龐爾軍，王曉龍，于虹

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，云南昆明650217;2.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北保定071003;3.云南電力研究院高壓研究所，云南昆明650217)

隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷提高，利用軟件開發(fā)虛擬測(cè)試系統(tǒng)逐漸成為一種趨勢(shì)。同硬件測(cè)試系統(tǒng)相比，虛擬測(cè)試系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、擴(kuò)充方便、開發(fā)成本少等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)軟件即是儀器的目標(biāo)，利用軟件來開發(fā)虛擬測(cè)試系統(tǒng)將成為今后測(cè)試儀器的重點(diǎn)發(fā)展方向之一［1－2］。

圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為虛擬儀器的開發(fā)提供了一個(gè)強(qiáng)大而方便的平臺(tái)，為此，文中根據(jù)實(shí)際需要開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和離線數(shù)據(jù)分析兩部分功能，可以方便地對(duì)測(cè)試對(duì)象實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷;最后，利用開發(fā)的系統(tǒng)對(duì)實(shí)測(cè)軸承內(nèi)圈故障信號(hào)進(jìn)行分析處理，以此說明該系統(tǒng)的實(shí)用性及可靠性。

1 系統(tǒng)硬件搭建

該系統(tǒng)的硬件部分主要由采集卡、加速度傳感器、渦流傳感器、信號(hào)調(diào)理器和裝有LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)四部分構(gòu)成，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采集卡選用美國(guó)國(guó)家儀器公司的NI9234四通道數(shù)據(jù)采集卡，分辨率為24位，并且可利用軟件方便地控制其增益，最高采樣速率可達(dá)51.2 kS/s，電壓信號(hào)輸入范圍為－5～+5 V。加速度傳感器選用LC0103(T)型壓電加速度傳感器，參考靈敏度為50 mV/g，分辨率0.000 4 g，量程100g，頻響范圍為0.35～10 kHz。渦流傳感器為美國(guó)BENTLY3300XL型電渦流傳感器，參考靈敏度7.87 V/mm，頻響范圍為0～6 kHz。調(diào)理器選擇LC0201型信號(hào)調(diào)理器，用于放大或轉(zhuǎn)換傳感器輸出的信號(hào)，并可實(shí)現(xiàn)濾波等功能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的核心所在，振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖和前面板分別如圖2和圖3所示，各子模塊功能介紹如下:

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖

圖3 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)前面板

2.1 在線監(jiān)測(cè)

在線監(jiān)測(cè)模塊包含統(tǒng)計(jì)參量分析、波形顯示、譜分析、相關(guān)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)5個(gè)子模塊，該模塊又可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況分成實(shí)地在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。在被測(cè)對(duì)象上布置好測(cè)點(diǎn)，正確搭建好系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)并完成采樣模式、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣通道和量程選擇等一系列的采樣參數(shù)設(shè)置之后，即可進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和分析，達(dá)到實(shí)地在線監(jiān)測(cè)的目的。而遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)則要通過LabVIEW提供的遠(yuǎn)程前面板的控制方式實(shí)現(xiàn)，原理即是在運(yùn)行程序或執(zhí)行功能的計(jì)算機(jī)上開設(shè)一個(gè)Web服務(wù)，遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)通過Web服務(wù)得到數(shù)據(jù)或控制VI的運(yùn)行［3］。

(1)統(tǒng)計(jì)參量分析模塊可顯示峰值、峰峰值、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根、均值、均方值、峭度和標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)。

(2)波形顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示出4個(gè)傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)的連續(xù)時(shí)域波形。

(3)相關(guān)分析模塊顯示某一通道被測(cè)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，由此判斷所采數(shù)據(jù)不同時(shí)刻的依賴程度。

(4)譜分析模塊能夠顯示出某一通道被測(cè)信號(hào)的幅值譜、自功率譜、倒譜和包絡(luò)譜，可以通過點(diǎn)擊單選按鈕控件實(shí)現(xiàn)不同譜圖之間的快速切換。

(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以實(shí)現(xiàn)測(cè)得數(shù)據(jù)txt格式的存儲(chǔ)，并且能夠顯示出數(shù)據(jù)保存已進(jìn)行的時(shí)間。

2.2 離線數(shù)據(jù)分析

離線數(shù)據(jù)分析模塊包含局部均值分解 (LMD)、聚合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 (EEMD)、短時(shí)傅里葉變換(STFT)、連續(xù)小波變換 (CWT)、希爾伯特－黃變換(HHT)、數(shù)據(jù)讀取、譜分析和頻響分析8個(gè)子模塊，并且可以選擇是否預(yù)先對(duì)讀取的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行高通、低通或帶通數(shù)字濾波后再進(jìn)行下一步分析。

(1)數(shù)據(jù)讀取模塊能夠?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)或其他測(cè)試系統(tǒng)txt格式測(cè)試數(shù)據(jù)的讀取功能。

(2)頻響分析模塊可以根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)計(jì)算出該系統(tǒng)的頻響函數(shù)，并顯示出相應(yīng)的幅頻曲線和相頻曲線。

(3)譜分析模塊同在線監(jiān)測(cè)部分譜分析模塊相同，只是一次性讀取全部數(shù)據(jù)后再顯示其各種譜圖。

(4)短時(shí)傅里葉變換模塊根據(jù)STFT算法，計(jì)算出聯(lián)合時(shí)頻域中被測(cè)信號(hào)的能量分布。

(5)連續(xù)小波變換模塊能在時(shí)頻域中對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，從而提取出故障特征信息。

(6)希爾伯特－黃變換模塊可以顯示出被測(cè)信號(hào)的Hilbert譜和邊際譜，由于HHT不受Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理制約，因此該模塊對(duì)非線性及非平穩(wěn)信號(hào)都有較好的分析和處理效果。由于LabVIEW中沒有提供此VI，因此對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)HHT分析方法，HHT具體理論參考文獻(xiàn) ［4－6］。

(7)聚合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模塊能自適應(yīng)地將故障信號(hào)按頻率由高到低分解成數(shù)個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量，并且通過選取合適的迭代次數(shù)和混入白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，能夠有效避免經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解產(chǎn)生的模態(tài)混疊現(xiàn)象。該系統(tǒng)的EEMD模塊也是通過對(duì)LabVIEW進(jìn)行二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)的，EEMD具體理論參考文獻(xiàn) ［7］。

(8)局部均值分解模塊同樣可以按頻率由高到低的順序?qū)⒐收闲盘?hào)分解成數(shù)個(gè)乘積函數(shù)分量，該算法由Jonathan SMITH提出，它可以避免EMD算法自身存在的各種問題，適合處理各類非平穩(wěn)信號(hào)，用于齒輪、軸承等故障信號(hào)的分析，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。作者將LMD算法在LabVIEW平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用于該振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，LMD具體理論參考文獻(xiàn) ［8－10］。

3 軸承內(nèi)圈故障實(shí)例分析

采用QPZZ故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)來模擬N205型滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈故障，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，利用渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸垂直方向振動(dòng)，采樣頻率為12 800 Hz。

圖4 軸承內(nèi)圈故障模擬實(shí)驗(yàn)裝置

滾動(dòng)軸承節(jié)圓直徑dm=39 mm，滾動(dòng)體直徑D=7.5 mm，軸承接觸角α=0，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=12，則在1 440 r/min轉(zhuǎn)速情況下，軸承內(nèi)圈故障特征頻率=172 Hz。利用振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)處理模塊中的EEMD子模塊對(duì)內(nèi)圈故障進(jìn)行診斷，該子模塊的前面板如圖5所示，原故障信號(hào)的EEMD分解結(jié)果如圖6所示。

圖5 離線數(shù)據(jù)分析模塊中的EEMD子模塊的前面板

從分解結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):原始信號(hào)經(jīng)過EEMD模塊的處理，省略掉余量后共獲得8個(gè)IMF分量，按照頻率由高到低依次排列開來，其中第一個(gè)IMF分量是EEMD算法自身引入的高頻白噪聲成分，IMF7分量則為轉(zhuǎn)頻成分，其余分量是處于不同頻帶的振動(dòng)成分。相同的內(nèi)圈故障信號(hào)運(yùn)用EMD方法分解后，轉(zhuǎn)頻分量會(huì)與后一個(gè)分量發(fā)生模態(tài)混疊，而該系統(tǒng)的EEMD子模塊卻能將轉(zhuǎn)頻成分準(zhǔn)確分解出來。在此僅選取IMF2分量進(jìn)行進(jìn)一步的分析說明，EEMD分析模塊前面板上顯示的該分量的幅值譜和包絡(luò)譜如圖7所示。

圖6 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障信號(hào)的EEMD分解結(jié)果

圖7 IMF2分量的幅值譜和包絡(luò)譜

滾動(dòng)軸承內(nèi)圈出現(xiàn)故障缺陷時(shí)，由于內(nèi)圈隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，外圈固定，故障點(diǎn)的位置和受載荷大小呈周期性變化，因此產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)也會(huì)呈周期性變化，振動(dòng)信號(hào)會(huì)受到轉(zhuǎn)頻的調(diào)制作用，從而在故障信號(hào)的包絡(luò)譜中將出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)頻及其倍頻和內(nèi)圈故障特征頻率成分［11］。從圖7中發(fā)現(xiàn):信號(hào)的幅值譜在2 000～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)十分明顯的邊頻調(diào)制現(xiàn)象，并且包絡(luò)譜中存在6處幅值較高的譜線，分別對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)頻 (24 Hz)、轉(zhuǎn)頻的二倍頻 (48 Hz)、滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障特征頻率 (172 Hz)和轉(zhuǎn)頻調(diào)制邊帶頻率 (124、148、196 Hz)，綜上所述，可以判斷該滾動(dòng)軸承內(nèi)圈存在缺陷，診斷結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于篇幅所限，不能對(duì)該系統(tǒng)中自主開發(fā)的模塊逐一進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，只選取軸承內(nèi)圈故障進(jìn)行分析，分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，表明運(yùn)用圖形化編程語(yǔ)言Lab-VIEW開發(fā)的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)可以滿足實(shí)際工程測(cè)試的需要，并且能夠方便地進(jìn)行操作以及個(gè)性化擴(kuò)充，一定程度上減少了完成測(cè)試任務(wù)所需的成本。

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