基于LabVIEW的機械振動信號分析系統開發

　　數據格式的類型多種多樣，主要有文本文件格式(.txt)、二進制格式(.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來實現;讀取文本文件(.txt)和二進制文件(.dat)用LabVIEW的Read Lvm節點來實現。

　　存儲分析所得數據可以利用LabVIEW的Write Lvm節點實現。

　　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、時域分析以及頻域分析。采用模塊化程序進行編程。分別將幅域分析、時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現信號分析模塊的開發。

　　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;時域分析是按照信號的時間順序，即數據產生的先后順序進行計量分析。頻域分析是將時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。

　　實驗結果

　　對旋轉機械的三個主要部件轉軸、齒輪、軸承所采集的數據進行分析，并與實際參數進行了比較，驗證了所開發的基于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際轉速相近;

　　(2)利用轉軸時域分析的自相關功能，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行分析，并與齒輪異常圖及其振動特征比較，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，所涉及到的滾動軸承試件類型為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)，滾動體直徑為d(mm)，接觸角為b(rad)，滾動體個數為Z。假設滾動軸承各滾動體和內外圈表面間的接觸方式為純滾動接觸。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：

　　滾動體上某一個固定點通過滾道(包括內、外圈)的頻率，簡稱滾動體通過頻率：

　　在工程中，這三個通過頻率fbp、fip和fop又常被稱作滾動軸承的滾動體故障特征頻率、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反映軸承的運轉狀態[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。這與實際情況一致。

　　結語

　　該系統具有如下特點：(1)采用當前測控領域中極為流行的圖形化編程軟件LabVIEW作為開發平臺，提高了編程的效率和軟件質量。(2)能讀取、存儲不同類型的數據格式，從幅域、時域、頻域三個角度對信號進行分析處理，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。

　　利用筆者開發的基于LabVIEW的機械振動信號分析系統，可以實現對旋轉機械的主要部件的振動信號進行分析處理，解決了一些實際問題。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，可對其運轉狀態進行監測。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。通過這些問題的研究與解決，也驗證了系統的正確性與可行性。本系統已經在成都飛機設計研究所某設備振動信號監控上得到了具體應用，效果良好。