基于Labview的自動扶梯機(jī)械振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要: 以 Labview 為開發(fā)平臺，運(yùn)用加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡，該文設(shè)計(jì)了自動扶梯振動信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多通道自動扶梯振動數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析、存儲與回放的功能; 并選取自動扶梯驅(qū)動主機(jī)、減速器、梯級等關(guān)鍵部位進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對自動扶梯關(guān)鍵部位振動數(shù)據(jù)的采集與加速度峰值、頻譜特性、功率譜等振動特征量的分析。通過第三方機(jī)構(gòu)的測試及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、測量結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性良好。其具有人機(jī)交互界面簡潔，操作便利、攜帶方便、可擴(kuò)展性能良好的優(yōu)點(diǎn)，既可在線監(jiān)測，也可做離線分析，為下一步的自動扶梯的故障診斷及智能識別提供了研究基礎(chǔ)。

　　本文源自梁敏健; 彭曉軍， 工業(yè)儀表與自動化裝置 發(fā)表時間：2021-04-15《工業(yè)儀表與自動化裝置》雜志，于1971年經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:61-1121/TH，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：經(jīng)驗(yàn)交流、新產(chǎn)品介紹、信息與動態(tài)等。

　　關(guān)鍵詞: 自動扶梯監(jiān)測; 振動測試; 數(shù)據(jù)采集; Labview

　　近年來，自動扶梯在我國呈逐年遞增的趨勢，老舊扶梯的安全形勢也不容樂觀，常規(guī)的定期檢測、監(jiān)督抽查檢驗(yàn)往往不易發(fā)現(xiàn)扶梯內(nèi)部存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)和故障，如梯級滾輪磨損、曳引鏈磨損、減速箱齒輪齒面磨損、齒根彎曲疲勞折斷、驅(qū)動鏈條過松、減速箱油量不足等問題。這些故障影響著乘客舒適性，縮短著自動扶梯的使用壽命，威脅乘客的人身安全。上述故障通常要借助維護(hù)保養(yǎng)人員拆開自動扶梯內(nèi)部查看，目的性差，檢測效率低，成本高，現(xiàn)場很少借助自動化程度高的技術(shù)來監(jiān)測扶梯內(nèi)部的安全狀況。

　　旋轉(zhuǎn)機(jī)電類設(shè)備中存在大量振動信號，當(dāng)其內(nèi)部異常時，常常伴有振動幅值升高和工作性能異常現(xiàn)象的出現(xiàn)。大多數(shù)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障時都會通過振動的形式表現(xiàn)出來。所謂振動狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)( Vibration Condition Monitoring Technology) 就是綜合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的一種強(qiáng)力手段來監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的振動狀態(tài)，綜合機(jī)器的歷史故障和現(xiàn)況，分析采集到的機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以找出故障原因，為生產(chǎn)和維修提供決策依據(jù)。當(dāng)前工程應(yīng)用最多、最有效的方法就是振動狀態(tài)監(jiān)測法，其特點(diǎn)是設(shè)備裝置簡單、測量方便，能同時檢測出設(shè)備的多種故障[1 - 3]。

　　1 振動監(jiān)測原理

　　根據(jù)機(jī)械振動學(xué)原理，將自動扶梯簡化為振動微分方程: mx ·· + kx + 2ξ 槡mkx · = F( t) ( 1) 式中: m 為系統(tǒng)等效質(zhì)量; k 為系統(tǒng)等效剛度; ξ 為系統(tǒng)等效阻尼系數(shù); x，x ·，x ··為系統(tǒng)輸出的位移、速度和加速度; F( t) 為激勵源[4]。

　　從式中可以看出，加速度既與內(nèi)部激勵源有關(guān)，也和等效剛度和等效阻尼系數(shù)有關(guān)。因此，利用加速度振動曲線及其特征量可以表征自動扶梯的運(yùn)行狀態(tài)。

　　此外，振動頻率也是衡量扶梯振動的一個重要的指標(biāo)，通常將加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過 FFT 變換得到頻譜圖。FFT 是離散傅里葉變換的快速算法。

　　對 N 點(diǎn)序列 x ( n) ，其離散傅里葉變換( DFT) 變換對為: X( k) = ∑ N-1 n =0 x( n) Wnk N ，k = 0，1，…N - 1; WN = e -j 2π N x( n) = 1 N ∑ N-1 k =0 X( K) W-nk { N ，n = 0，1…N - 1 ( 2)

　　如果 N 比較大時，計(jì)算量是巨大的。Cooley 和 Tukey 提出的 FFT 算法大幅降低了計(jì)算次數(shù)[5 - 7]。

　　自動扶梯的主要振動來源是驅(qū)動裝置，其包括主機(jī)和減速箱等。電機(jī)本身的振動和噪聲、減速箱齒輪的制造精度、軸承和聯(lián)軸節(jié)的型式及裝配質(zhì)量、鏈條傳動不可避免的速度波動而產(chǎn)生的慣性力以及梯級在軌道上循環(huán)往復(fù)運(yùn)動等，都使得扶梯產(chǎn)生振動和噪聲。

　　機(jī)械振動信號常常借助加速度傳感器和 Labview 構(gòu)成的測量系統(tǒng)，上述系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，精確度高等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外振動研究領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果 [8 - 10]，該文擬搭建自動扶梯振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在自動扶梯驅(qū)動主機(jī)、減速箱、梯級等關(guān)鍵部位安裝振動加速度傳感器，運(yùn)用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集上述關(guān)鍵部位的振動數(shù)據(jù)，并由此求出振動信號的最大值、幅值譜、功率譜、倒頻譜等時頻域特征量，為下一步自動扶梯機(jī)械故障診斷及智能識別打下基礎(chǔ)。

　　2 設(shè)計(jì)方案

　　如圖 1 為該自動扶梯振動采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)包括三軸加速度傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和上位機(jī)等硬件，軟件包括系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示等模塊。

　　2. 1 硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1. 1 三軸壓電加速度傳感器

　　該次選擇 PCB 公司的三軸加速度傳感器，其型號為 356B18，具體主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。該型號的傳感器集成了壓電加速度傳感器和電荷放大器，可以實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)的簡化。該傳感器具有體積小，精度高，穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。可以廣泛用于振動數(shù)據(jù)采集的各種場合。

　　2. 1. 2 信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊

　　該文選取美國國家儀器公司 CompactDAQ 便攜式數(shù)據(jù)記錄儀作為該文的信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊包括 NI9234 數(shù)據(jù)采集卡[11]和 cDAQ -9174 機(jī)箱，NI - 9234 是一個四通道動態(tài)信號采集模塊，提供四路同步采樣模擬輸入通道的連接，實(shí)現(xiàn) IEPE 接口加速度傳感器的高精度數(shù)據(jù)采集。其主要參數(shù)如表 2 所示。

　　cDAQ9174 是一款為小型傳感器測量系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的總線供電 CompactDAQ 4 槽盒 USB 機(jī)箱。借助 USB 數(shù)據(jù)線可以實(shí)現(xiàn)連接傳感器和電氣測量的目的。用該機(jī)箱從 C 系列模擬輸入模塊中采樣時有不同速率可供選擇。體積小，方便攜帶，性價(jià)比高，可適應(yīng)惡劣環(huán)境，適宜于工業(yè)現(xiàn)場測試。

　　2. 2 軟件設(shè)計(jì)

　　2. 2. 1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　自動扶梯振動采集系統(tǒng)的軟件采用的是 Labview 圖形化語言，開發(fā)周期短、可靠性高，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室[12 - 15]。設(shè)計(jì)的軟件具有系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示等功能。其具體框架和軟件頻譜分析分別如圖 2 和圖 3 所示。

　　2. 2. 2 數(shù)據(jù)采集流程

　　數(shù)據(jù)采集流程和具體框圖如圖 4 和 5 所示。

　　3 現(xiàn)場試驗(yàn)及分析

　　3. 1 第三方機(jī)構(gòu)測試

　　該文開發(fā)的自動扶梯機(jī)械振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過第三方機(jī)構(gòu)計(jì)量測試，如圖 6 所示。

　　在第三方計(jì)量測試過程中，將 PCB 公司的中頻標(biāo)準(zhǔn)振動系統(tǒng)和動態(tài)信號分析儀的加速度數(shù)據(jù)、頻譜數(shù)據(jù)與所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)示值進(jìn)行對比，加速度和頻率的測試對比結(jié)果如表 3 和表 4 所示。

　　第三方機(jī)構(gòu)的計(jì)量測試數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計(jì)的自動扶梯機(jī)械振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得的加速度和頻率的精確度均比較高，可以準(zhǔn)確測量扶梯現(xiàn)場的振動情況。

　　3. 2 現(xiàn)場試驗(yàn)

　　最后以某自動扶梯為實(shí)驗(yàn)對象，應(yīng)用該文設(shè)計(jì)的自動扶梯機(jī)械振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)測，該扶梯參數(shù)如下: 提升高度: 5. 4 m、運(yùn)行速度: 0. 5 m/s、傾斜角度 35°，驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 960 r/min。該系統(tǒng)的傳感器頻率分析范圍最低可達(dá) 0. 5 Hz，滿足扶梯關(guān)鍵部位常見頻率的測量范圍。一般的，扶梯典型的故障包括: 梯級故障如梯級滾輪磨損、曳引鏈故障如曳引鏈磨損、驅(qū)動裝置故障如減速箱齒輪齒面磨損、齒根彎曲疲勞折斷、驅(qū)動鏈條過松、減速箱油量不足等等。上述故障主要集中在驅(qū)動主機(jī)、減速器、梯級、出入口等關(guān)鍵部位，因此將加速度傳感器分別置于驅(qū)動主機(jī)、減速器、梯級等部位，由此獲得該臺自動扶梯關(guān)鍵部位的振動曲線，接著將加速度曲線通過傅里葉變換得到其頻域內(nèi)的頻譜圖，以此觀測上述關(guān)鍵部位的振動頻率、幅值圖、功率譜等振動特征，為接下來進(jìn)行故障診斷智能分析提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

　　在驅(qū)動主機(jī)部位安裝振動傳感器( 如圖 7( a) 所示) ，監(jiān)測電機(jī)的振動特征量。在減速器部位安裝振動傳感器( 如圖 7( b) 所示) ，監(jiān)測減速器的振動特征量。在扶梯梯級鏈鏈輪處安裝振動傳感器( 如圖 7( c) 所示) ，監(jiān)測旋轉(zhuǎn)鏈輪部位振動特征量。在梯級中部安裝振動傳感器( 如圖 7( d) 所示) ，監(jiān)測梯級部位的振動特征量。

　　3. 3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　以驅(qū)動主機(jī)處的數(shù)據(jù)為例，其時域和頻域內(nèi)的信號分析如圖 8 所示。

　　由上述時域和頻譜圖可知，主機(jī)振動頻率為 16 Hz，與驅(qū)動主機(jī)的轉(zhuǎn)速 960 r/min 計(jì)算所得頻率完全吻合。

　　4 結(jié)語

　　該文以 Labview 為開發(fā)平臺，運(yùn)用加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的自動扶梯振動信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了多通道自動扶梯振動數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析處理、存儲與回放的功能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)測量精度高，重復(fù)性良好，為后續(xù)的自動扶梯的故障診斷及智能識別提供了研究基礎(chǔ)。