機械振動故障診斷系統的設計與應用

皮 駿，陶 理，原郭豐

（1.中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300；2.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；3.中國科學院電工研究所 中國科學院太陽能熱利用與光伏系統重點實驗室，北京 100190）

機械振動故障診斷系統的設計與應用

皮 駿1，陶 理2，原郭豐3

（1.中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300；2.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；3.中國科學院電工研究所 中國科學院太陽能熱利用與光伏系統重點實驗室，北京 100190）

針對機械設備振動監測的高速、實時和同步處理的要求，以Visual C++為平臺開發了基于頻譜分析和軸心軌跡分析的機械振動故障診斷系統。采用USB 2850采集卡搭建振動信號采集系統，通過分組采集方式實現多通道信號的同步采集，利用鍵相信號對振動信號整周期重采樣，將原始連續信號整周期化。根據信號采樣和數據處理流程，結合各模塊算法執行效率，設計多線程流水處理架構，保證系統的多流程同步執行。最后，通過轉子不平衡故障和不對中故障模擬實驗，驗證了故障診斷方法正確無誤，信號分析系統穩定、高效、準確。

振動與波；故障診斷；數據采集；多線程

在機械設備的狀態監測和故障診斷技術中，振動監測是普遍采用的基本方法。機械振動故障診斷作為一個系統集成涉及到傳感與測試、信號采集、信號分析、故障診斷、軟件工程、網絡通信等等各方面的技術。在一些關鍵技術上均有針對性的研究：楊世錫等人針對振動信號的整周期采集進行了硬件和軟件方法的研究，均獲得良好效果[1，2]；郭峰等人開發的邏輯分析儀軟件實現了多線程技術在信號采集和同步處理的應用[3]。對于振動故障特征的分析研究也形成了普遍公認的結論。特定形狀的軸心軌跡對應著特定的故障類型，表征旋轉機械軸系故障的典型軸心軌跡有以下幾種：橢圓表示不平衡故障；香蕉形表示不對中與不平衡綜合故障；外8字形表示不對中故障；內8字形表示油膜渦動故障[4]。在基于FFT的頻譜分析方法中，對于轉子不平衡、半速渦動及油膜振蕩、轉子不對中、共振、部件松動、轉子與定子摩擦、轉子結構缺陷與裂紋、軸承缺陷等故障都反映在振動信號譜圖的相應頻率分量上，即都有其特殊的故障征兆。這些征兆有1/3倍頻、1/2倍頻、工頻、2倍頻、3倍頻等[5]。

本系統采用USB 2850采集卡搭建振動信號采集系統，通過分組采集方式實現多通道信號的同步采集；利用鍵相信號對振動信號整周期重采樣，將原始連續信號整周期化；根據信號采樣和數據處理流程，結合各模塊算法執行效率，設計多線程流水處理架構。實現了基于頻譜分析和軸心軌跡分析的機械振動故障診斷系統。

1 系統設計

1.1 轉子振動模擬試驗臺

自搭建轉子振動試驗臺如圖1所示，該實驗臺有以下幾部分組成：底座及底座支架、直流可調速電機、傳感器支架、軸承支座、撓性聯軸節、轉軸及轉子圓盤等。能夠模擬的轉子不平衡（單面不平衡和多面不平衡）、轉子不對中、轉軸摩擦、油膜渦動、轉軸變形等故障工況。

圖1 轉子振動試驗臺

1.2 基于USB2850采集卡的信號采集系統

USB 2850采集卡是一種基于USB總線的數據采集卡，可直接和計算機的USB接口相連，具有16位精度、64通道、最高采用率500 KHZ以及以太網連接功能。信號采集系統由以下幾部分組成：2路電渦流傳感器（垂直布置）、光電傳感器、傳感器電源（+ 24V/-24V/+5V）、差分變送器、USB 2850采集卡。信號測試系統的原理圖如圖2所示。

圖2 轉子振動測試系統原理圖

1.3 故障診斷系統系統設計

實時監測診斷系統的開發采用VC++2010作為開發平臺，并采用SQL Server 2008作為其數據庫后臺。系統結構如圖3所示，包括：信號采集模塊、信號處理模塊、故障數據庫模塊、用戶參數管理模塊。

圖3 系統結構圖

（1）信號采集模塊 通過C++直接調用底層驅動，設置采集卡采用頻率、工作模式、通道選擇等參數，獲取各路傳感器的實時信號；

（2）信號處理模塊 將采集的原始信號進行濾波、整周期處理、轉速計數、FFT變換，同步顯示各通道時域波形、頻譜圖以及軸心軌跡等。分析信號的時域特性和頻域特性，用于故障狀態的診斷；

（3）故障數據庫模塊 用于存儲實時監測數據和故障特征數據，便于數據的離線分析；

（4）用戶參數管理模塊 實時監測診斷系統涉及大量參數選擇，如通道選擇、采樣頻率、顯示方式等等，將各種參數統一管理，生成用戶配置文件。

2 關鍵技術實現

機械振動故障診斷系統需要在線實時的監測設備的各種參量，如轉子位移、轉速。并且各路通道數據需要同步處理，對設備運行狀態進行即時判斷。系統開發過程中必須解決信號的實時采集、信號的整周期提取以及信號同步處理的多線程技術。

2.1 實時信號數據的采集

由于USB 2850采集卡工作模式為異步通道采集，所以需要采用分組采集的方式進行各通道信號數據的采集。分組采集功能是指AD在采樣過程中，組內各通道以內時鐘的采樣頻率進行轉換，每兩組之間有一定的等待時間，這段時間稱為組間間隔。組循環次數是指在同一組內每個通道循環采集的次數；在內時鐘和固定頻率的外時鐘模式下，組與組之間的時間稱為組周期[6]。分組采集原理如圖4所示，t1為內時鐘采樣周期，t2為AD芯片轉換時間，t3為組間間隔。則組周期T即為

圖4 分組采集原理圖

式中n為組內循環次數。

分組采集方式使得采集卡在相對較慢的采集頻率下，盡可能保證各個通道間的時間差越小來實現更小的相位差，從而保證通道間的同步性。相鄰兩通道的相位差為t1，其相對相位差

內時鐘采樣周期t1為內時鐘采樣頻率f的倒數，并將（1）帶入（2）得

由式（3）可知，組內采樣頻率f越高，組間間隔時間t3越長，相對相差越小，信號同步性就越好。

2.2 原始信號的整周期化

對于旋轉機械的振動信號，采用基于轉子轉速工頻的整周期采樣可以消除或減弱頻譜分析中的非整周期采樣存在的譜泄漏和柵欄效應[5]。旋轉機械轉子的振動信號一般工況下是平穩信號，在啟停機狀態或突發狀態時其信號將變成非平穩信號。對于平穩信號，若信號為整周期等相位采樣，則每次采樣截取的信號長度為工頻周期的整數倍，從而獲得比較準確的頻譜；對于非平穩信號而言，整周期等相位采樣可以使信號在一定程度上變得平穩，減弱頻譜泄漏和柵欄效應對分析精度的影響[1]。且在轉子啟停暫態分析時，需要對于單周期振動信號進行處理分析，以得出振動隨轉速的變化規律。所以原始信號的整周期處理對信號分析具有重要意義。

如圖5所示，通道（a）、通道（b）為兩路電渦流傳感器的位移信號，通道（c）為光電傳感器接收的轉子鍵相信號。轉子周向上有吸光的暗標記，當光照射暗標記上時光電傳感器接收的光強減弱，其輸出的電壓信號也隨之減弱。轉子旋轉一周，光電傳感器輸出的電壓信號就隨之出現周期的鋸齒波形。取峰值的一半作為比較的閾值Vn，順序遍歷通道（c），找到數據序列中第一個小于Vn的數值，判斷邏輯為

圖5 整周期重采樣原理圖

將（n+1）其標記為各通道的周期起止位置，重復以上步驟即可循環標記出各通道的周期的起止位置。

2.3 多線程同步系統設計

監測診斷系統需要長時間、實時在線采集數據，數據采集量非常巨大，并且需要同步顯示、存儲和實時分析處理，其對于數據處理的效率要求非常高，傳統單線程無法滿足系統的實時、同步要求。但是多線程并不是在任何情況下都能提升效率。頻繁的線程啟停、切換都會增加系統運行時間，線程之間不恰當的互鎖、等待會極大降低系統效率，不同線程同一時刻對同一變量的操作可能導致意外錯誤致使系統無法運行。所以線程之間的優化調度至關重要。MFC提供四種同步對象：臨界區（Critical Section）、信號量（Semaphore）、互斥量（Mutex）和事件（Event）[6]。

本系統在線程之間的同步采用MFC框架提供的事件（Event）同步，針對線程之間的共享接口變量的累加累減操作則采用Windows API提供的原子操作（Interlocked）系列函數。線程之間的數據流采用重新組裝、分發的方式來減少線程間對共享變量的操作，降低各模塊之間的耦合性。子線程與主線程之間以消息方式（Post Message）進行通信，讓界面響應波形圖像的同步繪制。根據功能需求及算法效率，對于核心流程的實現啟用4條工作者線程來進行數據同步處理。

如圖6所示，主線程控制全部子線程的啟停、用戶操作響應、界面繪圖響應。全部運算過程被封裝到各個子線程中，防止主線程因運算阻塞而無法響應用戶操作和實時圖形的繪制。主線程以連續采集標志（ADRun Flag）來控制各線程的生命周期，啟動、停止整個監測過程。采集線程根據采集卡的FIFO半滿標志循環讀取采集卡內緩沖數據，發出數據處理事件（ProcessEvent）。其余各線程均以掛起方式啟動。數據處理線程接收處理事件（Process Event）的信號響應，將采集來的數據進行通道分發、重新組裝、整周期提取，并發出頻譜分析事件（FFTE vent）和存儲事件（Storage Event）。由于FFT變換的運算量相對其它處理過程所需的CPU時鐘數較多，所以將頻譜分析過程獨立封裝成一線程，并將其線程優先級設為最高級（Time Critical）。硬盤的隨機寫入相比內存數據的處理是十分緩慢的，采集卡每秒讀入百萬級的浮點數據，存儲線程將各通道數據重新組裝后連續寫入硬盤。

圖6 線程結構圖

3 實驗測試

3.1 轉子不平衡故障分析

質量不平衡是旋轉機械最為常見的故障之一。轉子質心和旋轉中心之間存在一定量的偏心距，這就使得轉子旋轉時形成周期性的離心力的干擾，在軸承上產生動載荷，使機器發生振動[7]。

實驗過程：在配重盤上安裝配重塊，使其產生顯著質量偏心，開啟電機將轉速調整至接近臨界轉速2 100 r/min（振動開始加劇）。分析結果如圖7所示，時域波形（a）在一個周期內為類似正弦波且振幅較大在頻域中；在頻譜圖（b）上振動的激振頻率為單一的旋轉頻率（工頻），其倍頻及多倍頻處沒有明顯幅值；此時軸心軌跡（c）呈橢圓形。

圖7 不平衡故障信號圖

3.2 轉子不對中故障分析

轉子不對中通常是指相鄰兩轉子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。由于聯軸器加工安裝誤差、轉子變形、軸承不同心以及機座高低偏差等因素會使聯軸器存在3種不對中類型，平行不對中、傾角不對中、平行傾角不對中[8，9]。

實驗過程：墊高靠近聯軸器一端的軸承支座，調整轉速至1 100 r/min左右。分析結果如圖8所示，頻譜圖（b）二倍頻分量幅值顯著且有相對較高的比重；此時軸心軌跡（c）呈“8”字圓形。

圖8 不對中故障信號圖

4 結語

基于VC++開發的機械振動故障診斷系統充分發揮了C/C++語言的高效性和多線程技術的多任務并行處理能力，實現了振動信號的同步采集與處理。系統延遲率低，無數據丟失。經整周期重采樣信號的頻譜圖譜線清晰，無頻譜泄漏。在系統架構、模塊、線程設計上秉承高內聚、低耦合的原則，為系統的穩定運行和進一步開發提供了有力保障。

[1]梁文軍，楊世錫，魏義敏.基于FPGA的轉子振動信號整周期等相位采樣控制方法[J].機電工程，2011，28(2)：148-152.

[2]胡勁松，楊世錫.轉子振動信號同步整周期重采樣方法的研究[J].動力工程，2008，28(3)：408-410.

[3]郭峰，龍兵，戴志堅.多線程同步技術在邏輯分析儀軟件開發中的應用[J].電子測量技術，2011，34(11)：48-50.

[4]江志農，李艷妮.旋轉機械軸心軌跡特征提取技術研究[J].振動、測試與診斷，2007，27(2)：98-101.

[5]王金福，李富才.機械故障診斷的信號處理方法：頻域分析[J].噪聲與振動控制，2013(1)：173-180.

[6]李叔敏.基于USB總線的數據采集卡設計[D].北京：北方工業大學，2009：39-42.

[7]耿萌，石林鎖.基于虛擬儀器的轉子不平衡故障模擬及故障分析[J].機床與液壓，2008，36(2)：188-190.

[8]劉占生，趙廣，龍鑫.轉子系統聯軸器不對中研究綜述[J].汽輪機技術，2007，49(5)：321-325.

[9]隆軍，吳金強.風力發電機組轉子不對中故障診斷[J].噪聲與振動控制，2013(6)：222-225.

Design andApplication of Mechanical Vibration Fault-diagnosis System

PI Jun1,TAO Li2,YUAN Guo-feng3
(1.Sino-European Institute ofAviation Engineer,CivilAviation University of China,Tianjin 300300,China; 2.School ofAeronautical Engineering,CivilAviation University of China,Tianjin 300300,China; 3.Key Laboratory of Solar Thermal Energy and Photovoltaic System of ChineseAcademy of Science, Institute of Electrical Engineering,Beijing 100190,China)

Due to the requirements of high speed,real-time and synchronous processing for machinery vibration monitoring,a mechanical vibration fault diagnosis system was developed by Visual C++based on spectrum and shaft orbit analysis. The vibration signal acquisition system based on the USB 2850 acquisition card was applied to the synchronous acquisition of multi-channel signals via the group acquisition mode.The original continuous signal was periodically divided by key signals re-sampling.According to the signal sampling and the data processing flow of each module with the consideration of algorithm efficiency,multi-flow processing was designed to guarantee the synchronous execution of the system.Finally,the stability,efficiency,and accuracy of the signal analysis system were verified by the rotor imbalance and misalignment faults simulation experiments.

vibration and wave;fault diagnosis;data acquisition;multi-flow

TB53；TP274；TP311；O329

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.043

1006-1355(2015)01-0209-05

2014－04－30

國家自然科學基金項目（51106150）；中央高校基本科研業務費中國民航大學專項（ZXH2012H003)

皮駿（1973－），男，內蒙包頭人，博士，副教授。研究方向：機械振動分析。E-mail:jpi@cauc.edu.cn

原郭豐（1978－），男，博士，助理研究員。研究方向：太陽能海水淡化。E-mail:yuanguofeng@163.com