馮武衛(wèi)，許　偉，李鵬鵬，吳仲芳，王忠朝

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022；2.浙江歐華造船股份有限公司，浙江舟山　316101；3.舟山海川船舶機(jī)械有限公司，浙江舟山　316101）

基于LabVIEW的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā)

馮武衛(wèi)1，許偉1，李鵬鵬1，吳仲芳2，王忠朝3

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022；2.浙江歐華造船股份有限公司，浙江舟山316101；3.舟山海川船舶機(jī)械有限公司，浙江舟山316101）

介紹了基于LabVIEW的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)思路、作用和特點(diǎn)。該系統(tǒng)首先利用LabVIEW調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）完成數(shù)據(jù)采集，可用于船舶和旋轉(zhuǎn)機(jī)械的實(shí)時(shí)故障監(jiān)測；然后，采用LabVIEW編寫數(shù)據(jù)處理程序，程序集成了時(shí)域分析、自相關(guān)分析和倒頻譜分析，確定齒輪箱故障的原因和位置；最后，使用開發(fā)的診斷系統(tǒng)在故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性以及準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；LabVIEW；DLL；信號處理

隨著機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高，船用機(jī)械設(shè)備的智能化、快速化與復(fù)雜化化日新月異，社會(huì)生產(chǎn)效益與日俱增。就船舶動(dòng)力源柴油機(jī)而言，其穩(wěn)定性和持續(xù)性的工作性能至關(guān)重要，一旦其關(guān)鍵零部件損壞，復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致過去診斷方法很難快速與準(zhǔn)確的檢測出故障所在，可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失或者不可估量的人員傷亡［1-2］。本文為了完成高效節(jié)能的淺海選礦，大功率柴油機(jī)成為采礦船的必然選擇。為了避免大功率柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)故障的萌生和演變［3］，確保其穩(wěn)定和安全的運(yùn)行，監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的研究對于本項(xiàng)目而言尤為重要。

筆者根據(jù)國內(nèi)外目前故障診斷技術(shù)研究情況，結(jié)合本課題組絞吸式高效節(jié)能淺海選礦設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目，開發(fā)了基于LabVIEW信號預(yù)處理故障診斷方法，針對船用關(guān)鍵零部件，如柴油機(jī)、軸承和齒輪等。本文故障診斷系統(tǒng)集成了信號采集、信號預(yù)處理、信號識別等技術(shù)，彌補(bǔ)了國內(nèi)船用設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷的不足，保證了船用機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1　LabVIEW調(diào)用DLL介紹

LabVIEW是目前世界上在數(shù)據(jù)采集與處理、控制、測試測量等領(lǐng)域最為流行的開發(fā)環(huán)境語言，它不同于其他語言，最大的區(qū)別在于LabVIEW是一個(gè)圖形化語言，簡稱G語言。G語言主要以圖形的形式表達(dá)要完成的功能，與C、C++、Jave等程序語言最大區(qū)別在于不用編寫代碼，節(jié)省工程師大量的書寫代碼時(shí)間和調(diào)試的步驟。

由于LabVIEW在采集信號方面具有強(qiáng)大的功能，因此，美國國家儀器有限公司對其產(chǎn)業(yè)下各種類型的采集卡都匹配了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。然而，由于NI公司的數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格昂貴問題，國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場采用的都是一般非專用的NI數(shù)據(jù)采集卡，非專用NI數(shù)據(jù)采集卡不僅價(jià)格便宜，而且供貨商本身生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡都匹配了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，如凌華公司的PCIS-LVIEW PnP，研華的LabVIEW Drivers等。但是用戶想要運(yùn)用這些驅(qū)動(dòng)中的VI開發(fā)更高級的程序，可能很難能滿足要求。此時(shí)，調(diào)用生產(chǎn)商提供的采集卡動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫DLL（Dynamic Link Library）文件就成為解決問題的關(guān)鍵［4］。筆者根據(jù)項(xiàng)目需求，采用PCI-9114DG數(shù)據(jù)采集卡作為核心部件，完成故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)。因?yàn)?，PCI-9114DG數(shù)據(jù)采集卡具有16位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器；可存儲(chǔ)1K數(shù)據(jù)FIFO；可編程增益：1、2、4、8；最高100 KHz采樣頻率。

圖1　LabVIEW調(diào)用DLL配置Fig.1　DLL configuration called by LabVIEW

2　實(shí)驗(yàn)器材和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)以故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有更換不同齒輪和軸承的特性，課題依托于對正常齒輪和軸承以及損壞的齒輪和軸承進(jìn)行檢測達(dá)到驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。故障檢測系統(tǒng)由軟件和硬件兩部組成，軟件包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)寫入，硬件則由工控機(jī)（采集卡）、傳感器等器件構(gòu)成。軟件和硬件具體介紹如下所示。

2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)思

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分由工控機(jī)（數(shù)據(jù)采集卡）、信號調(diào)理器、端子板、傳感器等部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　機(jī)械故障診斷系統(tǒng)Fig.2　Mechanical fault diagnosis system

圖2所示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要硬件有工控機(jī)（采集卡）、傳感器與信號調(diào)理器，這三個(gè)主要硬件的選擇直接關(guān)系采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的成敗。1）采集卡的部分屬性在第一部分已詳細(xì)陳述，這里不再敘述。工控機(jī)在本系統(tǒng)中主要的作用是起到抗干擾、防潮、防灰塵污染等作用，而且還要考慮其便攜性和現(xiàn)場惡劣環(huán)境等問題，本文選擇的工控機(jī)是凌華科技有限公司生產(chǎn)RK-690型航空拉桿箱工控機(jī)。2）在實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)傳感器對被測信號的響應(yīng)輸出類型，系統(tǒng)應(yīng)對傳感器輸出的信號做出放大、濾波、積分、線性化等處理。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集的是振動(dòng)信號，故與處理中要對信號進(jìn)行放大、濾波、抑制干擾并提高信噪比等處理，因此本文選擇的調(diào)理器的指標(biāo)：三檔放大X1、X10、X100；八檔位低通濾波；-140dB/oct衰減速率；失真度＜1%。3）傳感器功能和形式多種多樣，如何從眾多傳感器中選擇合適的傳感器成為硬件選擇的重點(diǎn)。本項(xiàng)目涉及的故障診斷信號是振動(dòng)信號，一般選擇傳感器類型為磁電式速度傳感器、壓電式加速度傳感器、渦流式位移傳感器。結(jié)合本課題數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體需求，綜合考慮，本文采用的是冠標(biāo)科技有限公司的7703A-50型壓電式加速度傳感器。

2.2數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

接口軟件開發(fā)是本文研究的重點(diǎn)。軟件開發(fā)包括兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)是機(jī)械故障診斷系統(tǒng)軟件開發(fā)的核心部分，主要用于對船用柴油機(jī)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，判斷其是否存在故障。數(shù)據(jù)處理是在數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，通過實(shí)時(shí)分析采集到的數(shù)據(jù)，簡化故障類型的識別，確保故障診斷的快速與準(zhǔn)確。

則主塔樁基滿足鄰樁人工開挖要求，但為了避免施工相互影響，采取間隔交錯(cuò)施工，群樁開挖及澆筑順序?yàn)椋?#、8#、15#、4#、11#、18#→3#、13#、6#、16#→2#、14#、5#、17#→7#、9#、10#、12#。

圖3　數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)Fig.3　Data acquisition and storage

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)程序框圖如圖3所示。主要方法是把配置完成的三個(gè)參數(shù)（Register、AI_ReadChannel、Release）用層疊順序結(jié)構(gòu)的方式連接起來，其中以I16（有符號16位整形）返回值作為局部變量，貫穿全局。PCI-9114DG 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 在 PCI-DASK.dll中Card_Type的值為24，Card_Num的值為0。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以“寫入電子表格文件”函數(shù)為核心，通過設(shè)置函數(shù)“文件路徑”和“添加至文件？”接口，向硬盤中實(shí)時(shí)寫入文件。

2.3數(shù)據(jù)處理

柴油機(jī)作為采礦船的動(dòng)力源，其工作的穩(wěn)定性和持續(xù)性尤為重要，而齒輪減速箱作為柴油機(jī)和驅(qū)動(dòng)螺旋槳的傳動(dòng)裝置，且齒輪箱相對船用柴油機(jī)更容易出現(xiàn)故障，故本系統(tǒng)利用LabVIEW的內(nèi)置分析能力對的齒輪減速箱的進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和診斷，進(jìn)而對采集到的信號采用時(shí)域和倒頻譜分析，提取的特征值組成特征向量，從而識別故障信息。

2.3.1時(shí)域分析

信號的時(shí)域分析包括波形分析、自相關(guān)分析和互相關(guān)分析，其中波形分析和互相關(guān)分析并沒有考慮信號其中一個(gè)信號在時(shí)間軸上平移后兩個(gè)信號的相關(guān)特性，為此需要引入相關(guān)分析來驗(yàn)證兩個(gè)信號的相似程度，識別出信號中的周期成分，濾除雜波，快速判別機(jī)械故障信號與正常信號之間的差別。

兩個(gè)隨機(jī)變量x和y的線性相關(guān)系數(shù)rxy為

式中，Cxy-兩個(gè)隨機(jī)變量x和y波動(dòng)量之積的數(shù)學(xué)期望，表示協(xié)方差。

sx、sy-分別為隨機(jī)變量和y的均方差。

為了提取已采集信號周期成分的特征向量，筆者采用自相關(guān)分析對兩個(gè)不同時(shí)刻狀態(tài)的信號進(jìn)行描述，即

當(dāng)時(shí)ρxx=1，表明隨機(jī)信號在兩個(gè)不同時(shí)刻具有完全相關(guān)性，信號為周期信號；ρxx=0時(shí)，表明隨機(jī)信號在兩個(gè)不同時(shí)刻完全不先關(guān)，隨著時(shí)間足夠大，信號會(huì)衰弱趨近于零；-1≤ρxx≤1時(shí)，表明隨機(jī)信號中部分相關(guān)，信號中含有周期成分。

圖4　均勻白噪聲的時(shí)域分析Fig.4　Time domain analysis of discrete white-noise

以均勻白噪聲為例，對其進(jìn)行自相關(guān)分析，振幅為1，頻率為3。圖4為自相關(guān)分析的程序框圖和時(shí)域信號與自相關(guān)分析前面板。實(shí)驗(yàn)仿真表明隨著的不斷增大，時(shí)域信號并沒有呈現(xiàn)衰減的趨勢。

2.3.2倒頻譜分析

齒輪箱正常運(yùn)行情況下有正常的頻譜和幅值，一旦齒輪減速箱出現(xiàn)故障，就會(huì)有周期脈沖沖擊力，導(dǎo)致嚙合頻率和諧波周圍產(chǎn)生大量的邊頻帶，邊頻帶間隔頻率就是故障頻率［5］。倒頻譜對于邊頻帶分析具有獨(dú)特之處，它不僅能夠把原頻譜中周期性頻率成分進(jìn)行加權(quán)集中，而且對于齒輪箱故障的原因和位置的診斷具有突出的特點(diǎn)。設(shè)齒輪振動(dòng)的時(shí)域信號為，傳遞信號，輸出的時(shí)域信號為：

經(jīng)傅里葉變換后得到的頻域信號為：

取對數(shù)為：

再進(jìn)行傅里葉變換得到的到頻譜為：

以y=sin［（200πt）+0.5sin（20πt）］×［1+cos（20πt）］為齒輪箱信號源，用倒頻譜分析法對模擬齒輪箱信號進(jìn)行分析，倒頻頻譜分析程序框圖和模擬信號倒頻譜分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　倒頻譜分析Fig.5　Cepstrum analysis

3　系統(tǒng)效果及采集系統(tǒng)性能驗(yàn)證

本文對試驗(yàn)臺(tái)6所示的齒輪箱進(jìn)行故障診斷測試，通過更換齒輪箱中正常齒輪和磨損齒輪驗(yàn)證本文開發(fā)的診斷系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性。齒輪箱中小齒輪的齒數(shù)為20，大齒輪齒數(shù)為48。在齒輪箱體上安裝壓力加速度傳感器，測量齒輪嚙合點(diǎn)處的磨損狀態(tài)下的振動(dòng)信號。

圖6　信號時(shí)域分析自相關(guān)分析Fig.6　Signal analysis of time domain autocorrelation

當(dāng)齒輪減速箱正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速為90 r/min，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)頻為90/60=1.5 Hz，嚙合頻率為1.5×55=30 Hz。當(dāng)齒輪相中的大齒輪出現(xiàn)磨損故障時(shí)，轉(zhuǎn)速為315 r/min，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)頻為315/60=5.25 Hz，嚙合頻率為5.25 ×20=102 Hz。圖6為齒輪時(shí)域波形自相關(guān)波形。

濾除雜波后，圖6（a）和圖6（b）相比較而言，正常齒輪沖擊信號并不明顯，然而故障齒輪除了嚙合頻率處有較大的沖擊外，此外還會(huì)出現(xiàn)明顯的周期性沖擊。主要原因是故障齒輪的轉(zhuǎn)頻對齒輪的嚙合頻率和倍頻進(jìn)行調(diào)制。

圖7為正常齒輪和磨損齒輪的頻譜圖。從圖7的（a）和（b）對比可知，正常齒輪和故障齒輪的嚙合頻率處都有邊頻出現(xiàn)，故障齒輪的沖擊幅值明顯比正常齒輪的幅值要明顯要高，除此之外，兩幅圖中沒有更明顯的故障特征。因此，根據(jù)頻譜圖很難判別出故障齒輪的損壞類型。

圖8為齒輪時(shí)域信號的倒頻譜圖。由圖8（a）可以看出，并沒有突出的倒頻率成份。由圖3（b）可以找到突出的倒頻率譜190.5 ms，經(jīng)換算對應(yīng)的頻率為5.25Hz，剛好為主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)頻，證明在齒輪嚙合過程中，小齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生的沖擊為嚙合頻率和倍頻的調(diào)制源。

圖7　齒輪頻譜圖Fig.7　Frequency spectrum of gear

圖8　齒輪倒頻譜分析Fig.8　Cepstrum analysis of gear

4　結(jié)論

本文利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與處理功能開發(fā)了故障診斷系統(tǒng)，故障診斷系統(tǒng)縮短了維修人員的檢測時(shí)間，降低了維修成本。此外，故障診斷系統(tǒng)不僅適用于船用柴油機(jī)、齒輪設(shè)備的檢測，而且對于其他旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備具有很好的診斷作用。本系統(tǒng)目前主要集成了時(shí)域分析，頻域分析和倒頻譜分析等常用的信號處理和故障診斷方法，在后續(xù)研究中將逐漸集成一些智能診斷方法，使系統(tǒng)更加完善和智能化。

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Study and Development for the Mechanical Fault Diagnosis System based on LabVIEW

FENG Wu-wei，XU Wei，LI Peng-peng，et al
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Development of ideas，function and characteristic of Mechanical fault diagnosis system based on LabVIEW are introduced.Firstly，the system utilizes the LabVIEWto call the DLL for achieving data acquisition，which can be used in the fault monitoring of the vessels and rotating machinery；then，the data processing program is compiledby LabVIEW that integrates with the time domain analysis，autocorrelation analysis and spectral analysis for ascertainingreason and location of the gearbox fault.At end，a large number of experimentshave beendone by the fault diagnosis system on the fault simulation test beach，which verifies feasibility and accuracy of the system.

data acquisition system；LabVIEW；DLL；signal processing

TH207

A

1008-830X（2015）02-0140-05

2014-12-05

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51379189）；浙江海洋學(xué)院中青年骨干教師資助項(xiàng)目（11182101112）；浙江海洋學(xué)院校級面上科研項(xiàng)目（X12M03）；浙江海洋學(xué)院科研啟動(dòng)基金（21185011311）

馮武衛(wèi)（1980-），男，山西芮城人，博士，講師，研究方向：機(jī)械故障診斷.