于 波 鄭 聽

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是指通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)某種功能的機(jī)械。隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的日益提高，旋轉(zhuǎn)機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備正向大型化、自動(dòng)化和高速化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的預(yù)防性維修或損壞后維修已經(jīng)無法滿足企業(yè)生產(chǎn)的需要。為了減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失并預(yù)防重大機(jī)械事故的發(fā)生，開發(fā)功能集成度高、界面友好并能對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行全面分析的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義[1]。筆者介紹了一種自行研發(fā)的基于LabVIEW的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能多樣、操作簡(jiǎn)便，不僅可以通過快速傅里葉變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜分析，而且可以同步觀察被觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)合分析[2]。

1 總體設(shè)計(jì)思想①

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)故障分析系統(tǒng)基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)和普通PC機(jī)及其配置的聲卡作為硬件基礎(chǔ)。根據(jù)LabVIEW的特點(diǎn)結(jié)合該診斷系統(tǒng)的需求，初步完成總體設(shè)計(jì)方案。從模塊化角度分析，該系統(tǒng)按功能分成六大模塊：信號(hào)采集、信號(hào)處理、頻域分析、時(shí)域分析、頻域波形顯示和時(shí)域波形顯示，其原理如圖1所示。從結(jié)構(gòu)化角度分析，既要保證所有模塊獨(dú)立完成相應(yīng)的功能，又要確定所有功能之間的聯(lián)絡(luò)性。創(chuàng)建友

圖1 虛擬測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖

好界面，實(shí)現(xiàn)頻域分析與時(shí)域分析同步顯示的功能[3]。

根據(jù)圖1可以看出，其六大模塊既要保證相互獨(dú)立地完成相應(yīng)的功能，又要實(shí)現(xiàn)所有功能之間的相互聯(lián)系，由此才能構(gòu)成一個(gè)多功能的精密測(cè)試系統(tǒng)[4]。首先借助于LabVIEW平臺(tái)分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。

2 系統(tǒng)軟件

2.1 信號(hào)采集模塊

本測(cè)試系統(tǒng)利用PC機(jī)所配置的聲卡作為硬件基礎(chǔ)。聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的采集卡，是外部模擬信號(hào)和計(jì)算機(jī)內(nèi)部所能處理的數(shù)字信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)換的橋梁。在LabVIEW函數(shù)庫中的SoundInput子模板下提供了一些與聲卡有關(guān)的函數(shù)。系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的聲卡采集模塊包括4部分：配置聲音輸入、啟動(dòng)聲音輸入、讀取聲音輸入和聲音輸入清零，如圖2所示。可以通過聲卡采集外部模擬信號(hào)并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能處理的數(shù)字信號(hào)。

圖2 聲讀波形子VI圖標(biāo)

2.2 信號(hào)處理模塊

測(cè)試信號(hào)中經(jīng)常會(huì)混有噪聲干擾，噪聲引起的頻率成分的頻率多為高頻，因此為了更好地進(jìn)行信號(hào)分析，需要用低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。再將信號(hào)通過FFT子VI，進(jìn)而獲取測(cè)試信號(hào)的頻譜，其圖標(biāo)如圖3所示。

圖3 快速傅里葉變換子VI圖標(biāo)

2.3 時(shí)域分析和時(shí)域波形顯示

將濾波器處理后的信號(hào)直接在示波器上顯示，可以非常直觀地看到振動(dòng)波形，此時(shí)波形是隨時(shí)間變化的，即信號(hào)的時(shí)域特征[5]。在波形顯示中可以直接觀察信號(hào)的變化情況和各點(diǎn)的振動(dòng)幅值，由于顯示的是已知波形，并確定是周期信號(hào)，因此選用Graph作為波形顯示控件，如圖4所示。

圖4 時(shí)域波形顯示

2.4 頻域分析和頻域波形顯示

頻域分析就是將信號(hào)中的頻率分量提取出來并加以分析，系統(tǒng)采用快速傅里葉變換子VI對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻譜顯示。通過對(duì)頻譜圖的分析可以確定信號(hào)的總振級(jí)、最大值頻率和最大幅值。選用Graph作為波形顯示控件，如圖5所示。此頻譜圖為大慶某電廠1#機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，初步認(rèn)為是負(fù)荷齒輪箱兩側(cè)對(duì)中性差，燃機(jī)轉(zhuǎn)子主要振動(dòng)特征為失衡振動(dòng)，基本與預(yù)期結(jié)果保持一致。

圖5 頻域波形顯示

2.5 系統(tǒng)總功能的實(shí)現(xiàn)

將以上幾個(gè)基本功能模塊有機(jī)組合在一起就是一個(gè)以LabVIEW為平臺(tái)的基本振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于各模塊的軟件接口，由于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面的工作進(jìn)行的比較嚴(yán)謹(jǐn)，所以軟件編程進(jìn)行的比較順利，一些重要的難題得到了很好解決。系統(tǒng)程序框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序

3 基于LabVIEW的虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是以PC機(jī)及其配置的聲卡作為硬件基礎(chǔ)，因此在設(shè)計(jì)過程中力求簡(jiǎn)便、容易操作，特別是對(duì)于前面板的設(shè)計(jì)，力求簡(jiǎn)單明了、具有良好的操控性能，前面板的設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)前面板

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以圖形化編程軟件LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，研究并實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性，可以分析頻率在15～1 000Hz的信號(hào)，同時(shí)可以測(cè)量信號(hào)在頻帶范圍內(nèi)的重要參數(shù)；系統(tǒng)不但是多項(xiàng)功能集中于一體的綜合系統(tǒng)，還可以作為獨(dú)立的測(cè)試儀器(如示波器及頻譜分析儀等)；儀器界面簡(jiǎn)便易行，前面板能夠進(jìn)行功能上的選擇、相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和讀取或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)定，并能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)時(shí)域分析與頻域分析的同步顯示功能；系統(tǒng)采用虛擬儀器的方式，用軟件編程替代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的硬件電路，降低了成本。模塊化的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的擴(kuò)充十分方便。