基于虛擬儀器的橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)檢測評價(jià)系統(tǒng)

，　，　

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊　050043；2. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州　450000；3.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院，河北 石家莊　050051)

0　引言

起升機(jī)構(gòu)是起重機(jī)重要的工作機(jī)構(gòu)之一，主要由電動機(jī)、制動器、浮動軸、聯(lián)軸器、減速器、卷筒、滑輪組、吊鉤和鋼絲繩組成，擔(dān)負(fù)著物品的提升和轉(zhuǎn)移工作，是起重機(jī)運(yùn)行最頻繁的機(jī)構(gòu)，起升機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行對起重機(jī)至關(guān)重要。電動機(jī)是起升機(jī)構(gòu)的動力源，減速器是起升機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)中的重要部件，二者都是容易出現(xiàn)故障的部件。本文采用振動信號檢測對電動機(jī)和減速器進(jìn)行故障診斷，用油液分析進(jìn)一步診斷減速器故障。LabVIEW是一款圖形化編程語言，人機(jī)界面直觀友好，為了便于信號處理、數(shù)據(jù)管理與分析、評價(jià)過程的實(shí)現(xiàn)，開發(fā)了基于虛擬儀器平臺的檢測評價(jià)軟件。

1　振動信號時(shí)、頻域分析

1.1　振動信號時(shí)域分析

振動時(shí)域指標(biāo)分為有量綱和無量綱兩種。有量綱量包括：最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、均方值、方根幅值、平均幅值、均方幅值和峰值，無量綱量包括：峭度、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)和裕度指標(biāo)，有量綱量指標(biāo)依賴歷史數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)速、載荷變化較敏感，無量綱量不受型號、載荷和轉(zhuǎn)速影響。方差能直接反映振動能量的大小，均方幅值能對表面裂紋等具有無規(guī)則振動波形的異常做出恰當(dāng)評價(jià)，峰值和峰值因子可反映軸承早起的表面損傷，峭度在軸承故障發(fā)展過程中表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性[1]。

1.2　振動信號頻域分析

振動信號的頻域分析包括幅值譜、功率譜、ZOOM-FFT細(xì)化譜、倒頻譜、Hilbert包絡(luò)譜分析。這些方法用于識別電動機(jī)或減速器的故障時(shí)可單獨(dú)或結(jié)合使用。

1.2.1ZOOM-FFT細(xì)化譜

細(xì)化譜分析是通過提高頻譜中選定的頻帶頻率分辨率來細(xì)化和放大局部頻譜的一種方法，包括：移頻、數(shù)字低通濾波、整倍數(shù)抽取(重采樣)、FFT及譜分析、頻率調(diào)整5個(gè)步驟[2]。

1.2.2Hilbert包絡(luò)譜

希爾伯特(Hilbert)包絡(luò)是時(shí)域信號絕對值的包絡(luò)，可以從信號中提取調(diào)制成分。對信號x(t),其希爾伯特(Hilbert)變換為

(1)

由x(t)及其希爾伯特變換構(gòu)成x(t)的解析信號z(t)為

(2)

則信號的希爾伯特包絡(luò)定義為

(3)

2　鐵譜分析技術(shù)

摩擦副失效是引起減速器故障的主要因素，處于異常磨損階段的摩擦副，磨損率較高，同時(shí)不同磨損失效形式產(chǎn)生相應(yīng)特征的磨粒。齒輪的磨損磨粒有以下特征：磨粒表面有局部氧化痕跡，齒根或齒頂附近表面產(chǎn)生較大的有劃痕的滑動磨損磨粒，在節(jié)線附近產(chǎn)生無劃痕的片狀、層狀疲勞磨損磨粒。軸承磨損磨粒的特征：球狀磨粒，片狀、層狀的疲勞磨損磨粒[3]。另外，測定油液中磨粒的含量也是判定零件磨損情況的重要手段。

對磨粒外形的觀察依靠分析式鐵譜儀實(shí)現(xiàn)，分析式鐵譜儀由制譜儀與鐵譜顯微鏡兩部分組成。利用制譜儀制成鐵譜基片，放置在鐵譜顯微鏡下觀察，也可將顯微鏡成像傳入計(jì)算機(jī)。油液磨粒含量的測定利用直讀式鐵譜儀實(shí)現(xiàn)，測定時(shí)可得到反映磨粒含量的兩個(gè)參數(shù)DL與DS。

3　模糊層次綜合評價(jià)法

3.1　模糊層次綜合評價(jià)法評價(jià)橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)基本思路

按照功能相關(guān)原則[4]并參照TSG Q7015—2008起重機(jī)定期檢驗(yàn)規(guī)則[5]對起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行指標(biāo)體系的劃分，指標(biāo)體系劃分為A層、B層、C層。A層為橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，B層包括B1電動機(jī)、B2減速器、B3零部件、B4性能試驗(yàn)和B5安全保護(hù)裝置共5個(gè)指標(biāo)。B層又可細(xì)分為19個(gè)C層指標(biāo)，如圖1所示。

圖1　起升機(jī)構(gòu)評價(jià)指標(biāo)體系

各評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)集采用4級劃分，即良好、容許、可容許、不允許。要得到評價(jià)集需要確定指標(biāo)對于4級評級等級的隸屬度，隸屬度可以由專家依據(jù)起升機(jī)構(gòu)相關(guān)檢測分析結(jié)果通過打分得到。在指標(biāo)體系中，各個(gè)指標(biāo)相對于上層指標(biāo)的重要程度不同，使用權(quán)重系數(shù)對各個(gè)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行量化。

3.2　模糊層次綜合評價(jià)法評價(jià)橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)基本步驟

運(yùn)用模糊層次分析法評價(jià)橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的基本步驟如下。

(1)確定評語等級。根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的健康狀況，將起升機(jī)構(gòu)的健康狀況劃分為4類，相應(yīng)的評語集為{Ⅰ類(良好)、Ⅱ類(容許)、Ⅲ類(可容許)、Ⅳ(不允許)}，可表示為V={v1,v2,v3,v4}。

(2)確定評價(jià)指標(biāo)體系。評價(jià)指標(biāo)是評定起升機(jī)構(gòu)健康等級的要素，建立科學(xué)的評價(jià)指標(biāo)體系可以使評價(jià)結(jié)果更加真實(shí)可信。在這里，確定影響起升機(jī)構(gòu)整體健康狀況的因素論域B={B1,B2,B3,B4,B5}，Bi為一級評價(jià)指標(biāo)，將一級評價(jià)指標(biāo)按其對應(yīng)的二級指標(biāo)分解為B1={C1,C2,C3,C4,C5}，B2={C6,C7,C8,C9,C10}，B3={C11,C12,C13,C14,C15}，B4={C16}，B5={C17,C18,C19}。

(4)確定權(quán)重系數(shù)。在評價(jià)指標(biāo)體系中，各個(gè)指標(biāo)對所屬的上一級指標(biāo)的重要程度不同，這就需要對每個(gè)指標(biāo)賦予權(quán)重，指標(biāo)權(quán)重系數(shù)通過層次分析法得到。指標(biāo)B1～B5的權(quán)重用權(quán)重向量D表示，D={D1,D2,D3,D4,D5}，Di為Bi的權(quán)重值。同理，指標(biāo)C1～C5、C6～C10、C11～C15、C16、C17～C19的權(quán)重分別用向量W1、W2、W3、W4、W5、W6表示。

(5)構(gòu)建模糊層次分析模型。將二級指標(biāo)權(quán)重向量Wi與其評價(jià)矩陣Ri采用加權(quán)平均算子“·”[6]進(jìn)行合成運(yùn)算，計(jì)算得到一級指標(biāo)的評價(jià)向量為

Ei=Wi·Ri=(ei1,ei2,ei3,ei4),i=1,2,3,4,5

(4)

一級指標(biāo)的評價(jià)向量構(gòu)成一級指標(biāo)評價(jià)矩陣R={E1,E2,E3,E4,E5}，已知一級評價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量為D，則起升機(jī)構(gòu)整體的評價(jià)向量為

(5)

根據(jù)最大隸屬度原則，若fm=max{f1,f2,f3,f4}，則該起升機(jī)構(gòu)的健康等級屬于vm。

4　基于虛擬儀器的檢測評價(jià)系統(tǒng)開發(fā)

4.1　振動檢測硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

振動檢測系統(tǒng)的硬件主要包括4部分：傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和個(gè)人計(jì)算機(jī)。振動加速度傳感器選用的是IEPE壓電加速度傳感器：LK411-27-3與LK411-19。信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集采用的是CompactDAQ便攜式采集儀，由NI-9233數(shù)據(jù)采集卡與NI cDAQ 9172機(jī)箱組成。

4.2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW實(shí)現(xiàn)編程。LabVIEW是圖形化編程語言，具有簡單直觀、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，可與儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫銜接，作為功能強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺被廣泛應(yīng)用。

(1)軟件的總體構(gòu)架。主程序模塊提供了各個(gè)功能子模塊的入口；信號采集模塊負(fù)責(zé)振動信號的采集；信號分析模塊對采集的振動信號時(shí)、頻域進(jìn)行分析；通過鐵譜分析模塊對磨損類型與磨損狀態(tài)進(jìn)行判定，將判定結(jié)果及油樣磨粒濃度參數(shù)、結(jié)果錄入系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理模塊完成對數(shù)據(jù)的存儲、歷史查詢、趨勢分析等功能；模糊評價(jià)模塊實(shí)現(xiàn)對起升機(jī)構(gòu)的評級。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

(2)信號采集與分析。信號采集模塊可實(shí)現(xiàn)4通道信號同時(shí)采集，信號分析模塊包括時(shí)域統(tǒng)計(jì)量計(jì)算與幅值譜、功率譜、倒頻譜、包絡(luò)譜、細(xì)化譜等頻譜分析及加速度積分功能。數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行如圖3所示，信號分析程序如圖4所示。

(3)鐵譜分析。該模塊將磨損類型分為12類，包括：正常磨損、疲勞磨損、球粒、層狀磨損、嚴(yán)重磨損、切削磨損、腐蝕磨損、氧化磨損、暗金屬磨粒、有色金屬磨粒、非金屬結(jié)晶體和非金屬非晶體。該模塊將磨損狀態(tài)分為極低、正常、嚴(yán)重、報(bào)警4種并提供了參考圖譜，用戶根據(jù)參考圖譜或自制圖譜來判定磨損類型與磨損狀態(tài)。

圖2　軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖3　振動信號采集

圖4　振動信號分析

(4)數(shù)據(jù)管理。將LabVIEW與Microsoft Access相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了振動波形、磨粒圖片等數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫的存儲、查詢、調(diào)用功能。如圖5所示，鐵譜三線值分析程序從數(shù)據(jù)庫中讀取油液檢測DL、DS歷史數(shù)據(jù)繪制成趨勢分析曲線。圖6所示程序可查詢磨粒與振動測點(diǎn)圖片。

圖5　鐵譜三線值分析程序

圖6　振動測點(diǎn)、磨粒圖片查詢程序

圖7　安全保護(hù)裝置評價(jià)程序

(5)模糊層次綜合評價(jià)程序。圖7所示程序?yàn)槟：龑哟尉C合評價(jià)程序的安全保護(hù)裝置評價(jià)部分，該程序的輸入為從屬安全保護(hù)裝置的二級評價(jià)指標(biāo)隸屬度值及其判斷矩陣，輸出為安全保護(hù)裝置評價(jià)向量、二級指標(biāo)權(quán)重向量、一致性比率。二級指標(biāo)隸屬度值與判斷矩陣可由專家打分得到。一致性比率表示了判斷矩陣的一致性，當(dāng)一致性不滿足要求時(shí)需要調(diào)整判斷矩陣。同理，其它一級指標(biāo)的評價(jià)向量和起升機(jī)構(gòu)整體的評價(jià)向量只要在該程序的基礎(chǔ)上改變隸屬度輸入與判斷矩陣輸入就可得到其評價(jià)向量。

5　檢測、評價(jià)實(shí)例

對某型號橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了減速器與電動機(jī)的振動檢測并對減速器潤滑油進(jìn)行了油液分析。減速器型號為ZQ1000-48.57-3CA，輸入軸轉(zhuǎn)速為591 r/min,3根軸的轉(zhuǎn)頻依次為fr1=9.85 Hz，fr2=1.23 Hz，fr3=0.2 Hz，齒輪嚙合頻率依次為fM1=108.35 Hz，fM2=17.23 Hz。軸承的型號依次為30 318、32 230、32 236，軸承故障特征頻率如表1所示。

表1　軸承故障特征頻率　Hz

由高速軸到低速軸對軸編號1、2、3，依次在3個(gè)軸的軸承座附近布置傳感器采集振動加速度信號，軸1振動頻譜如圖8所示，圖中清晰可見108.35 Hz的嚙合頻率及其2倍頻216.32 Hz與3倍頻325.13 Hz處的譜線，在軸承外圈故障頻率64.76 Hz處也出現(xiàn)明顯的譜線，說明軸承30 318存在外圈故障。

對軸2采集的振動信號進(jìn)行300～350 Hz帶通濾波并進(jìn)行包絡(luò)分析，其包絡(luò)譜如圖9所示，從圖中可以看到軸1的一階轉(zhuǎn)頻fr1=9.868 Hz，軸1的二階轉(zhuǎn)頻2fr1=19.727 Hz，軸2的一階轉(zhuǎn)頻fr2=1.217 Hz，軸2的二階轉(zhuǎn)頻2fr2=2.483 Hz，說明高速級的一對齒輪存在故障。

圖8　信號0～500 Hz細(xì)化譜

圖9　信號包絡(luò)譜

圖10　電動機(jī)振動信號功率譜

電動機(jī)型號為YZR280M-10，轉(zhuǎn)速為591 r/min，在其軸承座附近采集振動信號作出功率如圖10所示，可以看到轉(zhuǎn)動頻率的2倍頻及4倍頻處諧波成分，并且存在轉(zhuǎn)頻的高次諧波，說明存在轉(zhuǎn)子不對中故障。

將減速器潤滑油置于試管中觀察發(fā)現(xiàn)，油液呈不透明的黑色，說明其磨粒含量已經(jīng)很高，在顯微鏡下觀察用此潤滑油制作的鐵譜基片，用透射光與反射光一同使用，磨粒圖片如圖11所示，未發(fā)現(xiàn)異常磨損磨粒，用偏振光觀察如圖12所示，發(fā)現(xiàn)較多非金屬顆粒。通過顯微鏡觀察推斷減速器無異常磨損，潤滑油被塵土污染。

使用模糊層次分析法得到評價(jià)向量F=(0.312,0.332,0.231,0.125)，向量值從左到右依次代表起升機(jī)構(gòu)屬于良好、容許、可容許、不允許4種狀態(tài)的隸屬度，依據(jù)最大隸屬度原則該起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)健康狀況屬于容許，即起升機(jī)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)輕微故障但不影響其正常工作。

圖11　磨粒

圖12　非金屬顆粒

6　結(jié)論

基于虛擬儀器的橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)檢測評價(jià)系統(tǒng)綜合應(yīng)用了振動信號采集軟、硬件技術(shù)，集成了振動信號分析、油液分析的功能，將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用到減速器與電動機(jī)的故障診斷中，縮短了軟、硬件的開發(fā)周期，提高了檢測、評價(jià)效率。對橋門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例檢測、評價(jià)表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能實(shí)現(xiàn)起升電動機(jī)、減速器故障的離線分析，并且模糊層次綜合分析法可有效評價(jià)起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。

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