【正文】 ，即將所提取的特征按一定規(guī)則分為若干個模式，確定模式中心，將輸入信號與己知的各個模式中心進行匹配，在根據(jù)一定的判定規(guī)則，確定輸入信號應(yīng)歸入哪一個模式。二維圖形識別常采用基于統(tǒng)計特征的矩不變性進行自動識別。HU在1962在文獻[12]給出了連續(xù)函數(shù)矩的定義和關(guān)于矩的基本性質(zhì)，證明了有關(guān)矩的平移的不變性、伸縮的不變性和旋轉(zhuǎn)的不變性等性質(zhì)，具體給出了具有平移、旋轉(zhuǎn)和比例不比變性的七個不變矩的定義。主要表現(xiàn)在HU氏不變矩在離散情況下不能保證對圖形比例縮放的不變性。現(xiàn)今，已經(jīng)提出的各種方法以解決軸心軌跡的信息處理和自動識別，如武漢大學的動力機械學院就提出了用灰色理論關(guān)聯(lián)度分析和基于不變性矩的徑向基函數(shù)方法來進行水輪機組的軸心軌跡自動識別[14][15]。浙江大學的丁昭同將廣泛應(yīng)用于語音識別的隱馬爾科夫模型用于旋轉(zhuǎn)機械的軸心軌跡的識別[17]，取得了一定的效果。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對機械設(shè)備的安全、穩(wěn)定、高可靠性工作的要求日益迫切。旋轉(zhuǎn)機械軸心軌跡作為旋轉(zhuǎn)機械的一類重要圖形征兆，包含了大量的故障信息，它形象、直觀地表達了設(shè)備的運行情況，是診斷專家在診斷過程中采用的一項不可缺少的故障征兆信息，軸心軌跡的提純與自動識別的研究水平?jīng)Q定著故障診斷專家系統(tǒng)的智能化水平，因此有著重要的研究價值。它功能靈活、開放，易于與其他儀器設(shè)備組成強大的測量系統(tǒng)，比傳統(tǒng)儀器效率更高、成本更低、功能更強大。搭建實驗臺和測試電路編制數(shù)據(jù)采集程序完成數(shù)據(jù)采集。整合程序?qū)崿F(xiàn)軸心軌跡自動識別和在線診斷。軟件方面：（1）編制信號采集采集程序。第2章 轉(zhuǎn)子振動機理和軸心軌跡特征在旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)檢修系統(tǒng)中，影響設(shè)備運行狀態(tài)的因素是多種多樣的，包括振動、瓦溫、氣蝕等。設(shè)備在運行過程中必然會產(chǎn)生不同程度的振動。當振動超過一定限度時就會對設(shè)備造成危害，嚴重時將威脅設(shè)備安全運行，帶來巨大的經(jīng)濟損失。強迫振動是由外界對系統(tǒng)持續(xù)激勵所引起的。外界激勵的來源可能是直接作用在振動系統(tǒng)上的激振力，也可能是由于系統(tǒng)中運動部件的不平衡離心慣性力，再就是由支撐件的持續(xù)運動而引起。如旋轉(zhuǎn)機械運動中的質(zhì)量不平衡、幾何軸線不對中、齒輪嚙合不好、傳動件配合不當、軸頸軸承問隙過大等都會引起機械設(shè)備的強迫振動。強迫振動會使設(shè)備或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的動應(yīng)力，成為疲勞破壞的重要原因。自激振動的突出特點是它的自治性，即當它處于自激振狀態(tài)時并不承受隨時間變化的外力，而是依靠系統(tǒng)的各個組成部分間相互作用的內(nèi)力來維持穩(wěn)態(tài)周期振動的。引起機械振動的的主要原因有：(1)因機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡引起的機組振動，其主要特征是機組振幅隨機組轉(zhuǎn)速變化較敏感，其振幅一般與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，且水平振動較大（2)機組轉(zhuǎn)動部件與固定部件相碰(或摩擦)所引起的機組振動，其特征為：一般振動較強烈，并常常伴有撞擊聲響(3)因軸承間隙過大、主軸過細、軸的剛度不夠所引起的振動，其特征為：機組振幅隨機組負荷變化較明顯(4)因機組軸線曲折、緊固零部件松動、機組對中心不準、推力軸承調(diào)整不良所引起的機組振動，其特征為：機組在空載低轉(zhuǎn)速運行時，機組便有明顯振動。頻率成分以一倍頻為主，混有少量噪聲成分。正常情況下的軸心軌跡與不平衡的軸心軌跡在形狀上相同，但正常情況下的振幅比不平衡時要小的多。該模型稱為剛性支承的轉(zhuǎn)子，對它進行分析計算所得到的概念和結(jié)論用于簡單的旋轉(zhuǎn)機械是適用的。圖21 單圓盤轉(zhuǎn)子大多數(shù)情況下，旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子軸心線是水平的，轉(zhuǎn)子的兩個支承點在同一水平線上。此時，由于靜變形較小，對轉(zhuǎn)子運行的影響不顯著，可以忽略不計，即認為圓盤的幾何中心O’與軸線AB上O點重合,如圖21所示。此時轉(zhuǎn)子有兩種運動：一種是轉(zhuǎn)子的自身旋轉(zhuǎn)，即圓盤繞其軸線AO’B的轉(zhuǎn)動；另一種是弓形轉(zhuǎn)動，即彎曲的軸心線AO’B與軸承聯(lián)線AOB組成的平面繞AB軸線的轉(zhuǎn)動。一般情況下，兩個方向的振幅不相等，因此圓心O’的軌跡為橢圓，O’的這種運動是一種渦動或進動。由于有轉(zhuǎn)子正進動和反進動的存在使得的軸心軌跡具有較復雜的形狀。 常見故障原因及軸心軌跡的特征 轉(zhuǎn)子不平衡引起振動的原因是多方面的,但轉(zhuǎn)子的不平衡是引起機器振動的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)機械約有一半以上的故障與轉(zhuǎn)予不平衡有關(guān)。造成轉(zhuǎn)子不平衡的具體原因很多，主要有：結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，制造和安裝誤差，材質(zhì)不均勻，受熱不均勻，運行中轉(zhuǎn)子的腐蝕、磨損、結(jié)垢、零部件的松動和脫落等。按其機理又可分為靜失衡、力偶失衡、準靜失衡、動失衡等四類。轉(zhuǎn)子的不平衡故障會產(chǎn)生許多不良后果，首先會引起轉(zhuǎn)子的彎曲和內(nèi)應(yīng)力進而引起轉(zhuǎn)子疲勞甚至斷裂。由質(zhì)量不平衡引起的轉(zhuǎn)子不平衡的振動特征有(1) 軸心軌跡為橢圓，如圖22所示圖22 轉(zhuǎn)子不平衡軸心軌跡(2) 振動的時域波形近似為正弦波；(3) 頻譜圖中，能量主要集中在基頻并有較小的高次諧波；(4) 其進動特征為正進動。由于機器的安裝誤差、工作狀態(tài)下熱膨脹、承載后的變形以及機器基礎(chǔ)的不均勻沉降等，有可能會造成機器工作時各轉(zhuǎn)子軸線之間產(chǎn)生不對中。轉(zhuǎn)子不對中包括軸承不對中和軸系不對中兩種情況。機組各轉(zhuǎn)子之間用聯(lián)軸節(jié)連接時，如不處在同一直線上，就稱為軸系不對中。不對中的作用就像轉(zhuǎn)子上有一個不定向的預載荷，容易引起軸向振動。二倍頻增加的過程中相應(yīng)的軸心軌跡從香蕉型變?yōu)椤?”字形，如圖23所示；圖23 不對中故障軸心軌跡(3) 連軸器不對中時軸向振動較大，振動頻率為一倍頻，振動幅值和相位穩(wěn)定，軸承不對中時徑向振動較大，有可能出現(xiàn)高次諧波，振動不穩(wěn)定；(4) 振動對負荷變化敏感。而轉(zhuǎn)子彎曲是指各橫截面的幾何中心連線與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，二者都會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心質(zhì)量，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動。轉(zhuǎn)子永久性彎曲和轉(zhuǎn)予臨時性彎曲與轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心基本相同。 轉(zhuǎn)子碰磨隨著機組參數(shù)的不斷提高，動靜間隙的不斷減小，以及運行過程中不平衡、不對中、熱彎曲等的影響，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子碰摩故障。根據(jù)摩擦部位的不同，碰摩分為兩種情況，轉(zhuǎn)子外緣與靜止件接觸而引起的摩擦，成為徑向碰摩；轉(zhuǎn)子在軸向與靜止件接觸而引起的摩擦，成為軸向碰摩。碰摩是一個復雜的過程，從機理上分析，碰摩振動對轉(zhuǎn)子有以下幾方面的影響：(1) 直接影響轉(zhuǎn)子的運動可以分為自轉(zhuǎn)和進動兩種形式。至于進動，由于摩擦力的干預可能使正進動轉(zhuǎn)化為反進動，特別是全周摩擦，常常產(chǎn)生所謂的“干摩擦”現(xiàn)象，從而引起自激振動，影響轉(zhuǎn)子的正常運行，甚至損壞機組。(3) 沖擊影響局部碰摩除了摩擦作用外還會產(chǎn)生沖擊作用，其直觀效應(yīng)是給轉(zhuǎn)子施加了一個瞬態(tài)的激振力，激發(fā)轉(zhuǎn)子以固有頻率作自由振動。(4) 熱變形摩擦引起的熱變形可能引起轉(zhuǎn)子彎曲，加大偏心量，使振動加大。一般來說，轉(zhuǎn)子與靜止件發(fā)生碰摩時，轉(zhuǎn)子受到靜止件的附加力作用，它是非線性和時變的，因此使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非線性振動，在頻譜圖上表現(xiàn)出頻譜成分豐富，不僅有工頻，還有高次和低次的諧波分量，當摩擦加劇時，這些諧波分量的增長很快。(4) 碰摩嚴重時，各頻率成分幅值迅速增大，軸心軌跡附加的小環(huán)也增加，如圖25(b)所示。(6) 工作轉(zhuǎn)速下發(fā)生的輕微摩擦振動，其振幅隨著時間緩慢變化t相位逆轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)。采用流體膜潤滑軸承的目的主要是減少摩擦與磨損，但軸承油膜對轉(zhuǎn)子振動特性有很大影響。轉(zhuǎn)子軸徑在油膜中的劇烈振動將會直接導致機器零部件的損壞。油膜振蕩發(fā)生以后，就將始終保持約等于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的渦動頻率，而不在隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而升高。(2) 油膜振蕩的頻率接近于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即使轉(zhuǎn)速在升高，其頻率特征不變。(4) 油膜振蕩時，轉(zhuǎn)子的撓曲呈一階振型。(6) 油膜振蕩劇烈時，隨著油膜振蕩的破壞，振蕩停止，油膜恢復后，振蕩再次發(fā)生，這樣持續(xù)下去，軸承與軸頸不斷碰摩，產(chǎn)生撞擊聲，軸瓦內(nèi)油膜壓力有較大的波動。這一軌跡是在與軸線垂直的平面內(nèi)。整個測量裝置如圖28所示，這樣可以同時檢測軸心在x和y方向上的振動，將振動輸入到電子示波器中，就可以觀察到經(jīng)濾波后的軸心軌跡圖形。軸心軌跡為一圓，反映在X和Y方向上是只有基頻成分的簡諧振動，而且他們的幅值相等，相位相差900。在這種情況下，軸的彎曲相對軸的部位不是固定不變的，而是以軸上某一線為中心的左右擺動。這時軸心的運動軌跡具有較復雜的形狀。ρ為同步正向渦動分量，它以和轉(zhuǎn)子角速度相同的角速度ω旋轉(zhuǎn)。當有渦動存在時，反映在X和Y方向上的振動，除了基頻成分之外，還有頻率為ωe的振動成分。下面介紹常用的振動信號分析方法。這些參數(shù)計算簡單，對于故障診斷有一定的作用，但它們會因工作條件(負載、轉(zhuǎn)速等)的改變而變化，所以又存在對故障不十分敏感、不好區(qū)分的缺點。這些參數(shù)對故障有足夠的靈敏度，對信號的幅值、頻率變化不敏感，而只取決于概率密度函數(shù)的形狀，在故障診斷中有廣泛的應(yīng)用。不同的信號有不同的相關(guān)函數(shù)，自相關(guān)函數(shù)不含有信號的相位信息，只存在單一的量值關(guān)系，而互相關(guān)函數(shù)則包含相位信息，這在分析振動信號的特性時是很有用的。頻譜分析主要包括功率譜密度函數(shù)分析、細化譜分析、倒頻譜分析、沖擊響應(yīng)譜分析、最大墑譜分析以及全息譜分析等。因為故障發(fā)生、發(fā)展時都會引起頻率結(jié)構(gòu)的變化。(4)振動信號的時序分析方法時序分析法簡單地說就是對有序的觀測數(shù)據(jù)(觀測的時間序列簡稱觀測時序)進行統(tǒng)計學處理與分析的一種數(shù)學方法，是數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理與系統(tǒng)分析相結(jié)合的一種方法。時序分析的手段就是建立時序模型。機器故障診斷的時序模型法就是在機器的運行過程中，首先選定恰當?shù)脑\斷參數(shù)，然后建立一個時序模型，通過時序模型的相應(yīng)判據(jù)以診斷機器狀態(tài)的變化。(5)振動信號的特征分析方法特征分析主要是依據(jù)旋轉(zhuǎn)機械最基本的運動變量一轉(zhuǎn)速在變化時或在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，機器的各重要部位振動量大小來進行特征描述。特征分析的目的就在于把眾多的特征分量(頻率)從復雜的信息中識別出來，研究和分析它們的變化特征，從而判別機器運行狀態(tài)是否正常。其次介紹了幾種典型故障的的軸心軌跡圖形和它們的時域及頻域特性，為以后的分析提供理論基礎(chǔ)。第3章 LabVIEW應(yīng)用程序設(shè)計 數(shù)據(jù)采集和軸心軌跡合成軸心軌跡的測量原理已經(jīng)在第二章中進行了介紹，圖22就是該測量電路的硬件部分。在這里采集信號用的是數(shù)據(jù)采集卡，它首先需要驅(qū)動，然后配合程序來完成數(shù)據(jù)采集。DAQ數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的核心技術(shù)之一，也是LabVIEW與其他編程語言相比較的優(yōu)勢所在，甚至可以認為，DAQ數(shù)據(jù)采集是LabVIEW最大的功能。目前NI公司的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動軟件有NIDAQ和NIDAQmx，這兩種驅(qū)動軟件提供各種DAQ函數(shù)節(jié)點，用戶可以方便的訪問硬件。對于數(shù)據(jù)采集來說，有幾個組成部分是必不可少的，如采集通道、定時、觸發(fā)、啟動和清除等。該vi的作用是為任務(wù)添加一個或一批虛擬通道，如果沒有指定任務(wù)，它將建立一個任務(wù)，由于其多態(tài)性，其I/O通道類型可以是模擬輸入輸出、數(shù)字I/O或者計數(shù)器輸出等。數(shù)據(jù)采集一定要設(shè)置采樣數(shù)、采樣率、以及采樣模式等，這些都是在該vi來實現(xiàn)。對于模擬輸入這種需要采樣定時的操作，它可以設(shè)置采樣時鐘源級采樣速率。DAQmx ，最為常用的是啟動觸發(fā)和參考觸發(fā)。從通道中采集的數(shù)據(jù)存放在緩存區(qū)，如果要對數(shù)據(jù)進行更進一步的處理，需要將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)中讀取出來，這就用到了DAQmx 。最后是對DAQmx Start 。如果程序中沒有使用該vi，當讀取或?qū)懭雸?zhí)行的時候，任務(wù)可以隱性的轉(zhuǎn)換至運行狀態(tài)，或者自動開始。如圖31所示，是用NIDAQmx編制的數(shù)據(jù)采集程序的部分程序框圖圖31 DAQmx數(shù)據(jù)采集從圖中可以看到創(chuàng)建虛擬通道vi、定時vi、啟動任務(wù)vi和讀取vi。圖31只是單通道的數(shù)據(jù)采集程序，由于本課題所采集的是兩路電壓信號且需要將兩路信號合成軸心軌跡，用DAQmx編制的程序比較繁瑣，信號流程不明顯，不宜與隨后的各程序進行整合，所以放棄了DAQmx，改用DAQ助手。首先驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡新建一個采集兩路信號的任務(wù)，并設(shè)置采樣數(shù)、采樣率、采樣模式、測量模式等，隨后將這個任務(wù)生成代碼，這時在新建vi的程序框圖上就會生成一個DAQ助手圖標，接下來就可以完成對信號的處理了，如圖32所示就是編制的數(shù)據(jù)采集和軸心軌跡合成程序。接下來信號連接到了頻譜分析控件，分別對兩路信號進行頻譜分析。用該程序在實驗臺上進行了實驗，測試結(jié)果如圖33所示。對于所采集的數(shù)據(jù)我們需要對數(shù)據(jù)進行保存以便管理，需要某一數(shù)據(jù)進行分析時又需要將它們讀取出來。如圖34和35所示即為進行數(shù)據(jù)存儲和讀取時的前面板圖34 數(shù)據(jù)存儲圖35 數(shù)據(jù)讀取 軸心軌跡仿真程序在進行軸心軌跡的自動識別時,需要有一標準與待測軸心軌跡進行比較,從而進行識別。在第二章介紹軸心軌跡的形成機理時已經(jīng)知道，不同的轉(zhuǎn)子故障其軸心軌跡也是不同的。我們知道當轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)異常時，轉(zhuǎn)子軸心軌跡變的十分不規(guī)則，研究各分量的特征頻率將會得到許多故障信息。 (31)式中，AAααBBββ2分別為x(t)和 y(t)的一倍頻和二倍頻的幅值和初相位。通過改變這八個參數(shù)可以獲得我們所需的軸心軌跡圖形。a油膜渦動b 綜合故障c 轉(zhuǎn)子不平衡d 轉(zhuǎn)子碰磨e 轉(zhuǎn)子碰磨f 理想狀態(tài)圖36 基于LabVIEW常見軸心軌跡曲線仿真在用以上方程式得到軸心軌跡圖形時，我們可以發(fā)現(xiàn)不同的軸心軌跡圖形與振動頻率之間有種對應(yīng)的關(guān)系具體描述如下[18]：當x(t)、y(t)的二倍頻分量的幅值均為0時，軸心軌跡的形狀隨一倍頻分量的幅值和初始相位變化，其形狀為直線、橢圓和圓。當x(t)或者y(t)的二倍頻分量的幅值為0時，軸心軌跡的形狀隨一倍頻和二倍頻分量的幅值和相位變化，其形狀為圓弧、外8字形和香蕉形等。當工x(t)、y(t)的～倍頻和二倍頻分量的幅值均不為0時，軸心軌跡的形狀隨一倍頻和二倍頻分量的幅值和初始相位變化，其形狀具有直線、橢圓、圓、內(nèi)8字形、外8字形、香蕉形以及其他各種復雜不規(guī)則的形狀。圖37 軸心軌跡仿真程序 不變矩計算