王銀惠

（中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西太原030051）

發(fā)動機(jī)振動測試信號是發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況的信息載體，能較好地反映發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過信號同步傳輸，對其進(jìn)行處理分析，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。在發(fā)動機(jī)振動測試信號分析過程中，通常要通過信號的分析處理來推斷其是否運(yùn)轉(zhuǎn)正?；蛘哌M(jìn)行故障診斷，來達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。目前主要的信號分析軟件有HEAD公司的Artemis軟件和LMS公司LMSTECWARE等，但其成本通常都比較高[1]。在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下[2]，基于Matlab GUI 信號處理分析仿真平臺的設(shè)計(jì)方案就是利用Matlab強(qiáng)大的信號處理能力及集成的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（graphical user interface development environment）實(shí)現(xiàn)的[3-4]。

所設(shè)計(jì)軟件分析內(nèi)容如圖1所示。

圖1 振動信號分析軟件結(jié)構(gòu)圖

1 基于Matlab的GUI主界面設(shè)計(jì)

打開軟件進(jìn)入界面，之后進(jìn)入主界面。主界面是軟件開始運(yùn)行時(shí)的主要界面，也是進(jìn)入信號分析系統(tǒng)的各個(gè)子界面的接口，主要分為信號預(yù)處理、信號的頻域分析、信號的時(shí)域分析。根據(jù)軟件主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)模塊的功能，界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 振動信號分析軟件界面

2 振動信號預(yù)處理及界面設(shè)計(jì)

通過傳感器對被測物體進(jìn)行振動測試試驗(yàn)時(shí)所得的信號由于測試系統(tǒng)外部和內(nèi)部各種因素的影響必然在輸出過程中夾雜著許多不需要的成分。通過初步加工處理，修正波形的畸變，剔除混雜在信號中的噪聲和干擾，使初步處理的結(jié)果盡可能真實(shí)地還原成實(shí)際的振動信號[5]。該過程主要包括消除趨勢項(xiàng)和平滑處理。消除趨勢項(xiàng)是采用多項(xiàng)式最小二乘法。

由于隨機(jī)干擾信號的頻帶較寬，有時(shí)振動信號中高頻成分所占比例比較大，使得采集到的離散數(shù)據(jù)描繪的振動曲線上呈現(xiàn)出許多毛刺，很不光滑。對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理不僅能提高振動曲線光滑度，還可以消除信號的不規(guī)則趨勢項(xiàng)。該軟件平滑處理主要采用五點(diǎn)直線滑動平均法[6]，其主要根據(jù)信號某些點(diǎn)鄰近的采樣點(diǎn)的波幅來對該點(diǎn)進(jìn)行波幅修正，從而達(dá)到對信號進(jìn)行去噪的目的。

圖3給出了軟件系統(tǒng)對某發(fā)動機(jī)懸置振動信號預(yù)處理分析的結(jié)果，通過觀察對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)消除趨勢項(xiàng)后的信號的幅值有了一定減小，并且偏離基線程度有了明顯改善。平滑處理后的振動信號曲線光滑度有了很大提高。

圖3 某發(fā)動機(jī)懸置振動信號消除趨勢項(xiàng)及平滑處理前后對比

3 振動信號時(shí)域處理及界面設(shè)計(jì)

振動信號時(shí)域處理是對振動波形的分析，從所測得的振動信號中提取各種有用的信息，通過不同時(shí)域處理方法，可以確定實(shí)測振動信號的最大幅值和時(shí)間歷程，求出相位滯后和濾波的時(shí)間滯后，有選擇地濾除或保留實(shí)測波形的某些頻率成分。濾波是時(shí)域信號處理的重要內(nèi)容[7]。從數(shù)學(xué)運(yùn)算方式考慮，數(shù)字濾波包括頻域?yàn)V波方法和時(shí)域?yàn)V波方法。

信號時(shí)域分析主要界面如圖4所示。信號時(shí)域分析部分主要包括數(shù)據(jù)輸入輸出、濾波類型選擇、IIR 濾波器參數(shù)設(shè)置部分和FIR 濾波器參數(shù)設(shè)置部分。單選按鈕執(zhí)行時(shí)只有一個(gè)有效，當(dāng)其有效時(shí)在濾波器參數(shù)設(shè)置部分輸入各個(gè)參數(shù)值就能繪出濾波前后的圖像。

圖4 信號時(shí)域分析主界面

利用Radio Button 對象常用屬性Value 來判斷是不是被選中，當(dāng)Radio Button處于“選中”狀態(tài)時(shí)，值為Max；當(dāng)Radio Button處于“未選中”狀態(tài)時(shí)，值為Min，默認(rèn)的Min和Max值為0和1。之后利用s和q的值作為if選擇語句判斷選擇的條件。

在轉(zhuǎn)速為1500 r·min-1，傳感器位置在懸置左上、采樣頻率為1024Hz時(shí)，某型號發(fā)動機(jī)懸置振動信號IIR 濾波結(jié)果情況如圖5所示。

通過分析曲線，可知經(jīng)過低通濾波器濾波后，高頻成分可以被濾除，并且濾波后信號明顯延遲。經(jīng)過高通濾波器濾波后，低頻成分可以被濾除。這為振動信號的進(jìn)一步分析奠定了基礎(chǔ)。

該軟件中的FIR 濾波器是指定頻率點(diǎn)可以多帶分析的濾波器。例如，F(xiàn)IR濾波參數(shù)設(shè)置如下：

頻率點(diǎn)數(shù)12

指定頻率點(diǎn)0 0.1 0.150.2 0.3 0.50.6 0.650.7 0.8 0.9 1

通阻狀態(tài)1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

權(quán)向量為1 1 1 1 1 1

圖5 某型號發(fā)動機(jī)懸置振動信號IIR濾波結(jié)果

圖6 某型號發(fā)動機(jī)懸置振動信號FIR濾波結(jié)果

輸入上述數(shù)據(jù)分析信號得到的圖像如圖6所示。

通過分析FIR 濾波結(jié)果可知：FIR 濾波器可以根據(jù)需要指定頻率點(diǎn)進(jìn)行濾波，通過指定頻率點(diǎn)的通阻情況設(shè)定頻率段的通阻。對于發(fā)動機(jī)振動結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，可以對某些特征頻率進(jìn)行處理分析。這一部分功能對于某些發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析得出的某些特殊頻率的信號提取有很大幫助。

振動信號的幅值反映發(fā)動機(jī)運(yùn)行靜態(tài)特性，均值可以判斷發(fā)動機(jī)的整體狀態(tài)，方差分析可以分析振動信號偏離均值的程度，進(jìn)而判斷發(fā)動機(jī)工作是否穩(wěn)定。但是，時(shí)域分析對發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的評估還具有一定的局限性，進(jìn)一步結(jié)合頻域處理分析可以更準(zhǔn)確判斷發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

4 振動信號頻域處理及界面設(shè)計(jì)

頻域處理主要是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上進(jìn)一步處理分析，振動信號的幅值譜可以用來描述振動的大小隨頻率分布情況，相位譜則反映振動信號的各頻率成分相位角的分布情況[8]。自功率譜密度函數(shù)是實(shí)函數(shù)，它展現(xiàn)振動信號各頻率處功率的分布情況，據(jù)此可以判斷哪些頻率的功率是主要的。自功率譜常被用來估計(jì)發(fā)動機(jī)的自振特性。在發(fā)動機(jī)故障監(jiān)測和檢測中，根據(jù)不同時(shí)段自功率譜的變化來推斷故障發(fā)生征兆和尋找可能發(fā)生故障的原因。表1是某型號發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下懸置系統(tǒng)振動信號能量分布情況。

表1 某型號發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下懸置減震器上下振動信號能量分布情況表

通過分析以上數(shù)據(jù)，可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的提升，X、Y、Z方向振動信號中頻率為75Hz和150～160Hz成分都衰減到趨近于0，轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，振動信號能量主要集中在50Hz左右；X方向所測得的振動信號頻率成分最多，并且其振幅比2個(gè)方向振幅都大，可以推斷X方向是振動傳遞的主要方向。

信號頻域分析部分主要包括數(shù)據(jù)輸入輸出、窗函數(shù)類型選擇、相關(guān)參數(shù)設(shè)置部分和分析內(nèi)容選擇4個(gè)部分。窗函數(shù)[10]的選擇有矩形窗、漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗、三角窗，窗函數(shù)選擇的后臺程序的實(shí)現(xiàn)是利用彈起式菜單（Pop-up Menu）即下拉菜單的常用屬性Value 設(shè)置的，Value的值是選中的項(xiàng)所對應(yīng)的序號。設(shè)共有n個(gè)選項(xiàng)，則Value 只能取[1，n]之間的整數(shù)。窗函數(shù)的選擇下方是分析內(nèi)容的選擇，分析內(nèi)容包括自功率譜分析、互功率譜分析、頻率響應(yīng)函數(shù)分析、相干函數(shù)分析。信號頻域分析主界面如圖7所示。

圖7 信號頻域分析主界面

相干函數(shù)Cxy(k)的幅值常用來評判頻響函數(shù)的好壞，Cxy(k)越接近1，說明噪聲的影響越小，頻響估計(jì)結(jié)果越好。一般認(rèn)為Cxy(k)不小于0.8時(shí)，頻響函數(shù)估計(jì)結(jié)果比較準(zhǔn)確可靠[9]。圖8是對某發(fā)動機(jī)懸置振動信號在轉(zhuǎn)速為1500 r·min-1時(shí)X方向的分析結(jié)果。以發(fā)動機(jī)懸置左下所測得的信號作為輸入激勵(lì)，懸置左上所測得的信號數(shù)據(jù)作為輸出響應(yīng)。由相干分析幅頻圖可以看出Cxy(k)在大部分范圍都大于0.8，可以說明該頻響估計(jì)準(zhǔn)確可靠。通過頻響分析可以明顯看出振動信號的幅值有了明顯的降低，大部分振幅都降為激勵(lì)的1/2，由此也可以說明該懸置系統(tǒng)中的減震器減振效果明顯。

圖8 發(fā)動機(jī)懸置振動信號頻域分析結(jié)果

5 結(jié)論

該振動測試信號處理與分析軟件是基于Matlab平臺的，該軟件實(shí)現(xiàn)了信號數(shù)據(jù)文件的輸入、讀取與輸出。其主要對輸入信號進(jìn)行預(yù)處理，信號的時(shí)域分析，信號的頻域分析，將所需結(jié)果可視化輸出。尤其是在時(shí)域分析模塊中該軟件提供了多種濾波形式和濾波器，可對帶有不同類型噪聲的信號進(jìn)行濾波分析。在信號的頻域分析模塊中，可以通過自功率譜分析信號能量分布范圍，可以通過互功率譜分析結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，還可以根據(jù)激勵(lì)和響應(yīng)數(shù)據(jù)信號求得頻響函數(shù)及相干函數(shù)，進(jìn)而可以推斷中間環(huán)節(jié)的傳遞特性，這對于工程上診斷、檢測故障分析具有一定參考價(jià)值。

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