顏丙生， 聶士杰， 朱紅瑜， 湯寶平, 馬曉錄

(河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 鄭州 450001 )

0 引 言

《機(jī)械工程測試技術(shù)》是機(jī)械制造及其自動化、車輛工程、過程裝備與控制工程等專業(yè)的骨干課程，特點(diǎn)是工程應(yīng)用背景較強(qiáng)[1]?；诖颂攸c(diǎn)，各高校一般會開設(shè)6～10學(xué)時(shí)的測試實(shí)驗(yàn)課程，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性且測試內(nèi)容單一，無法將信號采集、頻譜分析和故障診斷等內(nèi)容綜合起來。為了教學(xué)方便，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)較為簡單，與實(shí)際工程應(yīng)用相去甚遠(yuǎn)。當(dāng)前所使用的測試設(shè)備一般會固定安裝、不便攜，無法攜帶到機(jī)械廠或?qū)嵱?xùn)中心對機(jī)床等實(shí)際設(shè)備進(jìn)行振動測試。此外，現(xiàn)有測試系統(tǒng)功能固化，學(xué)生無法根據(jù)實(shí)際測試情況進(jìn)行改變，限制了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力[2-4]。

虛擬儀器技術(shù)在當(dāng)前計(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，通過將靈活可操控的軟件和相關(guān)硬件結(jié)合進(jìn)而建立綜合、靈活的測控系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器[5-8]。

針對上述問題，本文利用虛擬儀器平臺，采用實(shí)際工程硬件，開發(fā)了一套基于虛擬儀器的開放、綜合且具備工程應(yīng)用能力的便攜式振動測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)開發(fā)

圖1為所開發(fā)的便攜式振動測試綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由信號采集相關(guān)硬件及開發(fā)的軟件系統(tǒng)兩部分組成。首先根據(jù)不同測試環(huán)境利用所使用的加速度傳感器、采集卡、機(jī)箱等硬件搭建振動測試平臺，利用該平臺采集被測振動源的振動信號并將其輸入至PC端，最后利用PC機(jī)中的軟件系統(tǒng)進(jìn)行信號的分析處理及存儲。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所開發(fā)系統(tǒng)的硬件部分主要包括加速度傳感器、磁吸、NI-9171機(jī)箱、NI-9230采集卡、USB數(shù)據(jù)傳輸線及PC機(jī)。圖2所示為所搭建的系統(tǒng)硬件平臺。

圖2 系統(tǒng)硬件平臺

按圖2搭建系統(tǒng)硬件平臺，將加速度傳感器安裝在被測振動源合適位置處，開啟PC機(jī)打開軟件系統(tǒng)即可進(jìn)行振動信號的采集。

在加速度傳感器上安裝具有較高磁性的磁吸以保證傳感器完全固定在被測振動源上；選用NI-9171機(jī)箱與NI-9230采集卡，兩者尺寸較小，便于組裝和拆卸，是目前實(shí)際工程測試中常用的采集硬件。NI-9230采集卡具有較高的靈敏度且自身帶有濾波、降噪及A/D轉(zhuǎn)換等功能，能夠得到較穩(wěn)定的振動信號；同時(shí)具有3個采集通道，可實(shí)現(xiàn)被測振動源不同位置振動信號的同步采集[9-12]。PC機(jī)選用體積較小但處理器強(qiáng)大的筆記本電腦，可快速準(zhǔn)確的進(jìn)行信號的分析處理及存儲。

利用所搭建的系統(tǒng)硬件平臺可快速準(zhǔn)確的完成振動測試實(shí)驗(yàn)中的信號采集，同時(shí)由于選取的硬件均符合實(shí)際工程要求且尺寸較小、便攜，可攜帶到機(jī)械廠或?qū)嵱?xùn)中心進(jìn)行機(jī)床等設(shè)備的振動測試。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

振動測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在LabVIEW平臺中進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)。包括信號采集模塊、信號分析與處理模塊及信號存儲模塊，主要實(shí)現(xiàn)的功能為時(shí)域振動信號的獲取、頻譜分析及各項(xiàng)數(shù)據(jù)的存儲[13-14]。

為讓學(xué)生方便快捷的操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面[15]。圖3所示為系統(tǒng)的人機(jī)交互主界面，最上端為系統(tǒng)的控制區(qū)域，幾個布爾控件分別用來控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如“數(shù)據(jù)采集”-開始采集信號；“循環(huán)終止”-停止采集信號；“退出系統(tǒng)”-關(guān)閉主界面，退出系統(tǒng)等功能。

圖3 系統(tǒng)人機(jī)交互主界面

控制區(qū)域下面是系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域，用一個“選項(xiàng)卡”控件控制各項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)，如“整體監(jiān)測”選項(xiàng)中左側(cè)為各通道的時(shí)域波形及其頻譜，學(xué)生根據(jù)所學(xué)振動信號與頻譜分析知識可直觀觀察出二者間的區(qū)別及聯(lián)系；右側(cè)是參數(shù)顯示區(qū)域，基本涵蓋了目前學(xué)生需掌握的與信號相關(guān)的知識，包括采樣率、采樣時(shí)間、采樣點(diǎn)數(shù)、峰峰值、均方根值、靈敏度、振動烈度報(bào)警等。

此外，學(xué)生可通過自主二次開發(fā)進(jìn)而豐富系統(tǒng)功能。首先在如圖4所示的程序框圖中根據(jù)所增加的功能修改程序，然后在前面板上合理的放置所添加的顯示控件并定義其所代表功能，最后進(jìn)行下一步的信號分析與處理。即能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主的二次開發(fā)。

圖4 部分系統(tǒng)程序框圖

2 實(shí)驗(yàn)測試

利用所開發(fā)系統(tǒng)可對學(xué)生進(jìn)行測試系統(tǒng)的標(biāo)定、傳感器的安裝、信號的采集與分析及簡單的故障診斷等方面的綜合訓(xùn)練。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)信號測試實(shí)驗(yàn)

所開發(fā)系統(tǒng)在投入使用前必須要通過標(biāo)準(zhǔn)信號測試標(biāo)定來驗(yàn)證系統(tǒng)每個通道是否正確，故利用該系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)信號測試實(shí)驗(yàn)。圖5所示為標(biāo)準(zhǔn)信號測量與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖，以通道0標(biāo)定為例，首先按圖5安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，再使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，頻率為35 Hz，通過雙BNC連接線傳輸信號至系統(tǒng)。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)信號測量與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖6為該系統(tǒng)測試的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號時(shí)域波形與幅值譜圖，由圖可知：信號的頻率為34.816 Hz、峰值為1.044 V，與函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的各項(xiàng)參數(shù)基本一致，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

2.2 偏心電動機(jī)振動測試實(shí)驗(yàn)

使用所開發(fā)測試系統(tǒng)進(jìn)行偏心電動機(jī)振動測試實(shí)

圖6 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號時(shí)域波形與幅值譜圖

驗(yàn)，并用“頻譜法”測電動機(jī)轉(zhuǎn)頻。首先按照圖7搭建實(shí)驗(yàn)平臺，利用調(diào)壓器調(diào)節(jié)偏心電動機(jī)至某一恒定轉(zhuǎn)速，此時(shí)簡支梁上會產(chǎn)生來自電動機(jī)的簡諧振動，將3個加速度傳感器分別置于簡支梁不同位置處進(jìn)行振動信號的同步采集，觀察系統(tǒng)主界面中3個通道的時(shí)域波形，選取幅值最大的振動信號進(jìn)行頻譜分析。

圖7 偏心電動機(jī)振動測試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖8所示為幅值最大的偏心電動機(jī)振動信號時(shí)域波形與幅值譜圖，可知：測得的振動頻率約為26.624 Hz即為電動機(jī)實(shí)際振動頻率f。電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動頻率為

n=60f

(1)

由式(1)，求得電動機(jī)轉(zhuǎn)速

n=1 597.44 r/min

此外，學(xué)生若想觀察幅值譜與功率譜的區(qū)別，可通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，首先在程序框圖中修改程序，然后在前面板上添加功率譜，正確連接后運(yùn)行系統(tǒng)，即可觀察得到：功率譜頻率結(jié)構(gòu)較幅值譜頻率結(jié)構(gòu)要好。

圖8 幅值最大的偏心電動機(jī)振動信號時(shí)域波形與幅值譜圖

2.3 轉(zhuǎn)子偏心故障診斷實(shí)驗(yàn)

采用該系統(tǒng)在故障診斷實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行轉(zhuǎn)子偏心故障診斷實(shí)驗(yàn)。

圖9所示為轉(zhuǎn)子偏心故障診斷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖，將3個加速度傳感器分別安裝在軸承的不同位置(x，y，z方向)進(jìn)行振動信號的同步采集，電機(jī)轉(zhuǎn)頻、采樣頻率及采樣時(shí)長等參數(shù)學(xué)生可自主設(shè)置，電動機(jī)轉(zhuǎn)頻為20 Hz，采樣率為1 kHz/s，采樣時(shí)長為10 s，轉(zhuǎn)子上安裝螺釘使其產(chǎn)生偏心故障。

圖9 轉(zhuǎn)子偏心故障診斷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖10為采集到的3個通道的時(shí)域波形與幅值譜圖，對比3個通道的時(shí)域波形可知：通道0與通道1所采集的轉(zhuǎn)子軸向振動信號極為微弱，振動不明顯。通道2采集到的轉(zhuǎn)子徑向振動信號最強(qiáng)，波形為正弦波形，頻率為19.456 Hz與電機(jī)轉(zhuǎn)頻基本一致，說明轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心故障。證明該系統(tǒng)可有效應(yīng)用于轉(zhuǎn)子偏心等故障診斷領(lǐng)域中。

3 結(jié) 語

將虛擬儀器與實(shí)際振動測試實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，開發(fā)了一套基于LabVIEW平臺的振動測試系統(tǒng)，配備實(shí)際工程所用硬件搭建了綜合、靈活、便攜的振動測試設(shè)備。

圖10 轉(zhuǎn)子偏心故障時(shí)域波形與幅值譜圖

可以開展標(biāo)準(zhǔn)信號的測量與分析實(shí)驗(yàn)、實(shí)際振動信號測量實(shí)驗(yàn)及簡單的故障診斷實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生的實(shí)際動手能力及自主創(chuàng)新意識有顯著提高，學(xué)生在掌握所需測試知識的同時(shí)，新穎的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭布ぐl(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。其中，14、15級的學(xué)生已經(jīng)攜帶此便攜式振動測試系統(tǒng)到機(jī)械廠對機(jī)床等設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際振動信號的測試并取得了較好的教學(xué)效果。