楊帆 張文娟 孫劍偉 王折

摘要：機(jī)械設(shè)備在工作中容易出現(xiàn)各種問題，需要及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并且解決問題才不會(huì)造成過大的損失，所以需要有一個(gè)機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于提高機(jī)械設(shè)備的工作效率和使用壽命。于是文章將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。首先對(duì)虛擬儀器進(jìn)行介紹，然后再對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，最后通過實(shí)例研究，檢驗(yàn)該系統(tǒng)是否能夠較好的對(duì)機(jī)械設(shè)備故障進(jìn)行監(jiān)測及診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，該系統(tǒng)能夠較好的完成機(jī)械設(shè)備故障的監(jiān)測及診斷，

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù);機(jī)械設(shè)備;檢測及診斷系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH165+.3;TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0133-05

1 虛擬儀器簡介

虛擬儀器的主要核心就是計(jì)算機(jī)，是通過計(jì)算機(jī)的顯示功能對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)或者是自定義，來表達(dá)出所需要檢測的結(jié)果，計(jì)算機(jī)有著非常強(qiáng)大的功能，可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[1]。虛擬儀器之所以具有非常強(qiáng)大的功能就是結(jié)合了多方面的應(yīng)用，即將計(jì)算機(jī)、硬件和軟件三者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。本質(zhì)上講，虛擬儀器就是首先通過硬件系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集，然后將處理好的信號(hào)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后就是將得出的監(jiān)測結(jié)果通過控制面板顯示出來[2]。虛擬儀器的3個(gè)組成部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

虛擬儀器的硬件組成部分的主要作用就是給計(jì)算機(jī)與測試控制系統(tǒng)之間提供1個(gè)接口，一般情況下，接口方式分為總線型和板卡式，這2種接口方式有所曲線，其中板卡式用起來會(huì)非常的方面，直接將卡插到相應(yīng)的槽中，但是其應(yīng)用比較受到局限，而總線型的方式就具有很好的通用性，能夠與很多類型的總線進(jìn)行相連接[3-4]。在實(shí)驗(yàn)室中，最為常用的接口方式就是卡板式，它的組成結(jié)構(gòu)主要包含著傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理設(shè)備，如圖2所示[2]。

2 監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)中主要包含著3個(gè)部分的選型，分別為傳感器、信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡嘲。其中傳感器的選擇是根據(jù)振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行選擇的，選擇了ZA21電渦流位移傳感器和PCB壓電式加速度傳感器[6]。信號(hào)調(diào)理器選擇的是美國生產(chǎn)的PCB型4通道信號(hào)調(diào)理器。數(shù)據(jù)采集卡是根據(jù)采樣率、通道數(shù)和精度對(duì)其進(jìn)行選擇，選擇了PCl1712采集卡[7]。于是可以得到系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

軟件作為系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并且對(duì)其進(jìn)行處理和管理，是系統(tǒng)必不可少的組成部分，所以對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要包含3個(gè)方面的功能，需要對(duì)這3個(gè)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)、信號(hào)處理程序的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理模塊程序的設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)之后，其系統(tǒng)軟件的主要結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖5就是系統(tǒng)軟件的總體程序界面，其中包含著4個(gè)對(duì)話框，分別為數(shù)據(jù)庫設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和退出系統(tǒng)。通過選擇界面上的對(duì)話框，就可以進(jìn)入到不同的界面進(jìn)行問題解決。

3 機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的功能檢測

3.1 齒輪箱的結(jié)構(gòu)介紹

在機(jī)械設(shè)備中，齒輪箱作為其中非常重要組成部分，其主要作用就是連接和傳遞動(dòng)力，尤其在金屬切割機(jī)床、冶金機(jī)械、電力系統(tǒng)、運(yùn)輸機(jī)械等機(jī)械設(shè)備中具有非常廣泛的應(yīng)用[8]。因?yàn)辇X輪箱的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且其工作環(huán)境較為惡劣，當(dāng)然還有其他的一些原因容易導(dǎo)致齒輪箱出現(xiàn)故障，就會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡后果。所以本文將機(jī)械設(shè)備的齒輪作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，用檢測及診斷系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行檢查。

本文選擇圓柱齒輪，其中輸入軸聯(lián)軸器沒有對(duì)中，就會(huì)造成結(jié)果受到影響。圖6就是齒輪箱結(jié)構(gòu)圖。圖中A點(diǎn)代表的是鍵相信號(hào)采集處，B、C和D點(diǎn)表示的是采樣點(diǎn)，需要設(shè)置傳感器。齒輪箱的參數(shù)如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合表1齒輪箱的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)公式可以得到每個(gè)軸的轉(zhuǎn)頻和每個(gè)軸的嚙合頻率，分別如表2和表3所示。該數(shù)據(jù)的計(jì)算有利于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析。

由于本實(shí)驗(yàn)中是模擬齒輪箱的中間軸齒輪存在問題，于是選擇靠近中間軸齒輪的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。得到的結(jié)果如表4和表5所示，表4是不同轉(zhuǎn)速下正常齒輪和異常齒輪的有量綱參數(shù)變化情況，表5是不同轉(zhuǎn)速下正常齒輪和異常齒輪的無量綱參數(shù)變化情況。

從表4和表5中可以看出，當(dāng)齒輪從正常變?yōu)楣收蠒r(shí)，其無量綱和有量綱參數(shù)都變大;當(dāng)轉(zhuǎn)速越來越大時(shí)，其無量綱和有量綱參數(shù)隨之都變大;當(dāng)齒輪的狀態(tài)發(fā)生變化，峭度的變化是非常的明顯，然后裕度值和脈沖值的變化也不小，然而波形指標(biāo)的變化不明顯，固峭度的靈敏度很高，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行早期診斷時(shí)可以將其作為依據(jù)。從上表可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2163r/min時(shí)發(fā)生故障比較明顯，所以需要對(duì)其進(jìn)一步分析。

齒輪發(fā)生問題時(shí)其信號(hào)是比較復(fù)雜的，通過自相關(guān)函數(shù)可以識(shí)別其信號(hào)的周期成分，所以對(duì)其進(jìn)行自相關(guān)處理的結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，存在有規(guī)律性的振動(dòng)，其中幅值較大的沖擊周期時(shí)間為0.027s，其較小的周期時(shí)間為0.068s。幅值較大的對(duì)應(yīng)的是輸入軸，較小的對(duì)應(yīng)中間軸。

由于信號(hào)的幅值比較小，不容易觀察其效果，通過自功率譜可以將信號(hào)幅值擴(kuò)大為其平方，就可以更加明顯的觀察到效果。圖8就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行自功率譜分析的結(jié)果圖，從圖中可以非常明顯的看出三階段嚙合頻率諧波，由于其中無法明顯的看到頻帶結(jié)構(gòu)，于是對(duì)其進(jìn)行細(xì)化處理，處理結(jié)構(gòu)如圖9所示。

從圖9中可以看出，當(dāng)嚙合頻率達(dá)到937.465Hz時(shí)，其左右存在不對(duì)稱的變頻帶，輸入軸存在較大的幅值，中間軸的幅值較小，可以看出輸入軸齒輪嚙合也有問題。

經(jīng)過上述的功率譜分析之后，還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行倒頻譜分析，因?yàn)榈诡l譜分析其傳遞路徑對(duì)結(jié)果的影響比較小，所以可以高質(zhì)量的完成功率譜上的周期成分。倒頻譜分析的結(jié)果如圖10所示。從圖中可以明顯的看出當(dāng)周期成分為0.027s時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸入軸轉(zhuǎn)頻為37Hz，其中中間軸的周期成分還看出來。

對(duì)機(jī)械設(shè)備故障進(jìn)行檢測時(shí)，需要采用合適的方式對(duì)故障特征進(jìn)行提取，本文所采用的方式就是Hilbert-小波包絡(luò)解調(diào)法。將尺度設(shè)定在1-10之間，所以所得到的小波變化結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出，出現(xiàn)了0.027s的沖擊振動(dòng)，改時(shí)間正好與輸入軸的周轉(zhuǎn)時(shí)間一樣，可以推出輸入軸的嚙合是存在問題有故障的。中間軸是否存在問題還不明顯。圖12為譜熵的變化趨勢，譜熵是根據(jù)不同的尺度下的包絡(luò)譜進(jìn)行計(jì)算得來的。讓尺度為4時(shí)，將其作為一個(gè)監(jiān)測尺度，然后將該尺度下的故障特征的頻率變化情況作為依據(jù)，對(duì)齒輪是否發(fā)生故障進(jìn)行監(jiān)測，并且監(jiān)測齒輪故障的變化情況。

當(dāng)尺度為4時(shí)，其中對(duì)應(yīng)的小波包絡(luò)譜如圖13所示，從圖中可以明顯的看出出現(xiàn)了調(diào)制頻率14Hz、37Hz和倍頻，從中可以證明中間軸64齒的齒輪存在故障。所以通過對(duì)對(duì)齒輪的故障檢測和診斷，可以發(fā)現(xiàn)與齒輪出現(xiàn)問題的地方相互吻合，所以可以得到出結(jié)論中間軸64齒的齒輪有著局部的故障。

4 結(jié)語

綜上所述，通過虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備故障的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)具有非常中要的作用，該系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程中能夠具有較好的監(jiān)測和診斷效果。隨著其應(yīng)用時(shí)間的不斷加長，該系統(tǒng)可能會(huì)存在一定的問題，當(dāng)不斷的發(fā)現(xiàn)問題，并且解決問題時(shí)，該系統(tǒng)將會(huì)變得更加成熟，應(yīng)用與機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測中將會(huì)具有更好的效果，更有助于機(jī)械設(shè)備的效率。

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作者簡介：楊帆（1990-），男，陜西武功人，碩士研究生，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)輔助分析。E-mail： 263324242@qq.com

基金項(xiàng)目：海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目（ No.61429010102）