基于虛擬儀器和Matlab的振動信號測試及在發動機故障分析中的應用*

喻菲菲 屈卓燊 杜燦誼

（廣東技術師范大學 廣東 廣州 510635）

引言

虛擬儀器技術集成了傳感器與計算機技術、信號處理技術，具有測量準確、可靠、靈活便捷等特點，廣泛應用于信號的測試與分析領域，在振動信號的采集與分析中，應用越來越多。近年來，眾多學者通過虛擬儀器技術完成對機械系統振動信號的采集與分析。趙曉順等人利用LabVIEW軟件和計算機、加速度傳感器、數據采集卡等硬件開發了發動機振動信號采集與分析系統，可進行時域與相關域分析、頻譜分析、聯合時頻分析等，對某型號發動機斷缸故障進行了有效的診斷分析[1]。大連理工大學的汪志凱利用LabVIEW軟件開發了一套針對旋轉機械振動測試的虛擬儀器系統，應用于實際工程的振動測試分析，取得了良好效果[2]。汽車發動機是一種既有往復運動又有旋轉運動的多激勵源機構，其振動信號蘊涵豐富的故障特征信息。發動機若發生機械故障，通常在振動噪聲信號上有所反映。因此，通過對發動機振動信號的測量與處理分析，可提取相應的故障特征，進而實現發動機故障的識別和診斷。

本文利用PCB微型電子三向加速度傳感器、NI 9234數據采集卡、NI CDAQ-9181數據采集平臺以及PC計算機等硬件，在NI Signal Express 2015軟件平臺構建發動機振動信號檢測及故障分析的虛擬儀器系統，以豐田1ZR-FE發動機臺架和本田思迪轎車為試驗對象，以發動機失火故障為例，在不同轉速和不同氣缸失火故障狀態下，對振動信號進行頻譜分析，以提取相關的故障特征，從而為診斷故障提供依據[3]。

1 測試系統搭建

利用虛擬儀器系統和Matlab采集振動加速度信號并進行頻譜分析，具體流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

1.1 硬件系統

硬件系統主要包括：

1）PCB微型電子三向加速度傳感器。采集3個方向的振動加速度信號；

2）NI 9234數據采集卡。帶4個輸入通道，能接收來自PCB微型電子三向加速度傳感器的加速度數據；

3）NI CDAQ-9181數據采集機箱。是NI 9234數據采集卡和PC電腦連接的橋梁，實現數據傳輸；

4）實驗測試用發動機。

本測試在豐田1ZR-FE發動機臺架和廣汽本田思迪轎車發動機上進行。選取發動機氣缸蓋位置作為振動加速度信號測試點，此位置受外部測試條件的影響較小，反映故障的敏感度較高，能比較精確地反映發動機內部部件的狀態信息[4]，測試用車和加速度傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 測試用車和加速度傳感器安裝位置圖

NI 9234數據采集卡與NI CDAQ-9181數據采集機箱裝配使用，安裝在發動機氣缸蓋前端的PCB微型三向加速度傳感器輸出3個方向的振動加速度信號，通過電纜傳輸至NI 9234數據采集卡的AI1、AI2和AI3等3個數據接收口。NI CDAQ-9181數據采集機箱通過網線與PC電腦進行連接，將采集的數據傳輸至PC電腦進行分析。

1.2 信號分析與處理

1.2.1 NI Signal Express 2015軟件

使用NI Signal Express 2015軟件可以很方便地采集來自NI CDAQ-9181數據采集平臺的振動信號，并極大限度地減少后處理的工作量，簡化了測量任務。本實驗采集的是來自PCB微型電子三向加速度傳感器的振動加速度信號，如圖3所示。在NI Signal Express 2015軟件的任務欄添加程序，依次選擇“Acquire Signals”→“DAQmx Acquire”→“Analog Input”→“Acceleration”→“IEPE”。

圖3 任務設置

利用NI Signal Express 2015軟件采集信號前，需對振動信號的敏感度進行單位換算。另外，在采樣時頻設置部分，需將采樣模式修改為連續采樣，采樣率修改為本實驗中使用的10 240 Hz。由于本實驗的采樣時長均在1s左右，所以將采樣點數設置為10 240。設置完畢以后，可以開始進行信號采集。發動機開始運行以后，點擊“Run”窗口，程序運行，既可以在“Data View”中觀察數據，也可以在“Step Setup”中單獨觀察。

1.2.2 使用Matlab做數據處理

雖然NI Signal Express 2015軟件本身可以對信號進行處理，但為了更直觀地展示實驗結果和實驗的拓展性，通過Matlab進行頻譜分析。具體做法如下：NI Signal Express 2015軟件生成的數據文件是后綴為.tdms的數據文件，利用Excel表格打開采樣頻率為10 240 Hz的表格，可以獲取在采樣時長內的所有數據。將數據提取至一個后綴為.txt的文檔中，如圖4所示。或新建一個Excel表格，可以將其導入Matlab軟件。由于Matlab軟件不能識別除數字外的字符，所以需要把“Time”等表頭去掉。導入Matlab軟件后自動生成矩陣，為方便編寫程序，可以對數據矩陣命名。

圖4 生成.txt格式數據

對采集的信號做加窗處理，本實驗使用的窗函數是漢寧窗，它能抵消旁瓣，消去高頻干擾和能量泄漏[5]。然后進行傅里葉變換，將時域信號轉化為頻域信號，生成頻譜圖進行分析，如圖5所示。

圖5 振動加速度信號分析

2 發動機臺架實例分析

2.1 臺架發動機

豐田1ZR-FE發動機是一款排量為1.6L的四缸自然吸氣發動機。PCB微型電子三向加速度傳感器安裝在缸蓋位置，待發動機運行至正常水溫、轉速穩定在怠速狀態，再進行振動加速度信號采集和分析。

2.2 失火故障特征分析

對怠速工況的正常狀態和單一氣缸失火故障狀態的發動機橫向加速度信號進行頻譜分析，如圖6所示。正常狀態下，缸蓋的振動響應信號主要以2階次振動（對應30 Hz，轉頻的2倍）為主，對應61 Hz主頻的4階振動幅值很小，其余階次振幅不明顯；當第1缸發生失火故障時，振動信號頻譜依然是以2階次為主，但1階次振動（對應15 Hz）幅值明顯增強。這個特征很明顯，為了驗證故障特征的有效性，在實車上再進行測試分析。

圖6 怠速工況下的振動信號頻譜

3 實車測試與分析

3.1 實驗用車

實驗用車為2008款廣汽本田思迪轎車，搭載一臺代號為L15A的1.5 L四缸自然吸氣發動機。發動機通過專門的橡膠懸置支承在車架上，發動機的NVH特性良好，運行平穩，懸置連接可避免其他部件的振動反作用于發動機。因此，對實車進行測試分析更有說服力。

3.2 怠速工況下各狀態頻譜對比

圖7所示為各狀態下的振動信號頻譜。圖7a為正常狀態，以2階次為主，其他階次不明顯。圖7b為第1缸發生失火故障時，除2階次以外，頻率為12 Hz的1階次振動和頻率為18 Hz的1.5階次振動的幅值明顯上升。圖7c為第2缸發生失火故障時，發動機1階次和1.5階次振動明顯增強，其余低階次的幅值都有不同程度提高。圖7d為第3缸發生失火故障時，規律與第2缸失火故障類似。圖7e為第4缸失火故障狀態下的振動加速度頻譜，除2階次以外，其1階次、1.5階次、2.5階次等以0.5階次為倍數的階次成分幅值明顯增強，尤其是1階次和1.5階次。

圖7 怠速時各狀態的振動信號頻譜

綜合上述分析，當發動機發生失火故障時，對于頻譜分析，共同的特征是：除了主階次2階次以外，1階次的振幅均明顯提高。考慮到頻譜未進行幅值校正而存在分析誤差，實際上，以0.5階次為倍數的低階幅值都有一定程度的提高。原因是：當有1個氣缸失火時，其余3個氣缸的氣缸爆發壓力形成新的變化周期，頻率相當于轉頻的一半，從而出現0.5階次及其倍頻成分[6]。

3.3 1 500 r/min工況下頻譜對比

當發動機在1 500 r/min左右運行時，整體抖動有加劇趨勢，2階次振動的幅值較怠速時高。如圖8所示。其正常狀態下以主頻為50 Hz的2階次振動為主，主頻為25 Hz的1階次振動也存在；當第1缸發生失火故障時，頻率為12 Hz的0.5階次振動增長明顯，頻率為25 Hz的1階次頻率幅值也有提高。可見，在不同轉速下，發動機發生單缸失火時，其機體表面振動加速度信號頻譜的變化呈一定的規律性，0.5階次及其倍頻成分顯著增加。

圖8 轉速為1 500 r/min時振動信號頻譜

4 結論

利用LabVIEW虛擬儀器系統和加速度傳感器采集汽車發動機缸蓋上的振動加速度信號，并對信號進行處理分析，將時域信號轉化為頻域信號，得到振動信號的頻譜圖，由此分析和了解發動機的振動特性。通過對發動機在不同氣缸失火故障狀態的振動加速度信號進行頻譜分析，得知失火狀態頻譜中的1階次、0.5階次頻率成分幅值明顯增加，這一特征可作為發動機失火故障診斷的一個故障特征。