基于LabVIEW和MATLAB的饲料粉碎机振动信号采集与处理

2016-01-10■房菁

饲料工业 2016年11期

■房菁

（合肥通用职业技术学院，安徽合肥 230031）

饲料原料的粉碎是饲料加工中非常重要的环节，通过粉碎工艺可增大原料颗粒的表面积，提高动物的消化率。同时，粉碎原料粒度对后续工序和制品质量都有着非常重要的影响，而且粉碎粒度的大小直接影响生产成本，在生产粉状配合饲料时，粉碎工序的能耗约为总能耗的50%～70%。我国每年粉碎加工的饲料总量达2亿吨。饲料粉碎机作为饲料厂的主要装备，对饲料质量和加工成本具有重要影响。

饲料粉碎机是回转设备，只要转子一开始转动,就不可避免地要产生振动。机械设备产生振动后,会产生噪音，并造成一定的危害，使设备工作性能降低或无法正常工作。机械设备的振动还会使某些零部件因受附加载荷而加速磨损、疲劳、破裂等而影响寿命或造成设备事故。当机械设备出现不正常的振动或振动量过大时,必须采取措施予以排除,以保证机械设备的安全运行。因此,机械的振动测试和信号处理分析显得尤为重要，并且信号降噪是信号测试的重要内容。在饲料粉碎机转子的回转和往复运行过程中，反映其运行状态的各种信号是随机器运转而周期性重复的，其频率是机器回转频率的整倍数。但现场采集的数据往往被各种噪声污染,在某些情况下噪声干扰甚至大于实际的真实信号,在噪声较强时，信号的时间历程显示不出规律性。

时域同步平均可以消除与给定频率(如回转轴的回转频率)无关的信号分量，包括噪声和无关的周期信号，提取与给定频率有关的周期信号，因此能在噪声环境下工作，提高信噪比。LabVIEW是由NI公司推出的一种图形化的编程语言和开发环境，具有强大的数据采集和处理功能。但是，LabVIEW在数学计算方面的功能却十分有限，往往使所开发应用程序的一些功能受到限制。MATLAB是MathWorks公司开发的“演算纸”式的程序设计语言，具有强大的数学计算功能。但MATLAB也有不足之处，例如，界面开发能力较差，并且数据输入、网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐。因此，本文将LabVIEW与MATLAB有机结合起来，结合两者的优势，在LabVIEW环境下利用采集卡采集粉碎机振动信号，将得到的数据导入MATLAB中进行数据处理，通过对处理后的信号进行分析，并提出改进措施。利用这种快速高效的振动信号采集与分析手段，可有效改善饲料粉碎机工作过程中的振动，提高饲料粉碎机的工作效率。

1 试验与方法

1.1 测试系统

饲料粉碎机振动测试系统由以下部分组成：饲料粉碎机(某型号粉碎机)；加速度传感器(量程±10 g)；LabVIEW虚拟仪器(信号采集卡NI-SCXI-1531)；软件(NI-DAQ8.5，LabVIEW8.2，MATLAB7.1)。粉碎机振动测试系统示意图如图1所示。测试过程中，粉碎机的电机转速为50 Hz，电机直接带动转子，因此转子的转动频率同为50 Hz。

图1 粉碎机振动测试

1.2 时域同步平均法

时域同步平均分析是从混有白噪声干扰的振动信号中提取周期信号的有效方法，也称相干检波法。对时域信号，以一个周期为间隔截取信号，对于饲料粉碎机，截取的周期应和机器运行的转动周期同步起来，然后将得到的每段信号叠加平均，就能将该周期信号从随机信号、非周期信号以及与指定周期不一致的其它周期信号中分离出来，而保留指定的周期分量及其高频谐波分量。当设备在噪声环境下工作时，采用该方法能够提高信噪比。此外，时域同步平均也可以作为一种重要的信号预处理手段，其平均结果可再进行频谱分析或作其他处理，如时序分析和小波分析等。

设信号x(t)由周期信号 f(t)和白噪声n(t)组成：

以x(t)的周期T去截取信号x(t)，共截得N段，然后将各段对应点相加，由于白噪声的不相关性，可以得到：

对x(ti)求平均，得到输出信号y(ti)：

2 测试结果与分析

采集到的原始信号如图2，其幅值谱如图3。从图2和图3可以看出，采集到的振动信号没有明显规律，呈现较大随机性，从中很难得到想要的信息。而其幅值谱中，虽然也存在转子的转动频率50 Hz，但夹杂了很多低频和高频信号，信噪比很低。用同步平均法，以转子的转动周期来截取振动信号，将数据导入MATLAB中编程处理，得到转子在一个周期内的平均信号如图4，其雷达如图5。

图2 原信号的时间幅值

从图4看出，转子在一个周期内的振动信号为一个正弦波。而图5显示了转子在转动一周内，振动幅值的变化情况。再以转子转动周期的5倍时间来截取振动信号，得到信号如图6，其幅值谱如图7。可以看出，转子转动5周，对应正弦波的5个周期，而其幅值谱中，转子频率50 Hz占主要成分，说明处理后提取的振动信号信噪比很高。而从得到的信号中，我们可以分析出：

图3 原信号的频率-幅值

图4 一个周期信号的时间幅值

图5 一个周期信号的雷达

图6 五个周期信号的时间幅值

图7 五个周期信号的频率幅值

①原始信号中，夹杂着很多低频和高频振动，几乎将转子振动的信号掩盖。这跟轴承的支承刚度低有关，该粉碎机的右端轴承支座平台仅靠两块加强板支撑，工作时振动明显比左端轴承剧烈，应该对支撑结构进行改进，增强刚度。

②处理后的振动信号为周期信号，而周期正是转子的转动周期，说明转子是很强的振动源。而雷达图中，转子振动一周振动幅值的变化情况，说明转子存在着不平衡，锤片的排列不对称。应该通过校验转子组部件的动、静平衡，如对锤片进行装配调整，减少质量偏心的误差累积和扰动力及扰动力矩来降低振动。

3 讨论

根据前文分析得出的结论，我们对饲料粉碎机的设计制造和装配过程进行了优化改进，试验证明减振降噪效果明显。由此我们可以得到在饲料粉碎机设计过程中可以采取以下措施降低振动，具体包括：规范制造与装配工艺，提高制造与安装精度；提高锤片的制造精度，减小动不平衡量；提高底座与轴承座的支撑刚度，使系统频率远离激振频率，减小振动和噪音；适当增大轴承座与机座、机座与安装基础之间联接螺栓的预紧力，以防止因连接刚度不足诱发的振动；进行减振设计，在轴承座、机座下添加隔振器，增大系统阻尼以减小振动；进行隔振设计，尽可能使电机的振动不传递给机座。