应用LabVIEW高速搅拌轴状态信号特性分析

陈永方，孔令云，肖 娜

（黄河科技学院，河南 郑州 450003）

1 引言

在机械设备中，旋转机械要占到90%以上，是目前最常见的机械设备，即使其它形式的机械设备也往往包含一些旋转部件，如传动轴、齿轮、滚动轴承等，而且这些部件又是较易出现故障的部分［1］。脱硫塔是对排出的烟气进行脱硫的重要设备，物料从塔顶倒入，在下降过程中经塔身的7 根搅拌轴对物料进行粉碎，使得经粉碎后的物料便于后续的脱硫处理，因此，搅拌轴系是脱硫塔系统中的关键部件，其搅拌性能的好坏直接关系到整个系统脱硫效率的高低。因此，对旋转轴进行测试及故障诊断具有重要意义。

对旋转轴振动开展一定的研究：文献［2］利用虚拟仪器方法对汽车传动轴进行了实验测试，由此判断传动轴具体故障部位，提出了修改建议；文献［3］对机械故障振声诊断实验台上转速为900r/min 时旋转轴故障随机振动信号进行了采样，获取机构的故障特征频率；文献［4］对某传动系的故障进行了诊断，对输出轴表面磨损时箱体振动信号进行分解；文献［5］对抛光机滚筒使用的旋转轴进行故障诊断，有效识别了轴的故障状态；文献［6］以汽车传动轴为诊断对象，通过安装在轴表面的加速度传感器依次采集不同运行状态下的振动信号。

针对旋转搅拌轴及周边结构进行分析，获取振动测试的目的。基于小波分析对测试系统结构进行研究，采用LabVIEW 虚拟仪器测试系统搭建试验测试台，采用压电加速度传感器获取轴承座的竖直、水平方向及拌轴输入端的振动信号；对振动测试数据进行自功率谱、共振解调和小波分解等分析处理，通过信号分析，检测搅拌轴轴承状态及不平衡或不对中的现象，并对转速选择进行检验。

2 旋转搅拌轴结构

搅拌轴的材料为35 号优质碳素结构钢，强度较高，塑性和韧性都比普通碳素钢好，并经调质处理［7］。中部是具有长度为6m、壁厚16mm、外径219mm 的空心热轧钢管，搅拌轴结构，如图1所示。

图1 搅拌轴结构Fig.1 Mixing Shaft Structure

搅拌轴两端由轴承支撑，外部悬置的齿轮减速电机带动其旋转，处于脱硫塔内部的轴身装有链条，用于在运行时粉碎物料，其内部链条结构，如图2所示。

图2 内部链条Fig.2 Internal Chain

由于脱硫塔一经建成，其结构上就难以再进行改动，因此脱硫塔的运行效率就主要取决于搅拌轴运行状况及转速的选择。在运行过程中如果出现搅拌轴轴承的损坏，或出现轴身的不平衡、不对中现象，则将引起搅拌轴和塔身的较大振动，不但会降低搅拌轴寿命，严重时还可能对塔身的结构造成破坏［8］。正常情况下搅拌轴静止时、开始旋转瞬间和转速稳定时搅拌链的位置应，如图3所示。

图3 搅拌链位置示意图Fig.3 Schematic Diagram of Mixing Chain Position

但如果转速过低，则稳态时搅拌链不能完全被甩起，从而影响对物料的粉碎程度，同时链条还会以一定的周期和搅拌轴发生撞击［9］；反之如果转速过高，虽然稳态时搅拌链能够完全扬起，对物料的粉碎也比较彻底，但转速太高会浪费能源，而且容易产生较大的振动，因此选择合适的转速是使脱硫塔能够正常运行的必要条件。

3 基于小波分析测试系统结构

3.1 系统结构原理

小波变换采用的基本小波函数（Mother Wavelet）可写作：

式中：s—尺度因子；τ—移位系数，变动s和τ，可以得到一组小波函数。

小波通过改变尺度因子得到不同时、频分辨率的示意图，如图4所示。

图4 小波变换的可变时窗Fig.4 Variable Time Window of Wavelet Transform

当s增加时，时间窗变窄，频率窗变宽，从而使时间分辨率提高，频率分辨率降低；反之，当s减小时，时间窗变宽，频率窗变窄，从而时间分辨率降低，频率分辨率提高。因此小波变换对高频区具有较好的时间分辨率，因此可能利用这一性质来检测高频的脉冲信号。LabVIEW 环境下实现小波变换的基本思想是利用两通道理想重建滤波器组进行小波分解与重构［10］，分析滤波器系数和综合滤波器系数分别读入相应的小波函数，再经过一定的程序设计，即可完成以db02 或bior2_4 为母小波的小波分解与重构。小波分解与重构的程序框图，如图5所示。图标为SMW 函数的负责读取小波的滤波器系数，通过它可以选择不同的母小波［12］，然后将分析滤波器系数读入Analysis Filter Bank.vi（函数（1）），该函数输出小波分解的高频细节部分（CD）和低频近似部分（CA），外层的For 循环结构决定分解的层数，将综合滤波器系数读入Synthesis Filter Bank.vi（函数（2）），这个函数输出原信号的重构部分x［i］，名为细节选择的控件可确定对原信号进行几层小波分解［13］。小波分解的一个重要应用就是对信号中突变点的检测，用于提取异常点。

图5 小波分解与重构程序框图Fig.5 Program Block Diagram of Wavelet Decomposition and Reconstruction

3.2 数据采集与程序设计

采集设备的硬件连接

（1）测试搅拌轴时，将三个压电加速度传感器分别吸附在轴承座的竖直、水平方向，以及输入端电机的减速箱盖上，搅拌轴输入端和数据采集设备，如图6所示。

图6 搅拌轴输入端Fig.6 Input End of Mixing Shaft

（2）将压电加速度传感器微型电缆总成一端接传感器，一端连到恒流源模块的输入端，输出端接采集机箱的输入通道。

（3）通过变压器（24V）给恒流源模块和采集机箱供电。

（4）将采集机箱输出端通过屏蔽电缆连接到数据采集卡。

采用传统的DAQ物理通道定址，通道号为4、5，输入的极限为-5V～+5V，设备号Device＝1，输入模式Referenced Single Ended（参考单端）。

4 测试结果分析

4.1 搅拌轴运行状态分析

25m处的一根搅拌轴输入端竖直方向和水平方向振动信号的自功率谱，如图7所示。

图7 25m轴输入端振动信号自功率谱Fig.7 Self-Power Spectrum of Vibration Signal at 25m Shaft Input End

从图7（a）可以看出，振动能量主要集中在高频区，在低频区4.5Hz和其倍频9Hz处，出现两个较小的谱峰，但幅值均很小，而在图7（b）中观察不到这一现象，说明振动方向性明显，4.5Hz对应于搅拌轴的转频，因此可诊断为轴存在轻微的不对中现象；另外在两幅图的24Hz处也有一个谱峰，该频率对应于电机的转频，说明电机由于采用悬置，其本身也对轴输入端的振动也有一定的影响。

图7中的两幅图的50Hz处也各出现两个幅值较大的谱峰，而且25m 处另一根搅拌轴的采样信号中表现更加明显，如图8所示。

图8 50Hz工频干扰Fig.8 50Hz Power Frequency Interference

由图可知，经分析这是由于测试仪器采用220V交流电源供电，电线离仪器较近，且数据传输电缆没有接地，导致了50Hz干扰信号的产生，在虚拟仪器中可通过带通滤波的方法进行消除。37m处搅拌轴输入端竖直方向振动信号的自功率谱，如图9所示。

图9 37m轴振动信号自功率谱Fig.9 Self-Power Spectrum of 37m Shaft Vibration Signal

由图可以看出，4.5Hz处出现一个较明显的谱峰，并且没有倍频成分，因此可诊断37m轴存在一定的失衡现象，25Hz处的谱峰是由于输入端电机的影响。另外通过对25m、31m处其他各搅拌轴振动数据的频谱分析，发现其他各轴基本均运转正常，没有不对中或不平衡等故障。但通过检查各振动信号的时域波形发现，37m轴一组时域振动信号表现出明显的周期性冲击脉冲，如图10所示。脉冲的周期约为0.22s，与搅拌轴的旋转周期接近。

图10 37m搅拌轴时域振动信号Fig.10 Time Domain Vibration Signal of 37m Stirring Shaft

经初步分析这一脉冲很可能是由于转速选择偏低，使得位于塔体内的搅拌链撞击搅拌轴产生的，但同时测得的37m 轴的另一组数据却观察不到这一现象，如图11所示。

图11 37m搅拌轴时域振动信号Fig.11 Time Domain Vibration Signal of 37m Stirring Shaft

因此，有必要对这一组数据进行进一步的分析，以判断该冲击是否真实存在以及是否由于转速选择偏低引起。

4.2 搅拌轴转速选择分析

由于冲击属于时变信号（频率随时间变化），不能通过传统的频域分析方法检测出来，为了验证该冲击确实存在，对图12 所示的时域信号进行共振解调分析，由于所用传感器的共振频率约为30kHz，因此选择带通滤波的通频带为（20～40）kHz，低通滤波的截止频率为500Hz，经分析所得的包络信号及其功率谱，如图12所示。

图12 包络信号及功率谱Fig.12 Envelope Signal and Power Spectrum

从图中可以看出4.5Hz处有一个明显的谱峰，它对应的周期为0.22s，因此可以断定该冲击确实存在。另外，对图10的信号应用小波方法进行分析，应用bior2_4小波对其进行9层小波分解，所得的低频分量和高频细节信号，如图13所示。从图中可以看出，小波分解的细节信号检测到了原始信号中的突变点（冲击脉冲），在0.9 内有4 个这样的脉冲，因此断定冲击的频率约为4.5Hz，与共振解调法所得结果一致，进一步确认了该冲击的存在，并证明了小波分析的有效性。

图13 小波分解后的信号Fig.13 Signal after Wavelet Decomposition

4.3 对比分析

由前文的理论分析和试验测试，对比关键参数，如表1所示。

表1 谱峰位置对比Tab.1 Comparison of Spectral Peak Positions

由表中结果可知，理论分析存在谱峰的位置和实测数据基本一致，谱峰频率和周期也基本保持一致，表明实测结果和理论结果是可靠的，为实际优化设计提供参考。

5 结论

（1）部分搅拌轴（25m 处和37m 处）存在不平衡或不对中现象，但不是特别严重，短期内不会影响到脱硫塔的正常运转，但应做定期的跟踪检测，并采取及时的预防措施，以免在将来的运行中发生事故；（2）由于带动搅拌轴运转的电机采用悬置放置，使其转动时振动加大，主要表现为低频振幅增大，它不仅影响到搅拌轴的振动，而且影响到整个塔身，因此建议应采取加固措施，以防止长期运行对塔身结构造成破坏；（3）由于在测试数据中检测到链条与搅拌轴之间产生了撞击，因此可以断定目前的搅拌轴转速选择偏低，这样会使由塔顶下降的物料不能得到有效的粉碎，影响物料的脱硫效率，故应适当提高电机转速，或改变减速箱的速比，提高输出转速。