■房 菁

（合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230031）

飼料原料的粉碎是飼料加工中非常重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)粉碎工藝可增大原料顆粒的表面積，提高動(dòng)物的消化率。同時(shí)，粉碎原料粒度對(duì)后續(xù)工序和制品質(zhì)量都有著非常重要的影響，而且粉碎粒度的大小直接影響生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)粉狀配合飼料時(shí)，粉碎工序的能耗約為總能耗的50%～70%。我國(guó)每年粉碎加工的飼料總量達(dá)2億噸。飼料粉碎機(jī)作為飼料廠的主要裝備，對(duì)飼料質(zhì)量和加工成本具有重要影響。

飼料粉碎機(jī)是回轉(zhuǎn)設(shè)備，只要轉(zhuǎn)子一開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),就不可避免地要產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)后,會(huì)產(chǎn)生噪音，并造成一定的危害，使設(shè)備工作性能降低或無(wú)法正常工作。機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)還會(huì)使某些零部件因受附加載荷而加速磨損、疲勞、破裂等而影響壽命或造成設(shè)備事故。當(dāng)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)不正常的振動(dòng)或振動(dòng)量過(guò)大時(shí),必須采取措施予以排除,以保證機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行。因此,機(jī)械的振動(dòng)測(cè)試和信號(hào)處理分析顯得尤為重要，并且信號(hào)降噪是信號(hào)測(cè)試的重要內(nèi)容。在飼料粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)行過(guò)程中，反映其運(yùn)行狀態(tài)的各種信號(hào)是隨機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)而周期性重復(fù)的，其頻率是機(jī)器回轉(zhuǎn)頻率的整倍數(shù)。但現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)往往被各種噪聲污染,在某些情況下噪聲干擾甚至大于實(shí)際的真實(shí)信號(hào),在噪聲較強(qiáng)時(shí)，信號(hào)的時(shí)間歷程顯示不出規(guī)律性。

時(shí)域同步平均可以消除與給定頻率(如回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)頻率)無(wú)關(guān)的信號(hào)分量，包括噪聲和無(wú)關(guān)的周期信號(hào)，提取與給定頻率有關(guān)的周期信號(hào)，因此能在噪聲環(huán)境下工作，提高信噪比。LabVIEW是由NI公司推出的一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理功能。但是，LabVIEW在數(shù)學(xué)計(jì)算方面的功能卻十分有限，往往使所開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的一些功能受到限制。MATLAB是MathWorks公司開(kāi)發(fā)的“演算紙”式的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算功能。但MATLAB也有不足之處，例如，界面開(kāi)發(fā)能力較差，并且數(shù)據(jù)輸入、網(wǎng)絡(luò)通信、硬件控制等方面都比較繁瑣。因此，本文將LabVIEW與MATLAB有機(jī)結(jié)合起來(lái)，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，在LabVIEW環(huán)境下利用采集卡采集粉碎機(jī)振動(dòng)信號(hào)，將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。利用這種快速高效的振動(dòng)信號(hào)采集與分析手段，可有效改善飼料粉碎機(jī)工作過(guò)程中的振動(dòng)，提高飼料粉碎機(jī)的工作效率。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

飼料粉碎機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由以下部分組成：飼料粉碎機(jī)(某型號(hào)粉碎機(jī))；加速度傳感器(量程±10 g)；LabVIEW虛擬儀器(信號(hào)采集卡NI-SCXI-1531)；軟件(NI-DAQ8.5，LabVIEW8.2，MATLAB7.1)。粉碎機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。測(cè)試過(guò)程中，粉碎機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為50 Hz，電機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率同為50 Hz。

圖1 粉碎機(jī)振動(dòng)測(cè)試

1.2 時(shí)域同步平均法

時(shí)域同步平均分析是從混有白噪聲干擾的振動(dòng)信號(hào)中提取周期信號(hào)的有效方法，也稱相干檢波法。對(duì)時(shí)域信號(hào)，以一個(gè)周期為間隔截取信號(hào)，對(duì)于飼料粉碎機(jī)，截取的周期應(yīng)和機(jī)器運(yùn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)周期同步起來(lái)，然后將得到的每段信號(hào)疊加平均，就能將該周期信號(hào)從隨機(jī)信號(hào)、非周期信號(hào)以及與指定周期不一致的其它周期信號(hào)中分離出來(lái)，而保留指定的周期分量及其高頻諧波分量。當(dāng)設(shè)備在噪聲環(huán)境下工作時(shí)，采用該方法能夠提高信噪比。此外，時(shí)域同步平均也可以作為一種重要的信號(hào)預(yù)處理手段，其平均結(jié)果可再進(jìn)行頻譜分析或作其他處理，如時(shí)序分析和小波分析等。

設(shè)信號(hào)x(t)由周期信號(hào) f(t)和白噪聲n(t)組成：

以x(t)的周期T去截取信號(hào)x(t)，共截得N段，然后將各段對(duì)應(yīng)點(diǎn)相加，由于白噪聲的不相關(guān)性，可以得到：

對(duì)x(ti)求平均，得到輸出信號(hào)y(ti)：

2 測(cè)試結(jié)果與分析

采集到的原始信號(hào)如圖2，其幅值譜如圖3。從圖2和圖3可以看出，采集到的振動(dòng)信號(hào)沒(méi)有明顯規(guī)律，呈現(xiàn)較大隨機(jī)性，從中很難得到想要的信息。而其幅值譜中，雖然也存在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率50 Hz，但夾雜了很多低頻和高頻信號(hào)，信噪比很低。用同步平均法，以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)周期來(lái)截取振動(dòng)信號(hào)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中編程處理，得到轉(zhuǎn)子在一個(gè)周期內(nèi)的平均信號(hào)如圖4，其雷達(dá)如圖5。

圖2 原信號(hào)的時(shí)間幅值

從圖4看出，轉(zhuǎn)子在一個(gè)周期內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)為一個(gè)正弦波。而圖5顯示了轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)一周內(nèi)，振動(dòng)幅值的變化情況。再以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)周期的5倍時(shí)間來(lái)截取振動(dòng)信號(hào)，得到信號(hào)如圖6，其幅值譜如圖7?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)5周，對(duì)應(yīng)正弦波的5個(gè)周期，而其幅值譜中，轉(zhuǎn)子頻率50 Hz占主要成分，說(shuō)明處理后提取的振動(dòng)信號(hào)信噪比很高。而從得到的信號(hào)中，我們可以分析出：

圖3 原信號(hào)的頻率-幅值

圖4 一個(gè)周期信號(hào)的時(shí)間幅值

圖5 一個(gè)周期信號(hào)的雷達(dá)

圖6 五個(gè)周期信號(hào)的時(shí)間幅值

圖7 五個(gè)周期信號(hào)的頻率幅值

①原始信號(hào)中，夾雜著很多低頻和高頻振動(dòng)，幾乎將轉(zhuǎn)子振動(dòng)的信號(hào)掩蓋。這跟軸承的支承剛度低有關(guān)，該粉碎機(jī)的右端軸承支座平臺(tái)僅靠?jī)蓧K加強(qiáng)板支撐，工作時(shí)振動(dòng)明顯比左端軸承劇烈，應(yīng)該對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)剛度。

②處理后的振動(dòng)信號(hào)為周期信號(hào)，而周期正是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，說(shuō)明轉(zhuǎn)子是很強(qiáng)的振動(dòng)源。而雷達(dá)圖中，轉(zhuǎn)子振動(dòng)一周振動(dòng)幅值的變化情況，說(shuō)明轉(zhuǎn)子存在著不平衡，錘片的排列不對(duì)稱。應(yīng)該通過(guò)校驗(yàn)轉(zhuǎn)子組部件的動(dòng)、靜平衡，如對(duì)錘片進(jìn)行裝配調(diào)整，減少質(zhì)量偏心的誤差累積和擾動(dòng)力及擾動(dòng)力矩來(lái)降低振動(dòng)。

3 討論

根據(jù)前文分析得出的結(jié)論，我們對(duì)飼料粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)制造和裝配過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，試驗(yàn)證明減振降噪效果明顯。由此我們可以得到在飼料粉碎機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采取以下措施降低振動(dòng)，具體包括：規(guī)范制造與裝配工藝，提高制造與安裝精度；提高錘片的制造精度，減小動(dòng)不平衡量；提高底座與軸承座的支撐剛度，使系統(tǒng)頻率遠(yuǎn)離激振頻率，減小振動(dòng)和噪音；適當(dāng)增大軸承座與機(jī)座、機(jī)座與安裝基礎(chǔ)之間聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力，以防止因連接剛度不足誘發(fā)的振動(dòng)；進(jìn)行減振設(shè)計(jì)，在軸承座、機(jī)座下添加隔振器，增大系統(tǒng)阻尼以減小振動(dòng)；進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，盡可能使電機(jī)的振動(dòng)不傳遞給機(jī)座。

4 結(jié)論

①本測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器，NI公司的信號(hào)采集卡，LabVIEW軟件平臺(tái)及MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。系統(tǒng)綜合了它們的優(yōu)點(diǎn)，有著很好的測(cè)量精度及數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的搭建快速方便，能夠?qū)崟r(shí)處理得出可靠的信號(hào)。

②對(duì)振動(dòng)信號(hào)采用的時(shí)域同步平均法，能夠有效提高信噪比，從而提取出有用信息。

③通過(guò)振動(dòng)測(cè)試和信號(hào)處理，分析出了粉碎機(jī)振動(dòng)原因及存在問(wèn)題，對(duì)改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能有著重要意義。

（參考文獻(xiàn)15篇，刊略，需者可函索）