基于虛擬儀器技術(shù)的振動(dòng)自動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)

李亞紅

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基于虛擬儀器技術(shù)的振動(dòng)自動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)

李亞紅

（內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古赤峰025350）

針對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)機(jī)理和振動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合信號(hào)分析與處理、模態(tài)分析和虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW軟件為平臺(tái)，開發(fā)了一套向?qū)秸駝?dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)。并采用USB-4431數(shù)據(jù)采集卡對(duì)某公司生產(chǎn)的羅茨真空泵的泵體和齒輪箱等部位進(jìn)行了振動(dòng)信號(hào)采集與分析、模態(tài)測(cè)試和故障診斷。試驗(yàn)證明，測(cè)試系統(tǒng)的的各項(xiàng)功能很好地滿足了振動(dòng)監(jiān)測(cè)、模態(tài)測(cè)試和故障診斷的要求，進(jìn)而驗(yàn)證了該振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

虛擬儀器技術(shù) 信號(hào)處理 模態(tài)分析 羅茨真空泵 故障診斷

振動(dòng)測(cè)試與分析是工程中常用的解決機(jī)械設(shè)備故障的技術(shù)手段，利用該技術(shù)可準(zhǔn)確獲取機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與記錄，通過預(yù)先編寫的軟件進(jìn)行信號(hào)處理與分析，可以有效排除故障隱患，防止設(shè)備故障和意外事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的商用化軟件雖然能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和故障分析，但其面向的診斷對(duì)象太廣，缺乏針對(duì)性，再加上成本較高等因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的制約。而虛擬儀器技術(shù)利用其高性能的硬件模塊，并結(jié)合靈活的軟件編寫模塊能夠完成各種工程實(shí)用軟件的編寫，可見，利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)工程測(cè)試系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

圖形化編程語言LabVIEW為虛擬儀器的開發(fā)提供了一個(gè)強(qiáng)大而方便的平臺(tái)。本文正是利用了虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，首先對(duì)相關(guān)采集及測(cè)量所需的硬件進(jìn)行了組配，然后基于LabVIEW平臺(tái)，開發(fā)了一套向?qū)秸駝?dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，并詳細(xì)的介紹了軟件設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)思路，給出了部分前面板設(shè)計(jì)圖。最后，利用該系統(tǒng)對(duì)某公司生產(chǎn)的羅茨泵進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與診斷，驗(yàn)證了振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的可靠性。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件組配

為了對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，組配了如圖1所示的相關(guān)硬件，硬件主要包括美國公司生產(chǎn)的USB-4431數(shù)據(jù)采集卡、加速度傳感器、模態(tài)力錘、電腦和接線等。

采集卡有4路模擬輸入通道和1路模擬輸出通道，分辨率為24位，采樣頻率最高可達(dá)102.4 kS/s，電壓輸入范圍為-10V~+10V；加速度傳感器采用ICP型加速度傳感器B&K4508-B；其靈敏度為10 mV/(m/s2)，模態(tài)力錘采用丹麥生產(chǎn)的B&K 8208模態(tài)力錘。

圖1 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的硬件組配示意圖

2 測(cè)試分析系統(tǒng)軟件的開發(fā)

針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備常見的振動(dòng)故障開發(fā)的軟件系統(tǒng)，主要功能如圖2所示，根據(jù)向?qū)降拈_發(fā)思路，將其分為五大模塊，各個(gè)功能模塊可以在使用時(shí)被調(diào)用，不用時(shí)則釋放內(nèi)存空間。這樣可以大大降低程序的復(fù)雜性，使程序運(yùn)行更加流暢。五大模塊分別為：文件瀏覽、通道設(shè)置、信號(hào)示波、數(shù)據(jù)采集和模態(tài)分析。其中文件瀏覽中包括基于ActiveX技術(shù)和Access數(shù)據(jù)庫的故障診斷功能模塊。

所開發(fā)的軟件系統(tǒng)的具體功能如下：

圖2 故障診斷與模態(tài)分析軟件系統(tǒng)的功能圖

（1）參數(shù)多樣化設(shè)置。本軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3種參數(shù)設(shè)置功能，通過LabVIEW中串口通信功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)硬件采集卡和振動(dòng)傳感器參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與輸入功能；軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)之前保存的參數(shù)文件進(jìn)行讀取，導(dǎo)出其中參數(shù)信息并且自動(dòng)完成參數(shù)設(shè)置；也可完成基本的手動(dòng)輸入?yún)?shù)。

（2）數(shù)據(jù)采集時(shí)域和頻域同時(shí)監(jiān)測(cè)。軟件可實(shí)現(xiàn)1~8個(gè)窗口定制，每個(gè)窗口可分別定義其分析功能，使程序采集時(shí)能夠從時(shí)域和頻域同時(shí)觀察波形。采集參數(shù)設(shè)置包括分析帶寬、頻率分辨率等。頭文件和數(shù)據(jù)寫入同一文件之中，保存數(shù)據(jù)時(shí)能夠?qū)⒈敬尾杉乃性O(shè)置參數(shù)和數(shù)據(jù)一起寫入文本文件，每通道一個(gè)文件，并以“采集時(shí)間→測(cè)點(diǎn)→測(cè)試方向”來命名本通道數(shù)據(jù)。保存文本數(shù)據(jù)能夠直接打開文件查看參數(shù)和數(shù)據(jù)，同時(shí)方便了后處理功能中采樣率、測(cè)點(diǎn)等參數(shù)直接讀取利用。

（3）基于文件瀏覽器的后處理功能。系統(tǒng)自帶有Windows一樣的文件瀏覽器，方便快速查看數(shù)據(jù)文件，通過文件瀏覽器列表框?qū)傩酝献Ш褪录Y(jié)構(gòu)獲取拖拽功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從文件瀏覽器內(nèi)把文件拖拽到窗口即可對(duì)數(shù)據(jù)文件的讀取并顯示，避免了每次選擇文件的繁瑣。可定制8個(gè)窗口一次可同時(shí)查看8組數(shù)據(jù)。軟件有完善的后處理功能，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種分析功能，瀑布圖、軸心軌跡、時(shí)域統(tǒng)計(jì)參量、倍頻程等。文件瀏覽界面如圖3所示。

（4）窗口模式定制及窗口數(shù)據(jù)分析功能定制?；诓ㄐ螆D控件的運(yùn)行時(shí)菜單屬性，編輯相應(yīng)的菜單和事件結(jié)構(gòu)相結(jié)合，來定義不同的分析功能，如頻譜分析、概率統(tǒng)計(jì)、峰值檢測(cè)、數(shù)數(shù)列表、截取波形、自相關(guān)、自功率譜等，選中相應(yīng)數(shù)據(jù)波形，單擊鼠標(biāo)右鍵可選擇不同的數(shù)據(jù)處理分析方式，能夠完成對(duì)一組數(shù)據(jù)的8種分析功能同時(shí)顯示。

圖3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)文件瀏覽界面

（5）故障診斷功能。文件瀏覽中具有故障診斷功能，通過時(shí)頻域分析的結(jié)果提取信號(hào)的主要特征值，與預(yù)先給定的某種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)測(cè)的振值是否超出了標(biāo)準(zhǔn)給出的界限來判斷泵體是否出現(xiàn)了故障，然后與軟件故障診斷功能數(shù)據(jù)中儲(chǔ)存的羅茨泵泵體各個(gè)部位的典型故障特征進(jìn)行對(duì)比，則軟件會(huì)根據(jù)其計(jì)算出的相似度，判斷出與被測(cè)信號(hào)特征最接近的故障，并且提供解決故障的措施。軟件會(huì)將每次故障診斷的結(jié)果都會(huì)存入數(shù)據(jù)庫，形成一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備故障診斷庫。

（6）模態(tài)分析功能。模態(tài)分析功能既可以在通過軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的三維建模也可通過Lab 調(diào)用VRML三維模型格式文件實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入，有效的提高了軟件的通用性。通過映射傳感器功能進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的配置和振型動(dòng)畫的輸出。模態(tài)分析采用了正交多項(xiàng)式擬合法、最小二乘復(fù)頻域法和最小二乘復(fù)指數(shù)法三種參數(shù)識(shí)別方法，并通過Hankel矩陣和穩(wěn)定圖來進(jìn)行模態(tài)定階和真?zhèn)文B(tài)識(shí)別，確定最終的模態(tài)參數(shù)，模態(tài)分析中的模型測(cè)點(diǎn)配置界面如圖4所示。

圖4 模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)配置界面

3 羅茨泵振動(dòng)測(cè)試與故障診斷實(shí)例

利用所開發(fā)的振動(dòng)測(cè)試軟件和組配的相關(guān)硬件對(duì)某公司生產(chǎn)的有故障的真空泵進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與故障診斷，找出了故障所在并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。同時(shí)，根據(jù)真空泵故障前后的對(duì)比，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性和可靠性。

3.1 測(cè)試步驟

真空泵分上泵和下泵兩部分。對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試時(shí)，可分為以下幾個(gè)測(cè)試步驟：

（1）首先連接測(cè)試系統(tǒng)，在上泵體布置測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4（如圖5所示），測(cè)試方向均為Z方向，貼好傳感器。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

（2）在上泵4 800rpm、下泵3 600 rpm、1 800 m3/h抽速下（簡(jiǎn)稱工況1），對(duì)真空泵進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，持續(xù)30 s，以確定泵體振動(dòng)的主要位置和峰值頻率。

（3）在下泵3 600 rpm（60Hz）、上泵0~6 000 rpm（簡(jiǎn)稱工況2）掃頻，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，確定其頻帶范圍和振動(dòng)的主要頻率，并分析其頻譜特征。

（4）在下泵3 600 rpm（60Hz），對(duì)上泵進(jìn)行0~6 000 rpm（簡(jiǎn)稱工況3）重新布置泵體測(cè)點(diǎn)做掃頻振動(dòng)測(cè)試，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，初步確定其故障問題。

（5）重復(fù)第二步和第三步，并對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)固有頻率測(cè)試（簡(jiǎn)稱工況4），通過發(fā)現(xiàn)的問題繼續(xù)布置不同的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行上述測(cè)試，進(jìn)一步確認(rèn)機(jī)組故障，并提供解決辦法。

3.2 測(cè)試結(jié)果及故障診斷分析

1）軸承故障診斷結(jié)果

在靠近被測(cè)軸承的承載區(qū)布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)試軸承內(nèi)圈部位，圖6給出了測(cè)點(diǎn)21關(guān)于問題軸承（軸承型號(hào)6008/C4）在工況2下的振動(dòng)頻譜。

圖6 工況2時(shí)測(cè)點(diǎn)21獲得的問題軸承的頻譜圖

根據(jù)軸承內(nèi)圈故障頻率特征公式（1）計(jì)算可得為720 Hz，頻譜圖中內(nèi)圈故障特征頻率為706 Hz，由于存在丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，達(dá)不到理論的6 000 rpm，兩者基本吻合，可確定故障原因?yàn)閮?nèi)圈缺陷引起。

式中D為滾子中心圓直徑，d為滾子直徑，n為轉(zhuǎn)速，Z為滾子數(shù)，a為接觸角。圖7為更換新軸承后的頻譜圖，可見振動(dòng)明顯減弱。

2）不對(duì)中和共振故障診斷結(jié)果

圖8給出了工況1時(shí)測(cè)試獲得的振動(dòng)頻譜圖，可得知1、2、3、4、5倍頻處均有峰值，其中2倍頻明顯大于其它，是1倍頻的3倍多，可能是存在平行不對(duì)中，初步確定一倍頻是由于轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡產(chǎn)生，2倍頻是由于聯(lián)軸器對(duì)中不好引起。

圖8 工況1時(shí)測(cè)點(diǎn)2不對(duì)中和共振對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻譜

800 Hz~900 Hz處的頻率峰值可能是由于共振引起，選取靠近齒輪箱處位置布置測(cè)點(diǎn)9升頻至100 Hz時(shí)測(cè)試機(jī)組振動(dòng)，可見在泵體850 Hz左右出現(xiàn)較大的共振峰值，如圖9所示。

圖9 工況3(100 Hz)穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)點(diǎn)9的振動(dòng)頻譜

然后進(jìn)行泵體模態(tài)測(cè)試，圖10為機(jī)組固有頻率測(cè)試結(jié)果，可以確定850Hz左右為共振頻率。如圖11（a）所示為838Hz下的模態(tài)振型，可見靠近齒輪箱和電機(jī)的一側(cè)有較大的變形。

圖10 頻響函數(shù)集總圖

為了解決機(jī)組共振問題，在上泵與下泵連接處加一個(gè)支撐如圖11（b）所示，從而轉(zhuǎn)移了該峰值頻率，消除共振故障。

圖11 模態(tài)振型和泵體改進(jìn)措施示意圖

4 結(jié)語

基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)了一套全新的向?qū)秸駝?dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)。通過軟件系統(tǒng)對(duì)真空泵進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定了真空泵的軸承、轉(zhuǎn)子不對(duì)中和共振引起的故障，并提出了故障解決的措施，成功地消除了故障，從而驗(yàn)證了該軟件的實(shí)用性和有效性，軟件操作簡(jiǎn)單，功能完善，能夠廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)測(cè)試和故障診斷。

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