The Challenge:

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

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)機械的模態(tài)測試方案，為旋轉(zhuǎn)機械的共振監(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或者激勵信號無法測量的場合下使用。上個世紀(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)機械是車輛、船舶和機床等設(shè)備的重要組件，它的動態(tài)特性決定了整個設(shè)備的安全可靠運行。旋轉(zhuǎn)機械的結(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)機械的運行一般有兩種狀態(tài)：旋轉(zhuǎn)機械運行在一個恒定轉(zhuǎn)速下。這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)引起的對整個機械結(jié)構(gòu)的振動激勵可以被視為有著離散頻譜的多個諧波組成激勵信號，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號的頻譜也是多個諧波構(gòu)成的離散譜。如圖 1所示。另一種是旋轉(zhuǎn)機械運行在升速或降速過程。這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)引起的振動激勵可以被視為通過某個頻率范圍的寬頻帶掃頻激勵信號，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。

功率譜

圖 1 功率譜（恒定轉(zhuǎn)速）

轉(zhuǎn)速-頻率譜圖

圖 2 轉(zhuǎn)速-頻率譜圖（升速過程）

本文是針對旋轉(zhuǎn)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(yīng)函數(shù)估計相結(jié)合的工作狀態(tài)模態(tài)分析方法，利用旋轉(zhuǎn)機械變速過程的振動信號來提取旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。

測試對象與試驗設(shè)備

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

旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備

圖 3 旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備

整個結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號通過分別安裝在兩個軸承座和機器底座的加速度傳感器獲得。軸承座上的三個加速度傳感器分別按照水平，垂直和軸向三個方向安裝，獲得結(jié)構(gòu)在不同方向上的振動。激光轉(zhuǎn)速計用來測量旋轉(zhuǎn)機械的轉(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。

傳感器的安裝布置

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)機械的轉(zhuǎn)速從低到高線性變化，同時采集8個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，采樣時間為24秒的結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)，如圖 5所示。

結(jié)構(gòu)振動信號

圖 5 結(jié)構(gòu)振動信號

旋轉(zhuǎn)機械變速過程中，測量到的結(jié)構(gòu)振動信號可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)對機械旋轉(zhuǎn)激勵的響應(yīng)。由于測量到的振動信號中含有對旋轉(zhuǎn)激勵不同階次的響應(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。整個數(shù)據(jù)處理流程如圖 6所示

旋轉(zhuǎn)機械模態(tài)分析數(shù)據(jù)處理流程

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

圖 6 旋轉(zhuǎn)機械模態(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變換與時頻濾波的階次提取方法從數(shù)據(jù)中提取某個階次的振動響應(yīng)。整個升速過程的轉(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。

旋轉(zhuǎn)機械升速過程轉(zhuǎn)速-頻率譜圖

圖 7 旋轉(zhuǎn)機械升速過程轉(zhuǎn)速-頻率譜圖

階次提取出的振動響應(yīng)信號

圖 8 階次提取出的振動響應(yīng)信號

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

階次提取出工作狀態(tài)FRF

圖 9 階次提取出工作狀態(tài)FRF

獲得旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)每個測量點的工作狀態(tài)FRF后，就可以使用頻率域模態(tài)參數(shù)估計方法來提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。在模態(tài)估計環(huán)節(jié)，采用了ModalVIEW中最小二乘復(fù)頻域的方法。獲得的模態(tài)穩(wěn)定圖如圖 10所示

模態(tài)穩(wěn)定圖

圖 10 模態(tài)穩(wěn)定圖

提取的部分模態(tài)參數(shù)如表 1所示。旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)的一個模態(tài)振型如圖 11所示。

提取的模態(tài)參數(shù)

表 1 提取的模態(tài)參數(shù)

結(jié)構(gòu)模態(tài)振型

圖 11 結(jié)構(gòu)模態(tài)振型

總結(jié)

機械旋轉(zhuǎn)引起的振動激勵可以被視為通過某個頻率范圍的寬頻帶掃頻激勵信號，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，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(yīng)函數(shù)估計相結(jié)合的預(yù)處理方法，是旋轉(zhuǎn)機械在運行狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分析的有效手段。本文簡述的測試方法已經(jīng)作為OMA模塊加入到ModalVIEW中