黃丙南 侯一民

（1．中核檢修有限公司，上海 201103；2．東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引言

機械振動是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的現(xiàn)象，強烈地振動將對設(shè)備正常運行造成不利影響，導(dǎo)致構(gòu)件損耗，大大縮短了機械設(shè)備的使用壽命，并且可能會出現(xiàn)更嚴重的事故，甚至危及工作人員的生命安全[1]。對機械振動情況的準確監(jiān)測是保障機械穩(wěn)定運行的關(guān)鍵手段之一，眾多學(xué)者針對該領(lǐng)域進行了研究，例如劉會杰等人[2]在該文中設(shè)計了用于采集機械運行過程中振動信號的光纖監(jiān)測系統(tǒng)，對機械運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。陳含蓓等人[3]在文獻中闡述了利用服務(wù)器、節(jié)點以及傳感器構(gòu)建的醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品振動信號監(jiān)測系統(tǒng)。葛學(xué)柳等人[4]等設(shè)計了基于無線通信的振動篩工況監(jiān)測系統(tǒng)，采用振動信號分析的方法判斷機械工作的狀態(tài)。

但是目前領(lǐng)域內(nèi)的研究成果仍然存在很多需要解決的問題，主要包括監(jiān)測系統(tǒng)提取并分析的振動信號特征較為單一，僅僅包括時域特征或簡單的頻域特征，無法滿足監(jiān)測的目的；信號分析模塊往往對硬件要求高，其成本難以降低。

為了解決上述問題，該文設(shè)計開發(fā)了1種基于LabVIEW的振動信號分析與監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進行多種振動信號的分析計算且硬件成本較低。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集、時域分析、頻域分析和聯(lián)合時頻分析等4個模塊。時域分析模塊可以完成振動信號的自相關(guān)及互相關(guān)計算；頻域分析模塊具備倒譜分析、功率譜與傅里葉變換、功率譜密度計算、頻譜細化以及希爾伯特變換等功能；聯(lián)合時頻分析模塊具備格伯（Gabor）變換特征提取和希爾伯特-黃變換（HHT）等功能。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

該文采用了NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PXI6251進行數(shù)據(jù)采集，該板卡具備調(diào)理信號和采集數(shù)據(jù)的功能，選擇DWQZ-8108型號電渦流式振動傳感器作為傳感設(shè)備，運用LabVIEW中的DAQ模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取及存儲等功能。

2 振動信號處理與分析

振動信號是機械狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷預(yù)測等方面的重要依據(jù)。該文對關(guān)鍵振動特征進行提取，其中時域分析中的自相關(guān)和互相關(guān)計算較為簡單，主要闡述了頻域分析和時頻分析過程。

2.1 頻域分析

2.1.1 頻譜細化分析

頻譜是信號頻域中的重要特征，它可以顯示出信號頻率的成分和分布情況，其理論基礎(chǔ)是傅立葉變換，表達式如公式（1）和公式（2）所示。

式中：ω為角頻率；f（t）為時域信號；t為時間，j為虛數(shù)單位。

細化譜分析能夠在頻譜分析過程中有效地提高所關(guān)心部分頻率的分辨率，例如將頻譜分辨率增大K倍，只需要將信號采樣點數(shù)N增到KN，使頻譜范圍內(nèi)所有的頻率分辨率都增加了K倍，其代價是會增加運算的次數(shù)。

2.1.2 倒譜分析

倒譜分析通常用于復(fù)雜譜圖中檢測周期分量。該方法在基于機械振動的故障監(jiān)測與診斷以及排除回波等方面應(yīng)用廣泛[5]。設(shè)時域信號為x（t），記X（f）為其傅立葉變換，Sx（f）為其功率譜密度函數(shù)。函數(shù)Cp（q）的數(shù)學(xué)表達式如公式（3）所示。

式中：Cp為倒譜函數(shù)表達式；F-1為傅立葉逆變換q為倒頻譜中的倒頻率。

高倒頻率是指在q值較大的情況下，可以用快速波動在譜圖上進行表示；低倒頻率是指在q值較小的情況下，可以用緩慢波動在譜圖上進行表示，從而使變換后的信號能量集中。

2.2 聯(lián)合時頻分析

2.2.1 Gabor變換特征提取

Gabor變換也可以稱為加窗傅立葉變換，它可以在二維空間展示與時間和頻率分量相關(guān)的信號強度?？臻g中某點值為信號中在某時間、某頻率下信號分量的強度。其計算方式是在時間域內(nèi)選取合理的時間窗長度，進行快速傅立葉變換，不斷移動窗口，最終得到二維數(shù)據(jù)的結(jié)果。

2.2.2 HHT分析

該文對信號的基本模態(tài)分量組采取Hilbert變換，然后算出其瞬時頻率，表達式如公式（4）所示。

式中：x（t）為時間t維度上的信號；ai（t）為第i個本征模態(tài)函數(shù)分量；n為本征模態(tài)函數(shù)分量總數(shù)；j為變換中的時間窗序號；ω為瞬時頻率。

基于公式（4），用時間與瞬時頻率函數(shù)來表達信號幅度，即取信號實部（Re代表取實部函數(shù)）。經(jīng)過處理后可以獲得Hilbert時頻譜，它是分布在時間頻率平面上的強度函數(shù)，如公式（5）所示。

式中：H（ω，t）為時頻譜表達式；t為時間；ω為角頻率。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與實驗

3.1 信號獲取與讀寫模塊

系統(tǒng)先完成對數(shù)據(jù)的讀取和存儲，采用LabVIEW中子VI進行單獨編寫以供調(diào)用。振動信號的預(yù)處理過程有2種：1） 直接對所采集的信號進行濾波、加窗和提取。2） 依靠相關(guān)函數(shù)理論，對采集到的信號進行相關(guān)函數(shù)分析，得到需要的信號數(shù)據(jù)。

3.2 頻域分析模塊

該模塊主要通過倒頻譜分析、Hilbert解調(diào)、FFT 變換、功率譜分析和功率譜密度等實現(xiàn)對振動信號頻域特征的提取。采集的信號經(jīng)過濾波后作Hilbert變換，然后采用“Power”模塊求出包絡(luò)波形。

圖2 實驗臺水平方向轉(zhuǎn)子振動的相位信號分析

3.3 系統(tǒng)實驗

該文實驗裝置是Bently的模擬轉(zhuǎn)子試驗臺，可以模擬旋轉(zhuǎn)機械故障，且自身帶有信號的前置適配器和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的裝置，能夠?qū)τ湍u動的故障信號進行仿真。油膜渦動是旋轉(zhuǎn)機械運轉(zhuǎn)時最早出現(xiàn)的1個故障狀態(tài)，如果轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，就會進入油膜振蕩故障的狀態(tài)。

油膜渦動和振蕩故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)相位計算結(jié)果如圖2所示。軸運行是穩(wěn)定情況下，相位相對變化比較平穩(wěn)；隨著轉(zhuǎn)速的提高，相位變化也會提高，在相位的幅值在-50 °～±25 °附近變化時，轉(zhuǎn)速為3000 r/min；最終把轉(zhuǎn)速提升至 6500 r/min后，相位在所有區(qū)域的變化都很強烈。

基于實驗臺采用系統(tǒng)的HHT模塊計算分析了在機械正常、油膜渦動以及振蕩這3種情況下的振動信號特征。在2000 r/min的工況下，轉(zhuǎn)子時的頻譜圖如圖3（a）所示，從結(jié)果中可以看出，此時轉(zhuǎn)子半頻為16.66 Hz，而工頻為33.34 Hz；同時，工頻振幅明顯高于半頻的振幅，因此圖中很難明顯地看出信號半頻成分，這樣可能導(dǎo)致對工作狀態(tài)的錯誤判斷。如果采用基于EMD的HHT分析，可以得到明顯的半頻成分，如圖3（b）所示。

圖3 轉(zhuǎn)子油側(cè)垂直HHT分析圖（2000 r/min）

4 結(jié)論

該文旨在開發(fā)1款成本低且可以實現(xiàn)振動信號采集與計算的虛擬儀器。首先，設(shè)計了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用中的振動監(jiān)測分析需求確定了系統(tǒng)模塊的構(gòu)成。然后，分別論述了采用LabVIEW開發(fā)平臺完成的振動狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)軟件各個模塊具體設(shè)計與實現(xiàn)的過程。最后，完成了振動狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)開發(fā)與實驗的工作，實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性。