基于虚拟仪器的桥门式起重机起升机构检测评价系统

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(1.石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄　050043；2. 中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州　450000；3.河北省特种设备监督检验院，河北 石家庄　050051)

0　引言

起升机构是起重机重要的工作机构之一，主要由电动机、制动器、浮动轴、联轴器、减速器、卷筒、滑轮组、吊钩和钢丝绳组成，担负着物品的提升和转移工作，是起重机运行最频繁的机构，起升机构的正常运行对起重机至关重要。电动机是起升机构的动力源，减速器是起升机构传动系统中的重要部件，二者都是容易出现故障的部件。本文采用振动信号检测对电动机和减速器进行故障诊断，用油液分析进一步诊断减速器故障。LabVIEW是一款图形化编程语言，人机界面直观友好，为了便于信号处理、数据管理与分析、评价过程的实现，开发了基于虚拟仪器平台的检测评价软件。

1　振动信号时、频域分析

1.1　振动信号时域分析

振动时域指标分为有量纲和无量纲两种。有量纲量包括：最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、均方值、方根幅值、平均幅值、均方幅值和峰值，无量纲量包括：峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标和裕度指标，有量纲量指标依赖历史数据，对转速、载荷变化较敏感，无量纲量不受型号、载荷和转速影响。方差能直接反映振动能量的大小，均方幅值能对表面裂纹等具有无规则振动波形的异常做出恰当评价，峰值和峰值因子可反映轴承早起的表面损伤，峭度在轴承故障发展过程中表现出很强的规律性[1]。

1.2　振动信号频域分析

振动信号的频域分析包括幅值谱、功率谱、ZOOM-FFT细化谱、倒频谱、Hilbert包络谱分析。这些方法用于识别电动机或减速器的故障时可单独或结合使用。

1.2.1ZOOM-FFT细化谱

细化谱分析是通过提高频谱中选定的频带频率分辨率来细化和放大局部频谱的一种方法，包括：移频、数字低通滤波、整倍数抽取(重采样)、FFT及谱分析、频率调整5个步骤[2]。

1.2.2Hilbert包络谱

希尔伯特(Hilbert)包络是时域信号绝对值的包络，可以从信号中提取调制成分。对信号x(t),其希尔伯特(Hilbert)变换为

(1)

由x(t)及其希尔伯特变换构成x(t)的解析信号z(t)为

(2)

则信号的希尔伯特包络定义为

(3)

2　铁谱分析技术

摩擦副失效是引起减速器故障的主要因素，处于异常磨损阶段的摩擦副，磨损率较高，同时不同磨损失效形式产生相应特征的磨粒。齿轮的磨损磨粒有以下特征：磨粒表面有局部氧化痕迹，齿根或齿顶附近表面产生较大的有划痕的滑动磨损磨粒，在节线附近产生无划痕的片状、层状疲劳磨损磨粒。轴承磨损磨粒的特征：球状磨粒，片状、层状的疲劳磨损磨粒[3]。另外，测定油液中磨粒的含量也是判定零件磨损情况的重要手段。

对磨粒外形的观察依靠分析式铁谱仪实现，分析式铁谱仪由制谱仪与铁谱显微镜两部分组成。利用制谱仪制成铁谱基片，放置在铁谱显微镜下观察，也可将显微镜成像传入计算机。油液磨粒含量的测定利用直读式铁谱仪实现，测定时可得到反映磨粒含量的两个参数DL与DS。

3　模糊层次综合评价法

3.1　模糊层次综合评价法评价桥门式起重机起升机构基本思路

按照功能相关原则[4]并参照TSG Q7015—2008起重机定期检验规则[5]对起升机构进行指标体系的划分，指标体系划分为A层、B层、C层。A层为桥门式起重机起升机构，B层包括B1电动机、B2减速器、B3零部件、B4性能试验和B5安全保护装置共5个指标。B层又可细分为19个C层指标，如图1所示。

图1　起升机构评价指标体系

各评价指标的评价集采用4级划分，即良好、容许、可容许、不允许。要得到评价集需要确定指标对于4级评级等级的隶属度，隶属度可以由专家依据起升机构相关检测分析结果通过打分得到。在指标体系中，各个指标相对于上层指标的重要程度不同，使用权重系数对各个指标的重要程度进行量化。

3.2　模糊层次综合评价法评价桥门式起重机起升机构基本步骤

运用模糊层次分析法评价桥门式起重机起升机构的基本步骤如下。

(1)确定评语等级。根据起升机构的健康状况，将起升机构的健康状况划分为4类，相应的评语集为{Ⅰ类(良好)、Ⅱ类(容许)、Ⅲ类(可容许)、Ⅳ(不允许)}，可表示为V={v1,v2,v3,v4}。

(2)确定评价指标体系。评价指标是评定起升机构健康等级的要素，建立科学的评价指标体系可以使评价结果更加真实可信。在这里，确定影响起升机构整体健康状况的因素论域B={B1,B2,B3,B4,B5}，Bi为一级评价指标，将一级评价指标按其对应的二级指标分解为B1={C1,C2,C3,C4,C5}，B2={C6,C7,C8,C9,C10}，B3={C11,C12,C13,C14,C15}，B4={C16}，B5={C17,C18,C19}。

(4)确定权重系数。在评价指标体系中，各个指标对所属的上一级指标的重要程度不同，这就需要对每个指标赋予权重，指标权重系数通过层次分析法得到。指标B1～B5的权重用权重向量D表示，D={D1,D2,D3,D4,D5}，Di为Bi的权重值。同理，指标C1～C5、C6～C10、C11～C15、C16、C17～C19的权重分别用向量W1、W2、W3、W4、W5、W6表示。

(5)构建模糊层次分析模型。将二级指标权重向量Wi与其评价矩阵Ri采用加权平均算子“·”[6]进行合成运算，计算得到一级指标的评价向量为

Ei=Wi·Ri=(ei1,ei2,ei3,ei4),i=1,2,3,4,5

(4)

一级指标的评价向量构成一级指标评价矩阵R={E1,E2,E3,E4,E5}，已知一级评价指标权重向量为D，则起升机构整体的评价向量为

(5)

根据最大隶属度原则，若fm=max{f1,f2,f3,f4}，则该起升机构的健康等级属于vm。

4　基于虚拟仪器的检测评价系统开发

4.1　振动检测硬件系统设计

振动检测系统的硬件主要包括4部分：传感器、信号调理模块、数据采集设备和个人计算机。振动加速度传感器选用的是IEPE压电加速度传感器：LK411-27-3与LK411-19。信号调理与数据采集采用的是CompactDAQ便携式采集仪，由NI-9233数据采集卡与NI cDAQ 9172机箱组成。

4.2　软件系统设计

软件部分利用虚拟仪器开发平台LabVIEW实现编程。LabVIEW是图形化编程语言，具有简单直观、兼容性强的特点，可与仪器设备实现无缝衔接，作为功能强大的虚拟仪器开发平台被广泛应用。

(1)软件的总体构架。主程序模块提供了各个功能子模块的入口；信号采集模块负责振动信号的采集；信号分析模块对采集的振动信号时、频域进行分析；通过铁谱分析模块对磨损类型与磨损状态进行判定，将判定结果及油样磨粒浓度参数、结果录入系统；数据管理模块完成对数据的存储、历史查询、趋势分析等功能；模糊评价模块实现对起升机构的评级。软件结构框图如图2所示。

(2)信号采集与分析。信号采集模块可实现4通道信号同时采集，信号分析模块包括时域统计量计算与幅值谱、功率谱、倒频谱、包络谱、细化谱等频谱分析及加速度积分功能。数据采集程序运行如图3所示，信号分析程序如图4所示。

(3)铁谱分析。该模块将磨损类型分为12类，包括：正常磨损、疲劳磨损、球粒、层状磨损、严重磨损、切削磨损、腐蚀磨损、氧化磨损、暗金属磨粒、有色金属磨粒、非金属结晶体和非金属非晶体。该模块将磨损状态分为极低、正常、严重、报警4种并提供了参考图谱，用户根据参考图谱或自制图谱来判定磨损类型与磨损状态。

图2　软件结构框图

图3　振动信号采集

图4　振动信号分析

(4)数据管理。将LabVIEW与Microsoft Access相结合实现了振动波形、磨粒图片等数据在数据库的存储、查询、调用功能。如图5所示，铁谱三线值分析程序从数据库中读取油液检测DL、DS历史数据绘制成趋势分析曲线。图6所示程序可查询磨粒与振动测点图片。

图5　铁谱三线值分析程序

图6　振动测点、磨粒图片查询程序

图7　安全保护装置评价程序

(5)模糊层次综合评价程序。图7所示程序为模糊层次综合评价程序的安全保护装置评价部分，该程序的输入为从属安全保护装置的二级评价指标隶属度值及其判断矩阵，输出为安全保护装置评价向量、二级指标权重向量、一致性比率。二级指标隶属度值与判断矩阵可由专家打分得到。一致性比率表示了判断矩阵的一致性，当一致性不满足要求时需要调整判断矩阵。同理，其它一级指标的评价向量和起升机构整体的评价向量只要在该程序的基础上改变隶属度输入与判断矩阵输入就可得到其评价向量。

5　检测、评价实例

对某型号桥式起重机起升机构进行了减速器与电动机的振动检测并对减速器润滑油进行了油液分析。减速器型号为ZQ1000-48.57-3CA，输入轴转速为591 r/min,3根轴的转频依次为fr1=9.85 Hz，fr2=1.23 Hz，fr3=0.2 Hz，齿轮啮合频率依次为fM1=108.35 Hz，fM2=17.23 Hz。轴承的型号依次为30 318、32 230、32 236，轴承故障特征频率如表1所示。

表1　轴承故障特征频率　Hz

由高速轴到低速轴对轴编号1、2、3，依次在3个轴的轴承座附近布置传感器采集振动加速度信号，轴1振动频谱如图8所示，图中清晰可见108.35 Hz的啮合频率及其2倍频216.32 Hz与3倍频325.13 Hz处的谱线，在轴承外圈故障频率64.76 Hz处也出现明显的谱线，说明轴承30 318存在外圈故障。

对轴2采集的振动信号进行300～350 Hz带通滤波并进行包络分析，其包络谱如图9所示，从图中可以看到轴1的一阶转频fr1=9.868 Hz，轴1的二阶转频2fr1=19.727 Hz，轴2的一阶转频fr2=1.217 Hz，轴2的二阶转频2fr2=2.483 Hz，说明高速级的一对齿轮存在故障。

图8　信号0～500 Hz细化谱

图9　信号包络谱

图10　电动机振动信号功率谱

电动机型号为YZR280M-10，转速为591 r/min，在其轴承座附近采集振动信号作出功率如图10所示，可以看到转动频率的2倍频及4倍频处谐波成分，并且存在转频的高次谐波，说明存在转子不对中故障。

将减速器润滑油置于试管中观察发现，油液呈不透明的黑色，说明其磨粒含量已经很高，在显微镜下观察用此润滑油制作的铁谱基片，用透射光与反射光一同使用，磨粒图片如图11所示，未发现异常磨损磨粒，用偏振光观察如图12所示，发现较多非金属颗粒。通过显微镜观察推断减速器无异常磨损，润滑油被尘土污染。

使用模糊层次分析法得到评价向量F=(0.312,0.332,0.231,0.125)，向量值从左到右依次代表起升机构属于良好、容许、可容许、不允许4种状态的隶属度，依据最大隶属度原则该起重机起升机构健康状况属于容许，即起升机构已经出现轻微故障但不影响其正常工作。

图11　磨粒

图12　非金属颗粒

6　结论

基于虚拟仪器的桥门式起重机起升机构检测评价系统综合应用了振动信号采集软、硬件技术，集成了振动信号分析、油液分析的功能，将虚拟仪器技术运用到减速器与电动机的故障诊断中，缩短了软、硬件的开发周期，提高了检测、评价效率。对桥门式起重机起升机构进行实例检测、评价表明系统稳定可靠，能实现起升电动机、减速器故障的离线分析，并且模糊层次综合分析法可有效评价起升机构的运行状态。

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[3]李臻，荆双喜，冷军发. 油液分析技术在齿轮减速箱故障诊断中的应用[J]. 煤矿机电，2003(3)：27-29.

[4]宾光富，李学军，李萍. 一种构建机械设备健康状态评价指标体系的方法研究[J]. 机床与液压:2007，35(12)：177-179.

[5] 中华人民共和国质量监督检验检疫总局.TSG Q7015—2016起重机械定期检验规则[S]. 北京：新华出版社，2016.

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