基于虛擬儀器技術的機械設備故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)研究

楊帆 張文娟 孫劍偉 王折

摘要：機械設備在工作中容易出現(xiàn)各種問題，需要及時的發(fā)現(xiàn)并且解決問題才不會造成過大的損失，所以需要有一個機械設備故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于提高機械設備的工作效率和使用壽命。于是文章將虛擬儀器技術運用到系統(tǒng)的設計中。首先對虛擬儀器進行介紹，然后再對系統(tǒng)的硬件和軟件進行設計和實現(xiàn)，最后通過實例研究，檢驗該系統(tǒng)是否能夠較好的對機械設備故障進行監(jiān)測及診斷。實驗結果表面，該系統(tǒng)能夠較好的完成機械設備故障的監(jiān)測及診斷，

關鍵詞：虛擬儀器技術;機械設備;檢測及診斷系統(tǒng)

中圖分類號：TH165+.3;TP274

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0133-05

1 虛擬儀器簡介

虛擬儀器的主要核心就是計算機，是通過計算機的顯示功能對儀器進行設計或者是自定義，來表達出所需要檢測的結果，計算機有著非常強大的功能，可以利用計算機對數(shù)據進行分析處理[1]。虛擬儀器之所以具有非常強大的功能就是結合了多方面的應用，即將計算機、硬件和軟件三者進行有機結合。本質上講，虛擬儀器就是首先通過硬件系統(tǒng)對信號進行收集，然后將處理好的信號數(shù)據輸入到計算機中，通過軟件對數(shù)據進行分析處理，最后就是將得出的監(jiān)測結果通過控制面板顯示出來[2]。虛擬儀器的3個組成部分結構如圖1所示。

虛擬儀器的硬件組成部分的主要作用就是給計算機與測試控制系統(tǒng)之間提供1個接口，一般情況下，接口方式分為總線型和板卡式，這2種接口方式有所曲線，其中板卡式用起來會非常的方面，直接將卡插到相應的槽中，但是其應用比較受到局限，而總線型的方式就具有很好的通用性，能夠與很多類型的總線進行相連接[3-4]。在實驗室中，最為常用的接口方式就是卡板式，它的組成結構主要包含著傳感器、計算機、數(shù)據采集卡和信號調理設備，如圖2所示[2]。

2 監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的硬件設計和實現(xiàn)

硬件設計中主要包含著3個部分的選型，分別為傳感器、信號調理器和數(shù)據采集卡嘲。其中傳感器的選擇是根據振動信號特點進行選擇的，選擇了ZA21電渦流位移傳感器和PCB壓電式加速度傳感器[6]。信號調理器選擇的是美國生產的PCB型4通道信號調理器。數(shù)據采集卡是根據采樣率、通道數(shù)和精度對其進行選擇，選擇了PCl1712采集卡[7]。于是可以得到系統(tǒng)的硬件構成如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件設計和實現(xiàn)

軟件作為系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用就是對數(shù)據進行采集并且對其進行處理和管理，是系統(tǒng)必不可少的組成部分，所以對軟件進行設計時，需要包含3個方面的功能，需要對這3個功能進行設計，分別為數(shù)據采集程序的設計、信號處理程序的設計和數(shù)據管理模塊程序的設計。完成設計之后，其系統(tǒng)軟件的主要結構圖如圖4所示。

圖5就是系統(tǒng)軟件的總體程序界面，其中包含著4個對話框，分別為數(shù)據庫設置、數(shù)據采集、信號處理和退出系統(tǒng)。通過選擇界面上的對話框，就可以進入到不同的界面進行問題解決。

3 機械設備故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的功能檢測

3.1 齒輪箱的結構介紹

在機械設備中，齒輪箱作為其中非常重要組成部分，其主要作用就是連接和傳遞動力，尤其在金屬切割機床、冶金機械、電力系統(tǒng)、運輸機械等機械設備中具有非常廣泛的應用[8]。因為齒輪箱的結構非常復雜，且其工作環(huán)境較為惡劣，當然還有其他的一些原因容易導致齒輪箱出現(xiàn)故障，就會造成嚴重的經濟損失和人員傷亡后果。所以本文將機械設備的齒輪作為實驗對象，用檢測及診斷系統(tǒng)對其進行檢查。

本文選擇圓柱齒輪，其中輸入軸聯(lián)軸器沒有對中，就會造成結果受到影響。圖6就是齒輪箱結構圖。圖中A點代表的是鍵相信號采集處，B、C和D點表示的是采樣點，需要設置傳感器。齒輪箱的參數(shù)如表1所示。

3.2 實驗數(shù)據分析

結合表1齒輪箱的相關參數(shù)，根據公式可以得到每個軸的轉頻和每個軸的嚙合頻率，分別如表2和表3所示。該數(shù)據的計算有利于后續(xù)數(shù)據的分析。

由于本實驗中是模擬齒輪箱的中間軸齒輪存在問題，于是選擇靠近中間軸齒輪的傳感器的數(shù)據進行分析。得到的結果如表4和表5所示，表4是不同轉速下正常齒輪和異常齒輪的有量綱參數(shù)變化情況，表5是不同轉速下正常齒輪和異常齒輪的無量綱參數(shù)變化情況。

從表4和表5中可以看出，當齒輪從正常變?yōu)楣收蠒r，其無量綱和有量綱參數(shù)都變大;當轉速越來越大時，其無量綱和有量綱參數(shù)隨之都變大;當齒輪的狀態(tài)發(fā)生變化，峭度的變化是非常的明顯，然后裕度值和脈沖值的變化也不小，然而波形指標的變化不明顯，固峭度的靈敏度很高，對機械設備進行早期診斷時可以將其作為依據。從上表可以看出，當轉速為2163r/min時發(fā)生故障比較明顯，所以需要對其進一步分析。

齒輪發(fā)生問題時其信號是比較復雜的，通過自相關函數(shù)可以識別其信號的周期成分，所以對其進行自相關處理的結果如圖7所示。從圖7中可以看出，存在有規(guī)律性的振動，其中幅值較大的沖擊周期時間為0.027s，其較小的周期時間為0.068s。幅值較大的對應的是輸入軸，較小的對應中間軸。

由于信號的幅值比較小，不容易觀察其效果，通過自功率譜可以將信號幅值擴大為其平方，就可以更加明顯的觀察到效果。圖8就是對信號進行自功率譜分析的結果圖，從圖中可以非常明顯的看出三階段嚙合頻率諧波，由于其中無法明顯的看到頻帶結構，于是對其進行細化處理，處理結構如圖9所示。

從圖9中可以看出，當嚙合頻率達到937.465Hz時，其左右存在不對稱的變頻帶，輸入軸存在較大的幅值，中間軸的幅值較小，可以看出輸入軸齒輪嚙合也有問題。

經過上述的功率譜分析之后，還需要對信號進行倒頻譜分析，因為倒頻譜分析其傳遞路徑對結果的影響比較小，所以可以高質量的完成功率譜上的周期成分。倒頻譜分析的結果如圖10所示。從圖中可以明顯的看出當周期成分為0.027s時，其對應的輸入軸轉頻為37Hz，其中中間軸的周期成分還看出來。

對機械設備故障進行檢測時，需要采用合適的方式對故障特征進行提取，本文所采用的方式就是Hilbert-小波包絡解調法。將尺度設定在1-10之間，所以所得到的小波變化結果如圖11所示。從圖中可以看出，出現(xiàn)了0.027s的沖擊振動，改時間正好與輸入軸的周轉時間一樣，可以推出輸入軸的嚙合是存在問題有故障的。中間軸是否存在問題還不明顯。圖12為譜熵的變化趨勢，譜熵是根據不同的尺度下的包絡譜進行計算得來的。讓尺度為4時，將其作為一個監(jiān)測尺度，然后將該尺度下的故障特征的頻率變化情況作為依據，對齒輪是否發(fā)生故障進行監(jiān)測，并且監(jiān)測齒輪故障的變化情況。

當尺度為4時，其中對應的小波包絡譜如圖13所示，從圖中可以明顯的看出出現(xiàn)了調制頻率14Hz、37Hz和倍頻，從中可以證明中間軸64齒的齒輪存在故障。所以通過對對齒輪的故障檢測和診斷，可以發(fā)現(xiàn)與齒輪出現(xiàn)問題的地方相互吻合，所以可以得到出結論中間軸64齒的齒輪有著局部的故障。

4 結語

綜上所述，通過虛擬儀器技術設計機械設備故障的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)具有非常中要的作用，該系統(tǒng)在實際的應用過程中能夠具有較好的監(jiān)測和診斷效果。隨著其應用時間的不斷加長，該系統(tǒng)可能會存在一定的問題，當不斷的發(fā)現(xiàn)問題，并且解決問題時，該系統(tǒng)將會變得更加成熟，應用與機械設備故障監(jiān)測中將會具有更好的效果，更有助于機械設備的效率。

參考文獻

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[2]金劍，潘宏俠.虛擬儀器技術在機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應用[J].煤礦機械，2014，35（8）：273-276.

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[8]許雪貴，徐文琴，齒輪箱故障的振動機理與故障特征研究[J].機械制造與自動化，2012，41（4）：74-77.

作者簡介：楊帆（1990-），男，陜西武功人，碩士研究生，講師，主要研究方向：計算機輔助分析。E-mail： 263324242@qq.com

基金項目：海洋腐蝕與防護重點實驗室開放研究基金項目（ No.61429010102）