基于虛擬儀器技術的工程機械傳動系統檢測與診斷系統

文建祥， 顏雨吉， 趙立強， 張 宏

（1.陸軍工程大學，野戰工程學院， 江蘇 南京 210007； 2.93552部隊氣象臺， 河北 石家莊 050081）

引言

現代工程機械的工作條件惡劣，一方面，其本身含機、電、氣、液等一體化技術，檢測參數多、環境復雜。另一方面，隨著機電一體化技術和自動控制檢測技術的發展，現代工程機械的組成結構、工作原理與故障成因也日趨復雜，其故障的檢測與診斷難度越來越大。因此以虛擬儀器技術為基礎，采用USB總線技術與模塊化信號調理系統結構，結合振動信號的譜分析技術、信號的特征提取技術、多傳感器數據融合技術，信號的分形、小波分析、神經網絡分析等技術研究工程機械現場檢測系統的監測參數優化、數據傳輸技術和故障特征的提取與識別問題等，構建適合我軍現有工程機械使用的傳動系現場狀態監測與故障診斷系統，實現對工程機械傳動系工作狀態的在線檢測與故障診斷，是當前我軍工程機械狀態監測與故障診斷的一個顯著的發展趨勢。本文主要研究復雜環境條件下工程機械底盤與傳動系統的性能和工作狀態的現場檢測與故障診斷問題。

1 系統功能設計

1）檢測內容。本系統主要完成對我軍現裝備的某型推土機等工程機械的底盤及傳動系統的現場檢測及故障診斷。檢測該類裝備底盤及傳動系各主要部件的轉速、溫度、噪聲、振動等特征參數，這些部件包括離合器、變矩器、變速箱、傳動軸、主減速器和輪邊減速器等。

2）診斷能力。可對該類裝備底盤及傳動系各主要部件的運行狀況實施監測和故障診斷，確定其工作性能是否處于正常狀態。如果異常，給出診斷結果。

3）恢復指導。可在上述檢測與診斷的基礎上，根據診斷結果給出需要恢復裝備的故障恢復工藝、流程和修復方法，以對現場維修人員實施技術指導。

4）信息管理。本系統建立了工程機械的標準數據庫，用于機械正常條件下的固有特性和判別標準進行學習、查閱和檢索。同時，對裝備檢測與診斷結果進行儲存與管理，以便于信息的查詢和調用。另外，亦可根據用戶需要，針對每臺機械建立數據庫，對其使用狀況、維修記錄、管理信息等進行登記管理。

5）系統維護。本系統在設計時利用系統設計的思想充分考慮了系統的可維護性，軟硬件均采用模塊化設計，以使每個模塊都具有良好的可復用性和維護性。硬件系統的傳感器、調理電路、A/D轉換及數據采集均為獨立模塊，便于維護保養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，以使其跨平臺使用時具有便捷、快速。軟件部分采用組件技術，面向對象的編程思想和方法，以使軟件系統局用良好的通用性、復用性和可維護性。在系統需要修改或升級時，只需改變升級相應模塊或組件即可。

2 系統硬件平臺設計

硬件組成如圖1所示，主要由傳感器、信號調理電路、采集卡和計算機等組成，其主要用于獲取傳動系統的被測信號。

圖1 系統硬件組成

2.1 傳感器選型

傳感器件的功能主要是通過敏感元件對所測物理參數發生響應并將測得的信號變換成便于在通訊線路上傳輸的形式。按被測物理量的不同，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。在本系統中，由于底盤傳動系在工作中所表現出來的狀態信息主要是振動和聲響，個別部件在發生故障時會伴隨溫升。因此，傳感器的選擇也以測振傳感器為主，個別部件附以噪聲和溫度傳感器，以便于多信息融合處理，以提高診斷的準確性和全面性。測振傳感器按參數形式來分有位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。測振傳感器按參數形式來分，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）根據頻率大小選擇。一般來說，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）根據故障類型選擇。在振動故障診斷中，對于不同的故障類型，所選擇的傳感器也不同。對于位移量或活動量成為異常時，如機床加工的振動現象，旋轉軸的擺動等，選位移傳感器。對于以振動能量和疲勞為異常時，如旋轉機械的振動等，選擇速度傳感器。當沖擊力等力的大小異常時，如軸承和齒輪的缺陷引起的振動，選擇加速度傳感器。

3）根據習慣用法選擇。每個領域常根據本領域設備的特點及使用的便利性選擇相應的傳感器。一般對于回轉機械或回轉主軸常選用位移傳感器；工程機械廠選用加速度傳感器；冶金機械，如風機等由于與旋轉速度有關，常用速度傳感器。實際選用時，還可查找《工程機械實驗規范》來選擇傳感器。

基于以上原則，在本系統中，對于測振傳感器的選擇，以加速度傳感器為主，在輸出軸、傳動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量為原則。

2.2 調理模塊

從傳感器輸出的信號一般不能直接加以利用，其基本原因是傳感器輸出信號的幅度不適當，需要引入增益或者衰減使之與系統下一級匹配。在本系統中，由于環境復雜，從傳感器得到的原始信號中還含有其他成分，必須去除后才能獲得所需信息。因此，調理模塊的作用就是通過放大、濾波、除噪等處理將所需信息從傳感器輸出信號中分離出來，并以適當的形式傳給下一級。各種振動測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，經調理模塊處理后的模擬信號轉換成計算機能夠識別處理的數字信號。為了滿足高性能動態測試的要求，選擇目前已經成為PC機的標準配置、并且支持熱插拔功能、數據傳輸率高的USB接口的采集卡USB2005，其特點為：

1）連續不間斷大容量采集存盤。由于本系統對數據的要求很高，一方面數據容量較大，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時間的采集數據過程中，不能丟掉一個點，必須全部存入硬盤，同時還要進行一些點的抽樣分析，所以這一特性非常必要。

2）后臺工作方式。此采集卡的驅動程序為用戶提供了后臺工作方式進行數據傳輸，這樣可以保證前臺應用程序能實時高效的進行數據處理。后臺方式的特點是在進行數據采集和傳輸過程中不占用客戶程序的任何時間，當采集的數據長度達到客戶指定的值時便觸發客戶事件，客戶程序接受該事件便開始進行數據處理。在數據處理的同時，驅動程序依然在進行下一批數據的傳輸，即實現了并行操作，極大地提高了數據的吞吐量和計算機系統的整體處理能力。

3 系統軟件模塊

根據工程機械的具體情況，系統軟件分為七大模塊：系統設置模塊、故障信息采集模塊、信號預處理模塊、故障特征提取模塊、故障診斷模塊、結果輸出和幫助模塊等。軟件結構框圖如圖2所示，下頁圖3是故障的檢測界面之一。

圖2 診斷系統軟件框圖

圖3 故障診斷檢測界面

4 結論

研制基于虛擬儀器系統的工程機械傳感器檢測與診斷系統，是新的技術背景和應用需求的前提下研制的符合儀器系統的智能化、集成化、積木化的發展趨勢，便于系統的維護和功能擴展。本文所介紹的研制技術途徑和技術開發原則與部隊裝備維修發展需要緊密貼合，檢測診斷系統的主要性能指標滿足實際應用需求，系統設計中的關鍵技術問題得到解決。該系統的研制開發成功對部隊提高裝備維修速度和質量具有一定的意義。