基于LabVIEW的機(jī)械振動(dòng)信號分析系統(tǒng)開發(fā)

　　數(shù)據(jù)格式的類型多種多樣，主要有文本文件格式(.txt)、二進(jìn)制格式(.dat)、MATLAB數(shù)據(jù)格式(.mat)等。因此，針對不同格式的數(shù)據(jù)，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(jié)構(gòu)。讀取MATLAB用LabVIEW中的MATLAB Script來實(shí)現(xiàn);讀取文本文件(.txt)和二進(jìn)制文件(.dat)用LabVIEW的Read Lvm節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。

　　存儲(chǔ)分析所得數(shù)據(jù)可以利用LabVIEW的Write Lvm節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

　　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(diào)用子程序的辦法實(shí)現(xiàn)信號分析模塊的開發(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(shù)據(jù)產(chǎn)生的先后順序進(jìn)行計(jì)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(zhuǎn)機(jī)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(tǒng)具有友好的使用界面，方便使用者操作，本系統(tǒng)加入了一些顯示程序，包括指示燈、文件存儲(chǔ)路徑顯示、面板人性化設(shè)計(jì)等。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的三個(gè)主要部件轉(zhuǎn)軸、齒輪、軸承所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了所開發(fā)的基于LabVIEW的信號分析系統(tǒng)的正確性與可行性，主要包括：

　　(1)利用分析轉(zhuǎn)軸數(shù)據(jù)的幅值譜，得出的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速相近;

　　(2)利用轉(zhuǎn)軸時(shí)域分析的自相關(guān)功能，能夠準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(jié)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(jì)算出的頻率與41齒齒輪轉(zhuǎn)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(nèi)圈缺陷的初步診斷。

　　本文僅對最后一項(xiàng)進(jìn)行呈現(xiàn)。

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

　設(shè)單列角接觸球軸承的工作軸轉(zhuǎn)速為n(r/min)，軸承節(jié)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(shù)為Z。假設(shè)滾動(dòng)軸承各滾動(dòng)體和內(nèi)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(jì)算公式如下所示[5]。內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率，即工作軸轉(zhuǎn)頻為：

　　滾動(dòng)體上某一個(gè)固定點(diǎn)通過滾道(包括內(nèi)、外圈)的頻率，簡稱滾動(dòng)體通過頻率：

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

　　根據(jù)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反映軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)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(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)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(yīng)歸一化頻率分量如指針?biāo)荆厧挒?.00412。

　因此，可以計(jì)算對應(yīng)的頻率：

　　f1=fs×0.00412=52.7Hz

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

　　結(jié)語

　　該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：(1)采用當(dāng)前測控領(lǐng)域中極為流行的圖形化編程軟件LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，提高了編程的效率和軟件質(zhì)量。(2)能讀取、存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)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(yīng)的顯示功能。(3)具有友好的人機(jī)交互界面。

　　利用筆者開發(fā)的基于LabVIEW的機(jī)械振動(dòng)信號分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)機(jī)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)際問題。如：利用轉(zhuǎn)子的幅值譜分析推算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;對齒輪的倒譜分析提取相對準(zhǔn)確周期信息，可對其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。對軸承的Hilbert變換分析得到故障的頻率，對應(yīng)于軸承故障特征頻率，得出軸承的故障為內(nèi)圈故障。通過這些問題的研究與解決，也驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性與可行性。本系統(tǒng)已經(jīng)在成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所某設(shè)備振動(dòng)信號監(jiān)控上得到了具體應(yīng)用，效果良好。