基于LabVIEW的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)的開發(fā)

蘇曉燕 鄧 勇 羅 蓉

摘要：結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的典型故障特征，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)基于LabVIEW的信號(hào)分析處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)常用的信號(hào)分析處理方法。該系統(tǒng)可讀取、存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)格式，對(duì)采集的信號(hào)從幅域、時(shí)域、頻域三個(gè)不同角度進(jìn)行分析處理，提取信號(hào)的特征信息，用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的初步診斷。通過對(duì)轉(zhuǎn)子、軸承、齒輪的實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性與可行性。

關(guān)鍵詞：故障診斷；振動(dòng)信號(hào)分析處理；虛擬儀器；LabVIEW

隨著現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，并且經(jīng)常運(yùn)行于高速、重載以及惡劣環(huán)境等條件下。由于各種因素的干擾和影響，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障、輕則降低生產(chǎn)質(zhì)量或?qū)е峦．a(chǎn)，重則會(huì)造成嚴(yán)重的甚至是災(zāi)難性的事故。為此，為盡最大可能地避免事故的發(fā)生，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)近年來得到了極為廣泛的重視，其應(yīng)用所達(dá)到的深入程度十分令人鼓舞。目前，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷已經(jīng)基本上形成了一門既有理論基礎(chǔ)、又有實(shí)際應(yīng)用背景的交叉性學(xué)科。

在實(shí)際應(yīng)用中，故障與征兆之間往往并不存在簡單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，一種故障可能對(duì)應(yīng)著多種征兆，反之一種征兆也可能是由于多種故障所致。因此，通常必須要借助信號(hào)處理等手段從采集的原始數(shù)據(jù)中加工出特征信息，提取特征量，從而保證有效、準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷、也就是說，信號(hào)處理與故障診斷有著極為密切的聯(lián)系，信號(hào)特征提取是故障診斷中必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

故障診斷技術(shù)的各種理論研究和方法探討最終都必須落實(shí)到具體診斷裝置的研制上。而傳統(tǒng)的測控儀器以硬件為關(guān)鍵，其開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用高、技術(shù)更新周期長、價(jià)格高、儀器功能柔性差、不易與其他設(shè)備連接等特點(diǎn)，越來越不能滿足科技進(jìn)步的要求。虛擬儀器的出現(xiàn)改變了這樣的局面，它充分利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能。

NI公司的圖形化編程語言LabVIEW成為當(dāng)今虛擬儀器開發(fā)最流行的一種語言。LabVIEW的最大特點(diǎn)是用圖標(biāo)代碼來代替編程語言創(chuàng)建應(yīng)用程序。LabVIEW有豐富的函數(shù)、工具包、軟件包、數(shù)值分析、信號(hào)處理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能，還有應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)模塊，解決了傳統(tǒng)的虛擬儀器系統(tǒng)采用c、c++、匯編等語言存在的編程、調(diào)試過程繁瑣、開發(fā)周期長、對(duì)編程人員要求高等問題、廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、機(jī)械等眾多領(lǐng)域。

本文基于LabVIEW開發(fā)一個(gè)針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)，并在成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所某航空設(shè)備監(jiān)控上獲得了應(yīng)用。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，又考慮到LabVIEwZ有圖形化編程特點(diǎn)以及豐富的工具箱。因此，筆者選用NI公司的Lab VIEW 7.1作為信號(hào)分析系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。

筆者開發(fā)的信號(hào)分析系統(tǒng)主要分為三大模塊，即文件管理模塊(文件的讀取及存儲(chǔ))、信號(hào)分析模塊、顯示模塊。按照?qǐng)D1所示的使用流程對(duì)這三個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于讀取數(shù)據(jù)以及后面的數(shù)據(jù)分析存在明顯的先后順序，因此采用順序結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)讀取模塊、信號(hào)分析模塊結(jié)合起來，構(gòu)成統(tǒng)一的總程序。圖2示出總程序。左側(cè)框圖內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的讀取與存儲(chǔ)的程序。由于讀取的數(shù)據(jù)類型不同，因此采用選擇結(jié)構(gòu)。右側(cè)是程序主體部分，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析及處理，包括幅域分析、時(shí)域分析、頻域分析。由于信號(hào)分析方法的多樣性，信號(hào)分析模塊采用事件結(jié)構(gòu)，通過調(diào)用子程序的辦法來實(shí)現(xiàn)。信號(hào)分析系統(tǒng)總界面見圖3。

文件管理模塊

數(shù)據(jù)格式的類型多種多樣，主要有文本文件格式(.txt)、二進(jìn)制格式(.dat)、MATLAB數(shù)據(jù)格式(.mat)等。因此，針對(duì)不同格式的數(shù)據(jù)，LabVIEW需要采用不同的程序進(jìn)行讀取。

文件的讀取模塊主體采用了選擇結(jié)構(gòu)。讀取MATLABNLabVIEW中的MATLAB Script來實(shí)現(xiàn)：讀取文本文件(.txt)和二進(jìn)制文件(.dat)用LabVIEW的Read Lvm節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。

存儲(chǔ)分析所得數(shù)據(jù)可以利用LabviEW的WriteLvm節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)分析模塊

信號(hào)的分析處理主要分成三各部分：幅域分析、時(shí)域分析以及頻域分析。采用模塊化程序進(jìn)行編程。分別將幅域分析、時(shí)域分析以及頻域分析三部分做成子程序，采用主程序調(diào)用子程序的辦法實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析模塊的開發(fā)。

幅域主要包括峰峰值、均方根值、直流量、峭度、斜度以及波形最大值、最小值的分析：時(shí)域分析是按照信號(hào)的時(shí)間順序，即數(shù)據(jù)產(chǎn)生的先后順序進(jìn)行計(jì)量分析。頻域分析是將時(shí)域信號(hào)變換至頻域加以分析的方法。針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，主要包括幅值譜、相位譜、功率譜、倒譜、Hilbert變換。

顯示模塊及裝飾

為了確保系統(tǒng)具有友好的使用界面，方便使用者操作，本系統(tǒng)加入了一些顯示程序，包括指示燈、文件存儲(chǔ)路徑顯示、面板人性化設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的三個(gè)主要部件轉(zhuǎn)軸、齒輪、軸承所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了所開發(fā)的基于LabVIEW的信號(hào)分析系統(tǒng)的正確性與可行性，主要包括：

(1)利用分析轉(zhuǎn)軸數(shù)據(jù)的幅值譜，得出的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速相近：

(2)利用轉(zhuǎn)軸時(shí)域分析的自相關(guān)功能，能夠準(zhǔn)確識(shí)別信號(hào)的周期：

(3)利用幅域分析以及頻域中的幅值譜、功率譜對(duì)齒輪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與齒輪異常圖及其振動(dòng)特征比較，得出齒輪的初步故障診斷結(jié)果為齒輪表面磨損，有局部缺失，與實(shí)際情況相符：

(4)利用倒譜計(jì)算出的頻率與41齒齒輪轉(zhuǎn)頻相近：

(5)利用軸承信號(hào)在頻域的Hilbert變換得出了軸承存在內(nèi)圈缺陷的初步診斷。

本文僅對(duì)最后一項(xiàng)進(jìn)行呈現(xiàn)。

本文采用的數(shù)據(jù)為單列深溝球軸承的數(shù)據(jù)，所涉及到的滾動(dòng)軸承試件類型為GB6203，試件基本參數(shù)如表1所示，軸承所在軸的轉(zhuǎn)頻約為12Hz，采樣頻率fs=12800Hz。

設(shè)單列角接觸球軸承的工作軸轉(zhuǎn)速為n(r／min)，軸承節(jié)徑為D(mm)，滾動(dòng)體直徑為d(mm)，接觸角為b(rad)，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為z。假設(shè)滾動(dòng)軸承各滾動(dòng)體和內(nèi)外圈表面間的接觸方式為純滾動(dòng)接觸。其故障特征頻率計(jì)算公式如下所示。內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率，即工作軸轉(zhuǎn)頻為：

滾動(dòng)體上某一個(gè)固定點(diǎn)通過滾道(包括內(nèi)、外圈)的頻率，簡稱滾動(dòng)體通過頻率：

在工程中，這三個(gè)通過頻率fbp、fip。和fop又常被稱作滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體故障特征頻率、內(nèi)圈故障特征頻率和外圈故障特征頻率。

根據(jù)公式(1)～(4)可以得到故障特征頻率理論值如表2所示。

工程中多采用頻域分析方法來反映軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。頻域上分析又分為幅值譜、相位譜、功率譜以及Hilbert變換。這里主要利用軸承信號(hào)Hilbert變換對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

單列深溝球軸承信號(hào)的Hilbert變換如圖4所示。由圖中可以看出，幅值較大處所對(duì)應(yīng)歸一化頻率分量如指針?biāo)荆厧挒?.00412。

因此，可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的頻率：

fl=fs*0.00412=52.7hz

這與參考的內(nèi)圈故障特征頻率fin=51.9Hz(如表2)十分相近，可以得出診斷結(jié)果：軸承存在內(nèi)圈缺陷。這與實(shí)際情況一致。

結(jié)語

該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：(1)采用當(dāng)前測控領(lǐng)域中極為流行的圖形化編程軟件LabVIEw作為開發(fā)平臺(tái)，提高了編程的效率和軟件質(zhì)量。(2)能讀取、存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)格式，從幅域、時(shí)域、頻域三個(gè)角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，正確提取信號(hào)特征，并具有相應(yīng)的顯示功能。(3)具有友好的人機(jī)交互界面。

利用筆者開發(fā)的基于LabVIEW的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要部件的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，解決了一些實(shí)際問題。如：利用轉(zhuǎn)子的幅值譜分析推算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速：對(duì)齒輪的倒譜分析提取相對(duì)準(zhǔn)確周期信息，可對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。對(duì)軸承的Hilbert變換分析得到故障的頻率，對(duì)應(yīng)于軸承故障特征頻率，得出軸承的故障為內(nèi)圈故障。通過這些問題的研究與解決，也驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性與可行性。本系統(tǒng)已經(jīng)在成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所某設(shè)備振動(dòng)信號(hào)監(jiān)控上得到了具體應(yīng)用，效果良好。