基于虚拟仪器的再制造发动机磨合过程监测系统

基于虚拟仪器的再制造发动机磨合过程监测系统
陈成法1,2,张阳2,王虎2,安相璧2,李树珉2
（1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072；2.军事交通学院，
天津300161）摘
要:为有效监测再制造发动机的磨合过程和性能，
制定出适合再制造发动机的磨合规范，设计开发一种基于虚拟仪器的再制造发动机磨合过程监测系统，分析软件利用图形化编程语言LabVIEW 编写，包含信号采集模块、时域分析模块、频域分析模块以及时频分析模块。

通过试验证明：监测系统稳定可靠，符合再制造发动机磨合过程的振动数据采集要求。

关键词:虚拟仪器；再制造发动机；磨合；LabVIEW 系统中图分类号:U464;TP274+.2;TP311.52;U472
文献标志码:A
文章编号:1674-5124(2014)05-0074-03
Study on running-in process monitoring of remanufactured engine
based on virtual instrument
CHEN Cheng-fa 1，
2
，ZHANG Yang 2，WANG Hu 2，AN Xiang-bi 2，LI Shu-min 2（1.State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments ，Tianjin University ，
Tianjin 300072，China ；
2.Department of Automobile Engineering ，Military Transportation University ，Tianjin 300161，China ）
Abstract:In order to effectively monitor the remanufactured engine running -in process and performance and develop a suitable specification for that ，the running -in process monitoring of remanufactured engine was designed based on virtual instrument with the graphical programming language LabVIEW ，including signal acquisition module ，time -domain analysing module ，frequency domain analysing module ，and the time-frequency analysing module.Test results proved that the monitoring system is stable and reliable ，the running -in process in line with the requirements of remanufactured engine vibration data collection.
Key words:virtual instrument ；remanufactured engine ；running-in process ；LabVIEW system
收稿日期:2013-11-21;收到修改稿日期:2014-01-08基金项目:总装备部
“十二五”预研项目（40402020102）作者简介：陈成法（1978-），男，河北沧州市人，讲师，博士，研究方向为仪器科学与技术。

0引言
汽车零部件的再制造在国外研究较早,已经形成了规模相当大的产业。

车辆再制造在我国的研究应用尚处于起步阶段,很多项目主要集中于再制造单项技术的研究和理论研究,很少深入到汽车再制造的生产实践中去。

再制造发动机在节能环保、资源循环利用等方面具有巨大的优势,因此,越来越受到各方面的重视[1]。

经过再制造后,发动机零部件的表面存
在微观和宏观的几何缺陷,装配后直接投入使用会
导致再制造发动机早期磨损甚至失效,因此在发动机投入使用之前应进行磨合。

发动机磨合是保证和提高柴油机的工作性能和使用寿命的重要环节[2]。

如何有效监测再制造发动机的磨合过程和性能,制定出适合再制造发动机的磨合规范,是一个重要的研究内容。

目前振动信号分析方法已经广泛应用于发动机的故障诊断和运行状态监测领域,通过建立表面振动信号与发动机零部件运行状态之间的联系,可以精确地判定发动机的状态[3]。

该方法采集的发动机振动信号是发动机内部各激励源的响应,其中蕴含了发
中国测试
CHINA MEASUREMENT &TEST
Vol.40No.5September ，2014
第40卷第5期2014年9月doi :10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.019
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第40卷第5期
动机运行状态的丰富信息[4-5],并且零部件配合状态、零部件表面磨损等也会产生相应的振动信号响应[6]。

通过合理地信号处理方法,提取发动机磨合过程的信号特征进行分析,就可以对发动机的磨合状态进行评判[7]。

本文基于图形化编程语言LabVIEW,设计了再制造发动机磨合过程监测系统。

1监测系统的组成
再制造发动机磨合过程监测系统分为硬件系统和分析软件两部分,硬件系统主要由振动加速度传感器、信号放大器、数据采集卡、便携式计算机及数据线等部分组成(如图1所示),分析软件用虚拟仪器软件LabVIEW开发。

LabVIEW是一种图形化的编程语言,又称为“G”语言,它由前面板和程序框图组成。

使用这种语言编程时,复杂的语言编程简化为可视化的数据流编程,以图标表示功能模块,以图标间连线表示数值传输,其编程方式与用元件和导线组成的电子电路十分相似,形象而直观[8-9]。

LabVIEW 将信号处理所需要的各种功能封装为一个个子vi,用户利用这些现成的vi函数可以迅速地实现所需功能。

振动加速度传感器选用的是TEAC公司生产的BBN型压电加速度传感器,其灵敏度为100mV/g,频率范围为2~12000Hz。

信号放大器选用SA-15型直流增幅器,它由1个SA-15P型电源和6个SA-15U型放大器组成。

它对传感器的信号进行放大和滤波,可同时进行6个通道的测量。

数据采集卡选用NI公司生产的NI DAQCard-6024E 数据采集卡,用于PCMCIA接口,具有200kS/s、12位、16路模拟输入;可以提供2路12位模拟输出;具有8条数字I/O线;2个24位计数器。

便携式计算机选用ThinkPad T60笔记本电脑,带有PCMCIA接口插槽。

2分析软件的设计
再制造发动机磨合过程监测系统分析软件采用模块化的设计思路,主要由信号采集模块、时域分析模块、频域分析模块、时频分析模块等组成。

2.1信号采集模块
数据采集模块主要是实现发动机振动信号的拾取及对各种参数的控制,比如对数据采集卡的设置,对采集通道的选择,以及对采样频率、采样点数的设定等。

信号采集模块主要调用LabVIEW中Data Ac quisition功能模块下Analog Input中的AI Config.vi、AI Start.vi以及AI Read.vi等子函数,通过这些模块可以实时采集最多16个通道的发动机振动信号。

在采集到振动信号后,要设计滤波器去除噪声,软件部分调用了Butterworth Filter.vi,生成数字But⁃terworth滤波器。

通过对高截止频率、低截止频率等参数进行设置,以获得较好的信号。

2.2时域分析模块
时域分析模块实现实时波形显示、在波形上添加窗函数、自相关函数分析、互相关函数分析等功能。

LabVIEW可以在前面板使用波形图控件来显示具有恒定速率的数据。

图2显示了采集的1组发动机振动信号。

前面设计的信号采集模块仅是所测信号的连续时间信号的截断,这就不可避免地引起谱泄漏,减少谱泄漏的一个最直接的方法就是使用平滑窗。

信号加窗部分调用了Hanning Window.vi、Hamming Window.vi、Blackman Window.vi等窗函数,可根据实际情况选择Hanning窗、Hamming窗以及Blackman窗等。

在信号测试中,通常利用自相关函数来检验信号中是否含有周期成分。

通过调用AutoCorrelation.vi,可以得到输入信号X的自相关函数R xx。

图3为某振动信号的自相关函数图形,可以看出,采集的振动信号具有比较明显的周期性。

发动机的振动信号中含有大量噪声干扰,对信号源和被影响的部件进行信号分析,只有和信号源
图1再制造发动机磨合过程监测系统组成
050100150200250300350400450500550600650
t/ms
11
-1-1
图2发动机振动信号
图3发动机振动信号的自相关函数
0400080001200016000
频率/Hz
陈成法等：基于虚拟仪器的再制造发动机磨合过程监测系统75
中国测试
2014年9月
频率相同的成分才是真正的信号,其他都是干扰,这样也可以得到相应的频率响应函数[10]。

通过调用CrossCorrelation.vi,可以得到两个振动信号X 和Y 的互相关函数R xy 。

2.3频域分析模块
频域分析模块实现傅里叶变换、自功率谱、互功率谱等功能。

傅里叶变换在物理上就是将一个复杂的周期波(非正弦波)分解为一系列不同频率的简单正弦波(谐波)的迭加,这些正弦波的频率通常称为信号的频率成分[11]。

频域分析模块调用了FFT.vi,实现对振动信号的快速傅里叶变换(FFT)[11]。

通过自功率谱分析可以得到功率谱密度函数,功率谱密度函数是自相关函数的傅里叶变换。

通过功率谱密度分析,可以了解振动能量沿频率的分布。

通过调用Auto Power Spectrum.vi,可得到振动信号的单边且已缩放的自功率谱。

图4是某振动信号的自功率谱图。

通过调用Cross Power.vi,可以得到两个振动信号X 和Y 的互功率谱S xy 。

2.4时频分析模块
由振动信号的自功率谱图可以看出振动信号的主要频率成分,但是这些频率成分是在运转过程中一直存在还是间断地出现,从单纯的频谱图中是无法得到的。

而时频分析着重于研究信号能量在某一特定时间和频率处的分布[12]。

LabVIEW 提供了非常强大的时频联合分析功能,有基于短时傅里叶变换(STFT)的时频联合分析模块、盖博变换(Gabor)的时频联合分析模块和魏格纳-威尔分布(Wigner-Ville Distribution)的时频联合分析模块等。

图5是某振动信号基于盖博变换的时频分析能谱图,可以看出,振动的最大能量点是周期性出现的。

3结束语
再制造发动机磨合过程监测系统软件设计中,
使用了图形化编程语言LabVIEW 作为开发工具,大大地提高了系统的开发速度和质量。

各个模块对采集到的振动信号分析表明,本文设计的再制造发动机磨合过程监测系统具有实际应用价值,测试的数据稳定可靠,完全符合再制造发动机磨合过程的振动数据采集要求。

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图5发动机振动信号的时频分析能谱图(基于Gabor)
频率/Hz
图4发动机振动信号的自功率谱图
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