基于虛擬儀器技術(shù)的工程機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)與診斷系統(tǒng)

文建祥， 顏雨吉， 趙立強(qiáng)， 張 宏

（1.陸軍工程大學(xué)，野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007； 2.93552部隊(duì)氣象臺(tái)， 河北 石家莊 050081）

引言

現(xiàn)代工程機(jī)械的工作條件惡劣，一方面，其本身含機(jī)、電、氣、液等一體化技術(shù)，檢測(cè)參數(shù)多、環(huán)境復(fù)雜。另一方面，隨著機(jī)電一體化技術(shù)和自動(dòng)控制檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工程機(jī)械的組成結(jié)構(gòu)、工作原理與故障成因也日趨復(fù)雜，其故障的檢測(cè)與診斷難度越來(lái)越大。因此以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，采用USB總線技術(shù)與模塊化信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合振動(dòng)信號(hào)的譜分析技術(shù)、信號(hào)的特征提取技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，信號(hào)的分形、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等技術(shù)研究工程機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和故障特征的提取與識(shí)別問(wèn)題等，構(gòu)建適合我軍現(xiàn)有工程機(jī)械使用的傳動(dòng)系現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械傳動(dòng)系工作狀態(tài)的在線檢測(cè)與故障診斷，是當(dāng)前我軍工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的一個(gè)顯著的發(fā)展趨勢(shì)。本文主要研究復(fù)雜環(huán)境條件下工程機(jī)械底盤(pán)與傳動(dòng)系統(tǒng)的性能和工作狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與故障診斷問(wèn)題。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1）檢測(cè)內(nèi)容。本系統(tǒng)主要完成對(duì)我軍現(xiàn)裝備的某型推土機(jī)等工程機(jī)械的底盤(pán)及傳動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及故障診斷。檢測(cè)該類裝備底盤(pán)及傳動(dòng)系各主要部件的轉(zhuǎn)速、溫度、噪聲、振動(dòng)等特征參數(shù)，這些部件包括離合器、變矩器、變速箱、傳動(dòng)軸、主減速器和輪邊減速器等。

2）診斷能力。可對(duì)該類裝備底盤(pán)及傳動(dòng)系各主要部件的運(yùn)行狀況實(shí)施監(jiān)測(cè)和故障診斷，確定其工作性能是否處于正常狀態(tài)。如果異常，給出診斷結(jié)果。

3）恢復(fù)指導(dǎo)。可在上述檢測(cè)與診斷的基礎(chǔ)上，根據(jù)診斷結(jié)果給出需要恢復(fù)裝備的故障恢復(fù)工藝、流程和修復(fù)方法，以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修人員實(shí)施技術(shù)指導(dǎo)。

4）信息管理。本系統(tǒng)建立了工程機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于機(jī)械正常條件下的固有特性和判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行學(xué)習(xí)、查閱和檢索。同時(shí)，對(duì)裝備檢測(cè)與診斷結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存與管理，以便于信息的查詢和調(diào)用。另外，亦可根據(jù)用戶需要，針對(duì)每臺(tái)機(jī)械建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)其使用狀況、維修記錄、管理信息等進(jìn)行登記管理。

5）系統(tǒng)維護(hù)。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想充分考慮了系統(tǒng)的可維護(hù)性，軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，以使每個(gè)模塊都具有良好的可復(fù)用性和維護(hù)性。硬件系統(tǒng)的傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集均為獨(dú)立模塊，便于維護(hù)保養(yǎng)并具有良好的通用性，比如采集卡為USB接口，更是充分利用了其即插即用和熱插拔特性，以使其跨平臺(tái)使用時(shí)具有便捷、快速。軟件部分采用組件技術(shù)，面向?qū)ο蟮木幊趟枷牒头椒ǎ允管浖到y(tǒng)局用良好的通用性、復(fù)用性和可維護(hù)性。在系統(tǒng)需要修改或升級(jí)時(shí)，只需改變升級(jí)相應(yīng)模塊或組件即可。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件組成如圖1所示，主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、采集卡和計(jì)算機(jī)等組成，其主要用于獲取傳動(dòng)系統(tǒng)的被測(cè)信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

2.1 傳感器選型

傳感器件的功能主要是通過(guò)敏感元件對(duì)所測(cè)物理參數(shù)發(fā)生響應(yīng)并將測(cè)得的信號(hào)變換成便于在通訊線路上傳輸?shù)男问健０幢粶y(cè)物理量的不同，可分為溫度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、扭矩傳感器等。在本系統(tǒng)中，由于底盤(pán)傳動(dòng)系在工作中所表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)信息主要是振動(dòng)和聲響，個(gè)別部件在發(fā)生故障時(shí)會(huì)伴隨溫升。因此，傳感器的選擇也以測(cè)振傳感器為主，個(gè)別部件附以噪聲和溫度傳感器，以便于多信息融合處理，以提高診斷的準(zhǔn)確性和全面性。測(cè)振傳感器按參數(shù)形式來(lái)分有位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。測(cè)振傳感器按參數(shù)形式來(lái)分，有位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。其選用原則為：

1）根據(jù)頻率大小選擇。一般來(lái)說(shuō)，低頻選位移、速度傳感器；中頻選速度傳感器；高頻選加速度傳感器。一般原則是：頻率在0～100 Hz選位移傳感器；頻率在10～1000 Hz選速度傳感器；頻率在1～10 kHz選加速度傳感器。

2）根據(jù)故障類型選擇。在振動(dòng)故障診斷中，對(duì)于不同的故障類型，所選擇的傳感器也不同。對(duì)于位移量或活動(dòng)量成為異常時(shí)，如機(jī)床加工的振動(dòng)現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)等，選位移傳感器。對(duì)于以振動(dòng)能量和疲勞為異常時(shí)，如旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)等，選擇速度傳感器。當(dāng)沖擊力等力的大小異常時(shí)，如軸承和齒輪的缺陷引起的振動(dòng)，選擇加速度傳感器。

3）根據(jù)習(xí)慣用法選擇。每個(gè)領(lǐng)域常根據(jù)本領(lǐng)域設(shè)備的特點(diǎn)及使用的便利性選擇相應(yīng)的傳感器。一般對(duì)于回轉(zhuǎn)機(jī)械或回轉(zhuǎn)主軸常選用位移傳感器；工程機(jī)械廠選用加速度傳感器；冶金機(jī)械，如風(fēng)機(jī)等由于與旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，常用速度傳感器。實(shí)際選用時(shí)，還可查找《工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)規(guī)范》來(lái)選擇傳感器。

基于以上原則，在本系統(tǒng)中，對(duì)于測(cè)振傳感器的選擇，以加速度傳感器為主，在輸出軸、傳動(dòng)軸等位置附以速度傳感器。而溫度和噪聲傳感器則以非接觸測(cè)量為原則。

2.2 調(diào)理模塊

從傳感器輸出的信號(hào)一般不能直接加以利用，其基本原因是傳感器輸出信號(hào)的幅度不適當(dāng)，需要引入增益或者衰減使之與系統(tǒng)下一級(jí)匹配。在本系統(tǒng)中，由于環(huán)境復(fù)雜，從傳感器得到的原始信號(hào)中還含有其他成分，必須去除后才能獲得所需信息。因此，調(diào)理模塊的作用就是通過(guò)放大、濾波、除噪等處理將所需信息從傳感器輸出信號(hào)中分離出來(lái)，并以適當(dāng)?shù)男问絺鹘o下一級(jí)。各種振動(dòng)測(cè)量傳感器需與特定的放大器匹配才能使用，以滿足各種不同測(cè)試要求。

2.3 采集模塊

采集模塊的主要作用是將傳感器輸出，經(jīng)調(diào)理模塊處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別處理的數(shù)字信號(hào)。為了滿足高性能動(dòng)態(tài)測(cè)試的要求，選擇目前已經(jīng)成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置、并且支持熱插拔功能、數(shù)據(jù)傳輸率高的USB接口的采集卡USB2005，其特點(diǎn)為：

1）連續(xù)不間斷大容量采集存盤(pán)。由于本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的要求很高，一方面數(shù)據(jù)容量較大，如幾百兆甚至幾仟兆，另一方面采樣速度都較高，如100 kHz、200 kHz、300 kHz等，更重要是要求在高速長(zhǎng)時(shí)間的采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，不能丟掉一個(gè)點(diǎn)，必須全部存入硬盤(pán)，同時(shí)還要進(jìn)行一些點(diǎn)的抽樣分析，所以這一特性非常必要。

2）后臺(tái)工作方式。此采集卡的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橛脩籼峁┝撕笈_(tái)工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以保證前臺(tái)應(yīng)用程序能實(shí)時(shí)高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。后臺(tái)方式的特點(diǎn)是在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程中不占用客戶程序的任何時(shí)間，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度達(dá)到客戶指定的值時(shí)便觸發(fā)客戶事件，客戶程序接受該事件便開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)處理的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序依然在進(jìn)行下一批數(shù)據(jù)的傳輸，即實(shí)現(xiàn)了并行操作，極大地提高了數(shù)據(jù)的吞吐量和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體處理能力。

3 系統(tǒng)軟件模塊

根據(jù)工程機(jī)械的具體情況，系統(tǒng)軟件分為七大模塊：系統(tǒng)設(shè)置模塊、故障信息采集模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、故障特征提取模塊、故障診斷模塊、結(jié)果輸出和幫助模塊等。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，下頁(yè)圖3是故障的檢測(cè)界面之一。

圖2 診斷系統(tǒng)軟件框圖

圖3 故障診斷檢測(cè)界面

4 結(jié)論

研制基于虛擬儀器系統(tǒng)的工程機(jī)械傳感器檢測(cè)與診斷系統(tǒng)，是新的技術(shù)背景和應(yīng)用需求的前提下研制的符合儀器系統(tǒng)的智能化、集成化、積木化的發(fā)展趨勢(shì)，便于系統(tǒng)的維護(hù)和功能擴(kuò)展。本文所介紹的研制技術(shù)途徑和技術(shù)開(kāi)發(fā)原則與部隊(duì)裝備維修發(fā)展需要緊密貼合，檢測(cè)診斷系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)滿足實(shí)際應(yīng)用需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題得到解決。該系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)成功對(duì)部隊(duì)提高裝備維修速度和質(zhì)量具有一定的意義。