一種階梯軸零件的數(shù)控加工

一種階梯軸零件的數(shù)控加工,一種,階梯,零件,數(shù)控,加工 基于LabVIEW的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)研究 摘 要 輸油泵機組在長距離輸油管道中有著重要作用，實現(xiàn)輸油泵的在線監(jiān)測有重要的現(xiàn)實意義。本文以LabVIEW為工具開發(fā)在線輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)。通過對輸油泵結(jié)構(gòu)及其工作原理的研究，搭建輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。通過對輸油泵故障機理的研究，利用LabVIEW建立軟件系統(tǒng)即時對信號分析處理來實現(xiàn)輸油泵在線監(jiān)測。 本文將在以下幾個方面對輸油泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)做出研究： 1、輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究 ：通過對大型離心式輸油泵的結(jié)構(gòu)，工作原理及相關(guān)性能參數(shù)的分析，分析輸油泵常見故障及產(chǎn)生機理。 2、監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)研究：以系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，搭建輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，主要為監(jiān)測系統(tǒng)的選型及對不同種信號的采集硬件 3、信號采集與分析：進(jìn)行信號采集原件的選型如各種傳感器，并對采集信號進(jìn)行時域分析，頻域分析，小波分析。 4、監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)研究：軟件結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，信號處理模塊，狀態(tài)分析與故障診斷模塊，信息管理模塊，并最終完成軟件程序的實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：輸油泵; LabVIEW ;監(jiān)測系統(tǒng) ;小波分析  ABSTRACT The oil pump unit plays an important role in the long distance oil pipeline, and it is of great practical significance to realize the on-line monitoring of the oil pump. This paper uses LabVIEW as a tool to develop an online fuel pump monitoring system. Through the study of the structure and working principle of the oil pump, the hardware structure of the oil pump monitoring system is set up. Through the research on the failure mechanism of the oil pump, the software system is established by LabVIEW to realize the on-line monitoring of the oil pump on the signal analysis and processing. This article will be in the following aspects of the oil pump condition monitoring system to study: 1. The principle of the structure of the oil pump is analyzed by analyzing the structure, working principle and related performance parameters of the large centrifugal oil pump, and analyzes the common faults and generating mechanism of the oil pump. 2. The hardware structure of the monitoring system is based on the overall structure of the system, and the hardware structure of the oil pump monitoring system is set up, mainly for the selection of the monitoring system and the acquisition of different kinds of signals. 3. Signal acquisition and analysis: the original collection of signal acquisition, such as a variety of sensors, and the acquisition signal for time domain analysis, frequency domain analysis, wavelet analysis. 4. Monitoring system software structure research: The software structure mainly includes the data acquisition module, the signal processing module, the state analysis and the fault diagnosis module, the information management module, and finally completes the realization of the software procedure. Key words: oil pump; LabVIEW; monitoring system; wavelet analysis  39 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 1 1.2 論文主要研究內(nèi)容 2 2 輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究 4 2.1 輸油泵的結(jié)構(gòu) 4 2.2 輸油泵的工作原理 4 2.3 輸油泵的性能參數(shù) 5 2.4 輸油泵的常見故障 5 3 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的搭建 7 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 3.2 輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計 7 3.3 硬件系統(tǒng)的選型 9 4 輸油泵信號分析技術(shù) 10 4.1 時域分析技術(shù) 10 4.2 頻域分析技術(shù) 10 4.3 小波分析技術(shù) 10 5 運用LabVIEW實現(xiàn)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研發(fā) 13 5.1 軟件設(shè)計的原則與依據(jù) 13 5.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 5.3 功能模塊設(shè)計 15 6 結(jié)論 25 附錄1：外文翻譯 27 附錄2：外文原文 32 致 謝 38 1 緒論 隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的自動化程度越來越高以及各個產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)系越來越緊密，一旦在長距離輸油過程中發(fā)生設(shè)備故障而無法即時發(fā)現(xiàn)并處理，就會嚴(yán)重威脅到石油加工相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的正常運轉(zhuǎn)，因而會造成極大的損失[1]。而傳統(tǒng)的人工巡檢的監(jiān)測監(jiān)查方式由于弊端很多，因此需要一種實時性，準(zhǔn)確性和高效率的輸油泵監(jiān)測方式，在這種情況下，基于虛擬儀器的發(fā)展為該問題的解決提供了方法。以虛擬儀器開發(fā)的輸油泵在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過機械部件外在表現(xiàn)，以信號方式對其經(jīng)過處理分析來實現(xiàn)監(jiān)測功能。所以開發(fā)以LabVIEW為平臺的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)有重要的現(xiàn)實意義。 1.1 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 國內(nèi)對泵的工況監(jiān)測與故障診斷的研究起步較晚，是從上世紀(jì)80年代開始的。但從1985年以后，由于中國設(shè)備管理協(xié)會設(shè)備診斷委員會，中國振動工程學(xué)會機械故障診斷分會和中國機械工程學(xué)會設(shè)備維修分會等機構(gòu)的大力推動，全國多次召開了全國性的故障診斷學(xué)術(shù)會議，極大的推動了我國故障診斷技術(shù)的發(fā)展，使得國內(nèi)先后產(chǎn)生了許多十分有價值的研究成果[2]。其中較為突出的是航天航空部于1984年開發(fā)成功的基于共振解調(diào)原理的JK8241輸油泵分析儀，此診斷系統(tǒng)成功地做到了對輸油泵不解體故障診斷。 泵診斷技術(shù)在國內(nèi)研究方向也主要體現(xiàn)在兩個方面：一、對設(shè)備狀態(tài)特征信號的檢測，二、對檢測到的特征信號進(jìn)行提取，獲取特征值[3]。 國外在泵故障診斷技術(shù)中發(fā)展的比較早，始于上個世紀(jì)60年代，距今已有50多年的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，泵的故障診斷技術(shù)也在日新月異。在歐美日等發(fā)達(dá)工業(yè)國家，泵的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)已經(jīng)形成一種流行，并漸漸商品化和實用化。下面介紹國外對泵故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展研究的概況。 第一階段：利用頻譜分析儀來診斷泵故障[4]。在這個階段，對于泵故障診斷多采用快速傅里葉變換的方法，通過對振動信號進(jìn)行頻譜分析，得出的結(jié)果與實際相比較來對故障進(jìn)行判斷，因此，各種常用的頻譜儀的發(fā)明紛紛問世，一時間通過頻譜儀檢測油泵振動信號成為了這一階段的主要研究手段[5]。但這種方法存在著許多的弊端。比如說，當(dāng)傳感器采集到振動信號經(jīng)過放大傳送給頻譜儀進(jìn)行分析時，由于實際信號中常常混有噪音，因此信號特征表現(xiàn)并不明顯，或者在分析中找不到故障信號，這在對微小故障引起的振動信號很難預(yù)測。 第二階段：利用沖擊脈沖技術(shù)診斷泵故障。這個階段對于泵故障診斷技術(shù)有了較大的提高和進(jìn)步，主要方法為通過使用沖擊脈沖計對泵軸承表面進(jìn)行沖擊脈沖幅值測量。經(jīng)瑞典儀器公司多年在泵故障診斷領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，這種測量方法在對軸承測得到的特征值可以很好地評價泵軸承損傷程度。相比較使用頻譜分析儀的方法，這種方法不需要進(jìn)行頻譜分析，并且可以有效地檢測出泵軸承出現(xiàn)的損傷故障，因此，這種技術(shù)一經(jīng)發(fā)明便被歐美日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家所采用[6]。隨著這一項技術(shù)的不斷進(jìn)步和研發(fā)，產(chǎn)品也在不斷更新，如今SPM不僅可以監(jiān)測軸承損傷故障，也應(yīng)用到對油膜潤滑及厚度的測量使用中。 SPM技術(shù)至今已有50多年的歷史，但不少企業(yè)工廠對軸承的檢測仍然采用這種技術(shù)。 第三階段：利用共振解調(diào)技術(shù)診斷軸承故障。共振解調(diào)技術(shù)出現(xiàn)于1974年，由美國波音公司的D.R.Harting所發(fā)明。由于共振解調(diào)技術(shù)在對信號的分離和提取上的特殊作用，因此，對于故障信號的檢測具有很好的效果。通過包絡(luò)頻譜分析出的結(jié)果，判斷故障發(fā)生的具體部位，對泵軸承損傷類故障診斷具有很好的效果，在故障診斷技術(shù)中得到了很好的應(yīng)用。共振解調(diào)技術(shù)與SPM相比，相當(dāng)于在SPM的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，不僅可以檢測出故障信息，更能具體定位出故障源，對于泵軸承損傷檢測屬于精密診斷方法[7]。 第四階段：利用計算機開發(fā)狀態(tài)監(jiān)測于故障診斷系統(tǒng)[8]。隨著科技的發(fā)展，尤其是計算機領(lǐng)域的日新月異，20世紀(jì)80年代以后，利用計算機開發(fā)出泵監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)時的主流方向。比較著名的有德國Mannheim電子廠于1885年使用的瑞士SULZER泵公司開發(fā)的SUDIS系統(tǒng)，應(yīng)用在鍋爐給水泵組的運行狀況監(jiān)測和故障診斷上。其系統(tǒng)包含參數(shù)監(jiān)測，長期數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)通訊，故障診斷和維修計劃等模塊。1992年，自動式振動咨詢系統(tǒng)EOPLORE-EX誕生，該系統(tǒng)由美國電力研究所與恩泰克科學(xué)公司，以及美國以專門從事振動咨詢的斯韋公司聯(lián)合推出。該系統(tǒng)采用三級推理，可診斷泵的內(nèi)部摩擦，不對中，不平衡和共振等故障[9]。如美國的本特利·內(nèi)達(dá)華公司開發(fā)的工程師幫助軟件，鍋爐泵診斷系統(tǒng)，可以檢測出給水泵和往復(fù)式泵是否出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件松動，轉(zhuǎn)子彎曲等現(xiàn)象及泵的摩擦程度，軸裂紋和由油膜導(dǎo)致的泵的故障。 1.2 論文主要研究內(nèi)容 主要研究的領(lǐng)域是測控系統(tǒng)，工業(yè)檢測，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析，儀器儀表等各個領(lǐng)域。主要研究內(nèi)容為以下幾項： 1、輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究： 輸油泵結(jié)構(gòu)：主要由偏心輪、主泵、手泵、進(jìn)出油閥、油管、油箱等組成[10]。 輸油泵工作原理：在噴油泵凸輪軸上的偏心輪通過滾動輪和頂桿，向下壓活塞，這樣使吸入止回閥和增壓閥開啟，同時活塞彈簧被壓縮[11]。當(dāng)偏心輪轉(zhuǎn)過滾輪后，彈簧的彈力使活塞上行，此時，止回閥和開啟，而另外兩個關(guān)閉。凸輪軸每轉(zhuǎn)一周，輸油泵輸油兩次。如果排出管路上油壓增高大于彈簧彈力時，則活塞便停留在輸油泵下部，待油壓降低后，繼續(xù)供油。 輸油泵常見故障：磨損、疲勞、斷裂、腐蝕 [12]。 2、輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)研究：輸油泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的是信號的采集和信號的分析處理[13]。信號采集主要是對于輸油泵關(guān)鍵部位的溫度信號和振動信號及位移信號的采集。信號的分析處理主要經(jīng)過計算機和一些相關(guān)信號處理硬件和軟件實現(xiàn)[14]。 3 、LabVIEW LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境[15]，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框 圖 的 形 式?與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫[16]?LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等? LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子VI)的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試[17]? LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器 (如示波器、萬用表)類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面[18]?用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板?使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制[19]。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 4、輸油泵在LabVIEW平臺下的監(jiān)測系統(tǒng)研究 以LabVIEW為平臺開發(fā)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在輸油泵軸承，定子等關(guān)鍵部位安裝傳感器裝置，信號采集使用傳感器采集溫度信號和振動信號，經(jīng)過相應(yīng)的信號傳輸輸送至信號處理裝置[20]。經(jīng)過處理分析的信號可以進(jìn)行狀態(tài)分析與故障診斷，再進(jìn)行信息的顯示和管理。  2 輸油泵結(jié)構(gòu)原理研究 2.1 輸油泵的結(jié)構(gòu) 離心式油泵有單級單吸懸臂式結(jié)構(gòu)，有單級雙吸懸臂式結(jié)構(gòu)，有兩級單吸兩端支承式結(jié)構(gòu)，有兩級雙吸的兩端支承式結(jié)構(gòu)，還有多級分段式等多種結(jié)構(gòu)形式。輸油泵實體如圖2.1。 圖2.1 離心式輸油泵 離心式輸油泵一般有以下的一些結(jié)構(gòu)特點： 泵體一般采用中心支撐的方式以減少溫度可能造成的影響。高溫可能造成熱膨脹，進(jìn)而造成泵軸的移位而影響泵的正常運行，所以有時需要輸送一些高溫油類時，需要在泵底安裝定位滑道以保障泵的正常運行。 填料箱、軸承、支座都需要使用冷卻機構(gòu)。 油類易燃，必須使用防暴電機，這樣可以十分有效地避免產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。 2.2 輸油泵的工作原理 輸油泵工作原理：油泵啟動前先在泵殼內(nèi)灌滿油（或泵殼內(nèi)自身存有油）。啟動后葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽道中的油流向渦殼，這時入口形成真空，使進(jìn)油逆止門打開，吸入管內(nèi)的空氣進(jìn)入泵內(nèi)，并經(jīng)葉輪槽道到達(dá)外緣。另一方面，被葉輪排到氣油分離室中的油又經(jīng)左右回油孔流回到葉輪外緣。左回油孔流回的油在在壓力差和重力的作用下，射向葉輪槽道內(nèi)，并被葉輪擊碎，與吸入管路來的空氣混合后，甩向蝸殼，向旋轉(zhuǎn)方向流動。然后與右回油孔流來的油匯合，順著蝸殼流動。由于液體在蝸殼內(nèi)不斷沖擊葉柵，不斷被葉輪擊碎，就同空氣強烈攪拌混合，生成氣油混合物，并不斷地流動致使氣油不能分離。混合物在蝸殼出口被剝離，沿短管進(jìn)入分離室。在分離室內(nèi)空氣被分離出來，由出口管排掉，而油仍經(jīng)左右回油孔流向葉輪外緣，并與吸入管空氣相混合。如此反復(fù)循環(huán)，逐漸將吸入管路中的空氣排盡，使油進(jìn)入泵內(nèi)，完成自吸過程。 2.3 輸油泵的性能參數(shù) 1、流量：指輸油泵在單位時間內(nèi)輸送的油量?常用單位有L/S? 2、揚程：又稱壓頭，是單位質(zhì)量流體經(jīng)過油泵后其能量的增加值?從離心式輸油泵的外在表現(xiàn)來理解，泵的揚程是油的重力勢能的提高、油壓的提高以及在輸送油的過程中克服管路阻力做工之和?常用單位有MH20柱、MM汞柱等?也有時將離心式輸油泵揚程表示為泵出口的壓力值，常用單位是KPA，MPA。 3、軸功率：泵的輸入功率，油泵從電動機處獲得的功率?常用單位為KW? 4、有效功率：泵的輸出功率，即單位時間內(nèi)離心泵中流過的油在該段時間內(nèi)獲得的能量? 5、效率：泵的有效功率與軸功率的比值，它表示的是泵對電動機所給予的能量的利用率?小型油泵的效率一般為50%~70%，大型油泵可達(dá)90%? 2.4 輸油泵的常見故障 輸油泵的常見故障來源一般在一些敏感部件，比如軸承。軸承的損壞或者失效會直接造成輸油泵的故障。常見的輸油泵軸承有滑動軸承和止推軸承。 輸油泵軸承的常見故障主要有磨損、疲勞、斷裂、腐蝕、膠合，造成各種故障的原因不盡相同。 1、磨損 軸承的封裝并不是絕對的嚴(yán)密，會有很多縫隙，一些沙礫、污垢等異物經(jīng)縫隙進(jìn)入，便會造成保持架、軸承滾道、滾動體等在表面發(fā)生磨損。如圖2.2。 圖2.2 軸承磨損 2、疲勞 軸承表面由于長期摩擦產(chǎn)生凹坑，直至產(chǎn)生大片的缺陷，最終造成滾道及滾動體產(chǎn)生發(fā)生損傷。疲勞的產(chǎn)生有很多原因，其中比較常見的兩種原因是工作應(yīng)力作用時間過長和封裝過于粗糙。如圖2.3。 圖2.3 軸承疲勞 3、斷裂 斷裂主要指的是軸承套破裂。原因可能是鍛造缺陷，或者熱處理不當(dāng)或者一些其他原因。斷裂軸承如圖2.4。 圖2.4 軸承斷裂 4、腐蝕 潤滑油在使用過程中會發(fā)生氧化進(jìn)而產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)會造成軸承的腐蝕。還有一些腐蝕方式會有些特殊，如：氧氣會對錫銻合金材料的軸承造成腐蝕、硫會對含銀和銅的軸瓦材料造成腐蝕、油會對銅鉛合金造成腐蝕等。如圖2.5。 圖2.5 軸承腐蝕 3 輸油泵狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)的搭建 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 無論在哪種虛擬測試系統(tǒng)，都是將硬件設(shè)備搭載到PC端平臺，加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。該監(jiān)測系統(tǒng)也是由這個基本機構(gòu)組成：由傳感器從輸油泵采集基本信號，然后由傳感器傳至信號調(diào)理裝置。然后信號經(jīng)過硬件設(shè)備，再由PC端進(jìn)入應(yīng)用軟件進(jìn)行信號分析處理。如圖3.1。 信號調(diào)理裝置 輸油泵機組 傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 PC LabVIEW虛擬儀器平臺 圖3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 3.2 輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計 搭建輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)首先要考慮監(jiān)測系統(tǒng)的正確性，準(zhǔn)確性和可靠性，并在此基礎(chǔ)上盡量讓成本降低。 一般來說，旋轉(zhuǎn)類機械的軸承座的振動信號是對機械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測和故障診斷最普遍使用的特征值。采集該信號最常用的是壓電晶體加速度傳感器。該傳感器主要組成部件有壓電晶體，彈簧和重物。壓電晶體加速度傳感器的使用原理是傳感器接收到振動信號后，壓電晶體在受到振動的重物作用下產(chǎn)生電荷，且其產(chǎn)生的電荷量與振動加速度成正比。在本系統(tǒng)中，可以將壓電晶體加速度傳感器用螺栓安裝在軸承座上使用。壓電晶體實物圖如圖3.2。 圖3.2 壓電晶體加速度傳感器 在輸油泵故障診斷中軸心軌跡是一個重要的考量指標(biāo)。而轉(zhuǎn)軸的軸心軌跡可以通過轉(zhuǎn)軸徑向振動的交流分量來確定。因為轉(zhuǎn)軸工作時是高速運轉(zhuǎn)的，所以對轉(zhuǎn)軸徑向振動信號的測量無法使用接觸測量的方式，由此我們可以選用電渦流傳感器，同樣對軸向位移信號的采集同樣使用電渦流傳感器。電渦流傳感器的工作原理是利用電渦流效應(yīng)，由磁場和電流的相互作用反映振動變化。本系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)軸振動信號采集，可以用電渦流探頭與轉(zhuǎn)軸軸線垂直安裝，本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)軸軸向位移信號采集時，將一個厚0.5MM，寬10MM的金屬片安裝于軸端面，這樣采集到的軸向位移信號是方波，而方波的谷底恰好反映轉(zhuǎn)軸的實際軸向位移。電渦流傳感器實物圖如圖3.3。 圖3.3 電渦流傳感器 輸油泵機組設(shè)備狀態(tài)的另一個重要參數(shù)是軸承的溫度。軸承溫度信號采集常用熱電阻傳感器，常用的熱電阻是Pt100，即0度時阻值為100歐姆的鉑電阻。熱電阻傳感器的工作原理是基于電阻的熱效應(yīng)，即不同溫度下電阻阻值的變化來改變電流從而測量溫度變化。熱電阻封裝有不銹鋼圓套筒形式和有機薄膜形式。這里選擇不銹鋼封裝形式的，在軸承座上打孔安裝。對于熱電阻信號傳輸模塊的選擇，可以選擇美國NI公司生產(chǎn)的NI-USB 9201，USB模塊支持熱插拔，易于系統(tǒng)的搭建和使用。熱電阻的實物圖見圖3.4。 圖3.4 Pt100熱電阻 3.3 硬件系統(tǒng)的選型 輸油泵檢測系統(tǒng)共需要采集四個振動信號，四個溫度信號和一個軸向位移信號。本文采用下列設(shè)備建立系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖3.5。 ADAM熱電阻模塊 輸油泵機組 熱電阻 前置器 電渦流 傳感器 電荷放大器 壓電晶體 傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 工業(yè)控制計算機 圖3.5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖 在輸油泵相對應(yīng)位置安裝熱電阻傳感器，電渦流傳感器和壓電晶體傳感器，各傳感器采集到的信號經(jīng)過簡單的處理，傳導(dǎo)至數(shù)據(jù)采集卡。 至此，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建完成。  4 輸油泵信號分析技術(shù) 4.1 時域分析技術(shù) 時域分析 均值：描述信號的平均變化情況，代表信號的直流分量。 方差：描述信號相對于均值的波動情況，反映信號的動態(tài)分量。 波形指標(biāo)K＝有效值/絕對平均幅值。 峰值指標(biāo)C＝峰值/有效值。 脈沖指標(biāo)I＝峰值/絕對平均幅度。 裕度指標(biāo)L＝峰值/方根幅值。 時域分析可以對輸油泵機組進(jìn)行總體的定量分析，但無法做出準(zhǔn)確的定性分析，所以時域分析一般只用來作故障初步診斷的方法。 4.2 頻域分析技術(shù) 輸油泵機組是旋轉(zhuǎn)類機械的一種，輸油泵機組的頻率特征對與輸油泵機組故障分析具有十分重要的意義。 頻譜分析是將動態(tài)信號在頻域內(nèi)進(jìn)行分析，分析的結(jié)果是以頻率為橫坐標(biāo)，以加速度或者振幅或者功率為縱坐標(biāo)的頻譜圖。頻譜分析是以傅里葉級數(shù)和傅里葉積分為基礎(chǔ)的。 周期信號的功率譜為其雙邊幅值頻譜的平方；非周期信號的功率譜為其幅值譜密度的平方。隨機信號屬于時域無限信號，其頻率和幅值為隨機變量。因而采用具有統(tǒng)計特性的功率譜估計進(jìn)行分析。 隨機信號的功率譜密度與自相關(guān)函數(shù)為傅立葉變換偶對，為了方便，也可用在非負(fù)頻率范圍內(nèi)定義的單邊功率譜密度代替雙邊功率譜密度。 4.3 小波分析技術(shù) 小波變換的概念最早是在1974年，由法國工程師J.Morlet在提出的，但是當(dāng)時因為在數(shù)學(xué)上未被證實，所以不為人們所接收。歷史上有很多這種由于思維太過先進(jìn)超出當(dāng)時人們認(rèn)知油平的創(chuàng)新思想無法被盡快接受的例子。后來隨著越來越多的理論基礎(chǔ)的出現(xiàn)，小波分析逐漸進(jìn)入人們視線并開始蓬勃發(fā)展。 小波變換與傳統(tǒng)的傅立葉變換不同，它是一個時間和頻率的局域變換，它可以通過對信號的分解來精確提取所需信號，進(jìn)而解決了之前單純依靠傅立葉變換無法解決的許多問題。小波分析的應(yīng)用與理論相結(jié)合，對現(xiàn)今的信號處理起到了非常重要的作用。尤其在工業(yè)實踐中，許多的信號都很隨機很不穩(wěn)定，依靠傳統(tǒng)傅立葉變換就無法進(jìn)行準(zhǔn)確有效地進(jìn)行信號分析，此時小波分析就呈現(xiàn)了它作為信號分析工具的優(yōu)勢。 小波變換與傳統(tǒng)的傅里葉變換和短時傅里葉的相同之處在于它們進(jìn)行信號的數(shù)學(xué)變換時采用的是相同的數(shù)學(xué)工具，不同之處在于基本函數(shù)的結(jié)構(gòu)不同。傅立葉變換分解信號方式?jīng)Q定了傅立葉變換中無法體現(xiàn)頻率隨時間的變化特性，而短時傅立葉變換在解決傅立葉變換的缺陷的同時，又造成了分辨率的無法“隨機應(yīng)變”。然而相對一個實際信號而言，低頻信號總是有比較長的周期，相對的高頻信號周期則較短。小波變換的基本小波函數(shù)為 （4.1） 相應(yīng)的積分小波變換為 （4.2） 盡管小波分析有許多優(yōu)點，但是它的數(shù)學(xué)實現(xiàn)不能直接做到。首先是基本小波的選擇問題。小波變換可以有無限的基本小波可以選擇，但是只有能用得到的小波系數(shù)恢復(fù)原始信號時，才是有價值的小波。為了重建原來的信號，基本小波的選擇不能是任意的，正是因此選擇合適的基本小波就是小波變換最大的問題。其次過多的待分析級數(shù)會造成計算困難。于是Mallat提出了多分辨率信號分解的理論與算法。它不直接計算積分表達(dá)式，而是將信號進(jìn)行逐級分解。分解過程如圖4.1。 圖4.1 小波分解樹狀圖 圖4.1中，S即為原始信號，S經(jīng)過分解得到低頻信號和高頻信號，再由低頻信號分解出更低頻信號和次高頻信號，再由新得到的低頻信號再分解，依此繼續(xù)。 信號可以被分解，同樣也可以被合成，由分解信號合成原信號的過程稱為小波重構(gòu)，數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為小波的逆變換。 NI公司提供的在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)小波變換的工具是外掛的LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit商品軟件。Advanced Signal Processing Toolkit安裝后，在LabVIEW函數(shù)選板的“附加工具包”子選板中增加一個Wavelet Analysis子選板，其中包含Continuous Wavelet(連續(xù)小波)、DiscreteWavelet（離散小波）、Packet Wavelet（小波包）、Feature Extraction（特性提取）和Utilities（實用）等幾個用于小波分析的子選板。 小波去噪 噪聲干擾對于一個系統(tǒng)來說很難被避免，噪聲對系統(tǒng)性能和信號分析都會帶來極大的負(fù)面影響。雖然LabVIEW自帶濾波功能，但是經(jīng)典濾波方法的準(zhǔn)確性并不十分好，就是說采用經(jīng)典的濾波方法很有可能會削減正常信號。于是我們在信號降噪中引進(jìn)了小波變換，于是小波濾波和小波包濾波技術(shù)誕生了。 我們可以采用Mallat提出的信號多分辨率分解與重構(gòu)算法，將原始信號進(jìn)行多級分解，不斷的對分解后的低頻信號進(jìn)行分解，當(dāng)分解的層級足夠多的時候，去除噪聲成分所占頻帶，然后將信號進(jìn)行信號重構(gòu)，這樣就在不影響所需信號的情況下完美達(dá)到降噪的目的。這樣的降噪方式可以極大提高降噪精度，極大減小噪聲干擾的影響，對信號分析具有極大的現(xiàn)實意義。  5 運用LabVIEW實現(xiàn)輸油泵狀態(tài)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的研發(fā) 5.1 軟件設(shè)計的原則與依據(jù) 軟件是系統(tǒng)設(shè)計的核心。軟件是硬件系統(tǒng)實現(xiàn)特定功能的必要基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計成功與否取決于軟件系統(tǒng)的設(shè)計。 1、正確性 正確性是軟件設(shè)計最基本的要求，設(shè)計出的軟件要按照設(shè)計者的 意圖去實現(xiàn)既定的功能。 2、穩(wěn)定性 輸油油泵安全監(jiān)測系統(tǒng)需要在一段時間內(nèi)不間斷對油泵狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測并分析，因此，較高的穩(wěn)定性可以保證系統(tǒng)的正常使用。 3、可維護性好實際工況復(fù)雜且多樣，因此系統(tǒng)的軟件也要進(jìn)行完善和升級，以滿足測量要求的目的。 4、開發(fā)難度低 實驗成本要低且功能完善，盡量降低開發(fā)成本是開發(fā)人員能力的硬性要求。 5.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5.1 頻譜分析 信號處理 信號采集 信息顯示 小波分析 時域分析 圖5.1 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 軟件系統(tǒng)前面板如圖5.2。 圖5.2 輸油泵在線監(jiān)測系統(tǒng)前面板 輸油泵在線監(jiān)測系統(tǒng)程序框圖如圖5.3。 圖5.3 輸油泵在線監(jiān)測系統(tǒng)程序框圖 功能模塊：主要的功能模塊有信號測點的設(shè)置，信號采集模塊，信號顯示模塊和信號處理模塊。信號測點設(shè)置主要實現(xiàn)模擬信號測點的配置方案，信號采集模塊主要完成信號的模擬輸入，信號顯示模塊則是以波形圖或者波形圖表的方式進(jìn)行信號的顯示，以完成后期的信號時域分析，信號處理模塊主要完成信號的頻域分析和小波分析。 5.3 功能模塊設(shè)計 1、信號測點設(shè)置 信號測點設(shè)置要完成信號測點的安排。本系統(tǒng)中將在油泵兩軸承和電機兩軸承安裝壓電晶體傳感器和溫度傳感器，在輸油泵軸安裝電渦流傳感器檢測位移信號。信號測點模擬見圖5.4。 圖5.4 信號測點分布 由圖5.4可以直觀地看出，在輸油泵每一側(cè)的軸承分別安裝有一個溫度傳感器和一個位移傳感器，電機的每一側(cè)軸承也安裝有一個溫度傳感器和一個位移傳感器。在油泵軸上，安裝有一個位移傳感器用來監(jiān)測油泵軸的位移量，而電機轉(zhuǎn)子上安裝溫度傳感器用來監(jiān)測電機溫度變化。 2、信號采集 采用USB總線設(shè)備的數(shù)據(jù)采集模塊。 由傳感器采集的是模擬信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再將數(shù)字信號傳輸至計算機。本文中信號的采集采用模擬輸入的方式，模擬信號由DAQ采集助手采集。本文中采集卡為NI USB-9201模擬信號輸入，一共有八個通道，采樣率設(shè)置為2kHz，采樣長度為1k。振動信號和溫度信號分別用兩個采集助手。因為八個通道并不全部需要，所以刪除沒有使用到的通道。 選用的DAQ采集助手有兩個，一個用于采集振動和位移信號，另一個用于采集溫度信號。DAQ采集助手如圖5.5所示。 圖5.5 DAQ采集助手 DAQ采集助手的參數(shù)設(shè)置見圖5.6。 圖5.6 DAQ采集助手參數(shù)設(shè)置 在此界面里的通道設(shè)置里刪除不需要的通道，采樣模式設(shè)為連續(xù)采樣，待讀取采樣設(shè)置2k，采樣率設(shè)置為2kHz。 信號采集模塊還需要一個采集起始和結(jié)束的按鈕。采集起始按鈕是以DAQ采集助手為內(nèi)容的一個條件結(jié)構(gòu)，外加一個按鈕控件。采集起始按鈕和程序結(jié)束按鈕前面板見圖5.7。 圖5.7 信號采集起始和結(jié)束的按鈕前面板 此模塊功能為單擊采集按鈕時，兩個DAQ采集助手分別開始模擬采集振動位移信號和溫度信號，再次單擊采集按鈕則采集暫停。另一個退出按鈕則控制整個程序的起停，程序運行之后，單擊退出按鈕則程序退出。 信號采集按鈕的程序框圖見圖5.8。 圖5.8 信號采集起始和結(jié)束的按鈕的程序框圖 將兩個采集助手放入一個條件結(jié)構(gòu)循環(huán)，由條件結(jié)構(gòu)引出一個控制按鈕控件，控制按鈕標(biāo)簽設(shè)置為“采集”。 信號采集模塊至此搭建完成。 3、采集信號顯示 信息顯示包括三部分，振動信號的波形圖，位移信號的波形圖表和溫度信號的波形圖表。 振動信號的波形圖前面板見圖5.9。 圖5.9 振動信號的波形圖 由DAQ采集助手采集的振動信號經(jīng)過波形圖顯示控件實現(xiàn)振動信號的波形圖顯示。振動信號波形圖輸出的程序框圖見圖5.10。 圖5.10 振動信號波形圖程序框圖 位移信號波形圖表前面板為圖5.11。 圖5.11 位移信號波形圖表前面板 位移信號的顯示類似于振動信號的顯示，但是位移信號采用波形圖表的方式顯示出來。對于實際分析來說，波形圖接收的是一個數(shù)組，是同時將要顯示的點顯示出來，而波形圖表接收的是一個數(shù)值，它在具有波形圖功能的同時，還可以進(jìn)行逐點的顯示分析，具有緩存歷史數(shù)據(jù)的功能，波形圖表更適合實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測。 位移信號波形圖表程序框圖為圖5.12。 圖5.12 位移信號波形圖表程序框圖 位移信號的采集后的顯示程序和振動信號的過程大體一致。 溫度信號波形圖表前面板如圖5.13。 圖5.13 溫度信號波形圖表前面板 因為采集信號中所采集的均是采集助手空采的正弦信號，在系統(tǒng)正常運行下溫度信號顯示的均為正弦波形。 溫度信號波形圖表程序框圖如圖5.14。 圖5.14 溫度信號波形圖表程序框圖 4、信號處理 信號處理模塊包括通道選擇、信號處理選擇和頻譜分析、小波分析。 通道選擇功能可以選擇對哪一個軸承進(jìn)行觀察分析，信號處理選擇可以選擇對信號進(jìn)行頻譜分析或者小波分析。在小波分析里，依然包括功能選擇和小波分析圖。小波里的功能選擇包括觀察細(xì)節(jié)和重構(gòu)信號，分解層數(shù)，濾除成分和基本小波的選擇。通過觀察細(xì)節(jié)和重構(gòu)信號可以弄清低頻信號和高頻信號，分解層數(shù)決定信號分解的級數(shù)，并且可以了解分解后的信號特征和重構(gòu)信號特征，通過濾除成分可以清晰了解濾除的高頻新號特征?；拘〔ǖ倪x擇可以直觀觀察到各級母小波的信號特征。 通道選擇前面板形式見圖5.15。 圖5.15 通道選擇前面板 在圖5.15所示的通道選擇面板中，可以通過單擊選擇的方式來選擇要觀察分析的軸承振動信號。 信號處理選擇前面板見圖5.16。 圖5.16 信號處理選擇前面板 在該面板中，可以通過單擊選擇的方式來選擇分析項目，分析項目分為小波變換分析和頻譜分析。 頻譜分析前面板見圖5.17。 圖5.17 頻譜分析前面板 該頻譜分析前面板顯示的是橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為能量（振幅）的頻譜圖。 頻譜分析程序框圖見圖5.18。 圖5.18 頻譜分析程序框圖 頻譜分析子程序框圖見圖5.19。 圖5.19 頻譜分析子程序框圖 小波分析的功能前面板見圖5.20。 圖5.20 小波分析功能面板 該面板體現(xiàn)了小波分析的結(jié)構(gòu)層次。功能選擇中可以運用單擊選擇的方式選擇觀察細(xì)節(jié)操作或者重構(gòu)信號操作，分解層數(shù)面板可以選擇需要觀察分析的小波分解不同層級信號特征，本文中設(shè)置最高分解層數(shù)為5層。濾除成分面板中，可以選擇重構(gòu)信號中不同層級濾除的成分?；拘〔姘蹇梢赃x擇不同的基本小波。 小波分析中基本小波顯示前面板見圖5.21。 圖5.21 基本小波 小波分析前面板見圖5.22。 圖5.22 小波分析前面板 在圖5.22中現(xiàn)實的波形中，紅色的即為高頻信號，白色的為低頻信號。 小波去噪的程序框圖如圖5.23。 圖5.23 小波去噪程序框圖 小波分析的程序框圖如圖5.24。 圖5.24 小波分析的程序框圖 在程序模擬中，以信號測點模擬和DAQ信號采集模擬實際的輸油泵監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，在模擬硬件和軟件結(jié)合的情況下，完成系統(tǒng)的總體搭建。  6 結(jié)論 對輸油泵機組的狀態(tài)進(jìn)行實時在線監(jiān)測，了解和掌握設(shè)備在使用過程中的工作狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及其產(chǎn)生原因并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢極其有利于有效地管理和使用這些生產(chǎn)設(shè)備?；贚abVIEW平臺的輸油泵檢測系統(tǒng)，以實時在線監(jiān)測的方式，運用多種分析方法，可以及時且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)輸油泵機組地故障，并找出故障電，診斷故障原因，并提出診斷方案。 該系統(tǒng)較為完美地解決了人工巡檢的種種弊端，又較為高效地實現(xiàn)了輸油泵的在線監(jiān)測功能。它是計算機技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的一次完美結(jié)合，實現(xiàn)了低成本和高性能的恰當(dāng)?shù)娜诤稀Ｔ撓到y(tǒng)優(yōu)越性顯而易見，系統(tǒng)開發(fā)過程也對我們今后發(fā)展提供了新鮮而又強大的動力。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 王洋. 基于虛擬儀器技術(shù)的輸油泵遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 淮海工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版, 2008, 17(3):18-21. 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