基于LabVIEW的旋轉機械振動故障分析系統研究

于 波 鄭 聽

(東北石油大學電子科學學院，黑龍江 大慶 163318)

旋轉機械是指通過旋轉運動實現某種功能的機械。隨著工業生產水平的日益提高，旋轉機械生產設備正向大型化、自動化和高速化的方向發展，傳統的預防性維修或損壞后維修已經無法滿足企業生產的需要。為了減少企業的經濟損失并預防重大機械事故的發生，開發功能集成度高、界面友好并能對振動信號進行全面分析的旋轉機械振動故障診斷系統具有現實意義[1]。筆者介紹了一種自行研發的基于LabVIEW的大型旋轉機械振動故障診斷系統，該系統功能多樣、操作簡便，不僅可以通過快速傅里葉變換技術實現頻譜分析，而且可以同步觀察被觀測點的時域波形，進而實現視頻聯合分析[2]。

1 總體設計思想①

大型旋轉機械振動故障分析系統基于LabVIEW軟件開發平臺和普通PC機及其配置的聲卡作為硬件基礎。根據LabVIEW的特點結合該診斷系統的需求，初步完成總體設計方案。從模塊化角度分析，該系統按功能分成六大模塊：信號采集、信號處理、頻域分析、時域分析、頻域波形顯示和時域波形顯示，其原理如圖1所示。從結構化角度分析，既要保證所有模塊獨立完成相應的功能，又要確定所有功能之間的聯絡性。創建友

圖1 虛擬測試系統的原理框圖

好界面，實現頻域分析與時域分析同步顯示的功能[3]。

根據圖1可以看出，其六大模塊既要保證相互獨立地完成相應的功能，又要實現所有功能之間的相互聯系，由此才能構成一個多功能的精密測試系統[4]。首先借助于LabVIEW平臺分別實現各個模塊的功能。

2 系統軟件

2.1 信號采集模塊

本測試系統利用PC機所配置的聲卡作為硬件基礎。聲卡是一種音頻范圍內的采集卡，是外部模擬信號和計算機內部所能處理的數字信號之間相互轉換的橋梁。在LabVIEW函數庫中的SoundInput子模板下提供了一些與聲卡有關的函數。系統所設計的聲卡采集模塊包括4部分：配置聲音輸入、啟動聲音輸入、讀取聲音輸入和聲音輸入清零，如圖2所示。可以通過聲卡采集外部模擬信號并通過模數轉換電路將模擬信號轉換成計算機所能處理的數字信號。

圖2 聲讀波形子VI圖標

2.2 信號處理模塊

測試信號中經常會混有噪聲干擾，噪聲引起的頻率成分的頻率多為高頻，因此為了更好地進行信號分析，需要用低通濾波器對信號進行處理。再將信號通過FFT子VI，進而獲取測試信號的頻譜，其圖標如圖3所示。

圖3 快速傅里葉變換子VI圖標

2.3 時域分析和時域波形顯示

將濾波器處理后的信號直接在示波器上顯示，可以非常直觀地看到振動波形，此時波形是隨時間變化的，即信號的時域特征[5]。在波形顯示中可以直接觀察信號的變化情況和各點的振動幅值，由于顯示的是已知波形，并確定是周期信號，因此選用Graph作為波形顯示控件，如圖4所示。

圖4 時域波形顯示

2.4 頻域分析和頻域波形顯示

頻域分析就是將信號中的頻率分量提取出來并加以分析，系統采用快速傅里葉變換子VI對時域信號進行處理，進而實現頻譜顯示。通過對頻譜圖的分析可以確定信號的總振級、最大值頻率和最大幅值。選用Graph作為波形顯示控件，如圖5所示。此頻譜圖為大慶某電廠1#機振動測試結果，初步認為是負荷齒輪箱兩側對中性差，燃機轉子主要振動特征為失衡振動，基本與預期結果保持一致。

圖5 頻域波形顯示

2.5 系統總功能的實現

將以上幾個基本功能模塊有機組合在一起就是一個以LabVIEW為平臺的基本振動測試系統，其關鍵設計在于各模塊的軟件接口，由于結構化設計方面的工作進行的比較嚴謹，所以軟件編程進行的比較順利，一些重要的難題得到了很好解決。系統程序框圖如圖6所示。

圖6 系統程序

3 基于LabVIEW的虛擬振動測試系統

本系統的設計主要是以PC機及其配置的聲卡作為硬件基礎，因此在設計過程中力求簡便、容易操作，特別是對于前面板的設計，力求簡單明了、具有良好的操控性能，前面板的設計如圖7所示。

圖7 振動數據分析系統前面板

4 結束語

本系統以圖形化編程軟件LabVIEW作為虛擬儀器開發平臺，研究并實現振動信號分析系統的設計。該振動信號分析系統具有較強的通用性，可以分析頻率在15～1 000Hz的信號，同時可以測量信號在頻帶范圍內的重要參數；系統不但是多項功能集中于一體的綜合系統，還可以作為獨立的測試儀器(如示波器及頻譜分析儀等)；儀器界面簡便易行，前面板能夠進行功能上的選擇、相關參數的設定和讀取或存儲數據的設定，并能夠實現信號時域分析與頻域分析的同步顯示功能；系統采用虛擬儀器的方式，用軟件編程替代傳統測量儀器的硬件電路，降低了成本。模塊化的設計使得系統的擴充十分方便。