湯偉 稅宇陽(yáng) 王古月 王玲利 陶倩

摘要：為滿足盤(pán)磨機(jī)出廠前的動(dòng)平衡測(cè)試和運(yùn)行過(guò)程中故障監(jiān)測(cè)的需要，本課題設(shè)計(jì)了一種以盤(pán)磨機(jī)為測(cè)試對(duì)象的基于LabVIEW軟件的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)以計(jì)算機(jī)、壓電式加速度傳感器、恒流適配器和數(shù)據(jù)采集卡為硬件基礎(chǔ)，在LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上完成了振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)，將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和精密儀器硬件的測(cè)量能力結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和分析等功能。本課題在設(shè)計(jì)的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)上采用三點(diǎn)加重法對(duì)盤(pán)磨機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與理論數(shù)據(jù)一致，這表明該振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)測(cè)試；盤(pán)磨機(jī)；LabVIEW軟件；動(dòng)平衡測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.12.008

隨著我國(guó)工業(yè)化水平的不斷提升，造紙機(jī)械也朝著連續(xù)化、自動(dòng)化、高速度、重負(fù)載及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的方向發(fā)展。盤(pán)磨機(jī)作為制漿過(guò)程中的核心設(shè)備，單機(jī)功率一般都在250 kW以上，造價(jià)和能耗都很高[13]。若盤(pán)磨機(jī)出廠前動(dòng)平衡測(cè)試不嚴(yán)格，在磨漿過(guò)程中，就可能會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，使運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷增大，能耗增大，使用壽命縮短，并且會(huì)影響產(chǎn)出紙漿的質(zhì)量和產(chǎn)量[45]。另外，在線監(jiān)測(cè)盤(pán)磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的維修，保證盤(pán)磨機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[6]。因此，對(duì)盤(pán)磨機(jī)出廠前進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試及運(yùn)行過(guò)程中狀態(tài)監(jiān)測(cè)非常重要。

1振動(dòng)測(cè)試設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前，振動(dòng)測(cè)試分析儀器比較著名的有，丹麥B&K公司PULSE3560C系統(tǒng)7702型分析設(shè)備和美國(guó)NI公司的Order Analysis Toolset設(shè)備，但價(jià)格普遍昂貴，不適合中小型企業(yè)使用。目前比較通用的振動(dòng)測(cè)量分析儀器，比如美國(guó)Agilent公司的35670A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析設(shè)備和南京汽輪公司研發(fā)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析設(shè)備，這些普遍通用的振動(dòng)測(cè)量分析儀器原理上都是主要依靠細(xì)化選帶頻譜分析和高階譜分析，對(duì)線性的平穩(wěn)信號(hào)具有較好的分析能力，對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析能力較差[7]。盡管部分普遍通用的分析儀器通過(guò)技術(shù)性改進(jìn)仍可使用，但由于振動(dòng)信號(hào)變化快、頻帶寬、難以滿足對(duì)信號(hào)分析的精度和速度要求。

為了改進(jìn)現(xiàn)有振動(dòng)測(cè)試儀器的缺陷，研究者們采用軟、硬件結(jié)合的形式構(gòu)成“虛擬儀器”。前人大多利用LabWindows/CVI和Visual Studio等軟件來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)[819]。其中，LabWindows/CVI是NI公司推出的交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法豐富的庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了語(yǔ)言的功能，但開(kāi)發(fā)者要具有較高的C語(yǔ)言基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；Visual Studio是美國(guó)微軟公司的開(kāi)發(fā)工具包系列產(chǎn)品，是目前最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在可視化界面設(shè)計(jì)上有強(qiáng)大的功能，但輸出顯示過(guò)于單調(diào)。

LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為用戶提供高級(jí)信號(hào)處理工具包和圖形化程序設(shè)計(jì)G語(yǔ)言，用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，具有豐富的圖形控件及信號(hào)分析函數(shù)，為振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的快速開(kāi)發(fā)提供了良好的條件。利用LabVIEW軟件二次開(kāi)發(fā)的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)既能用于實(shí)際工程中，也可用于高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。因此，本課題采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)盤(pán)磨機(jī)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。

3.2.1程序設(shè)計(jì)

以主程序流程圖（見(jiàn)圖5）為設(shè)計(jì)框架，利用LabVIEW的主、從設(shè)計(jì)模式，搭配隊(duì)列功能和簇函數(shù)實(shí)現(xiàn)按自定義順序轉(zhuǎn)換不同模塊的功能[1113]。由圖5可知，根據(jù)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的功能模塊劃分，包括以下4個(gè)部分：信號(hào)采集、文件管理、預(yù)處理及特征提取。

（1）信號(hào)采集：信號(hào)源分為仿真信號(hào)和傳感器采集的信號(hào)，信號(hào)采集由參數(shù)設(shè)置和信號(hào)源實(shí)時(shí)采集兩部分組成，在NIDAQmx任務(wù)中對(duì)采樣物理通道、采集模式、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率和信號(hào)輸入最大/最小值等進(jìn)行采集設(shè)置。信號(hào)采集主程序如圖6所示。

（2）文件管理：該模塊用于實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)和測(cè)試結(jié)果的存儲(chǔ)和重現(xiàn)，本課題的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)采用了文本文檔的格式。

（3）預(yù)處理：該模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波和加窗，用戶可以選擇預(yù)處理的方式及相應(yīng)處理方式的參數(shù)設(shè)定，本課題的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)了Butterworth等5種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波器和hamming窗等7種窗函數(shù)，去噪的同時(shí)還減少了頻譜能量泄漏[14]。預(yù)處理模塊主程序如圖7（a）所示。

（4）特征提?。罕菊n題振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的時(shí)域分析包含了均值、方差、均方根（有效值）、標(biāo)準(zhǔn)差、

圖7預(yù)處理模塊和特征提取模塊主程序

峰值、峰峰值和自相關(guān)分析；頻域分析包含了FFT（快速傅里葉變換）分析和自功率譜分析；時(shí)頻域分析包含了STFT（短時(shí)傅里葉變換）分析[15]。特征提取模塊主程序如圖7（b）所示。

3.2.2操作面板設(shè)計(jì)

本課題從人機(jī)工程的角度設(shè)計(jì)了振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的操作面板[16]，該操作面板主要由4部分組成：

（1）面板左邊是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集物理通道、濾波器和窗函數(shù)等的設(shè)置；

（2）面板中間是原始信號(hào)、濾波后信號(hào)和加窗后信號(hào)的波形顯示；

（3）面板右邊是信號(hào)源選擇、波形存儲(chǔ)、噪聲選擇和設(shè)置；

（4）面板下方是信號(hào)的特征分析，分別為時(shí)域分析、自相關(guān)分析、FFT（快速傅里葉變換）分析、自功率譜分析和STFT（短時(shí)傅里葉變換）分析。振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)操作面板如圖8所示。

4運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證

4.1故障設(shè)計(jì)

在不破壞原有機(jī)械性能的原則下，在小型盤(pán)磨機(jī)的磨片上，吸附強(qiáng)力磁鐵設(shè)計(jì)質(zhì)量不平衡故障，根據(jù)三點(diǎn)加重法的動(dòng)平衡測(cè)試?yán)碚摚謩e獲取初始狀態(tài)、P1（σ=0°）、P2（σ=120°）和P3（σ=240°）時(shí)的振動(dòng)速度FFT頻譜圖。具體步驟如下：

（1）保障小型盤(pán)磨機(jī)在220 V額定電壓和50 Hz頻率工作電源下，以1400 r/min的額定轉(zhuǎn)速平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）將質(zhì)量為0.8 g的磁鐵吸附在小型盤(pán)磨機(jī)磨片位置α=40°處，待小型盤(pán)磨機(jī)以1400 r/min的額定轉(zhuǎn)速平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，獲取初始狀態(tài)的振動(dòng)速度FFT頻譜圖。

參考文獻(xiàn)

[1]TANG Wei， LIU Qingli， RAO Zhikui， et al. The Vibration Analysis of Disk Refiner Failure[J]. China Pulp and Paper， 2014， 33（9）： 35.

湯偉， 劉慶立， 饒智逵， 等. 盤(pán)磨機(jī)故障的振動(dòng)特征分析[J]. 中國(guó)造紙， 2014， 33（9）： 35.

[2]LIU Qingli， TANG Wei， WANG Mengxiao， et al. The Research on Wear Detection Technology of Disc Refiner [J]. China Pulp and Paper， 2017， 36（1）： 47.

劉慶立， 湯偉， 王孟效， 等. 盤(pán)磨機(jī)磨盤(pán)磨損檢測(cè)技術(shù)的研究[J]. 中國(guó)造紙， 2017， 36（1）： 47.

[3] RAO Zhikui. Application of Data Fusion in Fault Diagnosis of APMP Disc Grinding[D]. Xian： Shaanxi University of Science and Technology， 2013.

饒智逵. 數(shù)據(jù)融合在APMP盤(pán)磨故障診斷中的應(yīng)用研究[D]. 西安： 陜西科技大學(xué)， 2013.

[4] WANG Ping， LIN Jiantao， WANG Gaofeng， et al. Grinding Machine and Preventive Measures of Disc Refiner[J]. China Pulp & Paper， 2014， 33（11）： 37.

王平， 林建濤， 王高峰， 等. 盤(pán)磨機(jī)的碰盤(pán)及其預(yù)防措施[J]. 中國(guó)造紙， 2014， 33（11）： 37.

[5]WANG Jiahui， WANG Ping. The Research Status and Development Trend of Disc Refiner[J]. China Pulp & Paper， 2014， 33（9）： 51.

王佳輝， 王平. 盤(pán)磨機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)造紙， 2014， 33（9）： 51.

[6] LIU Zhangjie. Signal Processing Method of Mechanical Fault Diagnosis[J]. Building Decoration， 2015（20）. 135.

劉章杰. 機(jī)械故障診斷的信號(hào)處理辦法[J]. 建筑建材裝飾， 2015（20）. 135.

[7]ZUO Xiang. R&D of Portable Vibration Noise Measurement Analyzer[D]. Yangzhou： Yang Zhou University， 2017.

左翔. 便攜式振動(dòng)噪聲測(cè)量分析儀的研發(fā)[D]. 揚(yáng)州： 揚(yáng)州大學(xué)， 2017.

[8] JIANG D， LIU X， WANG D， et al. Analysis of Sensitivity and Errors in Maglev Vibration Test System[J]. Instrumentation， 2016（1）： 70.

[9]XIAO Libo， REN Jianting， YANG Haifeng. Research on Vibration Signal Preprocessing Method and Its Implementation by MATLAB[J]. Computer Simulation， 2010， 27（8）： 330.

肖立波， 任建亭， 楊海峰. 振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理方法研究及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2010， 27（8）： 330.

[10]WANG Rui. Research on Vibration Monitoring Platform Based on DSP and Its Application in Rotor Dynamic Balance Testing[D]. Wuhan： Wuhan Textile University， 2012.

王睿. 基于DSP的振動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)及其在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)試中的應(yīng)用研究[D]. 武漢： 武漢紡織大學(xué)， 2012.

[11]TANG Yi， LI Qi， WANG Wenjuan， et al. Design of Vibration Signal Analysis System Based on LabVIEW[J]. Computer Measurement & Control， 2016， 24（6）： 218.

唐奕， 李祺， 王文娟， 等. 基于LabVIEW的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2016， 24（6）： 218.

[12] FAN Q. Design and Realization of Rotating Machinery Conditions Monitoring System Based on Labview[C]// International Conference on Mechanical Engineering and Control Systems. IEEE Computer Society， 2015： 330.

[13] LIN LZ， ZHANG CX， CHEN JF， et al. Research and Design of Vibration Test Based on LABVIEW[J]. Coal Mine Machinery， 2015.

[14] YU Yangyang， ZHOU Fengxing， YAN Baokang， et al. Fault Diagnosis System for Rolling Bearing Based on LabVIEW[J]. Instrumentation Technology and Sensors， 2016（3）： 74.

喻洋洋， 周鳳星， 嚴(yán)?？?， 等. 基于LabVIEW的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2016（3）： 74.

[15] ZHOU Xiang， WANG， Shaohong， et al. The Application on Order Analysis for The Rotating Machinery with LabVIEW[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2016（s1）： 157.

[16]Ma Cunli. Research and Design of Vibration Measurement System for Rotating Machinery Based on LabVIEW[D]. Daqing： Northeast Petroleum University， 2015.

馬存利. 基于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 大慶： 東北石油大學(xué)， 2015.CPP

（責(zé)任編輯：吳博士）