基于虚拟仪器和Matlab的振动信号测试及在发动机故障分析中的应用*

喻菲菲 屈卓燊 杜灿谊

（广东技术师范大学 广东 广州 510635）

引言

虚拟仪器技术集成了传感器与计算机技术、信号处理技术，具有测量准确、可靠、灵活便捷等特点，广泛应用于信号的测试与分析领域，在振动信号的采集与分析中，应用越来越多。近年来，众多学者通过虚拟仪器技术完成对机械系统振动信号的采集与分析。赵晓顺等人利用LabVIEW软件和计算机、加速度传感器、数据采集卡等硬件开发了发动机振动信号采集与分析系统，可进行时域与相关域分析、频谱分析、联合时频分析等，对某型号发动机断缸故障进行了有效的诊断分析[1]。大连理工大学的汪志凯利用LabVIEW软件开发了一套针对旋转机械振动测试的虚拟仪器系统，应用于实际工程的振动测试分析，取得了良好效果[2]。汽车发动机是一种既有往复运动又有旋转运动的多激励源机构，其振动信号蕴涵丰富的故障特征信息。发动机若发生机械故障，通常在振动噪声信号上有所反映。因此，通过对发动机振动信号的测量与处理分析，可提取相应的故障特征，进而实现发动机故障的识别和诊断。

本文利用PCB微型电子三向加速度传感器、NI 9234数据采集卡、NI CDAQ-9181数据采集平台以及PC计算机等硬件，在NI Signal Express 2015软件平台构建发动机振动信号检测及故障分析的虚拟仪器系统，以丰田1ZR-FE发动机台架和本田思迪轿车为试验对象，以发动机失火故障为例，在不同转速和不同气缸失火故障状态下，对振动信号进行频谱分析，以提取相关的故障特征，从而为诊断故障提供依据[3]。

1 测试系统搭建

利用虚拟仪器系统和Matlab采集振动加速度信号并进行频谱分析，具体流程如图1所示。

图1 分析流程图

1.1 硬件系统

硬件系统主要包括：

1）PCB微型电子三向加速度传感器。采集3个方向的振动加速度信号；

2）NI 9234数据采集卡。带4个输入通道，能接收来自PCB微型电子三向加速度传感器的加速度数据；

3）NI CDAQ-9181数据采集机箱。是NI 9234数据采集卡和PC电脑连接的桥梁，实现数据传输；

4）实验测试用发动机。

本测试在丰田1ZR-FE发动机台架和广汽本田思迪轿车发动机上进行。选取发动机气缸盖位置作为振动加速度信号测试点，此位置受外部测试条件的影响较小，反映故障的敏感度较高，能比较精确地反映发动机内部部件的状态信息[4]，测试用车和加速度传感器安装位置如图2所示。

图2 测试用车和加速度传感器安装位置图

NI 9234数据采集卡与NI CDAQ-9181数据采集机箱装配使用，安装在发动机气缸盖前端的PCB微型三向加速度传感器输出3个方向的振动加速度信号，通过电缆传输至NI 9234数据采集卡的AI1、AI2和AI3等3个数据接收口。NI CDAQ-9181数据采集机箱通过网线与PC电脑进行连接，将采集的数据传输至PC电脑进行分析。

1.2 信号分析与处理

1.2.1 NI Signal Express 2015软件

使用NI Signal Express 2015软件可以很方便地采集来自NI CDAQ-9181数据采集平台的振动信号，并极大限度地减少后处理的工作量，简化了测量任务。本实验采集的是来自PCB微型电子三向加速度传感器的振动加速度信号，如图3所示。在NI Signal Express 2015软件的任务栏添加程序，依次选择“Acquire Signals”→“DAQmx Acquire”→“Analog Input”→“Acceleration”→“IEPE”。

图3 任务设置

利用NI Signal Express 2015软件采集信号前，需对振动信号的敏感度进行单位换算。另外，在采样时频设置部分，需将采样模式修改为连续采样，采样率修改为本实验中使用的10 240 Hz。由于本实验的采样时长均在1s左右，所以将采样点数设置为10 240。设置完毕以后，可以开始进行信号采集。发动机开始运行以后，点击“Run”窗口，程序运行，既可以在“Data View”中观察数据，也可以在“Step Setup”中单独观察。

1.2.2 使用Matlab做数据处理

虽然NI Signal Express 2015软件本身可以对信号进行处理，但为了更直观地展示实验结果和实验的拓展性，通过Matlab进行频谱分析。具体做法如下：NI Signal Express 2015软件生成的数据文件是后缀为.tdms的数据文件，利用Excel表格打开采样频率为10 240 Hz的表格，可以获取在采样时长内的所有数据。将数据提取至一个后缀为.txt的文档中，如图4所示。或新建一个Excel表格，可以将其导入Matlab软件。由于Matlab软件不能识别除数字外的字符，所以需要把“Time”等表头去掉。导入Matlab软件后自动生成矩阵，为方便编写程序，可以对数据矩阵命名。

图4 生成.txt格式数据

对采集的信号做加窗处理，本实验使用的窗函数是汉宁窗，它能抵消旁瓣，消去高频干扰和能量泄漏[5]。然后进行傅里叶变换，将时域信号转化为频域信号，生成频谱图进行分析，如图5所示。

图5 振动加速度信号分析

2 发动机台架实例分析

2.1 台架发动机

丰田1ZR-FE发动机是一款排量为1.6L的四缸自然吸气发动机。PCB微型电子三向加速度传感器安装在缸盖位置，待发动机运行至正常水温、转速稳定在怠速状态，再进行振动加速度信号采集和分析。

2.2 失火故障特征分析

对怠速工况的正常状态和单一气缸失火故障状态的发动机横向加速度信号进行频谱分析，如图6所示。正常状态下，缸盖的振动响应信号主要以2阶次振动（对应30 Hz，转频的2倍）为主，对应61 Hz主频的4阶振动幅值很小，其余阶次振幅不明显；当第1缸发生失火故障时，振动信号频谱依然是以2阶次为主，但1阶次振动（对应15 Hz）幅值明显增强。这个特征很明显，为了验证故障特征的有效性，在实车上再进行测试分析。

图6 怠速工况下的振动信号频谱

3 实车测试与分析

3.1 实验用车

实验用车为2008款广汽本田思迪轿车，搭载一台代号为L15A的1.5 L四缸自然吸气发动机。发动机通过专门的橡胶悬置支承在车架上，发动机的NVH特性良好，运行平稳，悬置连接可避免其他部件的振动反作用于发动机。因此，对实车进行测试分析更有说服力。

3.2 怠速工况下各状态频谱对比

图7所示为各状态下的振动信号频谱。图7a为正常状态，以2阶次为主，其他阶次不明显。图7b为第1缸发生失火故障时，除2阶次以外，频率为12 Hz的1阶次振动和频率为18 Hz的1.5阶次振动的幅值明显上升。图7c为第2缸发生失火故障时，发动机1阶次和1.5阶次振动明显增强，其余低阶次的幅值都有不同程度提高。图7d为第3缸发生失火故障时，规律与第2缸失火故障类似。图7e为第4缸失火故障状态下的振动加速度频谱，除2阶次以外，其1阶次、1.5阶次、2.5阶次等以0.5阶次为倍数的阶次成分幅值明显增强，尤其是1阶次和1.5阶次。

图7 怠速时各状态的振动信号频谱

综合上述分析，当发动机发生失火故障时，对于频谱分析，共同的特征是：除了主阶次2阶次以外，1阶次的振幅均明显提高。考虑到频谱未进行幅值校正而存在分析误差，实际上，以0.5阶次为倍数的低阶幅值都有一定程度的提高。原因是：当有1个气缸失火时，其余3个气缸的气缸爆发压力形成新的变化周期，频率相当于转频的一半，从而出现0.5阶次及其倍频成分[6]。

3.3 1 500 r/min工况下频谱对比

当发动机在1 500 r/min左右运行时，整体抖动有加剧趋势，2阶次振动的幅值较怠速时高。如图8所示。其正常状态下以主频为50 Hz的2阶次振动为主，主频为25 Hz的1阶次振动也存在；当第1缸发生失火故障时，频率为12 Hz的0.5阶次振动增长明显，频率为25 Hz的1阶次频率幅值也有提高。可见，在不同转速下，发动机发生单缸失火时，其机体表面振动加速度信号频谱的变化呈一定的规律性，0.5阶次及其倍频成分显著增加。

图8 转速为1 500 r/min时振动信号频谱

4 结论

利用LabVIEW虚拟仪器系统和加速度传感器采集汽车发动机缸盖上的振动加速度信号，并对信号进行处理分析，将时域信号转化为频域信号，得到振动信号的频谱图，由此分析和了解发动机的振动特性。通过对发动机在不同气缸失火故障状态的振动加速度信号进行频谱分析，得知失火状态频谱中的1阶次、0.5阶次频率成分幅值明显增加，这一特征可作为发动机失火故障诊断的一个故障特征。