一种基于LabVIEW软件的盘磨机振动测试平台

汤伟 税宇阳 王古月 王玲利 陶倩

摘要：为满足盘磨机出厂前的动平衡测试和运行过程中故障监测的需要，本课题设计了一种以盘磨机为测试对象的基于LabVIEW软件的振动测试平台。该平台以计算机、压电式加速度传感器、恒流适配器和数据采集卡为硬件基础，在LabVIEW软件开发平台上完成了振动测试系统的二次开发，将计算机强大的计算能力和精密仪器硬件的测量能力结合起来，实现了振动信号的采集、处理和分析等功能。本课题在设计的振动测试平台上采用三点加重法对盘磨机进行动平衡测试，测试结果与理论数据一致，这表明该振动测试平台设计的可行性。

关键词：振动测试；盘磨机；LabVIEW软件；动平衡测试

中图分类号：TP212.9

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.12.008

随着我国工业化水平的不断提升，造纸机械也朝着连续化、自动化、高速度、重负载及结构复杂的方向发展。盘磨机作为制浆过程中的核心设备，单机功率一般都在250 kW以上，造价和能耗都很高[13]。若盘磨机出厂前动平衡测试不严格，在磨浆过程中，就可能会出现异常振动现象，使运转负荷增大，能耗增大，使用寿命缩短，并且会影响产出纸浆的质量和产量[45]。另外，在线监测盘磨机运行状态，及时发现故障，并对其进行有针对性的维修，保证盘磨机安全稳定运行，具有显著的社会和经济效益[6]。因此，对盘磨机出厂前进行动平衡测试及运行过程中状态监测非常重要。

1振动测试设备优缺点分析

目前，振动测试分析仪器比较著名的有，丹麦B&K公司PULSE3560C系统7702型分析设备和美国NI公司的Order Analysis Toolset设备，但价格普遍昂贵，不适合中小型企业使用。目前比较通用的振动测量分析仪器，比如美国Agilent公司的35670A动态信号分析设备和南京汽轮公司研发的旋转机械分析设备，这些普遍通用的振动测量分析仪器原理上都是主要依靠細化选带频谱分析和高阶谱分析，对线性的平稳信号具有较好的分析能力，对非平稳信号的分析能力较差[7]。尽管部分普遍通用的分析仪器通过技术性改进仍可使用，但由于振动信号变化快、频带宽、难以满足对信号分析的精度和速度要求。

为了改进现有振动测试仪器的缺陷，研究者们采用软、硬件结合的形式构成“虚拟仪器”。前人大多利用LabWindows/CVI和Visual Studio等软件来设计开发振动测试平台[819]。其中，LabWindows/CVI是NI公司推出的交互式C语言开发平台，它的集成化开发环境、交互式编程方法丰富的库函数大大增强了语言的功能，但开发者要具有较高的C语言基础，开发周期长；Visual Studio是美国微软公司的开发工具包系列产品，是目前最流行的Windows平台应用程序的集成开发环境，在可视化界面设计上有强大的功能，但输出显示过于单调。

LabVIEW软件开发平台为用户提供高级信号处理工具包和图形化程序设计G语言，用方框图代替了传统的程序代码，具有丰富的图形控件及信号分析函数，为振动测试平台的快速开发提供了良好的条件。利用LabVIEW软件二次开发的振动测试平台既能用于实际工程中，也可用于高等院校的实验教学中。因此，本课题采用LabVIEW软件设计盘磨机振动测试平台。

3.2.1程序设计

以主程序流程图（见图5）为设计框架，利用LabVIEW的主、从设计模式，搭配队列功能和簇函数实现按自定义顺序转换不同模块的功能[1113]。由图5可知，根据振动测试平台的功能模块划分，包括以下4个部分：信号采集、文件管理、预处理及特征提取。

（1）信号采集：信号源分为仿真信号和传感器采集的信号，信号采集由参数设置和信号源实时采集两部分组成，在NIDAQmx任务中对采样物理通道、采集模式、采样点数、采样频率和信号输入最大/最小值等进行采集设置。信号采集主程序如图6所示。

（2）文件管理：该模块用于实现原始信号和测试结果的存储和重现，本课题的振动测试平台采用了文本文档的格式。

（3）预处理：该模块对输入信号进行滤波和加窗，用户可以选择预处理的方式及相应处理方式的参数设定，本课题的振动测试平台设计了Butterworth等5种拓扑结构的滤波器和hamming窗等7种窗函数，去噪的同时还减少了频谱能量泄漏[14]。预处理模块主程序如图7（a）所示。

（4）特征提取：本课题振动测试平台的时域分析包含了均值、方差、均方根（有效值）、标准差、

图7预处理模块和特征提取模块主程序

峰值、峰峰值和自相关分析；频域分析包含了FFT（快速傅里叶变换）分析和自功率谱分析；时频域分析包含了STFT（短时傅里叶变换）分析[15]。特征提取模块主程序如图7（b）所示。

3.2.2操作面板设计

本课题从人机工程的角度设计了振动测试平台的操作面板[16]，该操作面板主要由4部分组成：

（1）面板左边是进行数据采集物理通道、滤波器和窗函数等的设置；

（2）面板中间是原始信号、滤波后信号和加窗后信号的波形显示；

（3）面板右边是信号源选择、波形存储、噪声选择和设置；

（4）面板下方是信号的特征分析，分别为时域分析、自相关分析、FFT（快速傅里叶变换）分析、自功率谱分析和STFT（短时傅里叶变换）分析。振动测试平台操作面板如图8所示。

4运行结果验证

4.1故障设计

在不破坏原有机械性能的原则下，在小型盘磨机的磨片上，吸附强力磁铁设计质量不平衡故障，根据三点加重法的动平衡测试理论，分别获取初始状态、P1（σ=0°）、P2（σ=120°）和P3（σ=240°）时的振动速度FFT频谱图。具体步骤如下：

（1）保障小型盘磨机在220 V额定电压和50 Hz频率工作电源下，以1400 r/min的额定转速平稳转动。

（2）将质量为0.8 g的磁铁吸附在小型盘磨机磨片位置α=40°处，待小型盘磨机以1400 r/min的额定转速平稳转动，获取初始状态的振动速度FFT频谱图。

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（责任编辑：吴博士）