機械振動(dòng)信號分析系統開(kāi)發(fā)

　　數據格式的類(lèi)型多種多樣，主要有文本文件格式(.txt)、二進(jìn)制格式(.dat)、MATLAB數據格式(.mat)等。因此，針對不同格式的數據，LabVIEW需要采用不同的程序進(jìn)行讀取。

　　文件的讀取模塊主體采用了選擇結構。讀取MATLAB用LabVIEW中的MATLAB Script來(lái)實(shí)現;讀取文本文件(.txt)和二進(jìn)制文件(.dat)用LabVIEW的Read Lvm節點(diǎn)來(lái)實(shí)現。

　　存儲分析所得數據可以利用LabVIEW的Write Lvm節點(diǎn)實(shí)現。

　　信號分析模塊

　　信號的分析處理主要分成三各部分：幅域分析、時(shí)域分析以及頻域分析。采用模塊化程序進(jìn)行編程。分別將幅域分析、時(shí)域分析以及頻域分析三部分做成子程序，采用主程序調用子程序的辦法實(shí)現信號分析模塊的開(kāi)發(fā)。

　　幅域主要包括峰峰值、均方根值、直流量、峭度、斜度以及波形最大值、最小值的分析;時(shí)域分析是按照信號的時(shí)間順序，即數據產(chǎn)生的先后順序進(jìn)行計量分析。頻域分析是將時(shí)域信號變換至頻域加以分析的方法。針對旋轉機械，主要包括幅值譜、相位譜、功率譜、倒譜、Hilbert變換。

　　顯示模塊及裝飾

　　為了確保系統具有友好的使用界面，方便使用者操作，本系統加入了一些顯示程序，包括指示燈、文件存儲路徑顯示、面板人性化設計等。

　　實(shí)驗結果

　　對旋轉機械的三個(gè)主要部件轉軸、齒輪、軸承所采集的數據進(jìn)行分析，并與實(shí)際參數進(jìn)行了比較，驗證了所開(kāi)發(fā)的基于LabVIEW的信號分析系統的正確性與可行性，主要包括：

　　(1)利用分析轉軸數據的幅值譜，得出的轉軸轉速與實(shí)際轉速相近;

　　(2)利用轉軸時(shí)域分析的自相關(guān)功能，能夠準確識別信號的周期;

　　(3)利用幅域分析以及頻域中的幅值譜、功率譜對齒輪數據進(jìn)行分析，并與齒輪異常圖及其振動(dòng)特征比較，得出齒輪的初步故障診斷結果為齒輪表面磨損，有局部缺失，與實(shí)際情況相符;

　　(4)利用倒譜計算出的頻率與41齒齒輪轉頻相近;

　　(5)利用軸承信號在頻域的Hilbert變換得出了軸承存在內圈缺陷的初步診斷。

　　本文僅對最后一項進(jìn)行呈現。

　　本文采用的數據為單列深溝球軸承的數據，所涉及到的滾動(dòng)軸承試件類(lèi)型為GB6203，試件基本參數如表1所示，軸承所在軸的轉頻約為12Hz，采樣頻率fs=12800Hz。

　設單列角接觸球軸承的工作軸轉速為n(r/min)，軸承節徑為D(mm)，滾動(dòng)體直徑為d(mm)，接觸角為b(rad)，滾動(dòng)體個(gè)數為Z。假設滾動(dòng)軸承各滾動(dòng)體和內外圈表面間的接觸方式為純滾動(dòng)接觸。其故障特征頻率計算公式如下所示[5]。內圈旋轉頻率，即工作軸轉頻為：

　　滾動(dòng)體上某一個(gè)固定點(diǎn)通過(guò)滾道(包括內、外圈)的頻率，簡(jiǎn)稱(chēng)滾動(dòng)體通過(guò)頻率：

　　在工程中，這三個(gè)通過(guò)頻率fbp、fip和fop又常被稱(chēng)作滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體故障特征頻率、內圈故障特征頻率和外圈故障特征頻率[6]。

　　根據公式(1)~(4)可以得到故障特征頻率理論值如表2所示。

　　工程中多采用頻域分析方法來(lái)反映軸承的運轉狀態(tài)[7]。頻域上分析又分為幅值譜、相位譜、功率譜以及Hilbert變換。這里主要利用軸承信號Hilbert變換對系統進(jìn)行驗證。

　　單列深溝球軸承信號的Hilbert變換如圖4所示。由圖中可以看出，幅值較大處所對應歸一化頻率分量如指針所示，邊帶帶寬為0.00412。

　因此，可以計算對應的頻率：

　　f1=fs×0.00412=52.7Hz

　　這與參考的內圈故障特征頻率fin=51.9Hz(如表2)十分相近,可以得出診斷結果：軸承存在內圈缺陷。這與實(shí)際情況一致。

　　結語(yǔ)

　　該系統具有如下特點(diǎn)：(1)采用當前測控領(lǐng)域中極為流行的圖形化編程軟件LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺，提高了編程的效率和軟件質(zhì)量。(2)能讀取、存儲不同類(lèi)型的數據格式，從幅域、時(shí)域、頻域三個(gè)角度對信號進(jìn)行分析處理，正確提取信號特征，并具有相應的顯示功能。(3)具有友好的人機交互界面。

　　利用筆者開(kāi)發(fā)的基于LabVIEW的機械振動(dòng)信號分析系統，可以實(shí)現對旋轉機械的主要部件的振動(dòng)信號進(jìn)行分析處理，解決了一些實(shí)際問(wèn)題。如：利用轉子的幅值譜分析推算出轉子的轉速;對齒輪的倒譜分析提取相對準確周期信息，可對其運轉狀態(tài)進(jìn)行監測。對軸承的Hilbert變換分析得到故障的頻率，對應于軸承故障特征頻率，得出軸承的故障為內圈故障。通過(guò)這些問(wèn)題的研究與解決，也驗證了系統的正確性與可行性。本系統已經(jīng)在成都飛機設計研究所某設備振動(dòng)信號監控上得到了具體應用，效果良好。