趙 磊

(蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

汽車(chē)變速器是將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞到車(chē)輪的重要部件，同時(shí)變速器工況惡劣載荷沖擊力極大，變速器的齒輪、軸承、軸系、同步器等極易受損。隨著變速器性能的不斷完善，結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步復(fù)雜，依靠工程人員經(jīng)驗(yàn)的聽(tīng)、摸、看診斷已遠(yuǎn)不能適應(yīng)要求，此外要真正達(dá)到可重復(fù)的、客觀一致的準(zhǔn)確診斷，必須用電腦判斷代替人為判斷。因此，有必要開(kāi)發(fā)變速器故障診斷系統(tǒng)，且診斷系統(tǒng)要具有良好的人機(jī)交互界面、圖形化顯示以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析能力。針對(duì)上述要求，筆者基于Labview和Matlab進(jìn)行變速器故障診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。利用Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)［1］混合編程將Labview和Matlab二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，由Labview實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面、信號(hào)采集、信號(hào)存儲(chǔ)和查詢(xún)，Matlab調(diào)用等功能;由Matlab實(shí)現(xiàn)信號(hào)降噪、提取、處理、返回Labview顯示等功能。由于變速器軸承故障所引起振動(dòng)信號(hào)是非平穩(wěn)、非線(xiàn)性的調(diào)制信號(hào)，信號(hào)中還包含了噪聲等干擾信號(hào)［2］，因此在診斷系統(tǒng)信號(hào)處理模塊中設(shè)置了多種高級(jí)信號(hào)處理方法，先用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理［3］，再對(duì)降噪后的信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解［4］(Empirical Mode Decomposition，簡(jiǎn)稱(chēng)EMD)和包絡(luò)譜［5］分析。通過(guò)實(shí)例采集某汽車(chē)變速器軸承故障振動(dòng)信號(hào)，診斷結(jié)果表明所開(kāi)發(fā)的診斷系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地提取出故障故障信號(hào)，具有良好的人機(jī)交互界面和強(qiáng)大的圖形化顯示功能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)即下位機(jī)是以信號(hào)采集為核心，負(fù)責(zé)對(duì)變速器振動(dòng)信號(hào)分通道采集、采樣參數(shù)配置、信號(hào)調(diào)理、向上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)等。因此先要選擇傳感器測(cè)取變速器的振動(dòng)信號(hào)，然后選擇數(shù)據(jù)采集卡，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再選擇信號(hào)調(diào)理卡，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大等處理，最后傳到計(jì)算機(jī)診斷系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)。其硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 傳感器選擇

一般有3種基本的振動(dòng)傳感器，即速度傳感器、位移傳感器和加速度傳感器，不同的傳感器其特性及使用范圍也不同。筆者選用加速度傳感器，在測(cè)試時(shí)直接完全接觸安裝在變速器軸承端外殼X，Y方向處，其有效頻率范圍在1 510 kHz以上，在采樣頻率范圍內(nèi)具有線(xiàn)性度和動(dòng)態(tài)性能。

轉(zhuǎn)速信號(hào)是通過(guò)安裝在軸端的編碼器獲取，編碼器的精度達(dá)到360脈沖/轉(zhuǎn)。相比與1脈沖/轉(zhuǎn)的精度，不需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速插值處理就可以獲得每度轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

2.2 采集卡和計(jì)數(shù)器及信號(hào)調(diào)理卡選擇

對(duì)于振動(dòng)信號(hào)采集，采樣率［6］為:2.56×最高計(jì)算階次×最高轉(zhuǎn)速/60;而轉(zhuǎn)速計(jì)脈沖的采樣頻率為:4×2.56×最高計(jì)算階次×最高轉(zhuǎn)速/60。因此選擇采集卡為NI公司的NI-6512數(shù)據(jù)采集卡，允許IEPE供電，即向壓電傳感器提供電源;選用計(jì)數(shù)器為NI-6605，轉(zhuǎn)速信息經(jīng)編碼器獲得后輸入到此計(jì)數(shù)器，檔位等數(shù)字量信號(hào)通過(guò)NI-6605的I/O擴(kuò)展口讀入;信號(hào)調(diào)理為DBK45調(diào)理卡，可程控增益，輸入電壓范圍-10～+10 V，巴特沃斯帶通濾波。各路信號(hào)由板卡之間的RTSI數(shù)據(jù)線(xiàn)保證同步。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是以Labview 2010和Matlab 7.0混合編程實(shí)現(xiàn)的，包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)、信號(hào)處理等模塊。主要任務(wù)是驅(qū)動(dòng)下位機(jī)，接收下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理提取故障信息，圖形化顯示處理結(jié)果等。其中信號(hào)采集用Labview提供的DAQ以及各子VI完成信號(hào)采集參數(shù)配置和多通道采集;數(shù)據(jù)庫(kù)模塊利LabSQL［7］ADO Functions中的VI與Office自帶的Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，可以完成數(shù)據(jù)寫(xiě)入、查詢(xún)、調(diào)用。軟件系統(tǒng)的核心是信號(hào)處理，信號(hào)處理方法需要根據(jù)測(cè)試對(duì)象的信號(hào)特征來(lái)選擇，具體有:小波變換，EMD包絡(luò)譜分析等。而實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)是通過(guò)Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)將Labview和Matlab相結(jié)合。圖2(a)是診斷系統(tǒng)主界面，圖2(b)是系統(tǒng)子模塊界面。

圖2 系統(tǒng)主界面和子模塊界面

3.1 EMD包絡(luò)譜算法

變速器軸承故障振動(dòng)信號(hào)是非線(xiàn)性，非平穩(wěn)的調(diào)制信號(hào)。傳統(tǒng)的傅里葉分析無(wú)法有效提取出故障信息，因此采用EMD包絡(luò)譜方法。EMD基于如下假設(shè):信號(hào)具有相同數(shù)量的極值點(diǎn)和過(guò)0點(diǎn)，或最多相差一個(gè);由所有極大值極小值點(diǎn)確定的上下包絡(luò)線(xiàn)關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱(chēng)，即均值為0。對(duì)信號(hào)x(t)的進(jìn)行EMD包絡(luò)譜分析的具體步驟如下。

(1)用三次樣條曲線(xiàn)連接信號(hào)x(t)所有局部極大值點(diǎn)和所有局部極小值點(diǎn)形成上下包絡(luò)線(xiàn)，求上下包絡(luò)線(xiàn)平均值記為m1(t)，令:

如果h1(t)是滿(mǎn)足IMF分量要求，則循環(huán)停止。

(2)若不滿(mǎn)足，則返回以h1(t)為原始信號(hào)按第1步繼續(xù)求上下包絡(luò)線(xiàn)以及平均值m2(t)，令:

判斷h2(t)是否滿(mǎn)足IMF分量要求，如此循環(huán)n次，直到式中hn(t)滿(mǎn)足IMF分量要求為止:

(3)將hn(t)分離出來(lái)，記c1(t)=hn(t)為信號(hào)x(t)的第一層IMF分量，得到:

(4)再重復(fù)以上步驟n次，得到信號(hào)x(t)所有層次

IMF分量為止，即:

(5)那么原始信號(hào)x(t)組成如下:

式中:rn(t)為殘余函數(shù)，代表信號(hào)平均趨勢(shì)。

(6)對(duì)分解得到的每一層IMF分量ci(t)做Hilbert變換得到:

(7)構(gòu)造解析函數(shù)wi(t):

(8)求每一層IMF分量ci(t)的包絡(luò)譜:

依據(jù)上述算法在Matlab中進(jìn)行EMD包絡(luò)譜程序編寫(xiě)，并利用仿真信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證程序是否正確。

3.2 Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)

Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將Matlab當(dāng)作一個(gè)ActiveX服務(wù)器。運(yùn)行時(shí)Labview將命令通過(guò)ActiveX通道發(fā)送給Matlab，由Matlab在后臺(tái)執(zhí)行，執(zhí)行完后在Labview前面板顯示。

打開(kāi)Labview2010，按數(shù)學(xué)/腳本與公式/腳本節(jié)點(diǎn)/Matlab腳本創(chuàng)建Matlab Script節(jié)點(diǎn)。已預(yù)先在Matlab 7.0中編寫(xiě)、調(diào)試好程序，只需導(dǎo)入腳本節(jié)點(diǎn)，分析時(shí)按照不同的信號(hào)選擇不同的EMD分解層數(shù)。Labview與Matlab Script節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)右鍵單擊節(jié)點(diǎn)框，選擇“添加輸入”或“添加輸出”來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要注意的是數(shù)據(jù)類(lèi)型的匹配。圖3中添加了輸入信號(hào)“A”，數(shù)據(jù)類(lèi)型是一維數(shù)組，采樣頻率“B”，采樣點(diǎn)數(shù)“C”，頻率起點(diǎn)和終點(diǎn)“E”和“F”，數(shù)據(jù)類(lèi)型均為實(shí)數(shù)。

圖3 EMD包絡(luò)譜混合編程面板

4 實(shí)例應(yīng)用及分析

對(duì)某汽車(chē)變速器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本文開(kāi)發(fā)的診斷系統(tǒng)的有效性。當(dāng)加速度傳感器在輸入轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、空擋的情況下測(cè)取第一軸前軸承(6205-Z)振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率為12 K，采樣點(diǎn)數(shù)為10 240。分別設(shè)置了軸承正常和外圈單點(diǎn)點(diǎn)蝕故障，點(diǎn)蝕直徑為0.18 mm，深度為0.2 mm。通過(guò)式(10)計(jì)算軸承外圈故障特征頻率為107.5 Hz。

圖4(a)是軸承正常時(shí)候的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形，圖4(b)是外圈故障時(shí)候的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形。由于信號(hào)帶有大量噪聲等干擾信號(hào)，故對(duì)信號(hào)進(jìn)行sym8小波降噪處理，從而減少由多次EMD分解帶來(lái)的端點(diǎn)效應(yīng)累積誤差。圖4(c)顯示外圈故障信號(hào)經(jīng)小波降噪后信號(hào)光滑，既去除了部分噪聲又較好的保留了故障信息。

圖4 振動(dòng)信號(hào)

再對(duì)降噪后的正常和外圈故障信號(hào)信號(hào)進(jìn)行6層EMD包絡(luò)譜分析，由于軸承故障特征頻率一般在中高頻，故選取前3分量。圖5(a)、(b)是正常和外圈故障信號(hào)前3分量時(shí)域波形，可見(jiàn)在外圈故障時(shí)前2個(gè)分量存在明顯的周期性沖擊，并且各分量之間的頻率成分逐漸下降。經(jīng)過(guò)分析選擇第2分量進(jìn)行包絡(luò)譜分析，包絡(luò)譜分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 正常及外圈故障EMD分解前3分量

(1)軸承正常時(shí)從圖6(a)可知第2分量包絡(luò)譜中有30.03 Hz的輸入軸轉(zhuǎn)頻，以及其2倍頻60.06 Hz，均接近理論計(jì)算的30 Hz。此外包絡(luò)譜峰值遞減趨于平穩(wěn)。

圖6 正常及外圈故障EMD分解第2分量包絡(luò)譜

(2)軸承外圈故障時(shí)從圖6(b)可知第2分量包絡(luò)譜存在輸入軸轉(zhuǎn)頻30.03 Hz及其2倍頻，外圈故障特征頻率107.7 Hz的最高峰值，非常接近(10)式計(jì)算的107.5 Hz，以及2倍頻、3倍頻分別為215.3 Hz，323 Hz。說(shuō)明軸承外圈故障時(shí)起了故障特征頻率的倍頻。

(3)通過(guò)正常和外圈故障EMD包絡(luò)譜比較，筆者所開(kāi)發(fā)的診斷系統(tǒng)能有效識(shí)別出非平穩(wěn)、非線(xiàn)性軸承振動(dòng)信號(hào)中的故障特征頻率，且系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)快速準(zhǔn)確，具有良好的人機(jī)交互和強(qiáng)大的圖形化顯示界面。

5 結(jié)論

文章通過(guò)Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)將Labview和Matlab優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，用混合編程方法開(kāi)發(fā)了汽車(chē)變速器故障診斷系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:診斷系統(tǒng)能準(zhǔn)確、快速地完成信號(hào)采集、存儲(chǔ)、調(diào)用、分析，具有良好的人機(jī)交互界面和強(qiáng)大的圖形化顯示界面;利用小波變換降噪和EMD包絡(luò)譜能的有效地識(shí)別軸承故障時(shí)的故障特征頻率。此外系統(tǒng)還具有廣泛的適應(yīng)性，對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行EMD包絡(luò)譜分析時(shí)只需在圖3所示程序框圖中添加或減少以下語(yǔ)句:subplot(311);plot(t，imf(1，:));xlabel('t/s');ylabel('a/m.s2');title('IMF1時(shí)域波形圖');和subplot(311);hua_baol(imf(1，:)，fs，1，xf1，xf2);xlabel('f/Hz');ylabel('a/m.s2');title('IMF1包絡(luò)譜')即可。在工程中將Labview和Matlab結(jié)合開(kāi)發(fā)診斷系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

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