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振動(dòng)電機制造，就是以***競爭力的價(jià)格生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要?，F代制造企業(yè)是在準時(shí)生產(chǎn)的環(huán)境的下運營(yíng)，無(wú)疑肩負巨大的壓力，而始終保證設備的***優(yōu)表現是重要的支撐，因為一旦設備出現故障，危害將會(huì )在方方面面。

作為旋轉機械設備中的關(guān)鍵零件，軸承是狀態(tài)監測中的重要監測對象，始終保障其穩定可靠運行是預測性維護工作的重要內容。就目前而言，軸承故障的主要形式是由于接觸疲勞造成的滾道或滾動(dòng)體表面材料破裂，形成表面缺陷。在軸承疲勞損傷發(fā)展的早期階段，即在材料疲勞剝落形成凹坑之前，軸承的振動(dòng)信號非常微弱，與來(lái)自機械設備其它部件的振動(dòng)信號混在一起，加之噪聲的干擾，往往不易清晰地判別出故障。而利用聲發(fā)射技術(shù)將有可能檢測到疲勞損傷造成的裂紋擴展，從而對滾動(dòng)軸承故障的早期預報和診斷具有很大的優(yōu)勢。

全波形采集聲發(fā)射信號

聲發(fā)射是對材料或結構狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監測的重要方法。聲發(fā)射逐漸從早期的參數采集發(fā)展到目前的全波形采集，聲發(fā)射信號采集系統包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、高速數據采集系統組成。由于聲發(fā)射信號的頻譜較寬，從數千Hz到數兆Hz，在進(jìn)行數據采集的同時(shí)，還要進(jìn)行濾波、參數特征提取等處理，因此對數據采集設備有較高的要求。

目前，具有全波形采集功能的專(zhuān)用聲發(fā)射儀價(jià)格高昂，不利于聲發(fā)射研究中起步階段工作的開(kāi)展。而以凌華科技PCI-9846高速數字化儀的高速、高精度采樣能力為硬件基礎，使用LabVIEW開(kāi)發(fā)的聲發(fā)射測試系統，同樣可實(shí)時(shí)完成聲發(fā)射信號采集、存儲、振鈴特征參數提取等功能，為實(shí)驗室中開(kāi)展聲發(fā)射研究提供了一種切實(shí)可行的解決方法。

數據采集系統是聲發(fā)射測試硬件的核心。由于聲發(fā)射信號的頻率能夠達到數兆Hz，為了對聲發(fā)射的波形進(jìn)行準確的采集，往往要求采集器的采樣率能夠達到20MS/s甚至更高。同時(shí)，由于聲發(fā)射信號較為微弱，原始的聲發(fā)射信號一般處于μV范圍，即使經(jīng)過(guò)前置放大后也只有若干mV，并且信號波形幅度變化范圍較大，因此對采集設備的采樣精度和動(dòng)態(tài)范圍也有較高的要求。訟 有孚 窒惕中吉終兇  利見(jiàn)大人不利涉大川

使用凌華科技的高速數字化儀PCI-9846來(lái)進(jìn)行聲發(fā)射信號的采集，其主要參數與目前使用較為廣泛的美國物理聲學(xué)公司（PAC）的PCI-2采集卡的主要性能對比見(jiàn)表1，除部分專(zhuān)有功能缺乏外，完全能夠達到聲發(fā)射全波形采集的要求。

表1  凌華PCI-9846與PAC PCI-2采集參數對比

聲發(fā)射信號采集的實(shí)現

凌華科技為 PCI-9846提供了LabVIEW驅動(dòng)。安裝DAQPilot驅動(dòng)程序后，在LabVIEW的函數庫中可以找到DAQPilot工具包，其中提供了數據采集的控制函數，其功能與調用方法與NI的DAQmax對應，使用非常方便。例如，由下圖中的四個(gè)函數：PLT Create Virtual Channel、PLT Timing、PLT Read以及PLT Clear Task就構成了完整的連續數據采集功能。另外，DAQPilot中還提供了模擬和數字信號的輸入、輸出等各種功能的LabVIEW范例程序，方便開(kāi)發(fā)者快速上手。

圖1 PCI-9846 連續數據采集程序

本文開(kāi)發(fā)的聲發(fā)射測試系統中信號采集模塊基于圖1中的采集程序。用戶(hù)設置輸入通道、前置放大器增益、濾波等參數后，啟動(dòng)連續數據采集。原始信號經(jīng)過(guò)放大倍數還原后，再進(jìn)行數字濾波處理，以去除噪聲及不需要的頻帶，濾波后的連續信號可以二進(jìn)制或文本形式存盤(pán)。圖2是在運行中的軸承上采集到的聲發(fā)射信號，采樣參數為2MS/s，濾波器為四階Butterworth低通濾波，截止頻率50KHz。

圖2 連續采集的聲發(fā)射信號

聲發(fā)射信號的參數分析

經(jīng)過(guò)濾波后的連續采集信號送入一個(gè)幅值檢測器，根據設定的幅度閾值和時(shí)間長(cháng)度，從連續信號中截取出突發(fā)性聲發(fā)射的波形數據（圖3為滾動(dòng)體表面缺陷的軸承在運行中產(chǎn)生的突發(fā)性聲發(fā)射波形），再對每個(gè)波形數據進(jìn)行振鈴計數、幅度、頻率、能量、上升時(shí)間、持續時(shí)間等特征參數計算，并存入一個(gè)聲發(fā)射特征參數表格中，供直接查看以及進(jìn)一步的統計分析。檢測出的聲發(fā)射波形數據可以文本文件的形式存盤(pán)。波形數據的存儲和連續數據存儲的功能是獨立的，即兩者可以同時(shí)存儲，也可以只保存一種。

實(shí)際上PCI-9846高速數字化儀提供了豐富的觸發(fā)采集模式，包括邊沿、窗口、參考等模擬觸發(fā)方式，非常適合進(jìn)行聲發(fā)射波形的硬件觸發(fā)采集，從而省掉軟件提取算法，減少計算量。在實(shí)驗測試過(guò)程中，發(fā)現信號容易受到環(huán)境中電磁等因素的干擾，需要在檢測波形前進(jìn)行濾波處理，而PCI-9846不具有可編程濾波功能。在后續的系統改進(jìn)中可以在采集卡的前端添加一個(gè)濾波模塊，從而充分利用其硬件觸發(fā)能力，提供系統性能。

圖3 軸承中突發(fā)性聲發(fā)射信號波形

有效性的驗證

為了檢驗該聲發(fā)射測試系統功能的有效性，在QPZZ-Ⅱ旋轉機械振動(dòng)及故障模擬實(shí)驗臺上，對滾動(dòng)體故障的軸承進(jìn)行了聲發(fā)射與振動(dòng)信號的對比測試。故障軸承型號為NU205，節圓直徑39mm，滾動(dòng)體直徑7.5mm，滾動(dòng)體數目12，接觸角0º。通過(guò)線(xiàn)切割在滾動(dòng)體表面加工出一微小縫隙來(lái)模擬表面材料疲勞剝落造成的缺陷。轉速為570 r/min，即轉頻為9.5 Hz。計算可得滾動(dòng)體通過(guò)頻率為18.3 Hz。

1. 聲發(fā)射                                         b)    振動(dòng)

圖4軸承故障聲發(fā)射與振動(dòng)信號對比

在軸承座上與軸心對應的垂直位置安裝傳感器。振動(dòng)測試系統由加速度傳感器、NI USB9234動(dòng)態(tài)信號采集器組成，振動(dòng)數據導入MATLAB進(jìn)行分析。在保證轉速不變的情況下，在加速度傳感器的安裝位置安裝聲發(fā)射傳感器，使用本文的聲發(fā)射測試系統進(jìn)行數據采集，將存儲的數據導入到MATLAB中進(jìn)行分析。圖4中給出了聲發(fā)射與振動(dòng)加速度信號的對比，從圖中可以看出，滾子表面缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號信噪比遠高于振動(dòng)加速度信號。圖5給出了兩種信號經(jīng)窄帶濾波后的包絡(luò )頻譜圖，可以看到，聲發(fā)射信號的包絡(luò )譜譜線(xiàn)結構較為簡(jiǎn)單，更容易找出故障的特征頻率。

1. 聲發(fā)射                                   b)    振動(dòng)

圖5軸承故障聲發(fā)射與振動(dòng)信號的包絡(luò )譜對比

這一聲發(fā)射測試系統綜合了PCI-9846性?xún)r(jià)比突出與LabVIEW簡(jiǎn)單易用的優(yōu)勢，具有成本低、開(kāi)發(fā)方便、擴展性強的優(yōu)點(diǎn)。利用該系統測試了含有滾動(dòng)體表面缺陷的軸承在運行過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并與傳統的振動(dòng)測試進(jìn)行了對比，聲發(fā)射信號具有更高的信噪比。不難看出，聲發(fā)射方法對于滾動(dòng)軸承故障的早期預報和診斷具有很大的潛力。

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