基于Labview的機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用

姜小艷 李貴紅

【摘 要】隨著各行各業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)進(jìn)程的迅速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障較難診斷的問(wèn)題愈加突出。為了提高目前機(jī)械設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，基于Labview設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備的故障診斷技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)合相關(guān)企業(yè)機(jī)械設(shè)備的工程實(shí)際，分析了常見(jiàn)機(jī)械設(shè)備故障機(jī)理，闡述了故障診斷系統(tǒng)的組成及工作原理。故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明了，這種診斷技術(shù)具有可行性，并且診斷速度快、結(jié)果準(zhǔn)確、具有較大應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)備；Labview設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)；故障診斷；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TH17；TP393.09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）25-0087-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.038

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)所用機(jī)械設(shè)備的要求主要包括了：設(shè)備安全性、設(shè)備可靠度、設(shè)備經(jīng)濟(jì)性、可用性、維修性幾點(diǎn)。在這些要求中，機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)扮演了極其重要的角色。良好的故障診斷系統(tǒng)可以保障機(jī)械設(shè)備的工作精度、運(yùn)轉(zhuǎn)安全、節(jié)約一定的維修費(fèi)用以及提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是機(jī)械設(shè)備預(yù)先維修的前提和支撐，是目前機(jī)械行業(yè)的研究重點(diǎn)?；贚abview設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究與實(shí)踐應(yīng)用，找出故障原因進(jìn)行深入分析和判斷，最終提出解決對(duì)策以及今后的預(yù)防措施具有重大意義。

1 機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)故障機(jī)理分析

在機(jī)械設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，常見(jiàn)的故障有設(shè)備外殼脫落、腐蝕、變形、動(dòng)力異常以及設(shè)備老化等退化型故障等。這些故障的存在輕則導(dǎo)致設(shè)備性能逐漸衰退甚至完全失去作用，影響正常的企業(yè)生產(chǎn)及運(yùn)作；重則造成安全事故，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。

可以作為機(jī)械設(shè)備的故障診斷和檢測(cè)的信號(hào)有很多，例如機(jī)械振動(dòng)信號(hào)、設(shè)備裂紋、壓力信號(hào)、聲音信號(hào)等[1]。其中，目前企業(yè)中最常用的就是機(jī)械振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)故障診斷的方法。這是因?yàn)榇蟛糠謾C(jī)械設(shè)備的損壞都是由于機(jī)械振動(dòng)引起的。并且聲音以及振動(dòng)信號(hào)所傳達(dá)的信息有很多，機(jī)械故障通過(guò)這種形式反映出來(lái)的比例很高。而聲音及振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生又是由于機(jī)械設(shè)備內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件故障引起的。機(jī)械設(shè)備內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件故障有：轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)子彎曲、不平衡以及油膜震蕩、渦動(dòng)幾個(gè)方面[2]。

（1）轉(zhuǎn)子不平衡：機(jī)械設(shè)備中的回轉(zhuǎn)體主要是指各種傳動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)、葉輪等。在理想情況下，設(shè)備中的回轉(zhuǎn)體運(yùn)行或者不運(yùn)行對(duì)于所承載壓力的軸承應(yīng)該都是一樣的[3]。但是，在目前企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)出現(xiàn)由于選用零件材質(zhì)不均勻、加工及裝配產(chǎn)生誤差等問(wèn)題造成軸承所受壓力和零件產(chǎn)生離心慣性力不平衡的狀況。這種轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題延續(xù)一段時(shí)間，就會(huì)造成零件載荷增加，損壞設(shè)備的故障發(fā)生。

（2）轉(zhuǎn)子不對(duì)中：轉(zhuǎn)子不對(duì)中通常指的是機(jī)械設(shè)備中的兩個(gè)回轉(zhuǎn)體軸承中心線(xiàn)以及軸心線(xiàn)的傾斜或者偏移程度[4]。造成轉(zhuǎn)子不對(duì)中的主要原因包括安裝誤差和制造誤差兩個(gè)方面。其中制造誤差是由于在零件加工過(guò)程中，由于測(cè)量及工藝的原因造成的回轉(zhuǎn)體軸心線(xiàn)與端面不垂直導(dǎo)致的；安裝誤差是由于室溫情況下，對(duì)中不良或者由于溫度因素造成的熱膨脹變形等導(dǎo)致的。

（3）油膜振蕩：機(jī)械設(shè)備中的回轉(zhuǎn)體失去平穩(wěn)狀態(tài)后先發(fā)生半速渦動(dòng)，然后繼續(xù)速度繼續(xù)提高，直到達(dá)到第一臨界轉(zhuǎn)速為止，半速渦動(dòng)現(xiàn)象將會(huì)被更加激烈的臨界轉(zhuǎn)速的共振現(xiàn)象覆蓋，在回轉(zhuǎn)速度超過(guò)第一臨界轉(zhuǎn)速的時(shí)候，回轉(zhuǎn)體又會(huì)回到半速渦動(dòng)的狀態(tài)，這時(shí)候?qū)?huì)半速渦動(dòng)被共振放大，表現(xiàn)為激烈的震動(dòng)，從而導(dǎo)致油膜振蕩現(xiàn)象[5]。

機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障，如果不能及時(shí)診斷原因?qū)?huì)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，甚至引發(fā)災(zāi)難性后果例如，導(dǎo)致人員傷亡或是環(huán)境性后果，機(jī)械故障嚴(yán)重違反環(huán)境保護(hù)政策引起當(dāng)?shù)丨h(huán)境指標(biāo)改變等。所以有必要加深對(duì)機(jī)械故障診斷技術(shù)的研究，確保機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的組成及原理

2.1 機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的組成

（1）系統(tǒng)軟件

Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)是一種類(lèi)似于C語(yǔ)言和Basic語(yǔ)言的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。其與其他程序開(kāi)發(fā)環(huán)境相似的是，都有一個(gè)包括了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、顯示、串口控制、數(shù)據(jù)采集以及GPIB等的完整函數(shù)庫(kù)。不同的是，Labview 設(shè)計(jì)平臺(tái)不基于文本語(yǔ)言產(chǎn)生程序代碼，它使用的是圖形化的G編輯語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，產(chǎn)生的是框圖形式的程序。它盡可能的利用了科學(xué)家、技術(shù)人員、工程師所熟悉的概念、圖標(biāo)、能力，提供了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及儀器編程的快速途徑，利用Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)可以產(chǎn)生單獨(dú)運(yùn)行的可執(zhí)行文件，提供了許多可以支持UNIX、Windows、Macintosh、Linux的多種版本，屬于真正的32/64位的計(jì)算機(jī)編譯器，它主要的方便之處在于，可以在硬件條件不變的情況下，通過(guò)改變軟件的特征，實(shí)現(xiàn)不同的儀表儀器的功能，使用它進(jìn)行機(jī)械設(shè)備故障的診斷技術(shù)研究可以大大提高工作效率。

該機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及處理部分。其中數(shù)據(jù)采集部分主要負(fù)責(zé)收集故障數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分主要負(fù)責(zé)將采集部分收集來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和寫(xiě)入，數(shù)據(jù)處理部分負(fù)責(zé)把這些信息進(jìn)行處理和分析

（2）系統(tǒng)硬件

機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的硬件主要是包括數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)放大器、接口設(shè)備以及各種參數(shù)的傳感器。首先各種參數(shù)的設(shè)備傳感器安裝在機(jī)械設(shè)備機(jī)身可以直接獲取設(shè)備的運(yùn)行信息，然后通過(guò)信號(hào)放大器將提取到的信號(hào)放大，最后通過(guò)系統(tǒng)軟件這些參數(shù)進(jìn)行綜合分析。

2.2 機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的原理

作為一個(gè)成熟的開(kāi)放型編程平臺(tái)，Labview包括了完整的數(shù)據(jù)信號(hào)分析相關(guān)高級(jí)程序，其中包括信號(hào)檢測(cè)、逐點(diǎn)分析、波形測(cè)量、波形發(fā)生等。安裝在機(jī)械設(shè)備上的傳感器通過(guò)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)輸出接收到系統(tǒng)故障傳送出來(lái)的信號(hào)，然后通過(guò)Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)設(shè)備的信息進(jìn)行提取分析故障原因。

（1）時(shí)域分析

時(shí)域分析是在一定的輸入環(huán)境中，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)信息的時(shí)域表達(dá)式，分析機(jī)械設(shè)備的瞬態(tài)、穩(wěn)定性以及穩(wěn)定性能。在Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)的高級(jí)完整版分析庫(kù)中，時(shí)域分析模板的位置在Function的Analyze/Signal Processing/Time Domain的子模板中。時(shí)域分析模板提供了卷積、微分、逆卷積、積分、直流成分檢測(cè)、交流成分檢測(cè)等多種功能。

（2）頻域分析

頻域分析與時(shí)域分析相對(duì)，不分析與時(shí)間有關(guān)的部分，只分析其和頻率有關(guān)的部分。通過(guò)Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)收集的信號(hào)可以透過(guò)傅里葉運(yùn)算在時(shí)域和頻域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)的高級(jí)完整版分析庫(kù)中，頻域分析模板提供了Hillbert變換、小波變換、Hartley變換以及傅里葉變化等函數(shù)。同時(shí)，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)類(lèi)型為L(zhǎng)abview波形數(shù)據(jù)的時(shí)候，其高級(jí)完整分析庫(kù)中提供了Measurments模板中的專(zhuān)用頻域分析函數(shù)VI，使得分析更加方便。

（3）聯(lián)合時(shí)頻分析

傳統(tǒng)的利用Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行機(jī)械設(shè)備故障診斷的分析方法是單獨(dú)進(jìn)行頻域或者始于的分析。這樣的分析方法忽略了部分特定信號(hào)的處理，有一定的缺陷性，所以我們現(xiàn)在改用時(shí)域頻域聯(lián)合分析的方法。利用Joint time frequency analysis可以同時(shí)的處理時(shí)域及頻域信號(hào)。既可以看傳感器輸出的信號(hào)是如何提取的又可以觀(guān)察隨著時(shí)間的變化信號(hào)功率譜的變化情況。

3 故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)踐

結(jié)合上述分析，基于Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)，選取了煤礦機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷和分析。首先在該設(shè)備空轉(zhuǎn)的情形下，對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)軸承進(jìn)行診斷，檢測(cè)過(guò)程中首先需要利用數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行信息收集，知道設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的震動(dòng)曲線(xiàn)，然后對(duì)信號(hào)的時(shí)域頻域進(jìn)行分析。因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)及非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)的波形曲線(xiàn)相差較大，所以通過(guò)對(duì)時(shí)域頻域的分析，可以得出引起這種異常震動(dòng)的原因及具體位置。從而對(duì)煤礦的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行合理的維修更換。

與傳統(tǒng)的方法相比，利用這種虛擬化的電腦平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)診斷，費(fèi)用較低并且更新周期很短。用戶(hù)可以根據(jù)自己對(duì)系統(tǒng)的具體需求開(kāi)發(fā)出適合自己的故障診斷應(yīng)用軟件，而傳統(tǒng)的診斷方法功能較為單一，無(wú)法很好地與時(shí)俱進(jìn)符合用戶(hù)的詳細(xì)需求。因此， Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)的應(yīng)用更加方便快捷的解決了機(jī)械設(shè)備的故障診斷問(wèn)題，有利于該技術(shù)的發(fā)展，更適用于大多數(shù)用戶(hù)和企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)的故障機(jī)理進(jìn)行了分析和闡述，隨后基于Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)，介紹了該機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)硬件、軟件組成以及工作原理。最后選取了煤礦機(jī)械設(shè)備，利用所設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行故障診斷和分析。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)診斷技術(shù)對(duì)相比，基于Labview設(shè)計(jì)平臺(tái)的機(jī)械設(shè)備故障診斷系統(tǒng)功能齊全、價(jià)格低廉、更新周期短，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，更適合大范圍的應(yīng)用和實(shí)踐。

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