴多元系统在变载荷下的位移形变及应力应变进行了分析。文献[10]根据涡旋压缩机实际工况利用有限元方法对涡旋压缩机曲轴及主副轴承施加约束条件，然后建立物理模型，并对其进行相关动力学计算，得出曲轴的受力特点，从而为提高曲轴寿命及整机性能提出参考意见。文献[11]根据涡旋压缩机实际工况及工作原理和材料力学相关知识对涡旋压缩机曲轴进行力学分析、计算，并利用ANSYS对涡旋压缩机曲轴、曲柄销及主副轴承等相关部件的动态特性进行分析，模拟出曲轴、曲柄销及主副轴承等相关部件的前6阶固有振动频率及各阶的振动形式，为优化曲轴等相关部件受力状况提供参考。
上述文献从理论和模拟仿真方面对曲轴转子传动系统的动力特性进行不同侧重点的研究，研究结果对于曲轴转子的结构设计和受力状况等提供理论参考。本文以涡旋压缩机为研究对象，基于LabVIEW软件开发平台，并借助其相关功能实现了涡旋压缩机曲轴转子振动的测试与分析。LabVIEW是一种用函数图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言[12]。其镶嵌式DAQ板、PCI卡等硬件以程序模块为基础，测量结果误差小，自动化程度高，可以搭建性能稳定且装备价格低廉的数据采集系统[13]。 1 试验装置结构及涡流传感器的安装
试验台的基本结构如图1所示。试验工况下通过装置中的变频器来调节电机转速，固定在试验装置支架体上同一平面内且互成90°的2个电涡流传感器把曲轴振动所产生的机械信号转换成电涡流信号，然后再把电涡流信号传入试验测试系统的前置处理器中，进行信号处理，并通过数据采集卡将采集到的模拟信号转换成数字信号，最终进入计算机内，以供LabVIEW内的程序分析和处理。曲轴振动测试系统如图2所示，该测试系统能够借助变频器实现不同转速下曲轴的振动特性研究。
2 系统测量原理
电涡流传感器分别由一个平面线圈和一块金属导体组成。在图3中，平面线圈中通入交变电流[I1]，根据电磁学相关知识得知，在其周围会产生一个交变磁场[H1]，若某一导体处在此交变磁场范围内，则该导体会感应产生一个电涡流[I2]，同样[I2]也会产生一个磁场[H2]，由于[H1]和[H2]方向不同，从而削弱了原交变磁场[H1]，使平面线圈原来的电感量、阻抗和品质因数发生改变[14]。
将通有电流[I1]的平面线圈等效为电涡流传感器，[I2]等效为短路电流，如图4所示。
由式（3）和式（4）知，[Ze]和[Le]均为互感系数[M]的相关函数，[M]又与2个线圈的结构尺寸、材质固有属性及2个线圈互相位置[x]有关[15]。在测量过程中一般可将线圈的结构尺寸、材质性能控制在一定范围内不发生改变，故互感系数[M]仅为2个线圈互相位置[x]的函数，即电涡流传感器等效阻抗[Ze]和线圈等效电感[Le]仅是2个线圈互相位置[x]的函数。故电涡流传感器能够满足涡旋压缩机曲轴振动信号的测量要求。
3 采集系統的构成
信号采集系统主要由传感器（SE990）、数据采集卡（PCI?6221）和计算机（ASUS—X450）等部分组成。图2亦为采集系统结构框图。
3.1 传感器
选用上海泽赞自动化科技有限公司旗下型号为SE990的电涡流传感器，探头型号SE990?05?01?01?01?08?020?01，前置器型号SE990Q?00?05?02。线性测量范围为0.25～1.25 mm，温度范围为-40～175 ℃，探头直径为5 mm。其最大优点就是可以对曲轴、轴承等被测元件进行非接触式线性测量[16]。
3.2 数据采集卡
数据采集卡是外界采集信号进入计算机的枢纽，在该枢纽中要进行A/D振动信号转换和完成振动信号的滤波、隔离、放大等处理[17]。本测试系统采用美国NI公司的PCI?6221数据采集卡。该卡输入电压为-10～10 V，差分模拟输入，2路16位模拟输出，双通道24路数字I/O线，单端16路、双端8路数字触发，采样频率250 KSPS，32位计数器。
4 测试系统软件设计
本试验测试系统软件编程部分采用LabVIEW软件中经典的模块化程序编写方法，首先将测试系统中需要实现的不同测试功能进行模块化区域划分，然后逐次编程。测试系统中主要需要编写的测试功能模块分别有：曲轴振动信号的采集、测试数据的识别转换，以及曲轴轴心运动位移信号在电脑终端的显示、分析、储存和输出读写等。系统测试流程如图5所示。
测试系统编程时选用2个while循环函数、3个事件结构和1个层叠式顺序结构相结合来实现事先划分的各个区域功能。首先，结合数据采集卡采用2通道分别对X和Y方向的2路信号采集进行相关程序编写;然后，采取DAQmx板块中相应.VI对振动信号实现长、宽度和周期、频率等相关参数实时测量的程序编写，并对振动信号是否具有相关性等相关程序进行编写;最后，选用LabVIEW中Index Array函数分别对测得的X和Y两路信号进行逻辑索引。曲轴振动测试系统程序框图如图6所示。
数据存储是将采集到的涡旋压缩机振动测试信号以数据形式储存在计算机中，以便日后对其进行查看和相关分析。本系统选用LabVIEW中的TDMS对采集到的相关振动信号进行储存，相比于其他记录存储文件，它具有高速记录的优点，且可储存大批量测量数据。开启TDMS，PCI?6221可将采集到的曲轴振动数据从LabVIEW设定的缓冲区以流盘的方式输入至预先设定的磁盘内，供试验人员查看。
5 振动测试结果分析
测试系统设计完成后进行振动测试试验，相互垂直的2路电涡流传感器处于曲轴同一平面上的不同位置，如图2所示，试验台运行30 min后借助LabVIEW软件开始对曲轴振动产生的数据实施采集，图7为涡旋压缩机转速为1 800 r/min时曲轴振动信号采集。由图7可知：涡旋压缩机曲轴振动的位移改变量蕴含着大量的曲轴运转信息。通过改变试验条件，可分别获得曲轴在不同运转工况下，其振动位移改变量所形成的轴心运动轨迹、振幅、截止频率等，从而可推断出涡旋压缩机曲轴的运转是否处于平衡状态，并可根据相关数据分析引起压缩机故障的原因等。
例如，从X，Y两个方向功率谱图形关系可知，转速为1 800 r/min时，X方向主要频率为19.1 Hz，Y方向主要频率为19.7 Hz，均接近涡旋压缩机曲轴的固有转动频率20 Hz，从而可知，这是由于电机在运转过程中周期性激发所造成的曲轴振动。由曲轴轴心运动轨迹可知，转速为1 800 r/min时，曲轴轴心运动轨迹为椭圆形。根据相关资料[18]可知，这是由于轴心不对中引起的振动，进而可说明该振动是由于电机周期性激发引起了曲轴轴心不对中而造成的振动。
6 结 语
基于LabVIEW图形化编程语言，实现了对涡旋压缩机曲轴振动信号采集系统的设计，该系统可完成对曲轴振动信号的采集、调理和数据存储等，从而可对曲轴运转状况进行实时监测;并可从前面板中方便读出曲轴振动位移改变量所形成的曲轴轴心的运动轨迹及互成90°位移信号的波形、功率谱及相关性等，进而可推断涡旋压缩机曲轴振动的类型及分析引起振动的原因，为预防涡旋压缩机故障和故障判别提供理论依据。相比于其他涡旋压缩机的信号采集系统，依据电涡流传感器和虚拟仪器搭建的曲轴振动测试系统具有识别准确度高、采集速度快和维护方便等优点。 参考文献
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