（测试计量技术及仪器专业论文）基于labview的变频涡旋压缩机振动测试系统.pdf

硕士学位论文 摘要 以近年来广泛应用于空调、制冷及空气压缩等领域中的变频涡旋压缩机为研 究对象，本课题详细阐述了变频涡旋压缩机的研究现状，对振动测试系统需求进 行规划，整理设计了套完整的设计方案。 在硬件设计过程中，针对变频涡旋压缩机振动小的特点，为了提高振动信号 的精度，设计了振动信号调理电路，实现了对微弱振动信号放大和滤波。并且改 变了以往定转速，定工况下测试的不足，通过变频器和l a b v i e w 软件编程的p i d 算法成功实现了变转速，变工况的测试条件。 在软件设计过程中，结合l a b v i e w 软件的优势，采用了结构化设计和模块 化编程的思路，设计了变频涡旋压缩机振动测试系统软件结构，实现了对涡旋压 缩机调速后，采集振动信号，并在没有高深的网络知识的基础上，通过l a b v i e w 提供的网络通信节点，即远程面板方式，以简单快捷的方法，实现了软件控制平 台的远程控制。 在实验过程中，将硬件调试连接合适后，再与软件操作平台相结合形成完整 的实验平台，并通过该平台获取实验数据，利用倒频谱分析法和相关分析理论， 结合现有涡旋压缩机振动资料和电机故障诊断进行分析，确定出变频涡旋压缩机 样机主要存在的问题都是机械振动类问题，并在最后提出了解决方案。 关键词：l a b v i e w 软件；振动信号；变频涡旋压缩机；倒频谱；测试 基于l a b e w 的变频涡旋压缩机振动测试系统 a b s t r a c t i n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o r , w h i c hi sw i d e l yu s e da i r - c o n d i t i o n i n g , r e f r i g e r a t i o n a n dc o m p r e s s i o nf i e l di nr e c e n ty e a r sa st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i st o p i cd e s c r i b e st h e r e s e a r c ho fi n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o ri nd e t a i l ，m a k e sap l a nf o rt h ev i b r a t i o nt e s t s y s t e mn e e d sa n df i n i s h sad e s i g no fac o m p l e t ed e s i g n i nt h eh a r d w a r ed e s i g np r o c e s s ，f o rt h es m a l lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n v e r t e r s c r o l lc o m p r e s s o r ，t h i st o p i cd e s i g n e dav i b r a t i o ns i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，a n d a c h i e v e dv i b r a t i o no fw e a ks i g n a la m p l i f i c a t i o na n df i l t e r i n gi no r d e rt oi m p r o v et h e a c c u r a c yo f v i b r a t i o ns i g n a l s a n dc h a n g e dt h ei n a d e q u a t et e s t i n gi nt h es e ts p e e da n d s e tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h r o u g ht h ei n v e r t e ra n dt h ep i da l g o r i t h mo fl a b v i e w s o f t w a r ep r o g r a m m i n gs u c c e s s f u l l ya c h i e v e dt h et e s tc o n d i t i o n so fv a r i a b l es p e e da n d v a r i a b l ec o n d i t i o n i nt h es o f t w a r ed e s i g np r o c e s s ，w i t hl a b v i e ws o f t w a r ea d v a n t a g e st h i si s s u e u s e ds t r u c t u r e dd e s i g na n dm o d u l a rp r o g r a m m i n gi d e a s ，d e s i g n e di n v e r t e rs c r o l l c o m p r e s s o rv i b r a t i o nt e s ts y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n da c h i e v e dt h ec o l l e c t e d v i b r a t i o ns i g n a l sa f t e rt h er i g h ts p e e ds c r o l lc o m p r e s s o r a n di nt h ea b s e n c eo f p r o f o u n dk n o w l e d g eo nt h eb a s i so ft h en e t w o r k ，t h r o u g ht h er e m o t ep a n e lm e t h o d ， w h i c hi sl a b v i e wp r o v i d e sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sn o d e s ，a c h i e v e dar e m o t e c o n t r o ls o f t w a r ec o n t r o lp l a t f o r mw i t hq u i c ka n de a s yw a y d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，a f t e rt h eh a r d w a r ed e b u gl i n ki sr i g h t ，t h eh a r d w a r ea n d p l a t f o r mt h es o f t w a r eo p e r a t i n gp l a t f o r mw e r ec o m b i n e dt ob eac o m p l e t et e s t p l a t f o r m a n dt h r o u g ht h i sp l a t f o r mo b t a i n e de x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e s ed a t aw e r e a n a l y s i s e db yc e p s t r u ma n a l y s i s ，c o r r e l a t i o na n a l y s i st h e o r y ，e x i s t i n gs c r o l l c o m p r e s s o r sv i b r a t i o nd a t aa n dm o t o rf a u l td i a g n o s i sa n a l y s i s ，t h ep r o b l e mo f m e c h a n i c a lv i b r a t i o n sk i n da r ei d e n t i f i e dp r o t o t y p ei n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o rm a i n p r o b l e m s ，t h ef i n a ls o l u t i o ni sp r o p o s e di nt h el a s t k e y w o r d s ：e a b v i e ws o f t w a r e ；v i b r a t i o ns i g n a l ；i n v e r t e r s c r o l lc o m p r e s s o r ； c e p s t r u m ；t e s t 硕士学位论文 插图索引 图2 1 封闭式涡旋压缩机6 图2 2 涡旋压缩机工作过程7 图3 1 硬件系统结构框图。1 0 图3 2 电桥电路。1 5 图3 3 电桥平衡电路1 6 图3 4 星形电路1 7 图3 5 三角形电路1 7 图3 6 单片仪器放大电路1 9 图3 7 放大电路2 0 图3 8 去耦滤波器2 0 图3 9 选频滤波器。2 1 图3 10 电压跟随器2 2 图3 1 1 反向比例运算电路2 2 图3 12 同向比例运算电路2 3 图3 1 3 信号调理电路2 4 图3 14 变频控制电路2 6 图4 1 振动测试系统软件结构图3 0 图4 2p i d 控制系统原理框图。3 1 图4 3 增量式p ld 控制算法的程序框图3 4 图4 4 第一帧的后面板框图。3 5 图4 5 第二帧的后面板框图：3 5 图4 6 第三帧的后面板框图3 6 图4 7p id 控制前面板框图。3 6 图4 8 数据采集模块流程框图3 7 图4 9 数据采集模块后面板图3 8 图4 10 数据采集模块前面板图3 8 图4 1 1 数据库设置一4 0 图4 12 数据库设置二4 0 图4 13 数据库设置三4 0 i i i 基于l a b e w 的变频涡旋压缩机振动测试系统 图4 14 数据存储模块前面板4 1 图4 15 数据存储模块后面板4 2 图4 16 数据分析模块前面板4 8 图4 17 数据分析模块后面板4 9 图4 18 变频涡旋压缩机软件测试平台4 9 图4 19w e b 发布工具一5 1 图4 2 0w e b 发布工具二5 1 图4 2 1w e b 发布工具三5 2 图4 2 2 远程面板5 3 图4 2 3 远程前面板连接管理器5 4 图5 1 涡旋压缩机测试点选取图5 5 图5 2 实验平台5 6 图5 31 号传感器频域图5 7 图5 42 号传感器频域图5 7 图5 53 号传感器频域图5 8 图5 64 号传感器频域图5 8 图5 75 号传感器频域图5 8 图5 86 号传感器频域图5 9 图5 97 号传感器频域图5 9 图5 108 号传感器频域图。5 9 图5 111 号传感器倒频谱图6 0 图5 125 号传感器倒频谱图6 0 图5 137 号传感器倒频谱图6 0 图5 147 号传感器停机倒频谱图6 1 i v 硕士学位论文 附表索引 表3 1y 旷8 型压电加速度传感器技术参数1 2 表4 1s o l 语言。3 9 表4 2 条件运算符3 9 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 储獬：嘴 日期：乃饵乡月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰, k l - i 理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 暂，存 i 黾辍砂k 年6a ? f 日期：丸i d 年 6 月f 1 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 变频涡旋压缩机的发展历程 涡旋压缩机的原理，最早是在1 8 8 6 年意大利的专利【1 】文献论中提到，1 9 0 5 年法国工程师c r e u x 正式提出涡旋式压缩机原理及结构，并申请获得了美国专 利【2 】。此后近7 0 年间，涡旋压缩机并没有得到更深入的研究和发展，原因之 一是它的重要性还未被人们充分认识，其次是对于高精度的涡旋型线，现有的 加工设备无法完成。进入本世纪7 0 年代，由于能源危机的加剧及数控机床技 术的发展， 给涡旋压缩机的发展带来了机遇。美国a r t h u rdl i t t l e ( 简称a d l ) 公司于1 9 7 2 年成功地开发出压缩氦气的涡旋压缩机，并将其应用于远洋海轮上， 这标志着涡旋压缩机适用化年代的到来。1 9 8 1 年，日本三菱重工推出了用于汽 车空调的涡旋压缩机【3 1 。它的启动力矩较小，确保了发动机的正常工作。两年后， 日本日立公司开发出2 2 3 7 k w ( 3 5 i - i p 力) 的全封闭涡旋压缩机，并在单元式空 调机【4 】上得到应用，从此，对涡旋压缩机的研究开发就成为压缩机技术发展的热 点之一。进入九十年代，涡旋压缩机的系列化产品相继出现，日本松下【5 j 电器 公司生产出用于家用空调的小型全封闭涡旋压缩机；东芝公司【6 j 推出了列车空调 压缩机；美国c a r r i e r 公司则在冷水机组上并联使用涡旋压缩机【7 j ，以提高整机 制冷量。美国c o p e l a n d 公司是生产制冷压缩机的专业厂家，尽管其涡旋压缩机 的研究开发起步较晚，但现在已成为设计技术先进、生产规模最大的涡旋压缩机 生产厂家，1 9 9 6 年的产量达二百多万台。在我国，涡旋压缩机的研究开发工作 始于1 9 8 6 年，经过十余年的努力，已形成了比较成熟的涡旋式空调与制冷压缩 机设计制造技术，其中2 2 5 9 k w ( 3 8 h p ) 的柜式空调【8 】用涡旋压缩机已工业化小 批量生产，其它特殊用途的涡旋压缩机也正在研究开发之中。但在涡旋压缩机产 品空调的实际应用过程中发现1 9 j ，依靠其不断地“开、停”来调整室内温度，其 一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。由于电子技术的飞速 发展，变频器的性能有了极大提高，因而以逆变器、微控制器、p w m 波的生成和 变频压缩机的电机为核心的变频调速技术【1 0 】适应于节能降耗和舒适性的要求。 因而将变频调速技术应用于涡旋压缩机是发展的必然趋势，变频涡旋压缩机正是 该趋势的必然产物。因此，近年来变频涡旋压缩机作为一种节能型压缩机在制冷、 空调等领域中应用广泛，在燃气发电机组及供热机组等成套装备中也倍受亲睐。 基于l a b v i e w 的变频涡旋压缩机振动测试系统 1 2 变频涡旋压缩机的研究现状 变频涡旋压缩机因其性能优异和运转平稳而受到人们的重视【1 3 , 1 4 】，纵观当前 涡旋压缩机的研究现状，在压力支撑机构的优化，机械动力学模型分析，型线的 优化，喷射注油性能的研究，泄漏特性的分析等方面都日益成熟，但振动特性的 分析还处于初期阶段。 1 2 1 变频涡旋压缩机国外研究现状 在国外，1 9 7 3 年美国a r t h u r d l i t t l e 公司首次提出了涡旋氮气压缩机的 研究报告【1 5 】，并证明了涡旋压缩机所具有其他压缩机无法比拟的优点，从而涡 旋压缩机的大规模的工程开发和研制走上了迅速发展的道路。变频涡旋压缩机的 变频是通过电动机实现的，电动机的振动对涡旋压缩机的影响很大，b a t e 于1 9 8 8 年提出了工业电动机的振动分析【1 6 1 ，为机械振动的研究奠定了基础。随后的1 9 8 9 年r a n d a l l 把c e p s t r a la n a l y s i s 和齿轮箱故障诊断结合起来【r 7 1 ，提出了振动 的理论分析新方法。1 9 9 5 年m c c o n n e l l ，k e n n e t hg 建立了振动实验【1 8 j ，为变频 涡旋压缩机振动创立了平台。噪声和振动函数的诞生使变频涡旋压缩机振动的研 究走上了发展的道路。而后r u iz h il i m i t e dl i a b i l i t yc o m p a n y 提出了集中研 究涡旋压缩机的振动和噪声的理论。日本是一个能源十分匮乏的国家，因而为变 频涡旋压缩机的发展带来了生机。虽然美国的c o p e l a n d 公司在世界涡旋压缩机 市场占主导地位【1 9 】，但在日本也有多家涡旋压缩机厂家：大金，日立，松下， 三菱，东芝等。1 9 8 3 年日立将涡旋压缩机应用于空调，1 9 8 5 年日本的涡旋压缩 机第一次在商用a c 中实现了商业化微振低噪的特点；于1 9 8 8 年实现了变频【删。 9 0 年代，涡旋压缩机的系列化产品相继问世。日本松下电器公司生产出用于家 用空调的小型全封闭涡旋式制冷压缩机。东芝公司推出了列车空调涡旋式制冷压 缩机。变频涡旋压缩机在日本已经有2 0 多年的应用历史。美国近年来将s e e r 新标准提升了2 0 ，并将其应用于空调领域，该标准的提高进一步加速变频涡旋 压缩机的发展和推广。 1 2 2 变频涡旋压缩机国内研究现状 在国内，1 9 8 3 年以后才开始涡旋压缩机的研制工作，1 9 8 7 年试制出第一台涡 旋空气压缩机【2 1 1 。经过几十年的努力，涡旋压缩机已经广泛应用于空调，制冷 2 硕士学位论文 等技术领域。但是就变频涡旋压缩机而言，我国起步较晚。在我国自上个世纪九 十年代中期变频技术引进以来，广东万宝压缩机有限公司研制出的变频涡旋压缩 机填补了国内空白。国内原来只有西安交大，兰州理工大学两所院校研究涡旋压 缩机，现在越来越多的机构也投入了涡旋压缩机的研究和开发。但目前国内压缩 机行业使用的测试平台大多是上个世纪七，八十年代引进的日本技术设备，它的 可靠性差，系统复杂，测量点少，难于维护，不能满足发展高性能变频涡旋压缩 机的要求，因此开发一套针对变频涡旋压缩机的测试系统是十分必要的。兰州理 工大学的彭斌博士1 2 2 l 提出了基于模块化软硬件的方法开发测试系统来获得变频 涡旋压缩机的运转情况。刘振全教授【2 3 】对涡旋压缩机的振动时域和频域进行了 分析，为减振提供了依据。大连理工大学王珍【2 4 j 分析了振动信号与噪声信号的 关系。目前压缩机在性能测试领域取得了很大进步，正在向高度自动化、准确化、 可靠化的方向发展，但还不完善。 针对变频涡旋压缩机性能测试系统的研究现状，不难发现开发基于l a b v l e w 变频涡旋压缩机振动测试系统是必要的。l a b v i e w 提供的网络通信节点，在用 户不具有高深的网络知识的情况下，只需简单地设置几个参数，这种快捷的方式 来实现远程监测，即不需要任何编程的远程面板技术，用它开发系统可以大大加 快开发和测试的速度，维护和改动也容易，因而本课题采用远程面板技术实现 l a b v i e w 的远程通信。而c e p s t r a la n a l y s i s 法是近代信号分析处理中的一项 新技术，是检测复杂谱图中周期分量的有效工具，它的特点是可以扩大频谱的识 别范围，还能把振源和传递路径分开。因而特别有助于认识和掌握变频涡旋压缩 机性能。 1 3 课题的来源与意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于甘肃省自然科学基金资助项目，项目编号：0 7 1 0 r j z a 0 6 1 。 1 3 2 课题意义 涡旋压缩机是近几十年发展起来的一种新型容积式压缩机，它具有体积小、 重量轻、零部件少、结构紧凑、可靠性高和运行平稳等特点【2 5 1 。而变频涡旋压 缩机是在涡旋压缩机的基础上开发而成的，不但具有传统涡旋压缩机所固有的结 3 基于l a b e w 的变频涡旋压缩机振动测试系统 构特点，同时还有变频调速的优点【冽。变频涡旋压缩机有较宽的工作频率范围 ( 3 0 1 2 0 h z ) ，寿命较长。变频涡旋压缩机的发展方向是提高效率和改善结构特 性。 目前变频涡旋压缩机广泛应用于空调、制冷、各种气体压缩、发动机增压以 及增压泵等系纠勿，其性能的好坏直接关系到系统的工作运行质量，而且随着 工作时间的变化，其性能指标也在不断发生变化，因为压缩机的实际工作过程极 其复杂，虽然有许多简化的理论模型，但所得结果与实际仍有较大差别，因此用 试验的方法定期了解变频涡旋压缩机的性能指标对维护系统工作的稳定性以及 提高新产品的质量都起着重要作用。振动研究是对深入了解变频涡旋压缩机性 能、解决实际问题的一种方法，振动信号的分析是近年来设备故障诊断领域的一 个重要方面，变频涡旋压缩机的工作状况的正常与否将直接或间接地通过其振动 情况反映出来，因而振动参数对变频涡旋压缩机性能的影响极其重要。因此结 合现代控制技术和计算机技术，设计开发一套用于测量变频涡旋压缩机工作性能 参数的振动测试系统是必要的。其重要意义如下： ( 1 ) 由于现阶段理论还不够成熟和完善，变频涡旋压缩机的性能数据还无法 通过准确的数学模型计算获得。目前，性能试验还是获取变频涡旋压缩机性能数 据的主要途径。 ( 2 ) 我国对变频涡旋压缩机的应用还处于初期阶段，对振动的研究较少，但 振动研究是对压缩机深入认识，解决实际问题的一种方法【1 3 】。压缩机的工作状 况正常与否将直接或间接地通过振动情况反映出来，所以要想提高变频涡旋压缩 机的性能必须研究它的振动特性。 ( 3 ) 利用计算机开发变频涡旋压缩机性能测试和控制系统，通过与变频涡旋 压缩机系统相连的传感器传送出振动信号，经过处理和分析，从而来判断变频涡 旋压缩机运转的情况。计算机检测方式具有快速、可靠、准确等优点，尤其在友 好界面和容易维护等方面，是其它检测方式所无法比拟的。 ( 4 ) 利用美国n i 公司的l a b v i e w 软件平台，并结合n i 公司的远程面板技术 实现远程监测。这样既解决了i c 器件搭建时电路结构的复杂高速数据采集时的 丢失现象，又摆脱了t c p i p 技术传输速度慢，不易维护的缺点【2 7 1 。 ( 5 ) 由于变频涡旋压缩机应用广泛，振动的研究对变频涡旋压缩机性能的提 高很有意义，变频涡旋压缩机优化后，空调、冰箱等设备都将随之提高性能，从 而改善人类生活，进而带来经济效益。 4 硕十学位论文 1 4 课题主要研究工作 根据变频涡旋压缩机的研究现状和实际应用过程中存在的问题，本论文着眼 于变频涡旋压缩机振动信号采集与状态监测，利用虚拟仪器开发平台l a b v l e w ， 实现了监测分析系统的整体开发与信息远程发布。具体的研究内容如下： 1 详细介绍涡旋压缩机的基本结构和工作原理，而后将涡旋压缩机的独特 结构，和工作原理相结合，具体分析涡旋压缩机的优缺点。 2 对整个系统硬件需求进行规划，整理出硬件设计方案，并针对变频涡旋 压缩机振动小的特点，设计振动信号调理电路，实现对微弱振动信号放大和滤波， 进而提高振动信号的精度。 3 改变以往定转速，定工况下测试的不足，通过变频器和l a b v i e w 软件编 程的p i d 算法成功实现了变转速，变工况测试条件。 4 结合l a b v i e w 软件的优势，采用结构化设计和模块化编程的思路，设 计变频涡旋压缩机振动测试系统软件结构，实现对涡旋压缩机调速后，采集振动 信号，通过l a b v i e w 提供的网络通信节点，即远程面板方式，以简单快捷的方 法，实现软件控制平台远程控制。 5 将硬件调试连接完成后，再与软件操作平台相结合形成完整的实验平台， 并通过该平台获取实验数据，利用倒频谱分析法和相关分析理论，进行涡旋压缩 机振动信号分析和故障诊断，最后提出解决方案。 5 量土2 1 ：兽! 墼茎塑塑錾墨塑墨篓垫型兰童竺 第2 章变频涡旋压缩机简介 21 定速涡旋压缩机的基本结构 典型封闭式定速涡旋压缩机的基本结构，如图21 所示。定速涡旋压缩机主 要组成是：静涡盘、动涡盘、 防自转机构( 图中为十字滑环) 、主轴和机架。 ( a ) 立体剖视图 ( b ) 主剖视图 图21 封闭式涡旋压缩机 1 一储油槽2 电动机定子3 一王轴承4 支架5 壳体腔6 背压腔7 动涡盘 8 气道9 静渴盘1 0 一高压缓冲腔1 1 一封头1 2 一排气孔口 1 3 一吸气管i4 吸 气腔1 s 排气管1 6 十字环17 背压孔1 8 、2 0 轴承1 9 一大平衡块2 1 王轴 2 2 一吸油管2 3 一壳体2 4 轴向挡圈2 5 止回阀2 6 偏心调节块2 7 电动机螺钉 2 8 一底座2 9 磁环 定速涡旋压缩机的所有零件封闭在承压机壳中，两个螺旋形涡旋盘( 运动涡 旋盘和固定涡旋盘) 装在上部，电动机装在下韶。机壳底部是用作集油的油盘。 气体从安装在机壳顶上的吸气管吸至涡旋盘的外围。经一对涡旋盘压缩过的气体 通过固定涡旋盘中心的排气孔被排至排气室。被排出的气体经排气通道进入电动 机室，它在电动机周围流过并冷却电动机，然后再通过排气管从压缩机中排走。 曲轴穿过装在机架上的轴承并被悬于机架上。主轴承中有一个是滚柱轴承，其它 硕士学位论文 的是滑动轴承。曲轴与运动涡旋盘连接部位曲柄销上也装了一个滑动轴承。供给 曲轴的润措油由排气压力与中间压力之间的压差来控制。润滑油通过曲轴上的孔 供给涡旋盘的滑动部分。其余的油在电动机室中从制冷荆里分离出来并被贮存在 压缩机机壳的底部。 22 定速涡旋压缩机的工作原理 定速涡旋压缩机主要由两个涡旋盘相惜1 8 0 。偏置而成，其中一个是固定涡 旋盘，而另一个是旋转涡旋盘，它们在几条直线( 在横截面上则是几个点) 上接触 并形成一系列月牙形容积。旋转涡旋盘由一个偏心距很小的曲柄轴驱动，绕固定 涡旋盘平动，两者间的接触线在运转中沿涡旋曲面移动。它们之间的相对位置， 借安装在旋转涡旋盘与固定部件之间的十字滑环来保证。涡旋压缩机的工作过程 如图22 所示。 o - - - 0 。 8 = 9 0 。 0 = 2 7 0 口0 = 1 8 0 。 圈22 渴旋压缩机工作过程 涡旋压缩机的吸气口设在固定涡旋盘的外侧面，由于曲柄的转动( 顺时针) 气体由边缘吸入，并被封闭在月牙形容积内，随着曲轴的转动推动动涡盘运动 基于l a b v i e w 的变频涡旋压缩机振动测试系统 最外圈一对工作腔逐渐张开，气体随之进入腔内，进入的气体量随曲轴转角的 增大而增加，吸气腔闭合后达到最大值；吸气腔闭合后形成一对封闭容积，完成 一次吸气过程。当主轴继续转动时，动涡盘将吸入气体自外圈向中心推移，工作 腔容积减小，与固定涡旋盘上的轴向中, t t l 相通时开始排气，并直至排气过程结 束。这样，对工作腔完成一次吸气一压缩排气过程。图2 2 中，在0 0 。时， 表示正好吸气闭合的位置；图2 2 中，在0 = 9 0 。时，表示出了涡旋外围为吸入 过程，中间为压缩过程，中心处为排气过程；图2 2 中，在0 = 2 7 0 。和0 = 1 8 0 。时， 表示出了连续而同时进行着的吸入和压缩过程。当最外侧的吸气腔形成封闭容积 开始向中心推进成为一内工作腔时，另一个新的吸气腔同时又开始形成，并开 始重复进行上述过程，如此周而复始。因此，涡旋压缩机压缩气体的过程是连 续进行的，曲轴每转一周即可完成一次吸气，一次排气。 2 3 变频涡旋压缩机的优点 涡旋压缩机的独特结构，和工作原理使其具有下列优点： ( 1 ) 效率高 涡旋压缩机没有余隙容积存在，压缩容积的连续性变化使得相邻压缩室的 压差小，内部气体泄漏降低，理论上容积效率可达1 0 0 ，实测值也都在9 5 以 上，是其他压缩机所无法比拟的，并在所有的转速下保持该效率。 ( 2 ) 运行平稳 由于没有吸、排气阀的存在使得气体流动损失小，吸气、压缩、排气过 程几乎连续进行，因而整机噪声很低；动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整 机振动小；起动力矩小，没有了明显的吸气波动，从而增加了平稳性。 ( 3 ) 密封性好 轴向和径向随变机构保证轴向间隙和径向间隙的密封效果，不因摩擦和磨损 而降低，从而使涡旋压缩机有可靠的和有效的密封性。 ( 4 ) 磨损小 动静涡盘的相对运动速度极小，从而使得极高转速下的磨损少， 低的接触 扭矩使得采用尽可能小的离合器。径向自动补偿机构有效的防止了涡旋盘的损 坏，并能自动补偿涡旋壁的微小磨损。 ( 5 ) 此外，涡旋压缩机还有零件数少， 结构紧凑， 体积小，重量轻，特别 适应于变转速运转和变频调速技术的优点。 8 硕十学位论文 变频涡旋压缩机是在定速涡旋压缩机的基础上【1 1 】开发而成，从定速到变频 转换的核心是变频器，它是2 0 世纪8 0 年代问世的一种高新技术1 1 2 】，通过对电 流的转换来实现电动机运转频率的自动调节。变频涡旋压缩机除了具有定速涡旋 压缩机所固有的优点外，还具有如下优点： ( 1 ) 可以采取软启动方式，起动电流小，降低了对电网的冲击，因而可以降低 设备故障率，大幅减少电耗，从而确保系统安全、稳定、长周期运行： ( 2 ) 在较宽的频率范围内均有较高的容积效率和绝热效率，适合采用变频装 置，可进一步降低变频涡旋压缩机的能耗，提高其控制精度： ( 3 ) 避免了频繁的开机、停机，减小了变频涡旋压缩机的振动和噪声，同时可 以提高变频涡旋压缩机的使用寿命 ( 4 ) 变频涡旋压缩机与同类产品压缩机相比，体积减小4 0 ，质量减轻1 5 ，效 率提高1 0 ，扭矩变化的幅度减小9 0 ，噪声可以降低5 d b ( a ) ： ( 5 ) 变频涡旋压缩机的供油、回油和油的补给方式均按照不同的转速进行设 计，使其在不同转速下的润滑都很好，进而可以提高工作效率和寿命 9 基于l a b v i e w 的变频涡旋乐缩机振动测试系统 第3 章系统硬件的总体设计 3 1 硬件设计的总体思路 本系统硬件由涡旋压缩机、压电加速度传感器、信号调理电路、变频器、数 据采集卡、计算机等组成，其结构框图如图3 - 1 所示。下面简单介绍一下各个硬 件部分的结构和功能： 装有l a b v i e w 图形化编程软件的计算机，具有很好的人机交换界面，操作者 利用该界面输入涡旋压缩机的转速，该转速经软件处理后，形成一个变频器可以 接受的数字信号，此数字信号通过数据采集卡输出端的d a 转换后，发送给变频 器，从而使涡旋压缩机按照选定的转速运行。在涡旋压缩机正常运行的情况下， 连接在其表面的压电加速度传感器，完成从机械量到电量的转换后，将已变为电 信号的振动信号送入信号调理电路，信号调理电路包括整流、滤波、放大等几个 部分，经过调理后的振动模拟电信号被数据采集卡采集，通过数据采集卡输入端 的a d 转换后，进入计算机，供l a b v i e w 软件的开发程序分析和处理。 涡 r1 、 厂1 、 数计 压电加速信号调 旋 a 据 叫 度传感器 v 。 理电路 叫 肛 压 采算 卜叫 缩 c o t )控 毒 计算控强a i 】 对 毒 输出a i 啪 , - - - id y ai - 璺 上 身下铁嗣睡备 d 畦1 ) e 0 t - z xe 0 0 0e ( 1 t - 1 ) n 图4 3 增量式p i d 控制算法的程序框图 4 3 3p i d 控制软件实现 本课题中p i d 控制器通过l a b v 正w 软件实现，这样可以将控制器部分直接 整合于软件测试内，进而形成了一套完整的软件测控中心，减少了系统所需硬件， 降低了整个测试系统的复杂度。 在p i d 控制模块中采用堆叠式顺序结构，该结构在框架上单击右键，选择添 加帧，便可以自动添加帧。按照p i d 控制算法的程序框图，设计堆叠结构第一帧 主要是获取时间变化量，为了把本帧中所获取的时间变化量传到其它帧，可以通 过堆叠结构的本地变量，在堆叠结构框架上单击右键，在弹出选单中选择“添加 本地变量“，便可实现时间变化量的传递。由于时间变化量的计算要用到移位寄 硕l 学位论文 存器，因而堆叠结构的外围再创建一个w h i l e 循环结构，移位寄存器的功能是将 第i - 1 ，i - 2 一，i - n 次循环的计算结果保存在w h i l e 循环的缓冲区内并在第i 次循环时将这些数据从循环框架左侧的移位寄存器中送出，供循环框架内的节点 使用，在w h il e 循环框架上单击右键，在弹出选单中选择“添加移位寄存器” 就可以创建一个移位寄存器。第一帧的后面板框图如图44 所示；第二帧= = 要用 于计算本控制器的偏差值，供其它帧直接使用第二帧的后面板框图如图45 所示；第三帧通过前两帧提供的时日j 变量和偏差值结合增量式p i d 控伟算法实 现p i d 控制，其具体的后面板框图如图46 所示：p 1 9 控制的前面板框图如图47 所示。 图44 第一帧的后面板框图 图45 第二帧的后面板框圈 基于l a b v i e w 的变频涡旋压缩机振动* i 试系统 凰46 第三帧的后面板框图 44 数据采集 图47 p ld 控制前面扳框图 数据采集是l a b v i e w 的核心技术之- - ”i ，也是l a b v i e w 与其它编译语言 相比的优势所在。使用l a b v i e w 的d a q 技术，可以编写出强大的d a q 应用软 件原因是一方面d a q 技术有自己独立的缓存卿 ，可以保证连续数据采集时不 会丢失数据；另一方面d a q 技术有直接内存访问功能f 删，在数据采集时不通过 c p u ，因而可以实现高速数据吞吐。此外，模拟信号数据采集是l a b v i e w 的d a q 中一个主要功能，为用户提供了功能强大，方便快捷的模拟信号采集解决方案。 本课题的目的是研究变频涡旋压缩机的振动，因而数据采集部分采集的数据 硕士学位论文 都是振动信号，这就给数据采集模块提出了采样速度要快，多通道采样，数据完 整不丢失等要求。结合变频涡旋压缩机振动信号特点和l a b v i e w 的d a o 技术 实现方法，设计数据采集模块的流程框图如图4 8 所示。 图4 8 数据采集模块流程框图 根据数据采集的流程图，可以通过a ic o n f i g v i 模块对d a q 设备进行配置， 配置的内容包括：设备号、通道号、缓存大小等；使用a is t a r t v i 模块启动d a q 设备的数据采集功能；利用一个w h i l e 循环结构和a ir e a d v i 模块，可以将采 集到的数据不问断地从d a q 设备的缓存中获取：在完成数据采集任务后，通过 a ic l e a r v i 模块停止d a o 设备的数据采集，并删除相关配置，释放d a q 设备的相 关资源。具体的数据采集模块的程序框图( 后面板) 如图4 9 所示，其相对应的数 据采集模块前面板图如图4 1 0 所示。 基丁l a b v i e w 的变频涡旋压缩机振动测试系统 醉卧 叵忑工五：；擅剜l 半一l le 嚣。针e _ _ 一 i ：蔫 一 目 。一 l 0 田区a 匡耍围 鼢m ( 1 ) i 匝e 啦选取岫) l 【：翊 堡l 0 9 i 图4g 数据采集模垃后面板图 45 数据存储 451l a b s o l 简介 图4i o 数据采集模块前面板匿 l a b s o l 是一个免费的、多数据库、跨平台的1 a b v m w 数据库访问工具包【6 1 硕士学位论文 目前的l a b s q l 支持w i n d o w s 操作系统中任何基于o b d c 的数据库，包括有 a c c e s s 、s q ls e r v e r 、o r a c l e 、p e r v a s i v e 、s y b a s e 等1 6 2 】。l a b s q l 通过s q l 语言 来完成数据库访问，因而l a b s q l 具有易于理解，操作简单，不熟悉s o l 语言 的用户也可以很容易地使用的优点。只需要进行简单的编程，就可以在l a b v i e w 中实现数据库访问。利用l a b s q l 几乎可以访问任何类型的数据库，执行各种 s o l 查询，对记录进行各种操作。 s o l 语言的主要功能就是同各种数据库建立联系，进行沟通。s q l 语割6 3 】 结构简洁，功能强大，简单易学，因而应用广泛，其结构如表4 1 所示： 表4 1s o l 语言 语言类别语句 数据查询语言 数据操纵语言 数据定义语言 数据控制语言 s e l e c t i n s e r t ；u p d 气旺；d e i ，i ! t e c r e a f 1 巳；a it e r ；d r o p c o m m i t ；w o r k ；r o l l b a c k ；w o r k s q l 语言除了以上的语句外，还包括有f r o m 和w h e r e 子句。f r o m 子 句用于指定s e l e c t 语句查询及与查询相关的表或视图，在f r o m 子句中最多 可指定2 5 6 个表或视图，当f r o m 子旬想同时指定多个表或视图时，如果选择 列表中存在同名列，这时应使用对象名限定这些列所属的表或视图。而w h e r e 子旬用于设置查询条件，过滤掉不需要的数据行，其可用的条件运算符【删如表 4 2 所示： 表4 2 条件运算符 名称 功能运算符 比较运算符大小比较 范围运算符表达式值是否在指定的范围 列表运算符判断表达式是否为列表中的指定项 模式匹配符判断值是否与指定字符通配格式相符 空值判断符判断表达式是否为空 逻辑运算符用于多条件的逻辑连接 ；= 2 ；2 ； ；! ( n o t ) b e t w e e n a n d ( n o t ) t n ( 项1 ，项2 ) ( n o v ) l i k e ( n o d i sn u l l n o t ；o r ：a n d 4 5 2 建立数据库 本课题主要是研究变频涡旋压缩机振动信号，因而采集的数据都是振动波 基于h b e w 的变频涡旋压缩机振动测试系统 形，振动波形不但数据量大，而且速度快，但在分析过程中主要是研究振动信号 中的特征量，所以在建立数据库时本课题选择建立a c c e 踞数据库，将振动信号 的特征量存入表格中，从而实现大量数据及时存储的目的。 在a c c e s s 数据库创建时，首先新建一个a c c e s s 文件，命名为“振动数据库” 然后双击该文件，可见图41 i 所示的界面，在该界面上双击“通过输入数据创 建表”在表中输入振动信号的特征量如图4 1 2 所示，再将此表保存，并命名为 “m y t a b l e ，从而完成了振动数据库的创建，如图4 1 3 所示。 图41 1 数据库设置 图41 2 数据库设置二 图41 3 数据库设置三 硕士学位论文 453 存储的软件实现 本课题在上面已经成功建立了变频涡旋压缩机的振动数