基于LabVIEW的旋转机械振动故障分析系统研究

于 波 郑 听

(东北石油大学电子科学学院，黑龙江 大庆 163318)

旋转机械是指通过旋转运动实现某种功能的机械。随着工业生产水平的日益提高，旋转机械生产设备正向大型化、自动化和高速化的方向发展，传统的预防性维修或损坏后维修已经无法满足企业生产的需要。为了减少企业的经济损失并预防重大机械事故的发生，开发功能集成度高、界面友好并能对振动信号进行全面分析的旋转机械振动故障诊断系统具有现实意义[1]。笔者介绍了一种自行研发的基于LabVIEW的大型旋转机械振动故障诊断系统，该系统功能多样、操作简便，不仅可以通过快速傅里叶变换技术实现频谱分析，而且可以同步观察被观测点的时域波形，进而实现视频联合分析[2]。

1 总体设计思想①

大型旋转机械振动故障分析系统基于LabVIEW软件开发平台和普通PC机及其配置的声卡作为硬件基础。根据LabVIEW的特点结合该诊断系统的需求，初步完成总体设计方案。从模块化角度分析，该系统按功能分成六大模块：信号采集、信号处理、频域分析、时域分析、频域波形显示和时域波形显示，其原理如图1所示。从结构化角度分析，既要保证所有模块独立完成相应的功能，又要确定所有功能之间的联络性。创建友

图1 虚拟测试系统的原理框图

好界面，实现频域分析与时域分析同步显示的功能[3]。

根据图1可以看出，其六大模块既要保证相互独立地完成相应的功能，又要实现所有功能之间的相互联系，由此才能构成一个多功能的精密测试系统[4]。首先借助于LabVIEW平台分别实现各个模块的功能。

2 系统软件

2.1 信号采集模块

本测试系统利用PC机所配置的声卡作为硬件基础。声卡是一种音频范围内的采集卡，是外部模拟信号和计算机内部所能处理的数字信号之间相互转换的桥梁。在LabVIEW函数库中的SoundInput子模板下提供了一些与声卡有关的函数。系统所设计的声卡采集模块包括4部分：配置声音输入、启动声音输入、读取声音输入和声音输入清零，如图2所示。可以通过声卡采集外部模拟信号并通过模数转换电路将模拟信号转换成计算机所能处理的数字信号。

图2 声读波形子VI图标

2.2 信号处理模块

测试信号中经常会混有噪声干扰，噪声引起的频率成分的频率多为高频，因此为了更好地进行信号分析，需要用低通滤波器对信号进行处理。再将信号通过FFT子VI，进而获取测试信号的频谱，其图标如图3所示。

图3 快速傅里叶变换子VI图标

2.3 时域分析和时域波形显示

将滤波器处理后的信号直接在示波器上显示，可以非常直观地看到振动波形，此时波形是随时间变化的，即信号的时域特征[5]。在波形显示中可以直接观察信号的变化情况和各点的振动幅值，由于显示的是已知波形，并确定是周期信号，因此选用Graph作为波形显示控件，如图4所示。

图4 时域波形显示

2.4 频域分析和频域波形显示

频域分析就是将信号中的频率分量提取出来并加以分析，系统采用快速傅里叶变换子VI对时域信号进行处理，进而实现频谱显示。通过对频谱图的分析可以确定信号的总振级、最大值频率和最大幅值。选用Graph作为波形显示控件，如图5所示。此频谱图为大庆某电厂1#机振动测试结果，初步认为是负荷齿轮箱两侧对中性差，燃机转子主要振动特征为失衡振动，基本与预期结果保持一致。

图5 频域波形显示

2.5 系统总功能的实现

将以上几个基本功能模块有机组合在一起就是一个以LabVIEW为平台的基本振动测试系统，其关键设计在于各模块的软件接口，由于结构化设计方面的工作进行的比较严谨，所以软件编程进行的比较顺利，一些重要的难题得到了很好解决。系统程序框图如图6所示。

图6 系统程序

3 基于LabVIEW的虚拟振动测试系统

本系统的设计主要是以PC机及其配置的声卡作为硬件基础，因此在设计过程中力求简便、容易操作，特别是对于前面板的设计，力求简单明了、具有良好的操控性能，前面板的设计如图7所示。

图7 振动数据分析系统前面板

4 结束语

本系统以图形化编程软件LabVIEW作为虚拟仪器开发平台，研究并实现振动信号分析系统的设计。该振动信号分析系统具有较强的通用性，可以分析频率在15～1 000Hz的信号，同时可以测量信号在频带范围内的重要参数；系统不但是多项功能集中于一体的综合系统，还可以作为独立的测试仪器(如示波器及频谱分析仪等)；仪器界面简便易行，前面板能够进行功能上的选择、相关参数的设定和读取或存储数据的设定，并能够实现信号时域分析与频域分析的同步显示功能；系统采用虚拟仪器的方式，用软件编程替代传统测量仪器的硬件电路，降低了成本。模块化的设计使得系统的扩充十分方便。