虛擬儀器及小波分析在軋機(jī)振動(dòng)測(cè)試中的應(yīng)用

張曉娜++胡孟謙

摘要：虛擬儀器技術(shù)的軋機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集卡采集軋機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，使用LabWindows/CVI編程語(yǔ)言及小波分析，完成軋機(jī)振動(dòng)的測(cè)試和信號(hào)的頻譜分析、小波消噪處理及振動(dòng)信號(hào)的特征提取，找到振動(dòng)信號(hào)的奇異性。

Abstract： The paper introduces the mill vibration test system based on the virtual instrument technology. The vibration acceleration sensors and data acquisition card are used to collect the vibration signal of rolling mill. By using LabWindows/CVI programming languages and Wavelet analysis， the test system realizes vibration test and frequency spectrum analysis，in addition， completes Wavelet denoising and feature extraction of vibration signals， finds the vibration signal singularity.

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；小波；軋機(jī)；振動(dòng)；測(cè)試

Key words： virtual instrument；wavelet；rolling mill；vibration；test

中圖分類號(hào)：TG333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）29-0241-03

0 引言

在軋機(jī)工作過(guò)程中需要準(zhǔn)確地檢測(cè)軋機(jī)的振動(dòng)情況，分析信號(hào)的故障特征，研究對(duì)軋機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)加以控制和消除的方法和措施，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免軋制設(shè)備的損壞。本實(shí)驗(yàn)軋機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)利用LabWindows/CVI編程，將數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析和處理有機(jī)結(jié)合，集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)與交互式編程方法，使得測(cè)試與分析系統(tǒng)根據(jù)研究需要得以開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集裝置和PC機(jī)等構(gòu)成。加速度傳感器為ICP型壓電式傳感器，用于對(duì)軋機(jī)振動(dòng)的檢測(cè)。信號(hào)調(diào)理器將傳感器輸出的交流信號(hào)經(jīng)隔離、放大后并行輸出；數(shù)據(jù)采集裝置采用數(shù)據(jù)采集卡USB-6210，完成信號(hào)的不間斷采集與存儲(chǔ)。在軋機(jī)入口處安裝光電傳感器，便于測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)采集振動(dòng)信號(hào)。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件使用LabWindows/CVI進(jìn)行設(shè)計(jì)。為使測(cè)試系統(tǒng)在不同計(jì)算機(jī)環(huán)境下使用，還可將測(cè)試程序編譯為可執(zhí)行文件。在軋機(jī)振動(dòng)測(cè)試中，通過(guò)虛擬儀器測(cè)試界面完成對(duì)信號(hào)的測(cè)試參數(shù)和信號(hào)分析的設(shè)置和操作。

3 測(cè)試分析方法

3.1 小波分析理論基礎(chǔ)

4 測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

振動(dòng)測(cè)試采用加速度傳感器進(jìn)行，以輥系振動(dòng)測(cè)試為重點(diǎn)，同時(shí)對(duì)主機(jī)架垂直振動(dòng)也進(jìn)行了測(cè)試，為分析主機(jī)座各部件間的振動(dòng)傳遞與耦合提供依據(jù)。

4.1 振動(dòng)測(cè)試

測(cè)試軋機(jī)在常規(guī)軋制下支撐輥的垂直振動(dòng)和軋機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)架的垂直振動(dòng)。加速度傳感器安裝在下支撐輥軸承座上，在機(jī)架的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（水平、垂直方向）分別安裝一個(gè)加速度傳感器。

軋機(jī)壓靠實(shí)驗(yàn)下支撐輥振動(dòng)波形如圖1所示，軋機(jī)機(jī)架振動(dòng)波形如圖2所示。

在軋機(jī)壓靠試驗(yàn)中，軋機(jī)下支撐輥操作側(cè)有周期性振動(dòng)，主頻在100Hz左右，隨著軋制速度的增加，其主頻變化不大。在軋機(jī)空載實(shí)驗(yàn)中，機(jī)架在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5的振動(dòng)均未發(fā)現(xiàn)單一頻率的規(guī)律性振動(dòng)。

4.2 振動(dòng)信號(hào)小波消噪處理

小波函數(shù)選擇：dbN2小波函數(shù)，5層，采用硬閾值處理，對(duì)軋機(jī)在常規(guī)軋制過(guò)程中機(jī)架（測(cè)點(diǎn)1）的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。

在軋機(jī)常規(guī)軋制中，機(jī)架振動(dòng)信號(hào)中含有許多尖峰和突變部分，噪聲并非白噪聲，用一維小波分析的硬閾值消噪處理可以最大程度的保留信號(hào)中關(guān)鍵的特征信息，如圖3所示。

4.3 振動(dòng)信號(hào)小波分層頻率特征分析

將軋機(jī)壓靠試驗(yàn)中下支撐輥的振動(dòng)信號(hào)分為5層，小波函數(shù)：dbN2小波函數(shù)，采用硬閾值處理。在不同層上我們可以看出信號(hào)的不同頻率特征：最低頻層a5反映信號(hào)波形的概貌，最高頻d1層反映信號(hào)局部波形的細(xì)節(jié)，在d1層的150和350采樣點(diǎn)附近的振動(dòng)頻率明顯高于其他位置，如圖4所示。

軋機(jī)振動(dòng)信號(hào)中的突變常表現(xiàn)在某一時(shí)刻內(nèi)，振動(dòng)的幅值發(fā)生突變，在采用小波分析這種奇異性時(shí)，需要選擇合適的尺度，以充分發(fā)揮小波分析良好的局部化分析。

5 結(jié)語(yǔ)

利用虛擬儀器技術(shù)LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)軋機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試與分析。通過(guò)測(cè)試及分析可以看出：在AGC軋機(jī)壓靠過(guò)程中，軋機(jī)下支持輥操作側(cè)產(chǎn)生周期性振動(dòng)。用一維小波分析的硬閾值消噪處理可以最大程度的保留信號(hào)中關(guān)鍵的特征信息，采用軟閾值處理可以觀察到振動(dòng)信號(hào)的奇異性。因此，用小波分析信號(hào)的特征信息，需要選擇合適小波函數(shù)和尺度，才能發(fā)揮其良好的局部化分析功能。

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