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數(shù)據(jù)記錄與分析

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基于發(fā)動(dòng)機(jī)測試的便攜式振動(dòng)分析儀 2013/1/18

作者:白仁明
(北京中科泛化測控技術(shù)有限公司 系統(tǒng)開發(fā)部,北京 100083)


摘要: 本文中的便攜式振動(dòng)儀采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu),下位機(jī)采用CompactRIO,在保證系統(tǒng)精確性可靠性的同時(shí)減輕了整個(gè)系統(tǒng)的重量,上位機(jī)采用堅(jiān)固耐用的軍用筆記本電腦,能夠滿足惡劣環(huán)境下移動(dòng)計(jì)算的要求,使得整個(gè)系統(tǒng)能夠適應(yīng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械外場測試。同時(shí)系統(tǒng)基于柔性測試技術(shù)對(duì)測試系統(tǒng)的追求,具有可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性五大方面特性,可用于飛機(jī)裝機(jī)的各型發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)振動(dòng)參數(shù)的測試與分析。


關(guān)鍵字: 便攜式、柔性測試技術(shù)

 

  1. 引言

便攜式振動(dòng)儀是隨著設(shè)備故障診斷需求不斷提高而發(fā)展起來的面向現(xiàn)場的測試儀器。傳統(tǒng)的振動(dòng)分析儀器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、分布廣、操作不方便、測試時(shí)間長、費(fèi)用高等特點(diǎn);而基于單片機(jī)的振動(dòng)采集分析儀雖然體積較小,但是分析能力有限,不能進(jìn)行復(fù)雜信號(hào)的處理任務(wù),往往不能夠滿足振動(dòng)分析與診斷的特殊要求。
本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)分析儀以CompactRIO為采集設(shè)備,以Labview為軟件開發(fā)平臺(tái),不但具有體積小,重量輕的特點(diǎn),而且具有強(qiáng)大、靈活的專業(yè)分析能力,能夠?qū)崟r(shí)檢測信號(hào)的波形及頻譜情況,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存,可在后期進(jìn)行階次、軸心軌跡等專業(yè)分析。特別適合于測點(diǎn)分散、而又不需要持續(xù)檢測的測試場合。

 

  • 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用上下位機(jī)的結(jié)構(gòu),下位機(jī)將采集到的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)信號(hào),通過TCP/IP協(xié)議傳送給上位機(jī),上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與分析。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

 

 


圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

 

  • 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的功能描述如下所示:

  • 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集:±10V,支持正弦波、方波信號(hào)類型;
  • 振動(dòng)信號(hào)采集:支持振動(dòng)數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化,如加速度-速度-位移的轉(zhuǎn)化;
  • 在線分析:最大振幅計(jì)算與報(bào)警、功率譜分析;
  • 數(shù)據(jù)保存與管理;可以通過報(bào)警時(shí)刻,瀏覽數(shù)據(jù),振動(dòng)聲音回放等方式迅速找到異常數(shù)據(jù)進(jìn)行針對(duì)性分析;
  • 離線分析:時(shí)域分析,頻率-時(shí)間、階次-時(shí)間、頻率-轉(zhuǎn)速、階次-轉(zhuǎn)速等三維譜分析,軸心軌跡分析;通過這些分析工具,可以幫助操作者判斷振動(dòng)異常的原因,如轉(zhuǎn)子不對(duì)中、質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)軸裂紋等;
  • 打印報(bào)表:可以將離線分析結(jié)果通過Excel表格輸出。
  •  

通過在線分析工具,操作者可以實(shí)時(shí)檢測發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是否超標(biāo),離線分析工具可以幫助操作者判斷出現(xiàn)振動(dòng)異常的原因。

 

  • 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與特性

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上追求柔性測試技術(shù)可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性五大方面特性,并且具有專業(yè)的分析能力。現(xiàn)將系統(tǒng)特性與設(shè)計(jì)做一簡要介紹。
4.1 系統(tǒng)適應(yīng)性
系統(tǒng)具有便攜、防雨淋、防摔防振動(dòng)的性質(zhì),能夠使振動(dòng)儀能夠適應(yīng)外場測試。
便攜性:為了使整個(gè)系統(tǒng)攜帶方便,在設(shè)計(jì)選型上選擇性能能夠滿足測試要求質(zhì)量又輕的硬件,比如采集設(shè)備選擇質(zhì)量與體積都比較小的CompactRIO。整個(gè)系統(tǒng)體積小,重量輕(大概11Kg),方便攜帶。
防雨淋:首先,上位機(jī)選用軍用筆記本,本身具有防雨淋的功能;另外,筆記本拖架進(jìn)行了防雨淋的設(shè)計(jì),在其左測開有凹槽,接口以及風(fēng)扇出風(fēng)口全部安裝在凹槽里,能有效防止雨淋,適用于雨天作業(yè)。如圖2-2所示。
抗摔抗振動(dòng):裝設(shè)備箱體選用軍用箱體,堅(jiān)固耐用,能夠有效保護(hù)箱體內(nèi)的設(shè)備不受損傷。

 

 

 


            
       

 

 ① 風(fēng)扇出風(fēng)口;② 1號(hào)振動(dòng)接口;③2號(hào)振動(dòng)接口;④3號(hào)振動(dòng)接口;⑤4號(hào)振動(dòng)接口;⑥轉(zhuǎn)速信號(hào);⑦電源接口;⑧電源指示燈;⑨音頻接口;⑩USB接口
圖2-2 接口面板說明


4.2 系統(tǒng)擴(kuò)展性
系統(tǒng)能夠直接通過插拔增加或者減少FPGA硬件,能夠根據(jù)用戶的要求增加離線分析算法,可以很方便的增加系統(tǒng)的功能。
設(shè)計(jì)時(shí)將功能比較集中,應(yīng)用次數(shù)較多的程序設(shè)計(jì)成模塊,各模塊之間耦合性小,不但使得系統(tǒng)易于維護(hù),哪部分出問題就檢查特定的模塊,而且使得系統(tǒng)易于擴(kuò)展,可以在系統(tǒng)中增加其他模塊以擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。另外,CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊,為了實(shí)現(xiàn)FPGA設(shè)備的可擴(kuò)展性,通過一次性將所有可能存在的板卡的端口讀取都編寫到程序中,然后根據(jù)host下獲取的板卡信息讀取相應(yīng)板卡的數(shù)據(jù),滿足板卡增減的要求。
本系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件,上位機(jī)軟件又分為TCP/IP模塊,系統(tǒng)配置模塊,數(shù)據(jù)處理模塊以及存儲(chǔ)模塊;下位機(jī)軟件分為TCP/IP模塊,Order manage模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。


圖2-3 軟件結(jié)構(gòu)圖

  • 下位機(jī)軟件:能夠進(jìn)行2路轉(zhuǎn)速信號(hào)以及4路振動(dòng)信號(hào)的測試,三個(gè)模塊功能如下。
    • TCP\IP模塊:負(fù)責(zé)與上位機(jī)通訊,接收并處理上位機(jī)的命令、將運(yùn)行狀態(tài)或采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。
    • Order manage模塊:負(fù)責(zé)接收TCP\IP線程接收的命令,向TCP線程返回狀態(tài)信息,并驅(qū)動(dòng)采集模塊采集數(shù)據(jù)。
    • 采集模塊:配置采集參數(shù),采集數(shù)據(jù)并向order manage模塊返回采集數(shù)據(jù)。
  • 上位機(jī)軟件
    • TCP/IP模塊:負(fù)責(zé)與下位機(jī)進(jìn)行通信,向下位機(jī)發(fā)送命令并接受下位機(jī)返回來的狀態(tài)以及采集數(shù)據(jù)。
    • 系統(tǒng)配置模塊:負(fù)責(zé)采集通道選擇,通道邏輯名稱的命名,波形顏色的設(shè)置,標(biāo)定系數(shù)以及通道閾值的設(shè)定。
    • 數(shù)據(jù)處理模塊:該模塊是整個(gè)軟件的核心部分,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析以及離線分析。
    • 存儲(chǔ)模塊:負(fù)責(zé)對(duì)離線分析數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。操作者根據(jù)波形的情況進(jìn)行有選擇的存儲(chǔ),只有當(dāng)存儲(chǔ)按鈕被按下時(shí)才開始保存數(shù)據(jù),當(dāng)按鈕恢復(fù)時(shí)系統(tǒng)不存儲(chǔ)。
    •  

4.3 系統(tǒng)可靠性
系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論MTBF指標(biāo)(平均無故障時(shí)間)大概3500小時(shí), MTTR指標(biāo)(系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間)小于等于30分鐘;為實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo),首先在硬件選擇上注意每個(gè)硬件的MTBF指標(biāo),然后通過理論計(jì)算確保整個(gè)系統(tǒng)的MTBF指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)要求,另外,在筆記本拖架上裝有排風(fēng)扇,設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口,能夠及時(shí)將CRIO與電源產(chǎn)生的熱量排出,確保了儀器的正常使用;其次, 在振動(dòng)儀的操作說明書中給出了筆記本不工作、信號(hào)波形不顯示、信號(hào)波形顯示為噪聲以及軟件故障診斷方法流程圖,可以保證MTTR指標(biāo)在30分鐘以內(nèi)。


4.4 系統(tǒng)靈活性
在離線分析模塊,為了增加系統(tǒng)的靈活性與操作的方便,從數(shù)據(jù)文件中迅速找到異常數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)者重中之重,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種方法,分別是瀏覽數(shù)據(jù)波形,重放振動(dòng)聲音以及通過報(bào)警記錄來查找數(shù)據(jù)。
瀏覽波形數(shù)據(jù)類似于Media Player中拖動(dòng)游標(biāo)瀏覽影片,當(dāng)用鼠標(biāo)拖動(dòng)如圖2-4所示的紅色游標(biāo)時(shí)系統(tǒng)會(huì)讀取相應(yīng)時(shí)間段的波形顯示在波形圖中。


圖2-7 瀏覽數(shù)據(jù)波形界面


重放振動(dòng)聲音就是把每個(gè)通道特定時(shí)間段的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過聲音進(jìn)行播放,通過聽覺判斷該段數(shù)據(jù)是否存在異常。
通過報(bào)警記錄,就是調(diào)用系統(tǒng)記錄下來的振動(dòng)發(fā)生異常的時(shí)間,然后將該時(shí)間鍵入瀏覽波形界面中的開始時(shí)間來讀取出現(xiàn)異常時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的分析。


4.5 專業(yè)的分析能力
該系統(tǒng)不但具有體積小,重量輕的特點(diǎn),而且具有專業(yè)的分析能力。設(shè)計(jì)的在線分析算法有振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)域波形的顯示,振動(dòng)信號(hào)的最大值計(jì)算,振動(dòng)值是否超標(biāo)的實(shí)時(shí)報(bào)警與記錄,振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析以及振動(dòng)信號(hào)類型加速度-速度-位移的轉(zhuǎn)化。在線分析實(shí)現(xiàn)最主要的是運(yùn)算速度快,速度要快于采集速度,所以減少屬性節(jié)點(diǎn)使用以及減少寄存器的使用可以滿足條件。
離線分析是將保存的數(shù)據(jù)調(diào)出進(jìn)行更加詳細(xì)專業(yè)的分析,設(shè)計(jì)算法有:時(shí)域波形最大值、有效值計(jì)算,時(shí)間-頻率計(jì)算,時(shí)間-階次計(jì)算,時(shí)間-轉(zhuǎn)速計(jì)算,階次-轉(zhuǎn)速計(jì)算以及軸心軌跡分析等。離線算法運(yùn)算速度要求不高,可以根據(jù)用戶增加算法,現(xiàn)將階次分析與軸心軌跡分析做一簡要介紹。
階次分析:階次是描述旋轉(zhuǎn)機(jī)械中某信號(hào)及其諧波的對(duì)應(yīng)關(guān)系,該系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行階次分析計(jì)算,找到振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而能夠比較準(zhǔn)確的找到故障的原因與位置。分析界面如圖2-5所示。


圖2-5 階次分析界面
軸心軌跡分析:軸心軌跡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一個(gè)非常重要的狀態(tài)特征參量,形象直觀地反應(yīng)了轉(zhuǎn)子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況,包含了豐富的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信息。本系統(tǒng)通過采集的兩路垂直于軸心的振動(dòng)信號(hào)以及轉(zhuǎn)子的方向計(jì)算軸心軌跡,軸心軌跡界面如圖2-6所示。


圖2-6 軸心軌跡分析界面

  • 系統(tǒng)指標(biāo)

轉(zhuǎn)速通道

支持4通道轉(zhuǎn)速信號(hào),±10V,信號(hào)類型可以為正弦波、方波等;

振動(dòng)通道

支持4通道振動(dòng)信號(hào),最大可擴(kuò)展至12通道,自適應(yīng)抗混疊濾波,±5V幅值范圍,24位分辨率,10~10KHz頻率范圍;

工作溫度

-20~50

存儲(chǔ)溫度

-40~65

相對(duì)濕度

10%~95%

平均無故障時(shí)間

3500小時(shí)(計(jì)算值)

平均修復(fù)時(shí)間

小于等于30分鐘

校驗(yàn)周期

一年

系統(tǒng)輸入功率

~150w

供電電源

28V DC220V AC(需交流供電配件)

儀器質(zhì)量

~11kg

物理尺寸

474mm*415mm*214mm

操作人員要求

適合具有高中或高中以上文化水平、經(jīng)過培訓(xùn)的技術(shù)人員使用

 

  • 結(jié)論

本文中所設(shè)計(jì)的便攜式振動(dòng)儀,下位機(jī)采集模塊采用體積與重量較小的CompactRIO,上位機(jī)采用堅(jiān)固耐用的軍用筆記本, 外殼采用軍用箱體,防振防摔,對(duì)外接口部分也進(jìn)行了防雨淋設(shè)計(jì),使得該儀器能夠適應(yīng)戶外以及條件惡劣環(huán)境下進(jìn)行的測試;另外在軟件的設(shè)計(jì)上,也充分考慮了用戶對(duì)測試系統(tǒng)可靠性、精確性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性的需求,其提供的專業(yè)的分析能力能有效測試出發(fā)動(dòng)機(jī)是否存在異常,并能夠幫助操作者判斷異常的原因。


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