鄢小安， 張知行

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，是多個(gè)領(lǐng)域、不同技術(shù)的融合。傳統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)分析主要依賴于特定的儀器，這些儀器成本高、精度低，嚴(yán)重阻礙了振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)的普及[1]。隨著科技的迅猛發(fā)展，虛擬儀器開始進(jìn)入公眾視野，目前有許多學(xué)者對(duì)基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行了研究并取得了成果，但大多數(shù)開發(fā)的系統(tǒng)無法滿足實(shí)際工程的需要，具有使用繁瑣、復(fù)雜和便攜性差等缺點(diǎn)[2-4]。本文以LABVIEW軟件為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一款具有振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析功能的虛擬儀器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，通過滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承故障的有效檢測(cè)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成，硬件是測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是測(cè)試系統(tǒng)的核心。測(cè)試系統(tǒng)的總體構(gòu)成圖如圖1所示。硬件包括振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、采集卡和計(jì)算機(jī)等。信號(hào)的采集工作由傳感器和采集卡來完成，振動(dòng)傳感器將振動(dòng)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過信號(hào)調(diào)理設(shè)備的放大濾波，再經(jīng)過采集卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。軟件是以LABVIEW軟件為平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括測(cè)試系統(tǒng)性能分析、在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和對(duì)已經(jīng)采集的信號(hào)進(jìn)行處理。

2 測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)傳感器

振動(dòng)加速度傳感器主要用于測(cè)量軸承的振動(dòng)，主要是安裝在各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的軸承蓋上。該傳感器將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能夠直接和采集儀器連接，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試的精度和可靠性，廣泛應(yīng)用于航空航天、橋梁、建筑、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。因此，本系統(tǒng)選擇PCB振動(dòng)加速度傳感器。

2.2 振動(dòng)信號(hào)調(diào)理設(shè)備

振動(dòng)信號(hào)調(diào)理設(shè)備是連接傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊的。傳感器直接獲取的振動(dòng)信號(hào)幅值較大，但數(shù)據(jù)采集卡適用的幅值比較窄，而調(diào)理設(shè)備的主要作用是幅值調(diào)節(jié)和濾波。

2.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

NI9234數(shù)據(jù)采集卡是4通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡，能進(jìn)行高精度音頻測(cè)量。NI9234具有102 dB動(dòng)態(tài)范圍，能對(duì)加速度傳感器進(jìn)行軟件可選式集成電路壓電式信號(hào)調(diào)理。因此，本系統(tǒng)選用型號(hào)為NI9234的數(shù)據(jù)采集卡。

3 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主界面的設(shè)計(jì)

為了使程序調(diào)用更加方便，對(duì)系統(tǒng)的主界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體功能的實(shí)現(xiàn)可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單按鈕進(jìn)行操作。所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)的主界面如圖2所示。主界面有四個(gè)按鈕，分別是在線數(shù)據(jù)采集、離線數(shù)據(jù)分析、MATLAB數(shù)據(jù)分析和停止，分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的功能。

圖2 主界面

3.2 在線數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)開在線數(shù)據(jù)采集按鈕，會(huì)呈現(xiàn)通道設(shè)置、定時(shí)設(shè)置、記錄設(shè)置、采集數(shù)據(jù)和觸發(fā)設(shè)置。通道設(shè)置包括物理通道、最大電壓、最小電壓和接線端設(shè)置。在線數(shù)據(jù)采集模塊如圖3所示。

圖3 在線數(shù)據(jù)采集模塊

物理通道是指用于創(chuàng)建虛擬通道的物理通道，與外部相連并收集振動(dòng)信號(hào)，然后在采集數(shù)據(jù)板塊以非線性非平穩(wěn)的波形的呈現(xiàn)，從而跟利于分析振動(dòng)信號(hào)。由于選用的NI9234數(shù)據(jù)采集卡是4通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡，所以在選擇物理通道時(shí)，要選擇0∶3，這樣才能與采集卡的通道對(duì)應(yīng)。

3.3 離線數(shù)據(jù)分析

本文所開發(fā)系統(tǒng)的離線數(shù)據(jù)分析界面如圖4所示，主要包括數(shù)據(jù)保存、信號(hào)時(shí)域分析和頻域分析等功能模塊。系統(tǒng)中信號(hào)的時(shí)域分析具備對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行波形顯示或?yàn)V波后信號(hào)的波形顯示，而頻域分析具備幅值譜、功率譜、自相關(guān)和包絡(luò)譜分析等譜分析功能。本系統(tǒng)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，以TDMS格式進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。后界面子程序如圖5所示。

圖4 離線數(shù)據(jù)分析界面

圖5 后界面子程序

4 滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述

本文采用美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)公布的滾動(dòng)軸承故障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)開發(fā)的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)軸承、扭矩傳感器和測(cè)功機(jī)等組成。在實(shí)驗(yàn)過程中，驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)為SKF6205，風(fēng)扇端軸承為SKF6203，負(fù)載為0 hp，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 797 r/min，共選取了兩組不同類型的軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。選擇的第一組數(shù)據(jù)為文件名IR007_0對(duì)應(yīng)的軸承內(nèi)圈振動(dòng)數(shù)據(jù)，選擇的第二組數(shù)據(jù)為文件名B007_0對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)體振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖6 實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)

4.2 軸承故障特征頻率計(jì)算

式(1)～(3)分別為不同軸承故障特征頻率的理論計(jì)算方程。表1為實(shí)驗(yàn)中測(cè)試軸承的尺寸參數(shù)。根據(jù)表1所示的軸承尺寸參數(shù)，并結(jié)合軸承故障特征頻率計(jì)算公式，可計(jì)算得出各滾動(dòng)軸承故障特征頻率見表2。

表1 軸承尺寸參數(shù)

表2 不同軸承故障特征頻率 Hz

外圈故障頻率：

(1)

內(nèi)圈故障頻率：

(2)

滾動(dòng)體故障頻率：

(3)

式中：fr為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，Z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，d為滾動(dòng)體直徑，D為軸承節(jié)徑，α為接觸角。

4.3 內(nèi)圈故障數(shù)據(jù)分析

通過振動(dòng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)導(dǎo)入文件名為 IR007_0的軸承內(nèi)圈振動(dòng)數(shù)據(jù)，其時(shí)域波形如圖7所示。從圖7可明顯看出，軸承內(nèi)圈振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)出非線性非平穩(wěn)特征，具有較大噪聲干擾，通過直接觀察時(shí)域波形將難以判斷軸承的故障類型。因此，需要采用頻域分析對(duì)其進(jìn)行處理。

圖7 內(nèi)圈振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形

通過開發(fā)的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)，可以計(jì)算軸承內(nèi)圈振動(dòng)信號(hào)的幅值譜和包絡(luò)譜，計(jì)算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。從圖8所示的幅值譜可明顯看出，軸承內(nèi)圈故障頻率被淹沒在多個(gè)共振頻帶中，軸承內(nèi)圈故障特征不明顯。然而，從圖9所示的包絡(luò)譜可明顯看出，高頻成分被解調(diào)到低頻(見紅色譜線)。圖10為軸承內(nèi)圈振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)譜的局部放大圖。顯然，在圖10所示包絡(luò)譜的局部放大圖中，軸承內(nèi)圈故障頻率出現(xiàn)在161.75 Hz左右，這與理論計(jì)算的實(shí)際軸承內(nèi)圈故障頻率162.18 Hz非常接近，在允許的誤差范圍內(nèi)。因此，根據(jù)以上分析結(jié)果，可以推斷出該軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了局部故障，驗(yàn)證了本系統(tǒng)在振動(dòng)信號(hào)分析和軸承故障診斷中的有效性。

圖8 內(nèi)圈振動(dòng)信號(hào)的幅值譜

圖9 內(nèi)圈振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)譜

圖10 內(nèi)圈振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)譜的局部放大圖

4.4 滾動(dòng)體故障數(shù)據(jù)分析

通過振動(dòng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)導(dǎo)入滾動(dòng)體振動(dòng)數(shù)據(jù)。圖11顯示了滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形。從圖11所示的波形圖可以直接看出，滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)也具有強(qiáng)烈的非線性非平穩(wěn)特性，通過直接分析時(shí)域波形無法判別出軸承的故障類型，因此需要對(duì)滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。通過所開發(fā)系統(tǒng)的離線數(shù)據(jù)分析功能，圖12和圖13分別計(jì)算出了滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)的幅值譜和包絡(luò)譜。在圖12所示的幅值譜中，存在多個(gè)高頻共振帶和干擾頻率成分。同理，在圖13所示的包絡(luò)譜中，高頻共振頻率被解調(diào)到了低頻。圖14和圖15分別為滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)譜不同頻段的局部放大圖。從圖14和圖15可清楚地看出，在約為71.8 Hz、137.8 Hz和143.8 Hz處存在明顯的譜線，這與理論計(jì)算的實(shí)際滾動(dòng)體故障頻率141.09 Hz及其半頻70.54 Hz非常接近。因此，根據(jù)分析結(jié)果可以推斷出該軸承滾動(dòng)體出現(xiàn)了局部故障。

圖11 滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形

圖12 滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)的幅值譜

圖13 滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)譜

圖14 滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)譜的局部放大圖1

圖15 滾動(dòng)體振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)譜的局部放大圖2

5 結(jié)論

本文對(duì)虛擬儀器進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，主要包括硬件的配置和虛擬儀器軟件的設(shè)計(jì)，硬件部分包括傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。軟件部分以LABVIEW為平臺(tái)結(jié)合MATLAB設(shè)計(jì)了振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析的虛擬儀器。通過滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承內(nèi)圈和滾動(dòng)體故障的有效檢測(cè)。在后續(xù)研究中，本系統(tǒng)還將繼續(xù)完善，可以在系統(tǒng)中添加包括小波分解[6]、時(shí)頻圖[7]、卷積網(wǎng)絡(luò)[8，10]、智能算法[11-13]等分析功能，更好地進(jìn)行軸承振動(dòng)信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)軸承故障的精確診斷。