基于LabVIEW超高速軸承振動信號分析系統的設計與實現

摘要：為了降低空壓機的維護成本，提高工作效率，軸承的狀態監測和壽命預測成為目前行業研究的重點。加速度傳感器作為一種有效的監測工具，被廣泛應用于軸承振動信號的檢測中。通過對振動信號的分析，可以了解軸承的運行狀態，預測其壽命，并為軸承的選定和優化設計提供重要依據。文中借助虛擬儀器軟件LabVIEW，構建了一個軸承振動信號分析系統，該系統可以對超高速軸承的振動信號進行傅里葉譜和短時傅里葉譜分析，從而揭示軸承的振動特性；此外，對軸承進行了模擬疲勞測試，以獲取軸承的故障頻率和工作壽命數據；同時，利用軸心軌跡圖，可以直觀地了解軸承的運動狀態，進一步確保其穩定運行，不僅為空壓機的軸承狀態監測和壽命預測提供有力的技術支持，也為軸承的優化設計提供了寶貴的參考數據。

關鍵詞：超高速軸承；LabVIEW；信號分析；壽命預測；狀態檢測

Design and Implementation of a Vibration Signal Analysis System for Ultra High Speed Bearings Based on LabVIEW

CHEN "Zhaochun

（Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China）

Abstract： In order to reduce maintenance costs and improve work efficiency of air compressors， bearing condition monitoring and lifespan prediction have become the focus of current industry research. As an effective monitoring tool， the acceleration sensor is widely used in the detection of bearing vibration signals. Through the analysis of vibration signals， the operating status of bearings can be understood， their life can be predicted， and important references can be provided for the selection and optimized design of bearings. In this paper， with the help of the virtual instrument software LabVIEW， a bearing vibration signal analysis system has been constructed. This system can perform Fourier spectrum and short-time Fourier spectrum analysis on the vibration signals of ultra-high-speed bearings， revealing the vibration characteristics of the bearing. In addition， a simulated fatigue test has been carried out on the bearings to obtain the fault frequency and working lifespan data of the bearings. At the same time， by using the shaft center locus diagram， the motion state of the bearings can be intuitively understood to further ensure their stable operation， which provides powerful technical support for the condition monitoring and life prediction of the bearings of air compressors and also offers valuable reference data for the optimized design of the bearings.

Key Words： Ultra high speed bearing; LabVIEW; Signal analysis; Life prediction; Condition monitoring

0引言

隨著空壓機在各領域的廣泛應用，其性能要求越來越受到行業的重視。其中，使用壽命是空壓機性能的核心指標之一，而軸承作為關鍵組件，其性能直接決定了空壓機的整體表現。鑒于空壓機軸承需在高速、長時間的工作環境下運行，其性能穩定性和耐久性顯得尤為重要。然而，軸承常常因長期超負荷運行、維護不當、設備老化等因素而面臨損壞的風險。因此，選擇適當的軸承類型、實施定期故障檢測以及及時更換疲勞軸承，對于確?？諌簷C穩定運行具有至關重要的意義。

目前，研究人員對軸承的各種性能做了很多研究，比如鄧建等人對箔片空氣軸承進行了性能的改善以及優化[1]；黃梓友等人對空壓機軸承失效原因進行相關分析及對策[2]；朱峰龍等人基于LabVIEW對高速主軸在線動平衡振動信號處理與調控分析[3]；楊明珠等人基于LABVIEW對軸承振動信號進行分析設計[4]；王志杰等人基于LabVIEW的高速列車軸承故障監測診斷系統進行研究[5]；喻宏亮等人對滾動軸承的振動監測和分析方法的研究[6]，然而，盡管已有諸多研究，但在空壓機超高速空氣箔片軸承的壽命預測和故障診斷方面，尚存在明顯的研究空白。空壓機的超高速軸承中使用的空氣箔片軸承是一種無接觸的系統，其中氣膜如同潤滑劑，將相關運動的兩個表面分離。與傳統機械零件相比，超高速軸承因其極高的制造精度，使得其制造和維修成本均相當高昂。目前，我國在超高速軸承的制造技術與軸承壽命預測方面仍存在不足，現有的技術和設備在超高速空氣軸承的振動信號測試分析方面的準確性尚待提高。因此，開展針對空壓機超高速空氣箔片軸承的壽命預測和故障診斷研究，不僅有助于降低維護成本和提高工作效率，更對軸承的優化設計和技術進步具有深遠的意義。

1 超高速軸承測試平臺信號處理界面設計

超高速軸承振動測試信號處理系統需要實現以下功能：采集數據以及對測得的振動信號進行時域分析、頻譜分析、短時傅里葉變換、濾波降噪和倍頻提取等功能。平臺界面要求實現如下：

1）采集數據：信號處理系統采集數據分為實時數據采集并處理和采集數據并保存文件離線處理。采集數據需要設計用戶自行輸入其采樣數和采樣率。實時數據采集可以將多次采樣的數據集中在同一個數組里，并且通過波形圖顯示出來。

用戶可以根據自己的需要來對目前采集的數據進行保存以及清空當前數據。采集數據界面如圖1所示。

2）信號處理：用戶可以根據自己所要分析的功能，選擇各自的按鈕進入該子界面[7]。其中信號處理中濾波降噪處理界面如圖2所示。

2 超高速軸承振動信號分析系統設計

2.1振動傳感器選型

超高速軸承實驗平臺采用的傳感器是Endevco型號7251A加速度傳感器，如圖3所示。

一個小型壓電加速度計，專門用于測量機械結構的振動。這種加速度計在二線制系統中集成了一個內部混合信號調節器，通過提供恒定電源的傳輸低阻抗電壓。信號接地與裝置外殼相連，當與提供的隔離安裝螺釘一起使用時，信號接地與接地電氣隔離。

2.2硬件系統設計

該超高速軸承振動信號測試系統的硬件主要由Endevco的型號7251A加速度傳感器和自行設計的超高速軸承振動測試試驗臺相結合，采集數據使用的是NI的數據采集卡，由采集卡導入數據連接到工作機中，并將數據導入到電腦中開發好的LabVIEW虛擬軟件中。

2.3軟件系統設計

傳統的振動信號分析儀器依靠硬件電路實現，只能針對特定的信號參量進行分析處理，而且針對不同的待測設備，廠家要開發不同的硬件儀器面板，工作量較大。隨著科學技術不斷發展，機械設備更新換代的速度也越來越快，由于電路設計固定，老式測量儀器無法二次開發，只能丟棄，造成了大量硬件冗余浪費。因此，人們提出了虛擬儀器的構思，與傳統的測量儀器不同，虛擬儀器依托于計算機的硬件資源，實現對機械設備故障的監測[8]。

虛擬儀器與傳統測量儀器相比主要有如下幾個優點：

１）虛擬儀器功能的實現主要依托于軟件編程，不需要特定的電路，這使得它具有更強的可擴展性，更好的重復性。當測量分析需求有變化時，只需對軟件進行升級優化，不需要重復開發新的硬件電路，降低了成本。

２）虛擬儀器對信號進行測量時，采用數字信號傳輸，抗干擾能力強，這在一定程度上避免了周圍環境對儀器的影響。

３）在數據存儲方面，虛擬儀器可以依托計算機實現數據的本地存儲或者云端存儲，在這方面提供了傳統儀器不可比擬的便利性。

４）虛擬儀器有豐富的圖形界面，開發人員可以根據自己的需求設計適合多種測量方案界面，在不同場合自由調用。

５）虛擬儀器幾乎兼容所有的硬件設備接口，可以隨著場合或需求的不同自由更換采集設備。

６）虛擬儀器可利用TCP/IP等通信傳輸協議完成分布式采集與遠程采集通信功能，更加方便了實際工程應用。

文中基于LabVIEW 2018版本對超高速軸承測試平臺進行信號處理的程序開發。LabVIEW的前面板是交互式用戶界面，前面板的外觀和功能與傳統儀器面板相似，用戶設置的相關參數可以通過前面板傳遞給框圖，用戶的數據可以在前面板通過數字、表格、圖形等直觀地表現出來。前面板主要是放置控件，由于在實際的應用測量中，信號量只有輸入和輸出兩大類，為了符合人們的使用規范，LabVIEW控件也主要分為兩類，即輸入控件和輸出控件，在編程過程中輸入控件和輸出控件可以自由轉換。在編程過程中，用戶可以根據自己的編程需要在前面板放置數值控件、布爾控件、圖形顯示控件等[9]。

2.3.1 時域信號分析

直接測得或記錄得到的數據，一般以時間為變量，根據其數據點畫出相應的波形圖，稱為信號的時域描述。信號的時域描述可以反映出信號隨時間變化而變化的關系。信號的時域分析處理是對信號在時域上做卷積、放大、濾波、自相關等信號運算，提取出相應的時域特征。自相關分析是分析一個信號與其自身在不同時間點上的線性關系。相關函數是振動信號在時延域上的描述，廣泛應用在機械零件疲勞實驗的振源試別和故障診斷中。

周期的自相關函數還是同頻率的周期函數，只要信號中含有周期成分，其自相關函數在τ很大時都不衰減，并具有明顯的周期性。因此，可以利用自相關函數來檢測過程振動信號是否混油周期性的確定函數。

該模塊通過導入采集到的數據文件，通過xy圖來繪制振動信號的時域圖，并對該信號進行自相關運算。該子Vi還利用統計函數測量了該時域信號的平均值、最大值、均方根、標準差以及峰峰值。該程序框圖如圖4所示。

2.3.2 頻譜分析

旋轉機械的振動信號一般可以分解成一系列的頻率分量，每一個頻率分量都有相應的幅值和相位特征量。各個諧波分量以頻率為橫坐標，按照其相應的幅值排列起來的波形圖，成為頻譜圖。頻譜圖也分為幅度譜和相位譜[10]。

該模塊通過導入采集到的數據文件繪制時域波形圖。但與時域信號分析模塊不同，該模塊從二維數組里面索引代表電壓的數組，然后利用創建波形，去掉導入數據的橫坐標，在創建波形的控件上設置相應的dt，保證導入的數據是一維數組。在這個基礎上，對波形進行快速傅里葉變換的計算，設置對該變換的窗函數的參數，導出幅度譜。該程序框圖如圖5所示。

2.3.3 短時傅里葉譜分析

對測得的超高速軸承振動信號進行瀑布圖分析，實際上是對采樣的信號進行短時傅里葉變換。短時傅里葉變換跟快速傅里葉變換相比，其優勢在于快速傅里葉變換忽略了該頻率發生的時間信息，而短時傅里葉變換的結果同時獲得振動信號的頻率和時間信息，能夠看出故障發生的時間和故障特征。短時傅里葉變換譜是以瀑布圖的形式展示，可以根據不同時間出現的峰值對超高速軸承振動信號進行分析[11]。

該模塊通過導入采集到的數據文件繪制相應時域和頻域的波形圖，再將數組接入到stft時頻圖的控件，再通過利用三維圖像中的瀑布圖顯示stft時域圖中的z矩陣。該子vi用戶可以自行設置窗函數與相應的步長，該程序框圖如圖6所示。

2.3.4 濾波降噪

對信號進行其頻譜分析后，會在其高頻部分出現很多幅值較小的頻率分量，在該頻譜中只有其中一部分的信息為該超高速軸承振動信號的有效信息，剩下的部分是傳感器采集數據時把實驗環境中的噪聲也提取進去了，因此需要對采集到的振動信號進行濾波。濾波前要根據所需要的效果，來設置濾波器的參數，然后再進行濾波的操作，從而達到濾除振動信號中噪聲的效果[12]。

該模塊通過導入采集到的數據文件繪制頻域圖，前面板處有一個低通、帶通和帶阻濾波器的選擇，并且有相應的高低截止頻率的參數輸入。用戶可以根據自己的需要選擇相應的濾波器，濾波后會出現濾波前后頻譜圖的對比。該子vi使用了一個判斷結構來進行對濾波器的選取，濾波器使用的是封裝好的三階的巴特沃斯濾波器。該程序框圖如圖7所示。

圖7 " "濾波降噪

2.3.5 倍頻提取

倍頻提取首先對于該段信號的基頻進行帶通濾波，并在濾波后的頻譜圖上把幅值最大的頻率和幅值都提取出來。通過倍頻提取可以提取出原始信號的基頻和二倍頻等的最大值的頻率與相對應幅值，由此可以得出該軸承發生故障后的有效信息[13]。

該模塊通過導入采集到的數據文件繪制頻域圖，并讓數據通過一個帶通濾波器，通過在倍頻的附近頻帶，再通過對濾波后的頻譜圖進行單頻測量，提取出該頻段的最大幅值對應的頻率與幅值[14]。該程序框圖如圖8所示。

3超高速軸承振動信號分析系統的實現

超高速軸承振動測試平臺為驗證所設計的各功能vi的輸入輸出正確，在LabVIEW2018內輸入一個仿真信號，觀察運行出來的效果是否與想要實現的一樣。信號處理系統搭建主程序是利用各個功能的子vi搭建起來，因此，仿真實驗只需要對各個功能的子vi進行仿真實驗。

3.1時域信號分析

該vi設定加入一個頻率是100 Hz的振幅為50的正弦信號和一個頻率是200 Hz的振幅為-10的正弦信號到幅值和電平測量，將其通入一個加了hanning窗的fft顯出以下頻譜圖。測量控件得出該信號時域圖的正峰指、反峰值、峰峰值和均方根，并且其還能對該信號進行自相關運算，該圖像和數值顯示與原設置出來的結果一致，因此該功能vi正確。該時域信號分析仿真測試圖如圖9所示。

3.2頻譜分析

該功能vi利用一個基本單頻混合的控件，定義了初始頻率為100 Hz，并且頻率間隔為100 Hz的3個正弦信號，讓其通過一個波形測量里面的fft頻譜（幅值-相位）控件，并且設置其通過hanning窗，右圖為其測量之后的頻譜圖，該圖像與原設置出來的結果一致，因此該功能vi正確。該頻譜分析仿真測試圖如圖10所示。

3.3濾波降噪

該功能vi主要使用的是Express里面的濾波器，其不足之處在于其屬于高級vi，所以關于濾波器類型選擇不能更改。濾波器選型對巴特沃斯、切比雪夫和橢圓濾波器，以下對這三種濾波器進行相應的仿真，并取其最適合的帶通濾波。

該巴特沃斯帶通濾波仿真測試，設置對150 Hz到350 Hz之間的帶通濾波，設置參數如圖11所示。

該巴特沃斯帶通濾波仿真測試，設置對150 Hz到350 Hz之間的帶通濾波，濾波后示意圖如圖12所示。

該橢圓帶通濾波仿真測試，設置對150 Hz到350 Hz之間的帶通濾波，濾波后示意圖如圖13所示。

綜上所得，根據不同的濾波設置效果與其相應的效果設置，最終選擇了巴特沃斯三階濾波器，用戶可以自行輸入所設置的高低截止頻率，以下為分別進行帶通和低通濾波的仿真測試圖。該帶通濾波仿真測試圖如圖14所示。

該低通濾波仿真測試圖如圖15所示。

3.4倍頻提取

倍頻提取功能vi也定義了初始頻率為100 Hz，并且頻率間隔為100 Hz的3個正弦信號，讓其通過一個帶通濾波器，用戶可以自行設置帶通濾波器的高低截止頻率，取得需要提取倍頻的頻帶，再將該頻帶接入到單頻測量的控件，測得該信號的幅值最大時，對應的頻率和幅值的數值。該倍頻提取仿真測試圖如圖16所示。

4 "結語

文中主要是基于LabVIEW軟件對超高速軸承振動信號分析系統進行設計與實現，主要是開發設計信號處理內部的算法與對設計的算法進行仿真驗證[15]。LabVIEW中內部的算法是由數據以數組的方式設計而來，所以計算的每一個步驟都要用數組來驗證顯示。如果沒有看到內部的數組是如何進行計算的，則無法選擇計算所需要的控件，進而也無法準確接入信號處理模塊控件的輸入接口，從而無法準確設計出合理的信號處理程序[16]。開發設計完內部的算法之后，還需要用軟件自帶的仿真信號來進行驗證，否則，信號處理算法不準確，會大大降低超高速軸承故障檢測的準確性。

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