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基于LabVIEW 的电梯曳引机异常振动分析系统

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发表于 2021-3-17 14:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1 数据

数据采集系统是由信号采集系统和上位机组成,信号采集系统又包括信号采集、信号调理和信号存储三部分。通常从设备上采集到的信号是模拟量,通过传感器可将模拟量经过信号的正向放大、2 阶滤波电路、反向放大电路、前置差分放大电路可以将信号传输到DSP芯片中进行进一步处理。最后将存储在信号采集卡中信号传输到上位机中进行波形的显示以及进行后续FFT变换来得到想要的频谱图,并用于对采集到的振动信号等其他信号的分析和研究。而在上位机程序中,采用以LabVIEW 为基础进行编程。

2 利用TCP 节点进行通信

上位机与数据采用系统之间重要的是通信,为了达到实时将数据采集系统采集到的数据传送并显示在上位机中,利用TCP 节点进行通信可以将信号采集卡中采集到的数据通过局域网传输到上位机中进行后续处理和显示。采用的服务器/ 客户端通信模式是把服务器端的数据传送到客户端程序。在设计上,程序分成两块,数据采集卡工作在服务模式,完成数据的发送,而上位机工作于客户的模式,完成数据的接收功能。在进行TCP 节点通信时,首先要在IP 地址中输入指定的端口号,使得客户端与服务器端一致。这样就建立了可用的通信,每次进行通信时尽量使用相同的IP地址,如果要改变端口,就要预先断开连接,并且重新进行IP 地址的设置,再进行连接,此时才可以正常使用。在进行初始化的过程中,首先建立TCP 的侦听器,等待客户机的请求。While 循环位于函数- 编程- 结构中,采用While的使用是为了保证TCP 通信能连续进行。但While 不是加在整个程序上,而是只在连续进行的量上,这样做节省了系统资源,不会每次循环都要读取第一个值。即使来自数据类型任意复合簇中的数据也会连续的存储。而不是在不同的区域分别存储。当LabVIEW 从文件中读取数据时,必须进行相反的操作。也就是说,必须先读取单一的字符串,然后将其反平滑为内部的具体形式,而这些内部数据保存位置可能不相邻。LabVIEW 的标准形式使得运行于任何平台上的VI都能使用这些数据,它以Big Endian 的形式(其意义是指最重要的字节在前)保存平滑后的数值数据,以16字节数的形式保存平滑后的扩展精度浮点数,并使用如前所述的Sun 系统中的扩展型精度格式。向非LabVIEW 编写的应用程序所使用的文件写数据,或从非LabVIEW 创建的应用程序的文件中读取数据时,必须在对数据实施平滑操作之后或对其执行反平滑操作之前,将数据转换成Little Endian( 其意是指最不重要的字节在前) 或Big Endian 形式。当LabVIEW 保存及读取数据时,这些函数都在Data Manipulation 子模板上。因为数据平滑形式不能对数据类型进行编码,所以,LabVIEW 在类型描述符中储存数据类型信息。Unflattenfrom String 函数需要数据类型作为输入参数之一,这样函数才能对字符串进行准确译解。分析系统的程序流程:首先打开TCP 连接,还要用一个时间控件来设置写入和读取的动作,对写入和读取,TCP 是用一个条件结构来操作的,在读取数据时,从前缀中分析条件值是多少,若条件值为1,则直接读取数值,否则就要写入数据到TCP 中,这些操作完成后才能对TCP 关闭。通过设置相同IP 地址,可以将信号采集卡与本软件系统相连接,经过一系列的运算程序,可以通过在LabVIEW 的前面板上显示出经过运算之后的FFT 频谱图以及采集到的信号时域波形图。当整套采集装置安装完成,用鼠标点击开始按钮,并且点击连续运行按钮,将开始采集信号,时域波形与FFT 波形图每秒钟刷新一次,这是基于人眼能反应的屏幕的变化速度。这个刷新频率较舒适。当系统进入工作模式时,这种模式下,系统一边采集数据,同时把采集到的数据送到显示屏中实时显示,这种工作模式的优点是可以实时观察信号的变化趋势。点击存储波形数据按钮,则可将本次采集得到的数据进行存储,保存后的数据可以在别的模块中调用,进行分析,当然也可以点击读入波形数据按钮,直接调用以前采集的波形数据。其他如通道选择、FFT 变换的选择,在使用前已进行了适用于各种类型电梯的设置。并且对采集的信号进行滤波处理消除杂波的工作,已经在PCB 板的设计中进行设置,通过采用巴特沃斯滤波器进行滤波。从前面板的波形图中可以看到几个阶段,首先是波形图的振荡阶段,由于电梯的启动会有较大的波形变化,所以,电梯开始运行的几秒时间波形会不稳定,此时的波形图不能用于进行频谱分析,也不能判断电梯曳引机的异常噪声和振动的产生原因。 经过观察可以发现,去除加速度段和减速段,中间段采集到的频率可以用来最后判断故障的数据。因为电梯刚启动时,电动机运行不够平稳,经过一段时间的调整,在电梯运行到平稳状态时波形图也会变得稳定,此时波形图中经过FFT 变换之后频谱图可以用来进行电梯异常振动和噪声的分析。截取此时的电梯波形图,可以进行故障的诊断。从电梯两通道的时域波形图右上角可以看到有曲线0 和曲线两行,分别用红线和白线分别显示,可以设置曲线0 为通道1 的波形图,曲线1 为通道2 的波形图,或者相互交换。波形图的横坐标为时间轴,可以用于计时,从此时间轴可以观察检测了多长时间,由于电梯运行有加速和减速2 个阶段,所以,一般可以在电梯运行5 ~ 10 s 后开始作为判断电梯故障的数据。 经过FFT 变换的频域波形图,FFT 频域波形图中每一小格的单位是10 Hz,量程可以调整,调整量程的放大或缩小,一般将最小值调整到1 H 或-1 H 即可,最大量程会根据测量频率的大小而变化,最大量程可达30 kHz。

3 实例


电梯的使用单位为大连市某小区,电梯制造为大连某电梯有限公司,曳引机制造单位为韩国制造,采样时间为2016 年12 月。电动机转速为1 240/1 450 r/min,通过计算可以得到基频fe=0.6 Hz, f e=24.1 Hz,电动机功率为13/15 kW。电梯制造日期为2004 年4 月、电梯额定载重量1 000 kg、额定速度1.5 m/s。电梯使用年限12 年。在最近一段时间内,电动机的噪声特别明显,所以对其进行检测。观察频谱可以明显看出,电动机及减速器在60 Hz处有非常明显的尖峰,且在波峰附近并没有边频分量,也没有其他频率存在波峰,并且波峰最大值接近6。通过多次实验验证证明,当电梯曳引机振动相对幅值大于3 时,为电梯曳引机异常振动。另外,通过观察电动机铭牌得知,此电动机的负载侧轴承采用的SKF6309,非驱动侧采用的轴承是SKF6308。外圈滚道特征频率 341328519ce075c0e214f2b2ba719e83.png 式中:轴承内圈旋转频率为r f ,滚道节径为D,滚动体的直径为d ,滚动体数目为M,接触角为α 。通过计算SKF6309 外圈滚道特征频率为55.5 Hz,SKF6308 外圈滚道特征频率为55.6Hz。这与外圈滚道频率基本一致,可以判断此异常振动是轴承的故障造成。但是,由于此品牌型号电梯的电动机没有加油的位置。后经更换轴承后异常噪声和振动现象消失。图1 为新轴承和此电梯磨损轴承的对比图,右侧的轴承上红褐色微粉的积聚是微动磨损的最初特征,这是由于静止结合面间的接触点磨损后,经氧化作用在结合部位产生的。这种磨损通常叫微动磨损。如果继续在长期的冲击、振动条件下工作,就会磨损更加严重,继而松动,严重时会出现烧伤。由于一般情况下这种磨损在开始时不容易通过普通手段发现,所以,通过检测动信号的频谱可以用来判断故障状态。通过验证,采用本检测分析系统可以有效判断这类故障原因。
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图1 与未磨损轴承对比图

4 结论


基于LabVIEW 强大的网络通信能力,利用以太网将振动传感器采集到的振动信号,经过数据采集卡的转换,导入上位机中。利用LabVIEW 编写的分析程序,可以实时地从振动采集卡中读取信号,将采集的电梯曳引机的异常振动,经过FFT 变换之后和时域信号一起在前面板上显示出来,用于电梯曳引机的异常振动的分析和判断,其程序编写方便快捷,有很好的实用效果。               
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