一種基于LabVIEW軟件的盤磨機振動測試平臺

湯偉 稅宇陽 王古月 王玲利 陶倩

摘要：為滿足盤磨機出廠前的動平衡測試和運行過程中故障監測的需要，本課題設計了一種以盤磨機為測試對象的基于LabVIEW軟件的振動測試平臺。該平臺以計算機、壓電式加速度傳感器、恒流適配器和數據采集卡為硬件基礎，在LabVIEW軟件開發平臺上完成了振動測試系統的二次開發，將計算機強大的計算能力和精密儀器硬件的測量能力結合起來，實現了振動信號的采集、處理和分析等功能。本課題在設計的振動測試平臺上采用三點加重法對盤磨機進行動平衡測試，測試結果與理論數據一致，這表明該振動測試平臺設計的可行性。

關鍵詞：振動測試；盤磨機；LabVIEW軟件；動平衡測試

中圖分類號：TP212.9

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.12.008

隨著我國工業化水平的不斷提升，造紙機械也朝著連續化、自動化、高速度、重負載及結構復雜的方向發展。盤磨機作為制漿過程中的核心設備，單機功率一般都在250 kW以上，造價和能耗都很高[13]。若盤磨機出廠前動平衡測試不嚴格，在磨漿過程中，就可能會出現異常振動現象，使運轉負荷增大，能耗增大，使用壽命縮短，并且會影響產出紙漿的質量和產量[45]。另外，在線監測盤磨機運行狀態，及時發現故障，并對其進行有針對性的維修，保證盤磨機安全穩定運行，具有顯著的社會和經濟效益[6]。因此，對盤磨機出廠前進行動平衡測試及運行過程中狀態監測非常重要。

1振動測試設備優缺點分析

目前，振動測試分析儀器比較著名的有，丹麥B&K公司PULSE3560C系統7702型分析設備和美國NI公司的Order Analysis Toolset設備，但價格普遍昂貴，不適合中小型企業使用。目前比較通用的振動測量分析儀器，比如美國Agilent公司的35670A動態信號分析設備和南京汽輪公司研發的旋轉機械分析設備，這些普遍通用的振動測量分析儀器原理上都是主要依靠細化選帶頻譜分析和高階譜分析，對線性的平穩信號具有較好的分析能力，對非平穩信號的分析能力較差[7]。盡管部分普遍通用的分析儀器通過技術性改進仍可使用，但由于振動信號變化快、頻帶寬、難以滿足對信號分析的精度和速度要求。

為了改進現有振動測試儀器的缺陷，研究者們采用軟、硬件結合的形式構成“虛擬儀器”。前人大多利用LabWindows/CVI和Visual Studio等軟件來設計開發振動測試平臺[819]。其中，LabWindows/CVI是NI公司推出的交互式C語言開發平臺，它的集成化開發環境、交互式編程方法豐富的庫函數大大增強了語言的功能，但開發者要具有較高的C語言基礎，開發周期長；Visual Studio是美國微軟公司的開發工具包系列產品，是目前最流行的Windows平臺應用程序的集成開發環境，在可視化界面設計上有強大的功能，但輸出顯示過于單調。

LabVIEW軟件開發平臺為用戶提供高級信號處理工具包和圖形化程序設計G語言，用方框圖代替了傳統的程序代碼，具有豐富的圖形控件及信號分析函數，為振動測試平臺的快速開發提供了良好的條件。利用LabVIEW軟件二次開發的振動測試平臺既能用于實際工程中，也可用于高等院校的實驗教學中。因此，本課題采用LabVIEW軟件設計盤磨機振動測試平臺。

3.2.1程序設計

以主程序流程圖（見圖5）為設計框架，利用LabVIEW的主、從設計模式，搭配隊列功能和簇函數實現按自定義順序轉換不同模塊的功能[1113]。由圖5可知，根據振動測試平臺的功能模塊劃分，包括以下4個部分：信號采集、文件管理、預處理及特征提取。

（1）信號采集：信號源分為仿真信號和傳感器采集的信號，信號采集由參數設置和信號源實時采集兩部分組成，在NIDAQmx任務中對采樣物理通道、采集模式、采樣點數、采樣頻率和信號輸入最大/最小值等進行采集設置。信號采集主程序如圖6所示。

（2）文件管理：該模塊用于實現原始信號和測試結果的存儲和重現，本課題的振動測試平臺采用了文本文檔的格式。

（3）預處理：該模塊對輸入信號進行濾波和加窗，用戶可以選擇預處理的方式及相應處理方式的參數設定，本課題的振動測試平臺設計了Butterworth等5種拓撲結構的濾波器和hamming窗等7種窗函數，去噪的同時還減少了頻譜能量泄漏[14]。預處理模塊主程序如圖7（a）所示。

（4）特征提取：本課題振動測試平臺的時域分析包含了均值、方差、均方根（有效值）、標準差、

圖7預處理模塊和特征提取模塊主程序

峰值、峰峰值和自相關分析；頻域分析包含了FFT（快速傅里葉變換）分析和自功率譜分析；時頻域分析包含了STFT（短時傅里葉變換）分析[15]。特征提取模塊主程序如圖7（b）所示。

3.2.2操作面板設計

本課題從人機工程的角度設計了振動測試平臺的操作面板[16]，該操作面板主要由4部分組成：

（1）面板左邊是進行數據采集物理通道、濾波器和窗函數等的設置；

（2）面板中間是原始信號、濾波后信號和加窗后信號的波形顯示；

（3）面板右邊是信號源選擇、波形存儲、噪聲選擇和設置；

（4）面板下方是信號的特征分析，分別為時域分析、自相關分析、FFT（快速傅里葉變換）分析、自功率譜分析和STFT（短時傅里葉變換）分析。振動測試平臺操作面板如圖8所示。

4運行結果驗證

4.1故障設計

在不破壞原有機械性能的原則下，在小型盤磨機的磨片上，吸附強力磁鐵設計質量不平衡故障，根據三點加重法的動平衡測試理論，分別獲取初始狀態、P1（σ=0°）、P2（σ=120°）和P3（σ=240°）時的振動速度FFT頻譜圖。具體步驟如下：

（1）保障小型盤磨機在220 V額定電壓和50 Hz頻率工作電源下，以1400 r/min的額定轉速平穩轉動。

（2）將質量為0.8 g的磁鐵吸附在小型盤磨機磨片位置α=40°處，待小型盤磨機以1400 r/min的額定轉速平穩轉動，獲取初始狀態的振動速度FFT頻譜圖。

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（責任編輯：吳博士）