功率譜（恒定轉速）

    挑戰:由于沒(méi)有白噪聲作為激勵，同時(shí)變轉速的旋轉機械振動(dòng)中多個(gè)諧波的混疊，造成頻率混疊或者無(wú)法激勵除模態(tài)，所以旋轉機械工作模態(tài)測試（OMA）一直是一個(gè)難題。

    解決方案:使用NI PXI平臺和NI聲音振動(dòng)工具包，構造了能夠用于旋轉機械的模態(tài)測試方案，為旋轉機械的共振監測和動(dòng)態(tài)特性測試提供了新方法

    "基于LabVIEW的圖形化開(kāi)發(fā)平臺，我們開(kāi)發(fā)了可用于工作旋轉機械工作模態(tài)測試的ModalVIEW-OMA軟件，對測試結果進(jìn)行處理"

    背景介紹

    工作狀態(tài)模態(tài)分析（Operational Modal Analysis）是從來(lái)自于工作運行狀態(tài)的結構振動(dòng)測量數據中提取結構模態(tài)參數的方法，適合在無(wú)法施加人工激勵或者激勵信號無(wú)法測量的場(chǎng)合下使用。上個(gè) 世紀末以來(lái)，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(zhù)廣泛的應用。旋轉機械是車(chē)輛、船舶和機床等設備的重要組件，它的動(dòng)態(tài)特性決定了 整個(gè)設備的安全可靠運行。旋轉機械的結構模態(tài)分析提供了可用于設備狀態(tài)監測重要信息。使用工作狀態(tài)的模態(tài)分析方法來(lái)解決旋轉機械的結構模態(tài)測試的應用需求 不斷增加，并引起國內外測試工程人員的濃厚興趣。旋轉機械的運行一般有兩種狀態(tài)：旋轉機械運行在一個(gè)恒定轉速下。這種狀態(tài)下，旋轉引起的對整個(gè)機械結構的振動(dòng)激勵可以被視為有著(zhù)離散頻譜的多個(gè)諧波組成激 勵信號，相應的結構振動(dòng)響應信號的頻譜也是多個(gè)諧波構成的離散譜。如圖 1所示。另一種是旋轉機械運行在升速或降速過(guò)程。這種狀態(tài)下，旋轉引起的振動(dòng)激勵可以被視為通過(guò)某個(gè)頻率范圍的寬頻帶掃頻激勵信號，相應的結構振動(dòng)響應信 號的頻譜是寬頻帶響應譜，如圖 2所示。

                 

                           圖 1 功率譜（恒定轉速）

                  

                         圖 2 轉速-頻率譜圖（升速過(guò)程）

    本文是針對旋轉機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)頻率響應函數估計相結合的工作狀態(tài)模態(tài)分析方法，利用旋轉機械變速過(guò)程的振動(dòng)信號來(lái)提取旋轉機械結構模態(tài)參數。

    測試對象與試驗設備

    本文中使用的旋轉機械升速過(guò)程中的結構振動(dòng)信號來(lái)自于一個(gè)旋轉機器故障仿真設備，如圖 3所示。

                   

                              圖 3 旋轉機械設備

    整個(gè)結構振動(dòng)響應信號通過(guò)分別安裝在兩個(gè)軸承座和機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，獲得結構在不同方向上的振動(dòng)。激光轉速計用來(lái)測量旋轉機械的轉動(dòng)速度，如圖 4所示。使用兩塊8通道的NI 4472動(dòng)態(tài)信號采集卡配合NI 1042Q PXI機箱對加速度振動(dòng)信號和轉速信號進(jìn)行同步數據采集。

                 

                           圖 4 傳感器的安裝布置

    數據測量與分析

    調節變頻器控制旋轉機械的轉速從低到高線(xiàn)性變化，同時(shí)采集8個(gè)通道的加速度信號和1通道模擬轉速信號，獲得采樣頻率為1kHz，采樣時(shí)間為24秒的結構振動(dòng)數據，如圖 5所示。
 
                   

                              圖 5 結構振動(dòng)信號

    旋轉機械變速過(guò)程中，測量到的結構振動(dòng)信號可以認為是結構對機械旋轉激勵的響應。由于測量到的振動(dòng)信號中含有對旋轉激勵不同階次的響應。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(dòng)響應信號。整個(gè)數據處理流程如圖 6所示

                    

                                   圖 6 旋轉機械模態(tài)分析數據處理流程

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

    在階次提取環(huán)節，采用了Gabor變換與時(shí)頻濾波的階次提取方法從數據中提取某個(gè)階次的振動(dòng)響應。整個(gè)升速過(guò)程的轉速-頻率譜圖如圖 7所示。提取出的某一階次的振動(dòng)信號如圖 8所示。

                     

                           圖 7 旋轉機械升速過(guò)程轉速-頻率譜圖

                     

                           圖 8 階次提取出的振動(dòng)響應信號

    在計算工作狀態(tài)頻率響應函數（FRF）環(huán)節，工作狀態(tài)FRF的幅度是每個(gè)測量信號的功率譜幅度，FRF的相位是每個(gè)測點(diǎn)與參考測點(diǎn)之間互功率譜的相位。計算得到的某個(gè)階次工作狀態(tài)FRF如圖 9所示。

                    

                         圖 9 階次提取出工作狀態(tài)FRF

    獲得旋轉機械結構每個(gè)測量點(diǎn)的工作狀態(tài)FRF后，就可以使用頻率域模態(tài)參數估計方法來(lái)提取結構的模態(tài)參數。在模態(tài)估計環(huán)節，采用了ModalVIEW中最小二乘復頻域的方法。獲得的模態(tài)穩定圖如圖 10所示

                     

                                    圖 10 模態(tài)穩定圖

    提取的部分模態(tài)參數如表 1所示。旋轉機械結構的一個(gè)模態(tài)振型如圖 11所示。

                     

                                表 1 提取的模態(tài)參數

                     

                                   圖 11 結構模態(tài)振型
 
    總結

    機械旋轉引起的振動(dòng)激勵可以被視為通過(guò)某個(gè)頻率范圍的寬頻帶掃頻激勵信號，相應的結構振動(dòng)響 應信號的頻譜是寬頻帶響應譜，可以用于工作狀態(tài)模態(tài)分析。諧波階次提取和工作狀態(tài)頻率響應函數估計相結合的預處理方法，是旋轉機械在運行狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分 析的有效手段。本文簡(jiǎn)述的測試方法已經(jīng)作為OMA模塊加入到ModalVIEW中，歡迎訪(fǎng)問(wèn)www.hqsignal.com 獲取詳細信息