發動機測試的便攜式振動分析儀

引言

便攜式振動儀是隨著設備故障診斷需求不斷提高而發展起來的面向現場的測試儀器。傳統的振動分析儀器具有結構復雜、體積大、操作不方便等特點；而基于單片機的振動采集分析儀雖然體積較小，但是分析能力有限，往往不能夠滿足振動分析與診斷的特殊要求。

本文所設計的振動分析儀以CompactRIO為采集設備，以Labview為軟件開發平臺，不但具有體積小、重量輕的特點，而且具有強大、靈活的專業分析能力，適合于測點分散而又不需要持續檢測的測試場合。

系統結構

系統采用上下位機結構，下位機將采集到的轉速和振動信號通過TCP/IP協議傳送給上位機，上位機進行數據保存與分析。結構如圖1所示。

圖1 系統結構簡圖

通過在線分析工具，操作者可以實時檢測發動機振動是否超標，離線分析工具可以幫助操作者判斷出現振動異常的原因。

系統設計與特性

系統在設計上追求柔性測試技術可靠性、精確性、擴展性、適應性和靈活性五大方面特性。

系統適應性

本系統具有便攜、防雨淋、防摔、防振動的性質，使振動儀能夠適應外場測試。

為了使整個系統攜帶方便，該振動儀在設計選型上選擇性能能夠滿足測試要求且質量又輕的硬件，比如采集設備選擇質量與體積都比較小的CompactRIO。整個系統體積小，重量輕(大概11Kg)，方便攜帶。上位機選用軍用筆記本，本身具有防雨淋的功能。另外，筆記本拖架也進行了防雨淋的設計，在其左側開有凹槽，接口以及風扇出風口全部安裝在凹槽里，能有效防止雨淋，適用于雨天作業，接口面板如圖2所示。

圖2 接口面板說明

此外，裝設備箱體選用軍用箱體，堅固耐用，能夠有效保護箱體內的設備不受損傷。

系統擴展性

系統能夠直接通過插拔來增加或減少FPGA硬件，能夠根據用戶的要求增加離線分析算法，方便增加系統功能。

在設計中，將功能比較集中、應用次數較多的程序設計成模塊，各模塊之間耦合性小，使得系統易于維護，哪部分出問題就檢查特定的模塊。系統易于擴展，可以在系統中增加其他模塊以擴展系統的功能。另外，CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊，為了實現FPGA設備的可擴展性，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Host下獲取的板卡信息讀取相應板卡的數據，滿足板卡增減的要求。

本系統分為上位機軟件與下位機軟件，上位機軟件又分為TCP/IP模塊、系統配置模塊、數據處理模塊以及存儲模塊。下位機軟件分為TCP/IP模塊、Order manage模塊以及數據采集模塊。

下位機軟件能夠進行2路轉速信號以及4路振動信號的測試。其中，TCP/IP模塊負責與上位機通訊，接收并處理上位機的命令、將運行狀態或采集來的數據發送給上位機；Order manage模塊負責接收TCP/IP線程接收的命令，向TCP線程返回狀態信息，并驅動采集模塊采集數據；采集模塊配置采集參數，采集數據并向Order manage模塊返回采集數據。

上位機軟件中，TCP/IP模塊負責與下位機進行通信，向下位機發送命令并接收下位機返回來的狀態以及采集數據；系統配置模塊負責采集通道選擇、通道邏輯名稱的命名、波形顏色的設置、標定系數以及通道閾值的設定；數據處理模塊是整個軟件的核心部分，可將采集到的數據進行實時在線分析以及離線分析；存儲模塊負責對離線分析的數據進行存儲。

系統可靠性

系統設計理論MTBF指標(平均無故障時間)約為3500小時， MTTR指標(系統平均修復時間)小于等于30分鐘。為實現這一指標，首先在硬件選擇上注意每個硬件的MTBF指標，然后通過理論計算確保整個系統的MTBF指標能夠滿足設計要求，另外，在筆記本拖架上裝有排風扇，設計有進風口與排風口，能夠及時將CRIO與電源產生的熱量排出，確保儀器的正常使用；其次，在振動儀的操作說明書中給出了筆記本不工作、信號波形不顯示、信號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指標在30分鐘以內。

系統靈活性

從數據文件中迅速找到異常數據是設計的重中之重。本系統設計了三種方法，分別是瀏覽數據波形、重放振動聲音以及通過報警記錄來查找數據。

瀏覽波形數據類似于Media Player中拖動游標瀏覽影片，當用鼠標拖動如圖3所示的游標時，系統會讀取相應時間段的波形顯示在波形圖中。

圖3 瀏覽數據波形界面

重放振動聲音把每個通道特定時間段的振動數據通過聲音進行播放，通過聽覺判斷該段數據是否存在異常。

通過報警記錄可以調用系統記錄下來的振動發生異常的時間，然后將該時間鍵入瀏覽波形界面中的開始時間，讀取出現異常時刻的數據，并進行有針對性的分析。

分析能力

該系統具有專業的分析能力。設計的在線分析算法有振動信號與轉速信號時域波形的顯示、振動信號的最大值計算等。在線分析需要運算速度快，且要快于采集速度，減少屬性節點及寄存器的使用可以滿足條件。

離線分析可將保存的數據調出進行更加詳細專業的分析，如時域波形最大值、有效值計算，軸心軌跡分析等。離線算法對運算速度的要求不高，可以根據用戶增加算法，比如階次分析與軸心軌跡分析。

階次分析能夠根據采集到的轉速信號與振動信號進行階次分析計算，找到振動信號與轉速信號之間的對應關系，從而能夠比較準確地找到故障的原因與位置。

軸心軌跡分析形象直觀地反應了轉子的實際運動狀況，包含了豐富的旋轉機械故障信息。本系統通過采集的兩路垂直于軸心的振動信號以及轉子的方向計算軸心軌跡。

結語

本文所設計的便攜式振動儀中，下位機采集模塊采用體積與重量較小的CompactRIO，上位機采用堅固耐用的軍用筆記本，外殼采用軍用箱體，防振防摔，對外接口部分也進行了防雨淋設計，使得該儀器能夠適應戶外以及條件惡劣環境下進行的測試。另外，軟件設計也充分考慮了用戶對測試系統可靠性、擴展性和靈活性等的需求，能有效測試出發動機是否存在異常，并能夠幫助操作者判斷異常的原因。

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