喻菲菲 屈卓燊 杜燦誼

（廣東技術師范大學 廣東 廣州 510635）

引言

虛擬儀器技術集成了傳感器與計算機技術、信號處理技術，具有測量準確、可靠、靈活便捷等特點，廣泛應用于信號的測試與分析領域，在振動信號的采集與分析中，應用越來越多。近年來，眾多學者通過虛擬儀器技術完成對機械系統(tǒng)振動信號的采集與分析。趙曉順等人利用LabVIEW軟件和計算機、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等硬件開發(fā)了發(fā)動機振動信號采集與分析系統(tǒng)，可進行時域與相關域分析、頻譜分析、聯(lián)合時頻分析等，對某型號發(fā)動機斷缸故障進行了有效的診斷分析[1]。大連理工大學的汪志凱利用LabVIEW軟件開發(fā)了一套針對旋轉(zhuǎn)機械振動測試的虛擬儀器系統(tǒng)，應用于實際工程的振動測試分析，取得了良好效果[2]。汽車發(fā)動機是一種既有往復運動又有旋轉(zhuǎn)運動的多激勵源機構，其振動信號蘊涵豐富的故障特征信息。發(fā)動機若發(fā)生機械故障，通常在振動噪聲信號上有所反映。因此，通過對發(fā)動機振動信號的測量與處理分析，可提取相應的故障特征，進而實現(xiàn)發(fā)動機故障的識別和診斷。

本文利用PCB微型電子三向加速度傳感器、NI 9234數(shù)據(jù)采集卡、NI CDAQ-9181數(shù)據(jù)采集平臺以及PC計算機等硬件，在NI Signal Express 2015軟件平臺構建發(fā)動機振動信號檢測及故障分析的虛擬儀器系統(tǒng)，以豐田1ZR-FE發(fā)動機臺架和本田思迪轎車為試驗對象，以發(fā)動機失火故障為例，在不同轉(zhuǎn)速和不同氣缸失火故障狀態(tài)下，對振動信號進行頻譜分析，以提取相關的故障特征，從而為診斷故障提供依據(jù)[3]。

1 測試系統(tǒng)搭建

利用虛擬儀器系統(tǒng)和Matlab采集振動加速度信號并進行頻譜分析，具體流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

1.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要包括：

1）PCB微型電子三向加速度傳感器。采集3個方向的振動加速度信號；

2）NI 9234數(shù)據(jù)采集卡。帶4個輸入通道，能接收來自PCB微型電子三向加速度傳感器的加速度數(shù)據(jù)；

3）NI CDAQ-9181數(shù)據(jù)采集機箱。是NI 9234數(shù)據(jù)采集卡和PC電腦連接的橋梁，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；

4）實驗測試用發(fā)動機。

本測試在豐田1ZR-FE發(fā)動機臺架和廣汽本田思迪轎車發(fā)動機上進行。選取發(fā)動機氣缸蓋位置作為振動加速度信號測試點，此位置受外部測試條件的影響較小，反映故障的敏感度較高，能比較精確地反映發(fā)動機內(nèi)部部件的狀態(tài)信息[4]，測試用車和加速度傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 測試用車和加速度傳感器安裝位置圖

NI 9234數(shù)據(jù)采集卡與NI CDAQ-9181數(shù)據(jù)采集機箱裝配使用，安裝在發(fā)動機氣缸蓋前端的PCB微型三向加速度傳感器輸出3個方向的振動加速度信號，通過電纜傳輸至NI 9234數(shù)據(jù)采集卡的AI1、AI2和AI3等3個數(shù)據(jù)接收口。NI CDAQ-9181數(shù)據(jù)采集機箱通過網(wǎng)線與PC電腦進行連接，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至PC電腦進行分析。

1.2 信號分析與處理

1.2.1 NI Signal Express 2015軟件

使用NI Signal Express 2015軟件可以很方便地采集來自NI CDAQ-9181數(shù)據(jù)采集平臺的振動信號，并極大限度地減少后處理的工作量，簡化了測量任務。本實驗采集的是來自PCB微型電子三向加速度傳感器的振動加速度信號，如圖3所示。在NI Signal Express 2015軟件的任務欄添加程序，依次選擇“Acquire Signals”→“DAQmx Acquire”→“Analog Input”→“Acceleration”→“IEPE”。

圖3 任務設置

利用NI Signal Express 2015軟件采集信號前，需對振動信號的敏感度進行單位換算。另外，在采樣時頻設置部分，需將采樣模式修改為連續(xù)采樣，采樣率修改為本實驗中使用的10 240 Hz。由于本實驗的采樣時長均在1s左右，所以將采樣點數(shù)設置為10 240。設置完畢以后，可以開始進行信號采集。發(fā)動機開始運行以后，點擊“Run”窗口，程序運行，既可以在“Data View”中觀察數(shù)據(jù)，也可以在“Step Setup”中單獨觀察。

1.2.2 使用Matlab做數(shù)據(jù)處理

雖然NI Signal Express 2015軟件本身可以對信號進行處理，但為了更直觀地展示實驗結(jié)果和實驗的拓展性，通過Matlab進行頻譜分析。具體做法如下：NI Signal Express 2015軟件生成的數(shù)據(jù)文件是后綴為.tdms的數(shù)據(jù)文件，利用Excel表格打開采樣頻率為10 240 Hz的表格，可以獲取在采樣時長內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)提取至一個后綴為.txt的文檔中，如圖4所示?；蛐陆ㄒ粋€Excel表格，可以將其導入Matlab軟件。由于Matlab軟件不能識別除數(shù)字外的字符，所以需要把“Time”等表頭去掉。導入Matlab軟件后自動生成矩陣，為方便編寫程序，可以對數(shù)據(jù)矩陣命名。

圖4 生成.txt格式數(shù)據(jù)

對采集的信號做加窗處理，本實驗使用的窗函數(shù)是漢寧窗，它能抵消旁瓣，消去高頻干擾和能量泄漏[5]。然后進行傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，生成頻譜圖進行分析，如圖5所示。

圖5 振動加速度信號分析

2 發(fā)動機臺架實例分析

2.1 臺架發(fā)動機

豐田1ZR-FE發(fā)動機是一款排量為1.6L的四缸自然吸氣發(fā)動機。PCB微型電子三向加速度傳感器安裝在缸蓋位置，待發(fā)動機運行至正常水溫、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在怠速狀態(tài)，再進行振動加速度信號采集和分析。

2.2 失火故障特征分析

對怠速工況的正常狀態(tài)和單一氣缸失火故障狀態(tài)的發(fā)動機橫向加速度信號進行頻譜分析，如圖6所示。正常狀態(tài)下，缸蓋的振動響應信號主要以2階次振動（對應30 Hz，轉(zhuǎn)頻的2倍）為主，對應61 Hz主頻的4階振動幅值很小，其余階次振幅不明顯；當?shù)?缸發(fā)生失火故障時，振動信號頻譜依然是以2階次為主，但1階次振動（對應15 Hz）幅值明顯增強。這個特征很明顯，為了驗證故障特征的有效性，在實車上再進行測試分析。

圖6 怠速工況下的振動信號頻譜

3 實車測試與分析

3.1 實驗用車

實驗用車為2008款廣汽本田思迪轎車，搭載一臺代號為L15A的1.5 L四缸自然吸氣發(fā)動機。發(fā)動機通過專門的橡膠懸置支承在車架上，發(fā)動機的NVH特性良好，運行平穩(wěn)，懸置連接可避免其他部件的振動反作用于發(fā)動機。因此，對實車進行測試分析更有說服力。

3.2 怠速工況下各狀態(tài)頻譜對比

圖7所示為各狀態(tài)下的振動信號頻譜。圖7a為正常狀態(tài)，以2階次為主，其他階次不明顯。圖7b為第1缸發(fā)生失火故障時，除2階次以外，頻率為12 Hz的1階次振動和頻率為18 Hz的1.5階次振動的幅值明顯上升。圖7c為第2缸發(fā)生失火故障時，發(fā)動機1階次和1.5階次振動明顯增強，其余低階次的幅值都有不同程度提高。圖7d為第3缸發(fā)生失火故障時，規(guī)律與第2缸失火故障類似。圖7e為第4缸失火故障狀態(tài)下的振動加速度頻譜，除2階次以外，其1階次、1.5階次、2.5階次等以0.5階次為倍數(shù)的階次成分幅值明顯增強，尤其是1階次和1.5階次。

圖7 怠速時各狀態(tài)的振動信號頻譜

綜合上述分析，當發(fā)動機發(fā)生失火故障時，對于頻譜分析，共同的特征是：除了主階次2階次以外，1階次的振幅均明顯提高?？紤]到頻譜未進行幅值校正而存在分析誤差，實際上，以0.5階次為倍數(shù)的低階幅值都有一定程度的提高。原因是：當有1個氣缸失火時，其余3個氣缸的氣缸爆發(fā)壓力形成新的變化周期，頻率相當于轉(zhuǎn)頻的一半，從而出現(xiàn)0.5階次及其倍頻成分[6]。

3.3 1 500 r/min工況下頻譜對比

當發(fā)動機在1 500 r/min左右運行時，整體抖動有加劇趨勢，2階次振動的幅值較怠速時高。如圖8所示。其正常狀態(tài)下以主頻為50 Hz的2階次振動為主，主頻為25 Hz的1階次振動也存在；當?shù)?缸發(fā)生失火故障時，頻率為12 Hz的0.5階次振動增長明顯，頻率為25 Hz的1階次頻率幅值也有提高?？梢?，在不同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機發(fā)生單缸失火時，其機體表面振動加速度信號頻譜的變化呈一定的規(guī)律性，0.5階次及其倍頻成分顯著增加。

圖8 轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時振動信號頻譜

4 結(jié)論

利用LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)和加速度傳感器采集汽車發(fā)動機缸蓋上的振動加速度信號，并對信號進行處理分析，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，得到振動信號的頻譜圖，由此分析和了解發(fā)動機的振動特性。通過對發(fā)動機在不同氣缸失火故障狀態(tài)的振動加速度信號進行頻譜分析，得知失火狀態(tài)頻譜中的1階次、0.5階次頻率成分幅值明顯增加，這一特征可作為發(fā)動機失火故障診斷的一個故障特征。