機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

皮 駿，陶 理，原郭豐

（1.中國(guó)民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；3.中國(guó)科學(xué)院電工研究所 中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)能熱利用與光伏系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

皮 駿1，陶 理2，原郭豐3

（1.中國(guó)民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；3.中國(guó)科學(xué)院電工研究所 中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)能熱利用與光伏系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

針對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)的高速、實(shí)時(shí)和同步處理的要求，以Visual C++為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了基于頻譜分析和軸心軌跡分析的機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)。采用USB 2850采集卡搭建振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，通過(guò)分組采集方式實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的同步采集，利用鍵相信號(hào)對(duì)振動(dòng)信號(hào)整周期重采樣，將原始連續(xù)信號(hào)整周期化。根據(jù)信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)處理流程，結(jié)合各模塊算法執(zhí)行效率，設(shè)計(jì)多線程流水處理架構(gòu)，保證系統(tǒng)的多流程同步執(zhí)行。最后，通過(guò)轉(zhuǎn)子不平衡故障和不對(duì)中故障模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了故障診斷方法正確無(wú)誤，信號(hào)分析系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、準(zhǔn)確。

振動(dòng)與波；故障診斷；數(shù)據(jù)采集；多線程

在機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)中，振動(dòng)監(jiān)測(cè)是普遍采用的基本方法。機(jī)械振動(dòng)故障診斷作為一個(gè)系統(tǒng)集成涉及到傳感與測(cè)試、信號(hào)采集、信號(hào)分析、故障診斷、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)通信等等各方面的技術(shù)。在一些關(guān)鍵技術(shù)上均有針對(duì)性的研究：楊世錫等人針對(duì)振動(dòng)信號(hào)的整周期采集進(jìn)行了硬件和軟件方法的研究，均獲得良好效果[1，2]；郭峰等人開(kāi)發(fā)的邏輯分析儀軟件實(shí)現(xiàn)了多線程技術(shù)在信號(hào)采集和同步處理的應(yīng)用[3]。對(duì)于振動(dòng)故障特征的分析研究也形成了普遍公認(rèn)的結(jié)論。特定形狀的軸心軌跡對(duì)應(yīng)著特定的故障類(lèi)型，表征旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系故障的典型軸心軌跡有以下幾種：橢圓表示不平衡故障；香蕉形表示不對(duì)中與不平衡綜合故障；外8字形表示不對(duì)中故障；內(nèi)8字形表示油膜渦動(dòng)故障[4]。在基于FFT的頻譜分析方法中，對(duì)于轉(zhuǎn)子不平衡、半速渦動(dòng)及油膜振蕩、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、共振、部件松動(dòng)、轉(zhuǎn)子與定子摩擦、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)缺陷與裂紋、軸承缺陷等故障都反映在振動(dòng)信號(hào)譜圖的相應(yīng)頻率分量上，即都有其特殊的故障征兆。這些征兆有1/3倍頻、1/2倍頻、工頻、2倍頻、3倍頻等[5]。

本系統(tǒng)采用USB 2850采集卡搭建振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，通過(guò)分組采集方式實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的同步采集；利用鍵相信號(hào)對(duì)振動(dòng)信號(hào)整周期重采樣，將原始連續(xù)信號(hào)整周期化；根據(jù)信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)處理流程，結(jié)合各模塊算法執(zhí)行效率，設(shè)計(jì)多線程流水處理架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了基于頻譜分析和軸心軌跡分析的機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)子振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)

自搭建轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)有以下幾部分組成：底座及底座支架、直流可調(diào)速電機(jī)、傳感器支架、軸承支座、撓性聯(lián)軸節(jié)、轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)子圓盤(pán)等。能夠模擬的轉(zhuǎn)子不平衡（單面不平衡和多面不平衡）、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)軸摩擦、油膜渦動(dòng)、轉(zhuǎn)軸變形等故障工況。

圖1 轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

1.2 基于USB2850采集卡的信號(hào)采集系統(tǒng)

USB 2850采集卡是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計(jì)算機(jī)的USB接口相連，具有16位精度、64通道、最高采用率500 KHZ以及以太網(wǎng)連接功能。信號(hào)采集系統(tǒng)由以下幾部分組成：2路電渦流傳感器（垂直布置）、光電傳感器、傳感器電源（+ 24V/-24V/+5V）、差分變送器、USB 2850采集卡。信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

1.3 故障診斷系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用VC++2010作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并采用SQL Server 2008作為其數(shù)據(jù)庫(kù)后臺(tái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括：信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、故障數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、用戶(hù)參數(shù)管理模塊。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）信號(hào)采集模塊 通過(guò)C++直接調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)，設(shè)置采集卡采用頻率、工作模式、通道選擇等參數(shù)，獲取各路傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)；

（2）信號(hào)處理模塊 將采集的原始信號(hào)進(jìn)行濾波、整周期處理、轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)、FFT變換，同步顯示各通道時(shí)域波形、頻譜圖以及軸心軌跡等。分析信號(hào)的時(shí)域特性和頻域特性，用于故障狀態(tài)的診斷；

（3）故障數(shù)據(jù)庫(kù)模塊 用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和故障特征數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的離線分析；

（4）用戶(hù)參數(shù)管理模塊 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)涉及大量參數(shù)選擇，如通道選擇、采樣頻率、顯示方式等等，將各種參數(shù)統(tǒng)一管理，生成用戶(hù)配置文件。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)需要在線實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)設(shè)備的各種參量，如轉(zhuǎn)子位移、轉(zhuǎn)速。并且各路通道數(shù)據(jù)需要同步處理，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行即時(shí)判斷。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須解決信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、信號(hào)的整周期提取以及信號(hào)同步處理的多線程技術(shù)。

2.1 實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集

由于USB 2850采集卡工作模式為異步通道采集，所以需要采用分組采集的方式進(jìn)行各通道信號(hào)數(shù)據(jù)的采集。分組采集功能是指AD在采樣過(guò)程中，組內(nèi)各通道以?xún)?nèi)時(shí)鐘的采樣頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，每?jī)山M之間有一定的等待時(shí)間，這段時(shí)間稱(chēng)為組間間隔。組循環(huán)次數(shù)是指在同一組內(nèi)每個(gè)通道循環(huán)采集的次數(shù)；在內(nèi)時(shí)鐘和固定頻率的外時(shí)鐘模式下，組與組之間的時(shí)間稱(chēng)為組周期[6]。分組采集原理如圖4所示，t1為內(nèi)時(shí)鐘采樣周期，t2為AD芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間，t3為組間間隔。則組周期T即為

圖4 分組采集原理圖

式中n為組內(nèi)循環(huán)次數(shù)。

分組采集方式使得采集卡在相對(duì)較慢的采集頻率下，盡可能保證各個(gè)通道間的時(shí)間差越小來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的相位差，從而保證通道間的同步性。相鄰兩通道的相位差為t1，其相對(duì)相位差

內(nèi)時(shí)鐘采樣周期t1為內(nèi)時(shí)鐘采樣頻率f的倒數(shù)，并將（1）帶入（2）得

由式（3）可知，組內(nèi)采樣頻率f越高，組間間隔時(shí)間t3越長(zhǎng)，相對(duì)相差越小，信號(hào)同步性就越好。

2.2 原始信號(hào)的整周期化

對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)，采用基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速工頻的整周期采樣可以消除或減弱頻譜分析中的非整周期采樣存在的譜泄漏和柵欄效應(yīng)[5]。旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)一般工況下是平穩(wěn)信號(hào)，在啟停機(jī)狀態(tài)或突發(fā)狀態(tài)時(shí)其信號(hào)將變成非平穩(wěn)信號(hào)。對(duì)于平穩(wěn)信號(hào)，若信號(hào)為整周期等相位采樣，則每次采樣截取的信號(hào)長(zhǎng)度為工頻周期的整數(shù)倍，從而獲得比較準(zhǔn)確的頻譜；對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)而言，整周期等相位采樣可以使信號(hào)在一定程度上變得平穩(wěn)，減弱頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)對(duì)分析精度的影響[1]。且在轉(zhuǎn)子啟停暫態(tài)分析時(shí)，需要對(duì)于單周期振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，以得出振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。所以原始信號(hào)的整周期處理對(duì)信號(hào)分析具有重要意義。

如圖5所示，通道（a）、通道（b）為兩路電渦流傳感器的位移信號(hào)，通道（c）為光電傳感器接收的轉(zhuǎn)子鍵相信號(hào)。轉(zhuǎn)子周向上有吸光的暗標(biāo)記，當(dāng)光照射暗標(biāo)記上時(shí)光電傳感器接收的光強(qiáng)減弱，其輸出的電壓信號(hào)也隨之減弱。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，光電傳感器輸出的電壓信號(hào)就隨之出現(xiàn)周期的鋸齒波形。取峰值的一半作為比較的閾值Vn，順序遍歷通道（c），找到數(shù)據(jù)序列中第一個(gè)小于Vn的數(shù)值，判斷邏輯為

圖5 整周期重采樣原理圖

將（n+1）其標(biāo)記為各通道的周期起止位置，重復(fù)以上步驟即可循環(huán)標(biāo)記出各通道的周期的起止位置。

2.3 多線程同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)在線采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集量非常巨大，并且需要同步顯示、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析處理，其對(duì)于數(shù)據(jù)處理的效率要求非常高，傳統(tǒng)單線程無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、同步要求。但是多線程并不是在任何情況下都能提升效率。頻繁的線程啟停、切換都會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，線程之間不恰當(dāng)?shù)幕ユi、等待會(huì)極大降低系統(tǒng)效率，不同線程同一時(shí)刻對(duì)同一變量的操作可能導(dǎo)致意外錯(cuò)誤致使系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。所以線程之間的優(yōu)化調(diào)度至關(guān)重要。MFC提供四種同步對(duì)象：臨界區(qū)（Critical Section）、信號(hào)量（Semaphore）、互斥量（Mutex）和事件（Event）[6]。

本系統(tǒng)在線程之間的同步采用MFC框架提供的事件（Event）同步，針對(duì)線程之間的共享接口變量的累加累減操作則采用Windows API提供的原子操作（Interlocked）系列函數(shù)。線程之間的數(shù)據(jù)流采用重新組裝、分發(fā)的方式來(lái)減少線程間對(duì)共享變量的操作，降低各模塊之間的耦合性。子線程與主線程之間以消息方式（Post Message）進(jìn)行通信，讓界面響應(yīng)波形圖像的同步繪制。根據(jù)功能需求及算法效率，對(duì)于核心流程的實(shí)現(xiàn)啟用4條工作者線程來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步處理。

如圖6所示，主線程控制全部子線程的啟停、用戶(hù)操作響應(yīng)、界面繪圖響應(yīng)。全部運(yùn)算過(guò)程被封裝到各個(gè)子線程中，防止主線程因運(yùn)算阻塞而無(wú)法響應(yīng)用戶(hù)操作和實(shí)時(shí)圖形的繪制。主線程以連續(xù)采集標(biāo)志（ADRun Flag）來(lái)控制各線程的生命周期，啟動(dòng)、停止整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程。采集線程根據(jù)采集卡的FIFO半滿(mǎn)標(biāo)志循環(huán)讀取采集卡內(nèi)緩沖數(shù)據(jù)，發(fā)出數(shù)據(jù)處理事件（ProcessEvent）。其余各線程均以掛起方式啟動(dòng)。數(shù)據(jù)處理線程接收處理事件（Process Event）的信號(hào)響應(yīng)，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行通道分發(fā)、重新組裝、整周期提取，并發(fā)出頻譜分析事件（FFTE vent）和存儲(chǔ)事件（Storage Event）。由于FFT變換的運(yùn)算量相對(duì)其它處理過(guò)程所需的CPU時(shí)鐘數(shù)較多，所以將頻譜分析過(guò)程獨(dú)立封裝成一線程，并將其線程優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高級(jí)（Time Critical）。硬盤(pán)的隨機(jī)寫(xiě)入相比內(nèi)存數(shù)據(jù)的處理是十分緩慢的，采集卡每秒讀入百萬(wàn)級(jí)的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)線程將各通道數(shù)據(jù)重新組裝后連續(xù)寫(xiě)入硬盤(pán)。

圖6 線程結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 轉(zhuǎn)子不平衡故障分析

質(zhì)量不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最為常見(jiàn)的故障之一。轉(zhuǎn)子質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)中心之間存在一定量的偏心距，這就使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)形成周期性的離心力的干擾，在軸承上產(chǎn)生動(dòng)載荷，使機(jī)器發(fā)生振動(dòng)[7]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：在配重盤(pán)上安裝配重塊，使其產(chǎn)生顯著質(zhì)量偏心，開(kāi)啟電機(jī)將轉(zhuǎn)速調(diào)整至接近臨界轉(zhuǎn)速2 100 r/min（振動(dòng)開(kāi)始加?。?。分析結(jié)果如圖7所示，時(shí)域波形（a）在一個(gè)周期內(nèi)為類(lèi)似正弦波且振幅較大在頻域中；在頻譜圖（b）上振動(dòng)的激振頻率為單一的旋轉(zhuǎn)頻率（工頻），其倍頻及多倍頻處沒(méi)有明顯幅值；此時(shí)軸心軌跡（c）呈橢圓形。

圖7 不平衡故障信號(hào)圖

3.2 轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障分析

轉(zhuǎn)子不對(duì)中通常是指相鄰兩轉(zhuǎn)子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。由于聯(lián)軸器加工安裝誤差、轉(zhuǎn)子變形、軸承不同心以及機(jī)座高低偏差等因素會(huì)使聯(lián)軸器存在3種不對(duì)中類(lèi)型，平行不對(duì)中、傾角不對(duì)中、平行傾角不對(duì)中[8，9]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：墊高靠近聯(lián)軸器一端的軸承支座，調(diào)整轉(zhuǎn)速至1 100 r/min左右。分析結(jié)果如圖8所示，頻譜圖（b）二倍頻分量幅值顯著且有相對(duì)較高的比重；此時(shí)軸心軌跡（c）呈“8”字圓形。

圖8 不對(duì)中故障信號(hào)圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于VC++開(kāi)發(fā)的機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)充分發(fā)揮了C/C++語(yǔ)言的高效性和多線程技術(shù)的多任務(wù)并行處理能力，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的同步采集與處理。系統(tǒng)延遲率低，無(wú)數(shù)據(jù)丟失。經(jīng)整周期重采樣信號(hào)的頻譜圖譜線清晰，無(wú)頻譜泄漏。在系統(tǒng)架構(gòu)、模塊、線程設(shè)計(jì)上秉承高內(nèi)聚、低耦合的原則，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了有力保障。

[1]梁文軍，楊世錫，魏義敏.基于FPGA的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)整周期等相位采樣控制方法[J].機(jī)電工程，2011，28(2)：148-152.

[2]胡勁松，楊世錫.轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)同步整周期重采樣方法的研究[J].動(dòng)力工程，2008，28(3)：408-410.

[3]郭峰，龍兵，戴志堅(jiān).多線程同步技術(shù)在邏輯分析儀軟件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù)，2011，34(11)：48-50.

[4]江志農(nóng)，李艷妮.旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸心軌跡特征提取技術(shù)研究[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2007，27(2)：98-101.

[5]王金福，李富才.機(jī)械故障診斷的信號(hào)處理方法：頻域分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2013(1)：173-180.

[6]李叔敏.基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2009：39-42.

[7]耿萌，石林鎖.基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子不平衡故障模擬及故障分析[J].機(jī)床與液壓，2008，36(2)：188-190.

[8]劉占生，趙廣，龍?chǎng)?轉(zhuǎn)子系統(tǒng)聯(lián)軸器不對(duì)中研究綜述[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2007，49(5)：321-325.

[9]隆軍，吳金強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障診斷[J].噪聲與振動(dòng)控制，2013(6)：222-225.

Design andApplication of Mechanical Vibration Fault-diagnosis System

PI Jun1,TAO Li2,YUAN Guo-feng3
(1.Sino-European Institute ofAviation Engineer,CivilAviation University of China,Tianjin 300300,China; 2.School ofAeronautical Engineering,CivilAviation University of China,Tianjin 300300,China; 3.Key Laboratory of Solar Thermal Energy and Photovoltaic System of ChineseAcademy of Science, Institute of Electrical Engineering,Beijing 100190,China)

Due to the requirements of high speed,real-time and synchronous processing for machinery vibration monitoring,a mechanical vibration fault diagnosis system was developed by Visual C++based on spectrum and shaft orbit analysis. The vibration signal acquisition system based on the USB 2850 acquisition card was applied to the synchronous acquisition of multi-channel signals via the group acquisition mode.The original continuous signal was periodically divided by key signals re-sampling.According to the signal sampling and the data processing flow of each module with the consideration of algorithm efficiency,multi-flow processing was designed to guarantee the synchronous execution of the system.Finally,the stability,efficiency,and accuracy of the signal analysis system were verified by the rotor imbalance and misalignment faults simulation experiments.

vibration and wave;fault diagnosis;data acquisition;multi-flow

TB53；TP274；TP311；O329

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.043

1006-1355(2015)01-0209-05

2014－04－30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51106150）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)中國(guó)民航大學(xué)專(zhuān)項(xiàng)（ZXH2012H003)

皮駿（1973－），男，內(nèi)蒙包頭人，博士，副教授。研究方向：機(jī)械振動(dòng)分析。E-mail:jpi@cauc.edu.cn

原郭豐（1978－），男，博士，助理研究員。研究方向：太陽(yáng)能海水淡化。E-mail:yuanguofeng@163.com