张松梅，马孝江，苑宇
摘要：本文介绍转子特征谱分析即全谱分析和全息谱分析的概念。并阐述了利用LabVIEW实现特征谱分析的方法它是进行旋转机械故障监测与诊断的有力工具。
关键词：全息谱分析；全谱分析；LabVIEW；故障诊断；汽轮机；旋转机械
中图分类号：TP274.4文献标识码：B
LabVIEW是美国NI公司开发的一种基于G语言的虚拟仪器开发工具。凭借简单直观的图形化编程方式、众多原码级的设备驱动程序以及丰富实用的分析表达功能，为用户快速构建自己的实验测试系统提供了良好的环境。
基于LabVIEW的转子特征谱分析充分体现了其编程简单的优点。
由于转子涡动的物理特性，旋转机械的测量一般采用同一截面互相垂直的两个探头来完成。然而，这两个探头中任一探头所监测到的信息，无论在量值和结构方面均难以反映机组运行的实际状况，在很多情况下差异很大，会直接影响到诊断结果的真实性。与传统的频谱分析方法相比，全谱分析和全息谱分析是以不同方式融合两个通道的信息，能够得出更多的转子特征信息。判定设备状态更加直观和简单，对避免误判具有非常积极的工程意义。
一、全谱分析模块
1．全谱分析
从机理上讲，各个谐波频率下转子的椭圆轨迹可分解为两个转动方向相反的正圆，一个为正进动，另一个为反进动。其中半径较大的正圆的涡动方向决定了该频率下的转子进动方向，因此全谱分析的图谱在横坐标上采用了正负频率轴的表达方式。其中正频率轴依次表达正进动的正圆半径值；负频率依次表达反进动正圆的半径值。如果在某一频率下，正半频率的谱值大于负半频率，则表明转子在该频率下是正进动。
2．系统设计
首先通过LabVIEW读取双通道信号，然后分别取均值，作复FFT后进行简单的数值分离即可得到全谱。
某化工厂苯乙烯车间某双螺杆压缩机由汽轮机和一个双螺杆结构组成，图1为汽轮机测点轴承位置径向90°夹角放置的两个涡流传感器测得的信号功率谱图；图2是其全谱（可以通过光标示值得出各个频率成分对应的幅值）。可以看出，a和b虽为同一截面两个信息的功率谱，但无论从结构和量值上都有较大不同，很难得出一致结论。全谱分析融合了a、b的强度信息，可以看出其主要频带下全谱的反向进动幅值大于正向，表明转子的总体轨迹是反向涡动，初步判定其存在碰摩，在后来的检修中确实发现了转子与轴瓦之间的磨损较为严重。
二、全息谱分析模块
1．全息谱分析
全息谱技术是在FFT算法的基础上，通过内插技术，精确求得自由方式（非等转角间隔整周期）下采集的振动信号的幅值、频率和相位值，然后将转子截面水平和垂直方向振动信号的上述信息集成，用合成的一系列椭圆来刻画不同频率下转子的振动行为，体现了诊断信息全面利用、综合分析的思想。全息谱是幅、频、相的高度综合。
由于条件的限制，很多转子监测系统中都没有安装相位传感器，所以，解决全息谱中进动方向和初始相位是两个十分关键的问题。
(1)确定初始相位
信号中各倍频分量的初始相位是随采样的起始点确定的。起始点位置不同，初始相位的数值也会改变。因此，孤立地讨论某一倍频分量初始相位的大小对状态监测和故障诊断没有实际意义，重要的是各倍频分量之间的相对相位。
第i阶分量的参量坐标为
相应的，起始点的坐标为
其中，αi与βi为第i阶中两个组成正弦信号的初始相位，它们取决于采样的起始时刻和原始波形在全息谱上，工频分量图形起始点的相位角为arctan(B1sinβ1/A1sinα1)，对于第i阶而言，θi等于arctan(Bisinβi/Aisinαi)。为了消除各次采样初始时刻对不同θi的影响，取θi=0，此时可得第i阶初始相位为
由此可以得出其有意义的各阶初始相位（相对相位）。
(2)确定进动方向
未安装键相装置的监测系统，所采集的信号无法通过键相信号得出其进动方向，研究发现，可以用Fourier谱直接判断进动方向。假定｛xi｝和｛Yi｝分别为x，y方向上的离散序列，用序列｛xi｝、｛Yi｝构成复序列｛zi｝，即
｛zi｝=｛xi｝+j｛Yi｝
(i=0，1，2，LN/2-1)
其Fourier变换为｛Zi｝；｛ZRi｝｛ZIi｝分别为其实部和虚部。即若正进动时有2＜2，反进动时2>2，即可从Fourier谱上得出其进动方向。
2．系统设计
图3给出了全息谱分析主要流程，图4为通过LabVIEW实现全息谱分析的具体过程。前面板如图5所示，主要显示了0.5×、1×-5×的轨迹，每个图谱下面分别有其两个轴长、进动方向、相对初始相位等，这样就可方便直观地得出转子的振动信息。
用图5所示的全息谱分析前面板对前述汽轮机信号做全息谱，可以得出其0.5倍频、1~5倍频的涡动轨迹，各倍频轨迹下方还给出了两个轴的轴长、相对于一倍频的相对相位以及进动方向，非常直观，便于对设备进行诊断。与图2的全谱图相比更加直观，但分辨率却没有全谱高。
三、结论
应用虚拟仪器开发的旋转机械故障诊断离线系统转子特征谱的全谱分析和全息谱分析模块可以得出以下结论。
1．虚拟仪器的使用不仅降低了仪器研制成本，提高了效率，而且大大增强了设计的灵活性；界面直观灵活，高级语言编程接口技术灵活。
2．全谱分析、全息谱分析对旋转机械十分适用，对于避免产生误判具有十分积极的工程意义。
3．全谱分析具有较高的分辨率，计算直观简单，能够对转子系统进行进动分析，因而比其他分析方法具有明显的优越性。全息谱能直接表达出轴频的各倍频轨迹，比全谱更直观，但是分辨率不如全谱高，所以两种分析方法综合使用，可取长补短，相得益彰。
参考文献：
杨乐平等．LabVIEW高级程序设计．北京：清华大学出版社，2003.
韩捷，石来德．全谱分析技术及其在故障诊断中的应用．郑州大学学报（工学版），2002，23(3):44-47.
屈梁生，陈岳东．计算机辅助监测与诊断技术．西安：西安交通大学出版社，1989.
韩捷，关慧玲等．矢谱：一种实用的旋转机械故障诊断分析方法．机械强度，1998，20(3):212-215.