基于實(shí)時(shí)高頻率分辨率的附件機(jī)匣振動(dòng)測試系統(tǒng)*

基于實(shí)時(shí)高頻率分辨率的附件機(jī)匣振動(dòng)測試系統(tǒng)*

劉自然，朱亞娜，顏丙生，王律強(qiáng)，熊 偉
（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007）

針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)監(jiān)測頻譜要求較高的問題，通過提高頻譜線數(shù)進(jìn)而提高頻譜分辮率開發(fā)了一套12通道的具備信號采集、信號監(jiān)測、頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢和生成報(bào)表等功能的航空附件傳動(dòng)機(jī)匣振動(dòng)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)即能進(jìn)行實(shí)時(shí)高速頻譜分析，又能實(shí)時(shí)查詢振動(dòng)烈度趨勢。保證顯示器頻譜刷新速度的基礎(chǔ)上系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)頻譜分析的線數(shù)至少為6400線。對提高故障診斷的實(shí)時(shí)性與精確性具有重要意義。

高頻率分辮率；附件機(jī)匣；振動(dòng)測試

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣屬于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，一般可達(dá)到50000～70000r/min。在裝機(jī)前，必須經(jīng)過一定時(shí)間的試驗(yàn)檢驗(yàn)，合格后才能投入使用。用于其故障監(jiān)測和診斷的信息有很多，比如壓力、溫度、振動(dòng)、噪聲等。其中振動(dòng)信號能夠迅速直接的反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)而被廣泛采用［1］。

附件機(jī)匣檢驗(yàn)時(shí)，試車振動(dòng)信號非常復(fù)雜，為了確定信號中所含頻率的精確值及其幅值，對頻率分辨率做了明確要求，即在采樣頻率40kHz以下可調(diào)時(shí)，實(shí)時(shí)FFT頻譜線數(shù)至少達(dá)到6400。常用的振動(dòng)測試軟件在監(jiān)控界面往往只對很短時(shí)間長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣頻譜的實(shí)時(shí)性很好，但很容易出現(xiàn)柵欄效應(yīng)。對航空試驗(yàn)來說出現(xiàn)任何一個(gè)疏漏都能造成不可挽回的巨大損失。

頻率分辨率是指所用的算法能將信號中兩個(gè)靠得很近的譜峰保持分開的能力［2］。實(shí)際上頻率分辨率是作FFT時(shí)譜圖中的兩條相鄰譜線之間的頻率間隔，也稱作步長。由奈奎斯特采樣定理可知，不產(chǎn)生頻率混迭的最低采樣頻率Fs為最大分析頻率Fm的2倍。為了避免信號混淆，保證高頻信號不被歪曲成低頻信號，并考慮到計(jì)算機(jī)的表示方式為二進(jìn)制，所以采用：

頻率分辨率Δf有如下關(guān)系：

其中N為采樣點(diǎn)數(shù)，M為頻譜線數(shù)，T為分析的時(shí)域信號長度。由公式可知，采樣點(diǎn)數(shù)與為頻譜線數(shù)有如下關(guān)系：

要減少柵欄效應(yīng)，就要提高頻率分辨率Δf，Δf越小頻率分辨率越高［3］。由公式可知，提高頻率分辨率，就要增加分析的時(shí)域信號長度T，即在采樣頻率不變時(shí)，增加采樣點(diǎn)數(shù)。但采樣點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，計(jì)算量勢必顯著增加，從而無法滿足時(shí)頻譜的實(shí)時(shí)性，甚至出現(xiàn)斷點(diǎn)的情況。

針對這一問題本系統(tǒng)以LabVIEW虛擬儀器軟件為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套高實(shí)時(shí)頻譜分辨率的航空飛機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣振動(dòng)測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件

振動(dòng)測試分析系統(tǒng)硬件主要有：工控機(jī)、NI-9234采集卡、NI-9174數(shù)據(jù)采集卡插槽、美國PCB振動(dòng)加速度傳感器等。硬件結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 振動(dòng)測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

美國PCB公司ICP型傳感器，其內(nèi)集成有電荷放大器，只需配備恒流源便可獲取信號。但NI-9234數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部提供2mA的IEPE激勵(lì)電流，可與ICP型傳感器直接相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這使測振系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)簡化，進(jìn)而測試精度得以提高。NI-9234有四個(gè)BNC頭，分別連接四路有過壓保護(hù)功能的同步采樣模擬輸入通道。每個(gè)通道的輸入信號經(jīng)緩沖、調(diào)理后，由24位Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其采樣。其采樣率可由LabVIEW軟件進(jìn)行控制。由于控制室與試車車間分離，信號電纜長達(dá)15m，為了避免因環(huán)境引起的共模干擾，選擇差分測試。

根據(jù)試車臺(tái)需要，選用三塊NI-9234采集卡配以NI cDAQ-9174型插槽（4槽）完成數(shù)據(jù)采集卡的配置選定振動(dòng)測試系統(tǒng)的傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之后，配以工控機(jī)、電纜、顯示器等零、附件設(shè)備。經(jīng)過現(xiàn)場布局組裝，便搭建完成一個(gè)完整的振動(dòng)測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)［4］。

2 系統(tǒng)軟件

由于附件機(jī)匣試驗(yàn)時(shí)，一般速度達(dá)到50000r/m，一旦出現(xiàn)報(bào)警，需要立刻緊急停車。故而對信號的實(shí)時(shí)性分析要求比較高。圖2為航空附件機(jī)匣試車臺(tái)振動(dòng)測試系統(tǒng)程序模塊化分解圖，軟件基本功能需包括，數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)時(shí)頻域分析、趨勢圖查詢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢和生成報(bào)表等。

根據(jù)所要完成的功能，振動(dòng)測試系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖2 程序模塊化分解

圖3 振動(dòng)測試系統(tǒng)軟件流程

2.1 軟件人機(jī)交互界面

根據(jù)客戶要求設(shè)計(jì)靈活友好的人機(jī)交互界面是本系統(tǒng)在被試件和試車臺(tái)上選取12個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測試。

圖4為振動(dòng)信號監(jiān)測主界面，主要包括：12個(gè)通道的信號實(shí)時(shí)時(shí)域波形、頻譜分析和趨勢波形觀測區(qū)，信號實(shí)時(shí)幅值和烈度觀測區(qū)，報(bào)警信息顯示區(qū)，具有手動(dòng)存儲(chǔ)、報(bào)警設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、采樣率和傳感器靈敏度配置等參數(shù)設(shè)置功能的功能區(qū)。另外，留有時(shí)間觀測區(qū)，實(shí)驗(yàn)說明配置區(qū)等。

圖4 振動(dòng)信號監(jiān)測主界面

界面整體采用淡藍(lán)綠色，感覺淡雅溫馨，長時(shí)間觀測不易眼疲勞。主要按鈕均采用圖表形式，既生動(dòng)又方便記憶。

軟件采用LabVIEW狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)模型并與生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了12個(gè)通道頻域和時(shí)域數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)與分析。

2.2 軟件主要功能

（1）12個(gè)通道的當(dāng)前振動(dòng)烈度和趨勢監(jiān)測及其報(bào)警；

12個(gè)通道的振動(dòng)信號雙重超限報(bào)警；圖5所示為12個(gè)通道報(bào)警顯示，可以實(shí)時(shí)按時(shí)加速度峰值、速度峰值和烈度，當(dāng)速度峰值超過限值，普報(bào)報(bào)警燈橙色閃亮；烈度超過限值，高報(bào)報(bào)警燈紅色閃亮。12個(gè)通道報(bào)警信息可以實(shí)時(shí)顯示，分別顯示高報(bào)和普報(bào)的報(bào)警次數(shù)、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警通道和報(bào)警值?？梢詫?dāng)次試驗(yàn)的報(bào)警信息生成位置可以自由選擇、并采用Word或Excel格式打開和打印的報(bào)表。

圖5 12通道振動(dòng)烈度和報(bào)警前面板

圖6為第7通道的振動(dòng)烈度及包進(jìn)后臺(tái)程序。所謂振動(dòng)烈度是指回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的寬頻（10～1000Hz）振動(dòng)速度信號的均方根值，在程序中用幅值和電平測量模塊即可得出振動(dòng)烈度。

圖6 振動(dòng)烈度和報(bào)警后臺(tái)程序

（2）十二個(gè)通道振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測如圖7所示。

圖7是單通道振動(dòng)信號監(jiān)測界面，分別顯示各自通道的振動(dòng)信息，包括振動(dòng)加速度和速度時(shí)域信號、幅值譜和振動(dòng)烈度趨勢。此外，對振動(dòng)信號進(jìn)行分析時(shí)，增加了圖形工具選板、游標(biāo)、游標(biāo)微調(diào)和頻譜峰值搜索功能。通過拖曳紅色游標(biāo)可以讀取振動(dòng)信號時(shí)域和頻譜幅值，頻譜的實(shí)時(shí)分辨率非常高，這大大方便了頻譜實(shí)時(shí)分析。通過設(shè)置單峰或多峰、門限值和頻率范圍來獲取目標(biāo)頻譜峰值；可以顯示峰值數(shù)目和峰值橫縱坐標(biāo)。此外還可以將對通道的注釋寫入此文本框，并保存和查詢。

圖7 單通道振動(dòng)信號監(jiān)測

（3）十二個(gè)通道振動(dòng)信號的自動(dòng)和手動(dòng)存儲(chǔ)［4］；

（4）振動(dòng)信號和報(bào)警信息的查詢、回放、導(dǎo)出和打印。

2.3 實(shí)時(shí)高頻率分辨率頻譜設(shè)計(jì)

要使實(shí)時(shí)頻率分析的線數(shù)M≥6400線，則由公式3可知，采樣點(diǎn)數(shù)

開始數(shù)據(jù)采集后，采集卡不斷地采集數(shù)據(jù)，然后LabVIEW將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。若連續(xù)采樣點(diǎn)數(shù)直接設(shè)為16K，則系統(tǒng)會(huì)因?yàn)橛?jì)算量過大而不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確有效的顯示出時(shí)域波形譜和頻譜，甚至譜圖中出現(xiàn)明顯斷點(diǎn)。為了保證時(shí)頻域譜圖的刷新速度，多次調(diào)試選擇4K采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)，時(shí)頻域譜圖比較接近實(shí)時(shí)的顯示速度，且可以輕松觀察到清晰的波形。

當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)為4K時(shí)，為了使實(shí)時(shí)頻譜圖達(dá)到6400的頻譜線數(shù)，利用LabVIEW波形圖表緩存歷史數(shù)據(jù)功能。波形圖表默認(rèn)緩沖區(qū)是1024點(diǎn)，修改緩沖區(qū)數(shù)據(jù)使緩存數(shù)據(jù)為16K。每次采集4K數(shù)據(jù)堆棧入波形圖表保存，采集四次后送入波形圖表屬性節(jié)點(diǎn)“歷史數(shù)據(jù)”，并將該數(shù)據(jù)作為FFT的輸入。這時(shí)送入圖表歷史緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量為16K。在沒有修改緩沖區(qū)的情況下，波形圖表能夠保存歷史數(shù)據(jù)，每次傳遞給它一個(gè)新數(shù)據(jù)，它就把新數(shù)據(jù)追加在原有的數(shù)據(jù)上，這樣的話，便能夠有效的得出高分辨率頻譜。其程序代碼如圖8。

圖9為每次采集4K數(shù)據(jù)直接進(jìn)行FFT的頻譜圖，圖10為16K波形圖表歷史數(shù)據(jù)做FFT的頻譜圖。對比可知圖10的頻率分辨率明顯高于圖9。

圖9 采集4K數(shù)據(jù)直接進(jìn)行FFT的頻譜圖

圖10 波形圖表緩存16K歷史數(shù)據(jù)做FFT的頻譜圖

2.4 12個(gè)通道當(dāng)前振動(dòng)趨勢圖監(jiān)測

點(diǎn)擊"趨勢圖"選項(xiàng)卡，進(jìn)入12個(gè)通道振動(dòng)烈度趨勢對比監(jiān)測界面如圖11所示，本界面顯示了當(dāng)前整個(gè)試驗(yàn)過程中12個(gè)通道的振動(dòng)烈度趨勢。信號整體趨勢圖的顯示與存儲(chǔ)，可以很好的觀察在整車運(yùn)行過程中的振動(dòng)趨勢，方便現(xiàn)場監(jiān)測與后期的檢查。該功能是本軟件特有的功能之一，見圖12。

圖11 振動(dòng)烈度趨勢對比監(jiān)測

圖12 振動(dòng)烈度趨勢后臺(tái)程序

振動(dòng)烈度趨勢通過波形圖表顯示出來，其縱坐標(biāo)顯示的是數(shù)據(jù)讀入的當(dāng)前時(shí)間。其時(shí)間和數(shù)值信息均存入TDMS文件。

3 在實(shí)際試車臺(tái)中的應(yīng)用

本振動(dòng)測試系統(tǒng)已經(jīng)在某型飛機(jī)附件機(jī)匣試車臺(tái)上進(jìn)行了應(yīng)用，滿足了航空振動(dòng)測試系統(tǒng)的要求，并與多部國內(nèi)外振動(dòng)測試系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)機(jī)比對。

在試驗(yàn)現(xiàn)場，根據(jù)預(yù)設(shè)的聯(lián)調(diào)測試方案，與丹麥B&K、奧地利DEWE-TRON等國外知名振動(dòng)測試系統(tǒng)和重慶大學(xué)SP-DSA 3.0的振動(dòng)測試系統(tǒng)進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，在不同的試驗(yàn)科目下，幾套系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)（如表1所示）采集、分析處理結(jié)果都基本一致。由此驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性與工程實(shí)用性。面對復(fù)雜的測試環(huán)境，本系統(tǒng)在多通道數(shù)據(jù)的采集與處理、實(shí)時(shí)時(shí)域/頻域監(jiān)測和報(bào)警顯示、以及數(shù)據(jù)的查詢回放等多方面的性能都達(dá)到了目標(biāo)要求。同時(shí)，其人性化的操控界面也得到了較好的用戶體驗(yàn)效果。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表

本系統(tǒng)已經(jīng)過黑龍江省計(jì)量檢定測試院鑒定。鑒定證書編號為：015846-AD-0。

4 結(jié)束語

采用LabVIEW圖形編程軟件開發(fā)虛擬振動(dòng)測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)采集、分析與處理，同時(shí)減少了測試中的硬件設(shè)備，降低測試成本。實(shí)際應(yīng)用表明，本測試系統(tǒng)不僅界面美觀、測試準(zhǔn)確；還在頻率分辨率上有著明顯的優(yōu)勢，即利用波形圖表歷史緩沖區(qū)功能，一定程度上解決了頻率分辨率與頻譜刷新速度的矛盾；并實(shí)現(xiàn)了各通道振動(dòng)烈度趨勢監(jiān)測與存儲(chǔ)。

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（編輯 趙蓉）

The Accessory Gearbox Vibration M easurement System Based on the Real-time High-frequency Resolutions

LIU Zi-ran，ZHU Ya-na，YAN Bing-sheng，WANG Lv-qiang，XIONGWei
（SchoolofMechanicaland Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

A set of twelve channels vibration measurement system of accessory gearbox for aero-engine is developed to solve the problem of high-speed real-time monitoring spectrum of aero-engine vibration data，which has signal acquisition，signalmonitoring，spectrum analysis，data storage，data query and reporting capabilities.The system can perform high-speed real-time frequency analysis and real-time query vibration severity trend whose number of lines in real-time frequency analysis at least reach to 6400，which greatly improve the real-time performance and accuracy of fault diagnosis.

high-frequency resolution；accessory gearbox；vibration test

TH164；TG506

A

1001-2265（2015）08-0086-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.022

2015-03-10；

2015-04-25

航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)試車臺(tái)控制與測試系統(tǒng)研制（H2012 jd69）

劉自然（1962-），男，河南新縣人，河南工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試技術(shù)、機(jī)電傳動(dòng)與控制技術(shù)，（E-mail）liuziran@haut.edu.cn；通訊作者：朱亞娜（1992-），女，河南西華人，河南工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試技術(shù)，（E-mail）zynbbc@163.com。