The Challenge:

　　由于沒有白噪聲作為激勵，同時變轉速的旋轉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，所以旋轉機械工作模態測試(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，構造了能夠用于旋轉機械的模態測試方案，為旋轉機械的共振監測和動態特性測試提供了新方法

　　"基于LabVIEW的圖形化開發平臺，我們開發了可用于工作旋轉機械工作模態測試的ModalVIEW-OMA軟件，對測試結果進行處理"

　　背景介紹

　　工作狀態模態分析(Operational Modal Analysis)是從來自于工作運行狀態的結構振動測量數據中提取結構模態參數的方法，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。上個世紀末以來，工作狀態模態分析逐漸成熟與發展，并在土木工程和工業領域有著廣泛的應用。旋轉機械是車輛、船舶和機床等設備的重要組件，它的動態特性決定了整個設備的安全可靠運行。旋轉機械的結構模態分析提供了可用于設備狀態監測重要信息。使用工作狀態的模態分析方法來解決旋轉機械的結構模態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：旋轉機械運行在一個恒定轉速下。這種狀態下，旋轉引起的對整個機械結構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，相應的結構振動響應信號的頻譜也是多個諧波構成的離散譜。如圖 1所示。另一種是旋轉機械運行在升速或降速過程。這種狀態下，旋轉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，相應的結構振動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(升速過程)

　　本文是針對旋轉機械的升速或降速工作的狀態下，介紹怎樣使用諧波階次提取和工作狀態頻率響應函數估計相結合的工作狀態模態分析方法，利用旋轉機械變速過程的振動信號來提取旋轉機械結構模態參數。

　　測試對象與試驗設備

　　本文中使用的旋轉機械升速過程中的結構振動信號來自于一個旋轉機器故障仿真設備，如圖 3所示。

　　圖 3 旋轉機械設備

　　整個結構振動響應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，獲得結構在不同方向上的振動。激光轉速計用來測量旋轉機械的轉動速度，如圖 4所示。使用兩塊8通道的NI 4472動態信號采集卡配合NI 1042Q PXI機箱對加速度振動信號和轉速信號進行同步數據采集。

　　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性變化，同時采集8個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，采樣時間為24秒的結構振動數據，如圖 5所示。

　　圖 5 結構振動信號

　　旋轉機械變速過程中，測量到的結構振動信號可以認為是結構對機械旋轉激勵的響應。由于測量到的振動信號中含有對旋轉激勵不同階次的響應。在進行模態分析前，需要用階次提取的方法獲得某一階次的振動響應信號。整個數據處理流程如圖 6所示

　　圖 6 旋轉機械模態分析數據處理流程

　　依照圖6，基于LabVIEW的圖形化開發平臺，我們開發了可用于工作旋轉機械工作模態測試的ModalVIEW-OMA軟件，對測試結果進行處理。

　　在階次提取環節，采用了Gabor變換與時頻濾波的階次提取方法從數據中提取某個階次的振動響應。整個升速過程的轉速-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。

　　圖 7 旋轉機械升速過程轉速-頻率譜圖

　　圖 8 階次提取出的振動響應信號

　　在計算工作狀態頻率響應函數(FRF)環節，工作狀態FRF的幅度是每個測量信號的功率譜幅度，FRF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FRF如圖 9所示。

　　圖 9 階次提取出工作狀態FRF

　　獲得旋轉機械結構每個測量點的工作狀態FRF后，就可以使用頻率域模態參數估計方法來提取結構的模態參數。在模態估計環節，采用了ModalVIEW中最小二乘復頻域的方法。獲得的模態穩定圖如圖 10所示

　　圖 10 模態穩定圖

　　提取的部分模態參數如表 1所示。旋轉機械結構的一個模態振型如圖 11所示。

　　表 1 提取的模態參數

　　圖 11 結構模態振型

　　總結

　　機械旋轉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，相應的結構振動響應信號的頻譜是寬頻帶響應譜，可以用于工作狀態模態分析。諧波階次提取和工作狀態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下進行模態分析的有效手段。