劉曉燕，吳 娜，陳宇佳

(中船重工第713 研究所，河南 鄭州450052)

隨著現(xiàn)代化程度的不斷提高，大型機械設備的組成也越來越復雜，造成故障的原因也越來越多，對設備進行故障診斷，及時判斷故障類型及故障位置，可以預防和消除設備故障，保證設備安全運行［1］.大型機械故障診斷的內(nèi)容包括狀態(tài)檢測、分析診斷和故障預測3 個部分，數(shù)據(jù)的采集與分析是設備狀態(tài)檢測的重要組成部分.

LabVIEW 軟件是由美國NI 公司開發(fā)的一種圖形化編程語言，是目前應用較廣的一種開發(fā)軟件.它提供了比較直觀的圖形化編程方式，包含了很多工程應用函數(shù)和模塊化編程，簡單易操作，可節(jié)省大量的開發(fā)時間［2－3］.筆者預設計的基于LabVIEW 的大型機械故障診斷分析系統(tǒng)，實質(zhì)上是將機械的傳統(tǒng)硬件設備與計算機軟件平臺充分結(jié)合起來，設計出更好的人機交互界面［4］.

1 系統(tǒng)組成

該故障診斷分析系統(tǒng)包括:機械硬件驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡(振動信號采集系統(tǒng))和計算機(故障診斷分析系統(tǒng))等，流程如圖1所示.同時，在設計該系統(tǒng)時，應充分考慮各方因素，確保系統(tǒng)的先進性、可靠性和實用性.

該系統(tǒng)軟件平臺顯示主界面主要包括:模擬信號分析系統(tǒng)、頻域分析系統(tǒng)和相關(guān)分析系統(tǒng).其中模擬信號分析系統(tǒng)是針對軟件生成的模擬信號. 頻域分析系統(tǒng)和相關(guān)分析系統(tǒng)是和數(shù)據(jù)采集接口相連的，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析判斷.

圖1 故障診斷系統(tǒng)設計流程

2 系統(tǒng)設計

2.1 數(shù)據(jù)采集接口設計

針對該診斷系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集接口是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源的關(guān)鍵，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響后續(xù)對數(shù)據(jù)的處理，因此數(shù)據(jù)采集接口設計時，傳感器、數(shù)據(jù)采集卡的選取尤為重要. 該接口設計選用美國PCB公司生產(chǎn)的352C65 型加速度傳感器和北京京航公司生產(chǎn)的HG－8900 系列采集箱. 數(shù)據(jù)采集接口的程序框圖如圖2所示.

通過傳感器測量得到的加速度信號是模擬電信號，對模擬信號進行處理，再通過數(shù)據(jù)采集接口將處理后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸給計算機進行分析處理.信號調(diào)理是兩者之間的橋梁，負責將傳感器輸出的信號和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號類型聯(lián)系起來.

圖2 數(shù)據(jù)采集接口的程序框圖

2.2 模擬信號分析模塊設計

模擬信號系統(tǒng)利用由仿真信號生成的正弦、方波、三角等信號進行模擬分析，對模擬信號加窗將改變時域信號及其頻譜的形狀，對加窗后的信號進行周期延拓，可以很大程度上減少信號的不連續(xù)性.以正弦信號為例，給出正弦信號在加窗時的幅值譜程序，如圖3所示.

圖3 正弦信號加窗時的幅值譜程序圖

2.3 頻域分析模塊設計

頻域分析是大型機械故障診斷分析中最常用且最重要的信號分析方法，實際工作中所測得的振動信號大部分為時域信號，然而故障的發(fā)生往往會引起信號的頻率結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化.因此，為了通過所測得的時域信號分析大型機械故障所在，往往需要分析振動信號的頻域信息［5］. 將時域信號通過傅立葉變換變換為頻域信號進而加以分析的方法稱為頻域分析法.頻域分析法是基于信號的頻譜分析展開的，頻域分析系統(tǒng)是應用數(shù)據(jù)采集的軟件分析平臺，通過傳感器、采集箱和采集接口將數(shù)據(jù)采集上來，對采集到的數(shù)據(jù)進行頻域分析. 頻域分析系統(tǒng)分為線性譜圖分析和對數(shù)譜圖分析. 線性譜圖分析的特點是比較直觀，但不易發(fā)現(xiàn)許多弱故障信號.針對這種情況，可以使用對數(shù)譜圖進行分析.對數(shù)譜圖包括幅值譜、功率譜、功率倒頻譜等. 頻域分析系統(tǒng)的程序如圖4所示.

圖4 頻域分析系統(tǒng)線的程序框圖

2.4 相關(guān)分析模塊設計

自相關(guān)函數(shù)是用來確定隨機信號中周期性信號或固定性信號的，是大型機械振動信號在時間軸上的描述，用于識別振源，進而分析故障原因，判斷故障點及故障類型.自相關(guān)分析界面如圖5所示.

圖5 自相關(guān)分析的程序框圖

3 系統(tǒng)主界面設計

主界面是進入數(shù)據(jù)采集及故障診斷的人機交互界面，反映了軟件的各項功能.該系統(tǒng)界面采用了模塊化的設計思想，每個功能的實現(xiàn)由獨立的模塊完成.系統(tǒng)主界面程序如圖6所示.

圖6 故障診斷系統(tǒng)主界面的程序框圖

4 結(jié) 語

利用LabVIEW 軟件的優(yōu)勢，開發(fā)出大型機械故障診斷的軟件平臺，將傳感器采集到的振動信號通過數(shù)據(jù)采集接口傳遞到計算機上進行數(shù)據(jù)分析，并判斷故障原因及故障點. 該系統(tǒng)簡單明了，形象直觀，易于操作，人機交互性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各種硬件設備所能實現(xiàn)的功能.

［1］黃文虎，夏松波，劉瑞巖，等. 設備故障診斷原理、技術(shù)及應用［M］.北京:科學出版社，1996.

［2］楊樂平，李海濤，肖相生. LabVIEW 程序設計與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［3］National Instruments.LabVIEW User Manual［M］.Texas:NI，2001.

［4］趙永立，楊建成，張玉紅.基于LabVIEW 的虛擬振動測試分析系統(tǒng)［J］.天津工業(yè)大學學報，2006，25(4):77－80.

［5］鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997:78－79.