機械振動故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

皮 駿，陶 理，原郭豐

（1.中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300；2.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；3.中國科學院電工研究所 中國科學院太陽能熱利用與光伏系統(tǒng)重點實驗室，北京 100190）

機械振動故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

皮 駿1，陶 理2，原郭豐3

（1.中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300；2.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；3.中國科學院電工研究所 中國科學院太陽能熱利用與光伏系統(tǒng)重點實驗室，北京 100190）

針對機械設(shè)備振動監(jiān)測的高速、實時和同步處理的要求，以Visual C++為平臺開發(fā)了基于頻譜分析和軸心軌跡分析的機械振動故障診斷系統(tǒng)。采用USB 2850采集卡搭建振動信號采集系統(tǒng)，通過分組采集方式實現(xiàn)多通道信號的同步采集，利用鍵相信號對振動信號整周期重采樣，將原始連續(xù)信號整周期化。根據(jù)信號采樣和數(shù)據(jù)處理流程，結(jié)合各模塊算法執(zhí)行效率，設(shè)計多線程流水處理架構(gòu)，保證系統(tǒng)的多流程同步執(zhí)行。最后，通過轉(zhuǎn)子不平衡故障和不對中故障模擬實驗，驗證了故障診斷方法正確無誤，信號分析系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、準確。

振動與波；故障診斷；數(shù)據(jù)采集；多線程

在機械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)中，振動監(jiān)測是普遍采用的基本方法。機械振動故障診斷作為一個系統(tǒng)集成涉及到傳感與測試、信號采集、信號分析、故障診斷、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)通信等等各方面的技術(shù)。在一些關(guān)鍵技術(shù)上均有針對性的研究：楊世錫等人針對振動信號的整周期采集進行了硬件和軟件方法的研究，均獲得良好效果[1，2]；郭峰等人開發(fā)的邏輯分析儀軟件實現(xiàn)了多線程技術(shù)在信號采集和同步處理的應(yīng)用[3]。對于振動故障特征的分析研究也形成了普遍公認的結(jié)論。特定形狀的軸心軌跡對應(yīng)著特定的故障類型，表征旋轉(zhuǎn)機械軸系故障的典型軸心軌跡有以下幾種：橢圓表示不平衡故障；香蕉形表示不對中與不平衡綜合故障；外8字形表示不對中故障；內(nèi)8字形表示油膜渦動故障[4]。在基于FFT的頻譜分析方法中，對于轉(zhuǎn)子不平衡、半速渦動及油膜振蕩、轉(zhuǎn)子不對中、共振、部件松動、轉(zhuǎn)子與定子摩擦、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)缺陷與裂紋、軸承缺陷等故障都反映在振動信號譜圖的相應(yīng)頻率分量上，即都有其特殊的故障征兆。這些征兆有1/3倍頻、1/2倍頻、工頻、2倍頻、3倍頻等[5]。

本系統(tǒng)采用USB 2850采集卡搭建振動信號采集系統(tǒng)，通過分組采集方式實現(xiàn)多通道信號的同步采集；利用鍵相信號對振動信號整周期重采樣，將原始連續(xù)信號整周期化；根據(jù)信號采樣和數(shù)據(jù)處理流程，結(jié)合各模塊算法執(zhí)行效率，設(shè)計多線程流水處理架構(gòu)。實現(xiàn)了基于頻譜分析和軸心軌跡分析的機械振動故障診斷系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺

自搭建轉(zhuǎn)子振動試驗臺如圖1所示，該實驗臺有以下幾部分組成：底座及底座支架、直流可調(diào)速電機、傳感器支架、軸承支座、撓性聯(lián)軸節(jié)、轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)子圓盤等。能夠模擬的轉(zhuǎn)子不平衡（單面不平衡和多面不平衡）、轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)軸摩擦、油膜渦動、轉(zhuǎn)軸變形等故障工況。

圖1 轉(zhuǎn)子振動試驗臺

1.2 基于USB2850采集卡的信號采集系統(tǒng)

USB 2850采集卡是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計算機的USB接口相連，具有16位精度、64通道、最高采用率500 KHZ以及以太網(wǎng)連接功能。信號采集系統(tǒng)由以下幾部分組成：2路電渦流傳感器（垂直布置）、光電傳感器、傳感器電源（+ 24V/-24V/+5V）、差分變送器、USB 2850采集卡。信號測試系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子振動測試系統(tǒng)原理圖

1.3 故障診斷系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計

實時監(jiān)測診斷系統(tǒng)的開發(fā)采用VC++2010作為開發(fā)平臺，并采用SQL Server 2008作為其數(shù)據(jù)庫后臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括：信號采集模塊、信號處理模塊、故障數(shù)據(jù)庫模塊、用戶參數(shù)管理模塊。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）信號采集模塊 通過C++直接調(diào)用底層驅(qū)動，設(shè)置采集卡采用頻率、工作模式、通道選擇等參數(shù)，獲取各路傳感器的實時信號；

（2）信號處理模塊 將采集的原始信號進行濾波、整周期處理、轉(zhuǎn)速計數(shù)、FFT變換，同步顯示各通道時域波形、頻譜圖以及軸心軌跡等。分析信號的時域特性和頻域特性，用于故障狀態(tài)的診斷；

（3）故障數(shù)據(jù)庫模塊 用于存儲實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和故障特征數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的離線分析；

（4）用戶參數(shù)管理模塊 實時監(jiān)測診斷系統(tǒng)涉及大量參數(shù)選擇，如通道選擇、采樣頻率、顯示方式等等，將各種參數(shù)統(tǒng)一管理，生成用戶配置文件。

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

機械振動故障診斷系統(tǒng)需要在線實時的監(jiān)測設(shè)備的各種參量，如轉(zhuǎn)子位移、轉(zhuǎn)速。并且各路通道數(shù)據(jù)需要同步處理，對設(shè)備運行狀態(tài)進行即時判斷。系統(tǒng)開發(fā)過程中必須解決信號的實時采集、信號的整周期提取以及信號同步處理的多線程技術(shù)。

2.1 實時信號數(shù)據(jù)的采集

由于USB 2850采集卡工作模式為異步通道采集，所以需要采用分組采集的方式進行各通道信號數(shù)據(jù)的采集。分組采集功能是指AD在采樣過程中，組內(nèi)各通道以內(nèi)時鐘的采樣頻率進行轉(zhuǎn)換，每兩組之間有一定的等待時間，這段時間稱為組間間隔。組循環(huán)次數(shù)是指在同一組內(nèi)每個通道循環(huán)采集的次數(shù)；在內(nèi)時鐘和固定頻率的外時鐘模式下，組與組之間的時間稱為組周期[6]。分組采集原理如圖4所示，t1為內(nèi)時鐘采樣周期，t2為AD芯片轉(zhuǎn)換時間，t3為組間間隔。則組周期T即為

圖4 分組采集原理圖

式中n為組內(nèi)循環(huán)次數(shù)。

分組采集方式使得采集卡在相對較慢的采集頻率下，盡可能保證各個通道間的時間差越小來實現(xiàn)更小的相位差，從而保證通道間的同步性。相鄰兩通道的相位差為t1，其相對相位差

內(nèi)時鐘采樣周期t1為內(nèi)時鐘采樣頻率f的倒數(shù)，并將（1）帶入（2）得

由式（3）可知，組內(nèi)采樣頻率f越高，組間間隔時間t3越長，相對相差越小，信號同步性就越好。

2.2 原始信號的整周期化

對于旋轉(zhuǎn)機械的振動信號，采用基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速工頻的整周期采樣可以消除或減弱頻譜分析中的非整周期采樣存在的譜泄漏和柵欄效應(yīng)[5]。旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子的振動信號一般工況下是平穩(wěn)信號，在啟停機狀態(tài)或突發(fā)狀態(tài)時其信號將變成非平穩(wěn)信號。對于平穩(wěn)信號，若信號為整周期等相位采樣，則每次采樣截取的信號長度為工頻周期的整數(shù)倍，從而獲得比較準確的頻譜；對于非平穩(wěn)信號而言，整周期等相位采樣可以使信號在一定程度上變得平穩(wěn)，減弱頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)對分析精度的影響[1]。且在轉(zhuǎn)子啟停暫態(tài)分析時，需要對于單周期振動信號進行處理分析，以得出振動隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。所以原始信號的整周期處理對信號分析具有重要意義。

如圖5所示，通道（a）、通道（b）為兩路電渦流傳感器的位移信號，通道（c）為光電傳感器接收的轉(zhuǎn)子鍵相信號。轉(zhuǎn)子周向上有吸光的暗標記，當光照射暗標記上時光電傳感器接收的光強減弱，其輸出的電壓信號也隨之減弱。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，光電傳感器輸出的電壓信號就隨之出現(xiàn)周期的鋸齒波形。取峰值的一半作為比較的閾值Vn，順序遍歷通道（c），找到數(shù)據(jù)序列中第一個小于Vn的數(shù)值，判斷邏輯為

圖5 整周期重采樣原理圖

將（n+1）其標記為各通道的周期起止位置，重復(fù)以上步驟即可循環(huán)標記出各通道的周期的起止位置。

2.3 多線程同步系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測診斷系統(tǒng)需要長時間、實時在線采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集量非常巨大，并且需要同步顯示、存儲和實時分析處理，其對于數(shù)據(jù)處理的效率要求非常高，傳統(tǒng)單線程無法滿足系統(tǒng)的實時、同步要求。但是多線程并不是在任何情況下都能提升效率。頻繁的線程啟停、切換都會增加系統(tǒng)運行時間，線程之間不恰當?shù)幕ユi、等待會極大降低系統(tǒng)效率，不同線程同一時刻對同一變量的操作可能導致意外錯誤致使系統(tǒng)無法運行。所以線程之間的優(yōu)化調(diào)度至關(guān)重要。MFC提供四種同步對象：臨界區(qū)（Critical Section）、信號量（Semaphore）、互斥量（Mutex）和事件（Event）[6]。

本系統(tǒng)在線程之間的同步采用MFC框架提供的事件（Event）同步，針對線程之間的共享接口變量的累加累減操作則采用Windows API提供的原子操作（Interlocked）系列函數(shù)。線程之間的數(shù)據(jù)流采用重新組裝、分發(fā)的方式來減少線程間對共享變量的操作，降低各模塊之間的耦合性。子線程與主線程之間以消息方式（Post Message）進行通信，讓界面響應(yīng)波形圖像的同步繪制。根據(jù)功能需求及算法效率，對于核心流程的實現(xiàn)啟用4條工作者線程來進行數(shù)據(jù)同步處理。

如圖6所示，主線程控制全部子線程的啟停、用戶操作響應(yīng)、界面繪圖響應(yīng)。全部運算過程被封裝到各個子線程中，防止主線程因運算阻塞而無法響應(yīng)用戶操作和實時圖形的繪制。主線程以連續(xù)采集標志（ADRun Flag）來控制各線程的生命周期，啟動、停止整個監(jiān)測過程。采集線程根據(jù)采集卡的FIFO半滿標志循環(huán)讀取采集卡內(nèi)緩沖數(shù)據(jù)，發(fā)出數(shù)據(jù)處理事件（ProcessEvent）。其余各線程均以掛起方式啟動。數(shù)據(jù)處理線程接收處理事件（Process Event）的信號響應(yīng)，將采集來的數(shù)據(jù)進行通道分發(fā)、重新組裝、整周期提取，并發(fā)出頻譜分析事件（FFTE vent）和存儲事件（Storage Event）。由于FFT變換的運算量相對其它處理過程所需的CPU時鐘數(shù)較多，所以將頻譜分析過程獨立封裝成一線程，并將其線程優(yōu)先級設(shè)為最高級（Time Critical）。硬盤的隨機寫入相比內(nèi)存數(shù)據(jù)的處理是十分緩慢的，采集卡每秒讀入百萬級的浮點數(shù)據(jù)，存儲線程將各通道數(shù)據(jù)重新組裝后連續(xù)寫入硬盤。

圖6 線程結(jié)構(gòu)圖

3 實驗測試

3.1 轉(zhuǎn)子不平衡故障分析

質(zhì)量不平衡是旋轉(zhuǎn)機械最為常見的故障之一。轉(zhuǎn)子質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)中心之間存在一定量的偏心距，這就使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時形成周期性的離心力的干擾，在軸承上產(chǎn)生動載荷，使機器發(fā)生振動[7]。

實驗過程：在配重盤上安裝配重塊，使其產(chǎn)生顯著質(zhì)量偏心，開啟電機將轉(zhuǎn)速調(diào)整至接近臨界轉(zhuǎn)速2 100 r/min（振動開始加?。?。分析結(jié)果如圖7所示，時域波形（a）在一個周期內(nèi)為類似正弦波且振幅較大在頻域中；在頻譜圖（b）上振動的激振頻率為單一的旋轉(zhuǎn)頻率（工頻），其倍頻及多倍頻處沒有明顯幅值；此時軸心軌跡（c）呈橢圓形。

圖7 不平衡故障信號圖

3.2 轉(zhuǎn)子不對中故障分析

轉(zhuǎn)子不對中通常是指相鄰兩轉(zhuǎn)子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。由于聯(lián)軸器加工安裝誤差、轉(zhuǎn)子變形、軸承不同心以及機座高低偏差等因素會使聯(lián)軸器存在3種不對中類型，平行不對中、傾角不對中、平行傾角不對中[8，9]。

實驗過程：墊高靠近聯(lián)軸器一端的軸承支座，調(diào)整轉(zhuǎn)速至1 100 r/min左右。分析結(jié)果如圖8所示，頻譜圖（b）二倍頻分量幅值顯著且有相對較高的比重；此時軸心軌跡（c）呈“8”字圓形。

圖8 不對中故障信號圖

4 結(jié)語

基于VC++開發(fā)的機械振動故障診斷系統(tǒng)充分發(fā)揮了C/C++語言的高效性和多線程技術(shù)的多任務(wù)并行處理能力，實現(xiàn)了振動信號的同步采集與處理。系統(tǒng)延遲率低，無數(shù)據(jù)丟失。經(jīng)整周期重采樣信號的頻譜圖譜線清晰，無頻譜泄漏。在系統(tǒng)架構(gòu)、模塊、線程設(shè)計上秉承高內(nèi)聚、低耦合的原則，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和進一步開發(fā)提供了有力保障。

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Design andApplication of Mechanical Vibration Fault-diagnosis System

PI Jun1,TAO Li2,YUAN Guo-feng3
(1.Sino-European Institute ofAviation Engineer,CivilAviation University of China,Tianjin 300300,China; 2.School ofAeronautical Engineering,CivilAviation University of China,Tianjin 300300,China; 3.Key Laboratory of Solar Thermal Energy and Photovoltaic System of ChineseAcademy of Science, Institute of Electrical Engineering,Beijing 100190,China)

Due to the requirements of high speed,real-time and synchronous processing for machinery vibration monitoring,a mechanical vibration fault diagnosis system was developed by Visual C++based on spectrum and shaft orbit analysis. The vibration signal acquisition system based on the USB 2850 acquisition card was applied to the synchronous acquisition of multi-channel signals via the group acquisition mode.The original continuous signal was periodically divided by key signals re-sampling.According to the signal sampling and the data processing flow of each module with the consideration of algorithm efficiency,multi-flow processing was designed to guarantee the synchronous execution of the system.Finally,the stability,efficiency,and accuracy of the signal analysis system were verified by the rotor imbalance and misalignment faults simulation experiments.

vibration and wave;fault diagnosis;data acquisition;multi-flow

TB53；TP274；TP311；O329

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.043

1006-1355(2015)01-0209-05

2014－04－30

國家自然科學基金項目（51106150）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費中國民航大學專項（ZXH2012H003)

皮駿（1973－），男，內(nèi)蒙包頭人，博士，副教授。研究方向：機械振動分析。E-mail:jpi@cauc.edu.cn

原郭豐（1978－），男，博士，助理研究員。研究方向：太陽能海水淡化。E-mail:yuanguofeng@163.com