杨帆 张文娟 孙剑伟 王折

摘要：机械设备在工作中容易出现各种问题，需要及时的发现并且解决问题才不会造成过大的损失，所以需要有一个机械设备故障监测及诊断系统，该系统有助于提高机械设备的工作效率和使用寿命。于是文章将虚拟仪器技术运用到系统的设计中。首先对虚拟仪器进行介绍，然后再对系统的硬件和软件进行设计和实现，最后通过实例研究，检验该系统是否能够较好的对机械设备故障进行监测及诊断。实验结果表面，该系统能够较好的完成机械设备故障的监测及诊断，

关键词：虚拟仪器技术;机械设备;检测及诊断系统

中图分类号：TH165+.3;TP274

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）06-0133-05

1 虚拟仪器简介

虚拟仪器的主要核心就是计算机，是通过计算机的显示功能对仪器进行设计或者是自定义，来表达出所需要检测的结果，计算机有着非常强大的功能，可以利用计算机对数据进行分析处理[1]。虚拟仪器之所以具有非常强大的功能就是结合了多方面的应用，即将计算机、硬件和软件三者进行有机结合。本质上讲，虚拟仪器就是首先通过硬件系统对信号进行收集，然后将处理好的信号数据输入到计算机中，通过软件对数据进行分析处理，最后就是将得出的监测结果通过控制面板显示出来[2]。虚拟仪器的3个组成部分结构如图1所示。

虚拟仪器的硬件组成部分的主要作用就是给计算机与测试控制系统之间提供1个接口，一般情况下，接口方式分为总线型和板卡式，这2种接口方式有所曲线，其中板卡式用起来会非常的方面，直接将卡插到相应的槽中，但是其应用比较受到局限，而总线型的方式就具有很好的通用性，能够与很多类型的总线进行相连接[3-4]。在实验室中，最为常用的接口方式就是卡板式，它的组成结构主要包含着传感器、计算机、数据采集卡和信号调理设备，如图2所示[2]。

2 监测及诊断系统的设计和实现

2.1 系统的硬件设计和实现

硬件设计中主要包含着3个部分的选型，分别为传感器、信号调理器和数据采集卡嘲。其中传感器的选择是根据振动信号特点进行选择的，选择了ZA21电涡流位移传感器和PCB压电式加速度传感器[6]。信号调理器选择的是美国生产的PCB型4通道信号调理器。数据采集卡是根据采样率、通道数和精度对其进行选择，选择了PCl1712采集卡[7]。于是可以得到系统的硬件构成如图3所示。

2.2 系统的软件设计和实现

软件作为系统的重要组成部分，其主要作用就是对数据进行采集并且对其进行处理和管理，是系统必不可少的组成部分，所以对软件进行设计时，需要包含3个方面的功能，需要对这3个功能进行设计，分别为数据采集程序的设计、信号处理程序的设计和数据管理模块程序的设计。完成设计之后，其系统软件的主要结构图如图4所示。

图5就是系统软件的总体程序界面，其中包含着4个对话框，分别为数据库设置、数据采集、信号处理和退出系统。通过选择界面上的对话框，就可以进入到不同的界面进行问题解决。

3 机械设备故障监测及诊断系统的功能检测

3.1 齿轮箱的结构介绍

在机械设备中，齿轮箱作为其中非常重要组成部分，其主要作用就是连接和传递动力，尤其在金属切割机床、冶金机械、电力系统、运输机械等机械设备中具有非常广泛的应用[8]。因为齿轮箱的结构非常复杂，且其工作环境较为恶劣，当然还有其他的一些原因容易导致齿轮箱出现故障，就会造成严重的经济损失和人员伤亡后果。所以本文将机械设备的齿轮作为实验对象，用检测及诊断系统对其进行检查。

本文选择圆柱齿轮，其中输入轴联轴器没有对中，就会造成结果受到影响。图6就是齿轮箱结构图。图中A点代表的是键相信号采集处，B、C和D点表示的是采样点，需要设置传感器。齿轮箱的参数如表1所示。

3.2 实验数据分析

结合表1齿轮箱的相关参数，根据公式可以得到每个轴的转频和每个轴的啮合频率，分别如表2和表3所示。该数据的计算有利于后续数据的分析。

由于本实验中是模拟齿轮箱的中间轴齿轮存在问题，于是选择靠近中间轴齿轮的传感器的数据进行分析。得到的结果如表4和表5所示，表4是不同转速下正常齿轮和异常齿轮的有量纲参数变化情况，表5是不同转速下正常齿轮和异常齿轮的无量纲参数变化情况。

从表4和表5中可以看出，当齿轮从正常变为故障时，其无量纲和有量纲参数都变大;当转速越来越大时，其无量纲和有量纲参数随之都变大;当齿轮的状态发生变化，峭度的变化是非常的明显，然后裕度值和脉冲值的变化也不小，然而波形指标的变化不明显，固峭度的灵敏度很高，对机械设备进行早期诊断时可以将其作为依据。从上表可以看出，当转速为2163r/min时发生故障比较明显，所以需要对其进一步分析。

齿轮发生问题时其信号是比较复杂的，通过自相关函数可以识别其信号的周期成分，所以对其进行自相关处理的结果如图7所示。从图7中可以看出，存在有规律性的振动，其中幅值较大的冲击周期时间为0.027s，其較小的周期时间为0.068s。幅值较大的对应的是输入轴，较小的对应中间轴。

由于信号的幅值比较小，不容易观察其效果，通过自功率谱可以将信号幅值扩大为其平方，就可以更加明显的观察到效果。图8就是对信号进行自功率谱分析的结果图，从图中可以非常明显的看出三阶段啮合频率谐波，由于其中无法明显的看到频带结构，于是对其进行细化处理，处理结构如图9所示。

从图9中可以看出，当啮合频率达到937.465Hz时，其左右存在不对称的变频带，输入轴存在较大的幅值，中间轴的幅值较小，可以看出输入轴齿轮啮合也有问题。

经过上述的功率谱分析之后，还需要对信号进行倒频谱分析，因为倒频谱分析其传递路径对结果的影响比较小，所以可以高质量的完成功率谱上的周期成分。倒频谱分析的结果如图10所示。从图中可以明显的看出当周期成分为0.027s时，其对应的输入轴转频为37Hz，其中中间轴的周期成分还看出来。

对机械设备故障进行检测时，需要采用合适的方式对故障特征进行提取，本文所采用的方式就是Hilbert-小波包络解调法。将尺度设定在1-10之间，所以所得到的小波变化结果如图11所示。从图中可以看出，出现了0.027s的冲击振动，改时间正好与输入轴的周转时间一样，可以推出输入轴的啮合是存在问题有故障的。中间轴是否存在问题还不明显。图12为谱熵的变化趋势，谱熵是根据不同的尺度下的包络谱进行计算得来的。让尺度为4时，将其作为一个监测尺度，然后将该尺度下的故障特征的频率变化情况作为依据，对齿轮是否发生故障进行监测，并且监测齿轮故障的变化情况。

当尺度为4时，其中对应的小波包络谱如图13所示，从图中可以明显的看出出现了调制频率14Hz、37Hz和倍频，从中可以证明中间轴64齿的齿轮存在故障。所以通过对对齿轮的故障检测和诊断，可以发现与齿轮出现问题的地方相互吻合，所以可以得到出结论中间轴64齿的齿轮有着局部的故障。

4 结语

综上所述，通过虚拟仪器技术设计机械设备故障的监测和诊断系统具有非常中要的作用，该系统在实际的应用过程中能够具有较好的监测和诊断效果。随着其应用时间的不断加长，该系统可能会存在一定的问题，当不断的发现问题，并且解决问题时，该系统将会变得更加成熟，应用与机械设备故障监测中将会具有更好的效果，更有助于机械设备的效率。

参考文献

[1]唐东炜，黄耀升，王宇华，基于虚拟仪器技术的旋转机械故障监测及诊断系统[J].矿山机械，2006 （02）：104-105.

[2]金剑，潘宏侠.虚拟仪器技术在机械设备状态监测与故障诊断中的应用[J].煤矿机械，2014，35（8）：273-276.

[3]郭恩全，虚拟仪器技术综述[J].鱼雷技术，1997 （01）：53-56.

[4]宋莉，虛拟仪器技术基础及其应用研究[D].大连：大连理工大学，2003.

[5]刘强.基于虚拟仪器的冲压机及其自动送料机构动态测试系统研究[D].武汉：武汉科技大学，2005.

[6]贺力克，谭青，王志富，等.盾构实验台盘形滚刀垂向振动间接测试研究[J]机械研究与应用，2012（03）：102-103+120.

[7]周海.PCI-1712数据采集卡在冲击试验机上的应用[J].工程与试验，2007，47（1）：64-66.

[8]许雪贵，徐文琴，齿轮箱故障的振动机理与故障特征研究[J].机械制造与自动化，2012，41（4）：74-77.

作者简介：杨帆（1990-），男，陕西武功人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：计算机辅助分析。E-mail： 263324242@qq.com

基金项目：海洋腐蚀与防护重点实验室开放研究基金项目（ No.61429010102）