李亞紅

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基于虛擬儀器技術(shù)的振動自動測試分析系統(tǒng)

李亞紅

（內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司 內(nèi)蒙古赤峰025350）

針對機械設(shè)備振動信號的振動機理和振動特點，結(jié)合信號分析與處理、模態(tài)分析和虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW軟件為平臺，開發(fā)了一套向?qū)秸駝訙y試分析系統(tǒng)。并采用USB-4431數(shù)據(jù)采集卡對某公司生產(chǎn)的羅茨真空泵的泵體和齒輪箱等部位進行了振動信號采集與分析、模態(tài)測試和故障診斷。試驗證明，測試系統(tǒng)的的各項功能很好地滿足了振動監(jiān)測、模態(tài)測試和故障診斷的要求，進而驗證了該振動測試分析系統(tǒng)的可靠性和實用性。

虛擬儀器技術(shù) 信號處理 模態(tài)分析 羅茨真空泵 故障診斷

振動測試與分析是工程中常用的解決機械設(shè)備故障的技術(shù)手段，利用該技術(shù)可準確獲取機械設(shè)備的振動信號，并進行實時采集與記錄，通過預先編寫的軟件進行信號處理與分析，可以有效排除故障隱患，防止設(shè)備故障和意外事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的商用化軟件雖然能夠?qū)υO(shè)備進行振動測試和故障分析，但其面向的診斷對象太廣，缺乏針對性，再加上成本較高等因素的影響，在實際應用中受到了很大的制約。而虛擬儀器技術(shù)利用其高性能的硬件模塊，并結(jié)合靈活的軟件編寫模塊能夠完成各種工程實用軟件的編寫，可見，利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)工程測試系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和工程應用價值。

圖形化編程語言LabVIEW為虛擬儀器的開發(fā)提供了一個強大而方便的平臺。本文正是利用了虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點，首先對相關(guān)采集及測量所需的硬件進行了組配，然后基于LabVIEW平臺，開發(fā)了一套向?qū)秸駝訙y試分析系統(tǒng)，并詳細的介紹了軟件設(shè)計流程和關(guān)鍵部分設(shè)計思路，給出了部分前面板設(shè)計圖。最后，利用該系統(tǒng)對某公司生產(chǎn)的羅茨泵進行了現(xiàn)場測試與診斷，驗證了振動測試分析系統(tǒng)的可靠性。

1 測試系統(tǒng)硬件組配

為了對機械設(shè)備振動信號進行采集與監(jiān)測，組配了如圖1所示的相關(guān)硬件，硬件主要包括美國公司生產(chǎn)的USB-4431數(shù)據(jù)采集卡、加速度傳感器、模態(tài)力錘、電腦和接線等。

采集卡有4路模擬輸入通道和1路模擬輸出通道，分辨率為24位，采樣頻率最高可達102.4 kS/s，電壓輸入范圍為-10V~+10V；加速度傳感器采用ICP型加速度傳感器B&K4508-B；其靈敏度為10 mV/(m/s2)，模態(tài)力錘采用丹麥生產(chǎn)的B&K 8208模態(tài)力錘。

圖1 振動測試分析系統(tǒng)的硬件組配示意圖

2 測試分析系統(tǒng)軟件的開發(fā)

針對工業(yè)生產(chǎn)中機械設(shè)備常見的振動故障開發(fā)的軟件系統(tǒng)，主要功能如圖2所示，根據(jù)向?qū)降拈_發(fā)思路，將其分為五大模塊，各個功能模塊可以在使用時被調(diào)用，不用時則釋放內(nèi)存空間。這樣可以大大降低程序的復雜性，使程序運行更加流暢。五大模塊分別為：文件瀏覽、通道設(shè)置、信號示波、數(shù)據(jù)采集和模態(tài)分析。其中文件瀏覽中包括基于ActiveX技術(shù)和Access數(shù)據(jù)庫的故障診斷功能模塊。

所開發(fā)的軟件系統(tǒng)的具體功能如下：

圖2 故障診斷與模態(tài)分析軟件系統(tǒng)的功能圖

（1）參數(shù)多樣化設(shè)置。本軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)3種參數(shù)設(shè)置功能，通過LabVIEW中串口通信功能，實現(xiàn)了對系統(tǒng)硬件采集卡和振動傳感器參數(shù)的自動監(jiān)測與輸入功能；軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對之前保存的參數(shù)文件進行讀取，導出其中參數(shù)信息并且自動完成參數(shù)設(shè)置；也可完成基本的手動輸入?yún)?shù)。

（2）數(shù)據(jù)采集時域和頻域同時監(jiān)測。軟件可實現(xiàn)1~8個窗口定制，每個窗口可分別定義其分析功能，使程序采集時能夠從時域和頻域同時觀察波形。采集參數(shù)設(shè)置包括分析帶寬、頻率分辨率等。頭文件和數(shù)據(jù)寫入同一文件之中，保存數(shù)據(jù)時能夠?qū)⒈敬尾杉乃性O(shè)置參數(shù)和數(shù)據(jù)一起寫入文本文件，每通道一個文件，并以“采集時間→測點→測試方向”來命名本通道數(shù)據(jù)。保存文本數(shù)據(jù)能夠直接打開文件查看參數(shù)和數(shù)據(jù)，同時方便了后處理功能中采樣率、測點等參數(shù)直接讀取利用。

（3）基于文件瀏覽器的后處理功能。系統(tǒng)自帶有Windows一樣的文件瀏覽器，方便快速查看數(shù)據(jù)文件，通過文件瀏覽器列表框?qū)傩酝献Ш褪录Y(jié)構(gòu)獲取拖拽功能相結(jié)合，實現(xiàn)從文件瀏覽器內(nèi)把文件拖拽到窗口即可對數(shù)據(jù)文件的讀取并顯示，避免了每次選擇文件的繁瑣。可定制8個窗口一次可同時查看8組數(shù)據(jù)。軟件有完善的后處理功能，可以對采集的數(shù)據(jù)進行多種分析功能，瀑布圖、軸心軌跡、時域統(tǒng)計參量、倍頻程等。文件瀏覽界面如圖3所示。

（4）窗口模式定制及窗口數(shù)據(jù)分析功能定制?；诓ㄐ螆D控件的運行時菜單屬性，編輯相應的菜單和事件結(jié)構(gòu)相結(jié)合，來定義不同的分析功能，如頻譜分析、概率統(tǒng)計、峰值檢測、數(shù)數(shù)列表、截取波形、自相關(guān)、自功率譜等，選中相應數(shù)據(jù)波形，單擊鼠標右鍵可選擇不同的數(shù)據(jù)處理分析方式，能夠完成對一組數(shù)據(jù)的8種分析功能同時顯示。

圖3 振動測試系統(tǒng)文件瀏覽界面

（5）故障診斷功能。文件瀏覽中具有故障診斷功能，通過時頻域分析的結(jié)果提取信號的主要特征值，與預先給定的某種判定標準進行比較，根據(jù)實測的振值是否超出了標準給出的界限來判斷泵體是否出現(xiàn)了故障，然后與軟件故障診斷功能數(shù)據(jù)中儲存的羅茨泵泵體各個部位的典型故障特征進行對比，則軟件會根據(jù)其計算出的相似度，判斷出與被測信號特征最接近的故障，并且提供解決故障的措施。軟件會將每次故障診斷的結(jié)果都會存入數(shù)據(jù)庫，形成一個自動化設(shè)備故障診斷庫。

（6）模態(tài)分析功能。模態(tài)分析功能既可以在通過軟件進行簡單的三維建模也可通過Lab 調(diào)用VRML三維模型格式文件實現(xiàn)模型導入，有效的提高了軟件的通用性。通過映射傳感器功能進行測點的配置和振型動畫的輸出。模態(tài)分析采用了正交多項式擬合法、最小二乘復頻域法和最小二乘復指數(shù)法三種參數(shù)識別方法，并通過Hankel矩陣和穩(wěn)定圖來進行模態(tài)定階和真?zhèn)文B(tài)識別，確定最終的模態(tài)參數(shù)，模態(tài)分析中的模型測點配置界面如圖4所示。

圖4 模態(tài)測試測點配置界面

3 羅茨泵振動測試與故障診斷實例

利用所開發(fā)的振動測試軟件和組配的相關(guān)硬件對某公司生產(chǎn)的有故障的真空泵進行了現(xiàn)場測試與故障診斷，找出了故障所在并提出了相應的改進方案。同時，根據(jù)真空泵故障前后的對比，驗證了該系統(tǒng)的正確性和可靠性。

3.1 測試步驟

真空泵分上泵和下泵兩部分。對其進行振動測試時，可分為以下幾個測試步驟：

（1）首先連接測試系統(tǒng)，在上泵體布置測點1、測點2、測點3和測點4（如圖5所示），測試方向均為Z方向，貼好傳感器。

圖5 測點布置示意圖

（2）在上泵4 800rpm、下泵3 600 rpm、1 800 m3/h抽速下（簡稱工況1），對真空泵進行振動測試，持續(xù)30 s，以確定泵體振動的主要位置和峰值頻率。

（3）在下泵3 600 rpm（60Hz）、上泵0~6 000 rpm（簡稱工況2）掃頻，進行振動測試，確定其頻帶范圍和振動的主要頻率，并分析其頻譜特征。

（4）在下泵3 600 rpm（60Hz），對上泵進行0~6 000 rpm（簡稱工況3）重新布置泵體測點做掃頻振動測試，并對其進行頻譜分析，初步確定其故障問題。

（5）重復第二步和第三步，并對其進行靜態(tài)固有頻率測試（簡稱工況4），通過發(fā)現(xiàn)的問題繼續(xù)布置不同的測點進行上述測試，進一步確認機組故障，并提供解決辦法。

3.2 測試結(jié)果及故障診斷分析

1）軸承故障診斷結(jié)果

在靠近被測軸承的承載區(qū)布置測點，測試軸承內(nèi)圈部位，圖6給出了測點21關(guān)于問題軸承（軸承型號6008/C4）在工況2下的振動頻譜。

圖6 工況2時測點21獲得的問題軸承的頻譜圖

根據(jù)軸承內(nèi)圈故障頻率特征公式（1）計算可得為720 Hz，頻譜圖中內(nèi)圈故障特征頻率為706 Hz，由于存在丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，達不到理論的6 000 rpm，兩者基本吻合，可確定故障原因為內(nèi)圈缺陷引起。

式中D為滾子中心圓直徑，d為滾子直徑，n為轉(zhuǎn)速，Z為滾子數(shù)，a為接觸角。圖7為更換新軸承后的頻譜圖，可見振動明顯減弱。

2）不對中和共振故障診斷結(jié)果

圖8給出了工況1時測試獲得的振動頻譜圖，可得知1、2、3、4、5倍頻處均有峰值，其中2倍頻明顯大于其它，是1倍頻的3倍多，可能是存在平行不對中，初步確定一倍頻是由于轉(zhuǎn)子動平衡產(chǎn)生，2倍頻是由于聯(lián)軸器對中不好引起。

圖8 工況1時測點2不對中和共振對應的振動頻譜

800 Hz~900 Hz處的頻率峰值可能是由于共振引起，選取靠近齒輪箱處位置布置測點9升頻至100 Hz時測試機組振動，可見在泵體850 Hz左右出現(xiàn)較大的共振峰值，如圖9所示。

圖9 工況3(100 Hz)穩(wěn)定工作時測點9的振動頻譜

然后進行泵體模態(tài)測試，圖10為機組固有頻率測試結(jié)果，可以確定850Hz左右為共振頻率。如圖11（a）所示為838Hz下的模態(tài)振型，可見靠近齒輪箱和電機的一側(cè)有較大的變形。

圖10 頻響函數(shù)集總圖

為了解決機組共振問題，在上泵與下泵連接處加一個支撐如圖11（b）所示，從而轉(zhuǎn)移了該峰值頻率，消除共振故障。

圖11 模態(tài)振型和泵體改進措施示意圖

4 結(jié)語

基于LabVIEW平臺開發(fā)了一套全新的向?qū)秸駝訙y試分析系統(tǒng)。通過軟件系統(tǒng)對真空泵進行了現(xiàn)場測試，根據(jù)測試結(jié)果確定了真空泵的軸承、轉(zhuǎn)子不對中和共振引起的故障，并提出了故障解決的措施，成功地消除了故障，從而驗證了該軟件的實用性和有效性，軟件操作簡單，功能完善，能夠廣泛地應用于各種機械設(shè)備的振動測試和故障診斷。

[1] Bilski P, Winiecki W. Virtual spectrum analyzer based on data acquisition card [J].IEEE Transactions on Instrumentatiion and Measurement,2002,51(1):70-88.

[2] 吳正毅.測試技術(shù)與測試信號處理[M].北京：清華大學出版社,1995,(4):101-115.

[3] 楊忠仁,饒程,鄒建,等.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].重慶大學學報:自然科學報,2004,27(2):32-35.

[4] 黃永紅,王恒海.基于LabVIEW的溫度監(jiān)控與介電譜系統(tǒng)研制[J].儀器儀表學報，2008,29(7):1544-1547.

[5] 李青霞,任焱,陳俊達.基于LabVIEW的振動自動測試與分析系統(tǒng)[J].振動與沖擊,2003,22(2):17-32.