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摘 要 ：为实现在试验过程中对盾构机缩比主轴承的状态进行监测,收集试验数据,设计了一套基于 LabVIEW 的数据采 集与分析系统。该系统可进行多种用户权限登录,方便用户管理,能够实现对温度数据和振动数据的实时采集、显示、保存与 回调,还可对采集到的振动数据进行时域分析和频域分析,便于工作人员及早发现试验轴承的异常情况。系统在轴承试验台进 行了试验验证,试验结果表明,该系统能够正常实现上述功能并成功发现试验轴承的早期异常情况,具有一定的工程应用价值。
关键词 ：LabVIEW,数据采集,数据分析,轴承
Design ofDataAcquisition andAnalysis System for Shield MachineMain Bearing Test Bed
LI Linchang, SU Jianxin
(School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan 471003)
【Abstract】：In order to monitor the bearing status and collect test data during the test, a set of data acquisition and analysis system based on LabVIEW is designed. The system can carry out a variety of user rights login, convenient user management, can realize the temperature data and vibration data real-time acquisition, display, save and callback, but also the vibration data collected time domain analysis and frequency domain analysis, convenient for the staff to detect the abnormal situation of the test bearing early. Finally, the system is tested on the bearing test stand. The test results show that the system can realize the above functions normally, and successfully found the early abnormal condition of the test bearing, which has a certain engineering application value.
【Key words】：LabVIEW;data acquisition;data analysis;bearing
引言
盾构机主轴承作为盾构机的核心部件之一,其使用 寿命决定了盾构机的性能,制约着施工进度。根据相关 统计,在盾构机主轴承使用过程中,仅有 5% 的盾构机 主轴承能够达到其设计使用寿命 [1]。盾构机主轴承在隧 道施工过程中一旦损坏就会造成盾构机停机,且因其 更换周期长、维修难度大,导致整个工程进展严重滞 后,带来巨大的经济损失 [2]。因此,搭建盾构机主轴承 试验台,开发与之配套的数据采集与分析系统,为盾 构机主轴承的研发设计、工艺改进、失效分析等提供真 实详尽的数据,对推进盾构机主轴承的研发具有重要 意义 [3]。
1 系统的硬件设计
数据采集与分析系统硬件由计算机、供电模块、温 度传感器、振动传感器、数据采集卡、信号调理电路等 组成 [4]。在试验过程中,传感器将采集到的温度数据与 振动数据经过信号调理电路处理后通过数据采集卡进入 计算机中,通过 LabVIEW 软件来进行温度数据和振动 数据的分析、处理、显示与保存 [5]。系统硬件结构如图 1 所示。
2 系统的软件设计
系统软件由用户登录模块、用户管理模块、数据采 集与显示模块、数据存储模块、数据分析模块和数据回 调模块六个模块组成 [6]。通过这六个模块的紧密配合,系统可以实现用户管理、权限控制、温度数据与振动数 据的采集与显示、数据回看以及对振动数据的时域和频 域分析等功能。软件结构框图如图 2 所示。
系统软件的工作流程是 ：首先进行用户登录, 获得 相应的权限,然后选择相应的功能模块。若是管理员, 可对用户基本信息进行管理,若是操作员,则只能进入 数据采集与分析界面。进入采集与分析界面后,设置相 关参数信息,包括选择采样通道,采样率、缓存区大小 等,以便后续温度数据与振动数据的采集。系统会对采集到的信号一方面进行实时显示与存储 ;另一方面对振 动数据进行时域分析,方便工作人员监测轴承状况。软 件的整体工作流程如图 3 所示。
2.1 系统的管理功能模块
2.1.1 用户登录模块
用户登录模块中用户的身份有两种,分别是管理员 和操作员。该模块一方面为了保证系统的安全性,设置 用户名和用户密码,使得工作人员必须输入正确的用户 名和与之相匹配的密码才可以登录系统并使用。同时, 只有管理员才能够使用用户管理功能,操作员则不具备用户管理的权限 ;另一方面使用不同权限进入系统时, 可以选择不同的功能模块。用户登录模块的部分程序框 图如图 4 所示, 从图 4 中可以看到用户登录模块包含用 户登录、用户管理、修改密码、进入系统等功能。
2.1.2 用户管理模块
用户管理模块主要由添加用户、删除用户、修改密 码等功能组成。用户管理模块只能由管理员进行操作, 操作员无权进入此模块。用户管理模块实现的流程图如 图 5 所示。使用管理员权限登录系统,可进入用户管理界面。 该界面显示所有管理员和操作员的信息,并可进行用户的添加和删除等操作。程序框图如图 6 所示。
在添加用户界面,输入需要添加的用户名以及用户 密码,并选择用户权限,点击确定按钮后弹出添加用户 成功窗口后即表示系统已添加新用户。添加用户程序框 图如图 7 所示。
此外,管理员还可通过修改密码选项修改管理员密 码。单击修改密码按钮即可进入密码修改界面,修改密 码程序框图如图 8 所示。
在修改密码前,会通过原始密码来校验管理员身 份,校验通过后输入两次相同的新密码使绿灯亮起,点 击确定按钮即可完成密码的修改。
2.2 系统的处理分析功能模块
2.2.1 数据采集与显示模块
该模块用以实现试验台数据的采集与实时显示,是 工作人员监测试验工况的重要窗口。数据采集前需要设 置振动信号和温度信号的传输通道、接地方式、采样率 与缓冲区大小等参数。该模块程序结构框图如图 9 所示。
2.2.2 数据存储模块
系统需要进行存储的数据主要分为三部分,分别是 用户信息数据、温度数据和振动数据。由前文中用户管 理模块程序框图可知用户信息数据主要存储在 INI 文件 中,其占用内存小,不需要单独设置存储方式。
而试验过程中采集的温度信号和振动信号数据量较 大,在采集保存过程中对写入文件的速度要求很高,所 以本系统采用 TDMS 文件格式来对温度数据和振动数 据进行存储 [7]。
以轴向振动数据为例,系统以时间为单位,每过5min 保存 10s 轴向振动数据,数据文件的命名格式以 “年 - 月 - 日 - 时 - 分 - 轴向振动数据”的方式命名, 如, 试 验测试时间为 2023 年 5 月 1 日 12 时 10 分,则此时保存的 文件命名为“2023-05-01-12 时 -10 分轴向振动数据”, 由于 文件每 5min 存储一次,所以通过此命名方式不仅可以保 证存储的文件名不重复,而且为工作人员回调数据提供了 很大便利。如图 10 所示为轴向振动数据存储的程序。
2.2.3 时域分析模块
通过对试验轴承在运行状态下产生的振动信号进行 时域分析,可以对轴承的运行状态进行监测,及时发现 轴承在试验过程中的异常情况。峭度、峰值、对冲击脉 冲故障比较敏感,对早期故障有较高的敏感性。因此本 系统选取峭度指标、峰值指标、脉冲指标三个无量纲参 数来对采集到的振动信号进行时域分析。
对于一个给定的滚动轴承振动信号,峭度值 Kr 的 定义如式(1)所示 ：
频谱分析即将采集到的振动信号从时域变换到频 域,程序框图如图 12 所示,观察图中是否存在故障特 征频率,以此来判断是否存在故障以及故障类型 [8.9]。 目前频谱分析方法已经从离散傅里叶变换(DFT)演变 为了快速傅里叶变换(FFT), FFT 相较于 DFT 能够减 少计算时间提高分析效率。对振动信号 x(t) 进行频域分析的表达式如式(4)所示 ：
式(4)中 x(t) 为时域信号, X(f ) 为频域信号, f 为 频率, t 为时间。
功率谱又称功率谱密度,它反映了信号功率在频域 上的分布情况,即表示信号功率随频率变化的情况。功 率谱可用自相关函数进行傅里叶变化得到,也可由直接 计算幅值谱得到。对振动信号 x(t),功率谱 Sxx (ω) 定义如式(5)所示 ：
2.2.5 数据回调模块
该模块可使工作人员随时查看过去某一时间段的温 度和振动数据文件,并以波形图表的样式展现出来。在 系统中点击数据读取选项卡即可进入数据读取模块,在 该选项卡中,输入所需查看的数据文件路径,点击“开 始读取文件”按钮,即可完成数据文件的读取。如图 13 所示为数据读取的程序框图。
2.3 系统的整体实现
本节将对前文设计的系统各个功能模块进行整合, 完成软件系统的整体实现。整合后的系统可分为用户登 录与管理和数据处理与分析两大子系统,下面将分别对 其进行介绍。
2.3.1 用户登录与管理界面
打开系统后,首先进入用户登录界面,如图 14 所 示的三个界面分别表示了用户登录初始界面和管理员、操作员登录完成界面。由前文可知,管理员相较于操作 员而言除了能选择进入系统、修改密码外,还具有用户 管理功能。
用户管理功能可以查看所有用户的信息,并可添加 和删除用户。用户管理和添加用户界面如图 15 所示。
单击修改密码按钮即可对管理员密码进行修改。其 中只有输入正确的原始密码以及两次输入的新密码一致 才能成功修改密码。
2.3.2 数据处理与分析界面
数据处理与分析界面如图 16 所示。
由图 16 可以看出,数据处理与分析界面主要由五 部分组成,它们分别是 ：
(1)温度数据和振动数据的实时显示。方便工作人 员对试验进行监测。
(2)数据文件的保存及路径。点击“是否保存数 据 ”按钮后系统将采集到的温度数据和振动数据以 TDMS 文件的形式保存,并且将保存路径显示在主界 面,方便工作人员查找。
(3)振动数据的时域分析。通过峭度值、峰值因子 和裕度因子对振动数据进行时域分析,及时发现试验过 程中出现的异常情况。
(4)振动数据的频域分析。通过频谱分析和功率谱 分析对试验轴承的异常情况进行异常诊断。
(5)对已保存数据的回看。
3 试验应用
系统在轴承试验台上进行了试验验证,试验台如 图 17 所示,主要由驱动电机、联轴器、传动轴、试验 轴承、加载系统等组成。试验进行时,由驱动电机为整 个试验台提供动力,加载系统为被试轴承施加轴向载 荷,通过振动传感器获取试验过程中轴承的轴向、径向 振动信号,通过温度传感器获取试验过程中轴承的温度 信号。该试验台的驱动电机可提供轴承转速的范围为 1 ～ 500rpm, 加载系统的加载范围为 0 ～ 520kN。
根据试验轴承特点,在轴承外圈间隔 18°等分安装 5 个温度传感器,在轴承外圈的轴向和径向分别安装一 个振动传感器。传感器安装位置如图 18 和图 19 所示。
本次试验计划对轴承进行为期 900min 的试验,期 间驱动电机转速为 15r/min,轴向加载为 225kN,系统 运行界面如图 20 所示。
在实验进行至 750min 时,试验轴承温度升高至 68℃, 峭度值也由 3 左右上升至 4.9.怀疑试验轴承发生了异 常 [9]。随后将这一时刻的径向振动数据进行频域分析, 如图 21 所示,可以看到此刻试验轴承的频谱图和功率 谱图都出现了明显的倍频。根据文献 [10] 的滚动轴承故 障频率计算公式算得试验轴承在转速为 15r/min 时,轴 承外圈的故障频率为 13.25Hz,与频域分析中的峰值频 率及其倍频基本吻合,因此判断是轴承外圈发生异常。
将试验关停后拆开被试轴承,发现试验轴承外圈出 现了明显磨损,如图 22 所示,验证了上述判断。
4 结语
本文针对盾构机主轴承试验台开发了一套基于 LabVIEW的数据采集与分析系统,该系统设计合理,操作简单, 显示内容丰富。经试验验证,该系统能够正常对试验轴 承的振动数据和温度数据进行实时采集、显示和存储, 并能够对振动数据进行时域分析与频域分析, 对轴承的 早期异常情况有一定捕捉和分析能力,满足试验需求, 具有一定的实用性、可靠性和工程应用价值。
参考文献
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