摘要：本文以虚拟仪器LabVIEW开发平台，利用LabVIEW 强大的信号分析能力，针对风机振动信号的振动机理和特点，结合故障诊断技术，开发了一个信号分析处理系统应用软件。该系统界面友好、操作简便,能广泛适用于煤矿行业。
论文关键词：LabVIEW,信号分析,主通风机
矿井主要通风机的作用可概括为三个方面：一是为井下工作人员提供新鲜空气；二是冲淡和排除生产过程中产生的各种有害气体和粉尘；三是调节井下微气候，改变工作环境。而当井下发生爆炸、火灾等重大灾害时，主要通风机还是救灾决策者用于调控灾变范围、减少灾害损失的重要工具之一。因此，矿井主要通风机无论在平常还是非常情况下，对于保证矿井正常安全生产，维护广大矿工的生命安全和身体健康都具有不可替代的作用[1]。虚拟仪器技术的迅速发展, 将故障诊断与电子测试技术引入到更高的层次领域。 因此虚拟仪器技术的出现和迅速发展为开发基于LabVIEW的主通风机故障诊断系统提供了有力的技术保障。
1风机振动信号分析系统的设计
1.1系统功能需求分析
煤矿主要通风机是向井下送风的唯一设备, 担负着向矿井井下输送新鲜空气, 排除有害气体的安全生产的重任, 因此对其设备, 实施监测与故障诊断具有重要意义。该软件系统主要的功能需求可归纳为:
1) 对存储的主通风机的振动信号进行准确的读取。
2) 提供原信号显示、滤波等功能。
3) 提供信号分析、故障诊断等功能( 时域, 频域, 自相关等) 。
4) 保存历史数据。
1.2系统软件结构
系统软件实现外部数据的导入、显示、分析等功能。根据现场的实际需要， 设计中以LabVIEW8.6开发平台进行应用软件设计， 采用了结构化和模块化的编程思想。
在虚拟仪器的实际设计中，采用由上至下的设计方法，首先根据系统的总体需求，将系统划分各个功能模块。这样分层次模块化程序结构不但增加了程序的可维护性，也增加了程序的可读性，使程序流程图更加清晰明了，同时也避免了大量的重复编程工作。根据振动测试的需求，一般来讲应包含以下模块：(1) 数据读取模块；(2)数据处理模块；(3)数据存储模块；(4)结果显示模块。为将各模块集成到一起，还需要设计一个主界面来实现各模块的调用错误！未找到引用源。。在本系统中，首先要确定程序的总体构成。如图1.1所示，是本系统的软件结构。
图1.1 系统的软件结构
1.3软件设计
1.3.1主VI设计
主程序层为人机交互主体, 将整个复杂系统分解成更为容易管理的测试层中的各具体项目,并通过VI引用和调用节点实现对各个项目的调用。调用完成后各项目处于就绪状态, 且与主程序层保持独立, 其运行或停止由项目自身控制。测试层各项目对应各具体功能。风机振动信号采集及分析项目主要实现对所采集的信号进行读取和信号处理、分析和结果显示; 操作项目主要用于整个程序的控制。各项目独立运行不受同级项目干扰, 只与更底层子VI和驱动层相关联, 不同的项目由不同的子VI协同实现, 子VI的调用相互独立, 互不干涉。
1.3.2振动信号滤波
现在越来越多的非线性电力负荷投入使用, 使得电网中谐波分量猛增, 而在电力系统中, 很多信号的处理与分析都是基于对正弦基波的分析。因此, 在对信号进行分析前要先进行滤波, 将高次谐波滤除, 提取基频分量[3]。本系统设计采用了巴特沃斯滤波器和中值滤波两种方法。
1.3.3 幅域分析
幅域分析有直观、简易等特点, 直接对振动时域信号的时间历程进行分析和评测是风机状态监测和故障诊断最简单、最直接的方法之一。
1.3.4自相关分析
为了识别随机信号中是否存在确定性信号，我们把在现场采集的信号输入到信号处理机中进行自相关函数运算, 得出自相关图形。尤其当不知道风机转速的情况下可以通过自相关函数来获得风机转轴基频。
1.3.5功率谱分析
随机信号的功率谱密度是用来描述信号的能量特征随频率的变化关系。通常用功率谱来描述随机信号的频域特征，该方法为一种提取强噪背景下有用信息的有效分析方法。
2 振动传感器测点的选择
振动是回转机械运转时的重要特性。利用数据采集器对机械设备运行状态的振动信息进行采集，然后通过振动频谱分析，可以快速、准确地诊断出如转子不平衡、转轴弯曲、轴承损坏与松动、轴系不对中及动静件摩擦等故障存在的原因，从而达到故障早期发现、诊断迅速及时、结论定点定量、机理清楚明白之目的。
2.1检测部位的选择
在旋转机械中，转子及其支撑系统是设备的核心部件，70%的设备故障都和转子及其组件有关。因此回转机械的信号采集主要以转子振动信息和支承轴承座振动信息为主。一般把轴承处选为主要测点，把机壳、箱体、基础等部件选为辅助测点。
2.4.2测点的布置
测量振动时，测点选择很关健。机械上最普遍的振动问题，大多数都源于转子上。如不平衡、不对中、摩擦等等。然而对于具有滚动轴承的机械和具有油膜滑动轴承的机械，轴的振动几乎被完全传到轴承壳上，在这种情况下，测量轴承壳的振动(利用安装在机壳上的速度传感器进行测量)，可以提供有意义的信息。选择测点在电机和风机转子轴座上，每个轴承座上将有两个(即水平、垂直)测点，一般在每个轴承上或靠近轴承的某个位置上，安装两个互成90°角的传感器，通称H、V传感器，测点分别安装电机负荷端或非负荷端轴座共4个，风机负荷端或非负荷端轴座共4个，通过不同方向的频谱进行振动分析比较，以准确判断设备的故障，同时各测点应进行标记，以便每次都在同一点进行测试，再作趋势分析比较。振动传感器测点布置现场如图2.1所示。
图2.1 振动传感器测点布置
3通风机振动诊断实例
实验数据是来自晋煤集团寺河矿，通过对安装在寺河矿轴流式风机上的检测系统采集数据。
风机系统采用同步电机驱动，当供电电源的频率恒定时，电机的工作转速稳定在1470r/min。检查时发现在风机轴承箱的前后轴承的温度比正常工作的温度有明显的升高，同时叶轮的非负荷端轴座测点的水平和垂直方向振动异常突出。该时段的风机正处于非正常工作状态，因此采集该时段的振动数据，并且用本系统对此时采集的该测点的振动信号进行幅值域、自相关和频谱分析，如图3.1。
图3.1（a）幅域分析实例图
图3.1（b）自相关分析实例图
图3.1(c) 幅值谱分析实例图
分析风机在工作频率下的自相关、幅值谱、功率普，可以得到以下结果，因此可以总结出该振动信号的有下列特点：
（1）该振动信号中含有周期大约为22Hz的周期信号；
（2）时域谱图中的振动波形比较毛糙、不平衡、不稳定；
（3）主要频率成分集中在转子的基频上；
（4）频谱图中噪声水平高；
（5）频谱图中出现精确的2×、3×…等成分，也有0.5×、1.5×、2.5×等；
（6）频谱图中伴有高次谐波。
结合风机常见故障特征频率进行综合判断，认为风机的转子可能存在不平衡故障，并且伴有转子系统松动故障。
4 结语
该设计通过对主扇风机的振动信号进行采集和分析，能够判断出矿用主扇风机的故障类型以及故障部位，为生产和维修提供可靠的依据，对降低设备维修费用、提高煤矿经济效益具有一定的现实意义。长远来看，对于矿山企业能定期全面地了解风机运行状况，为故障的预知维修提供技术支持，提高煤矿整体运行安全性和可靠性。
5 参考文献
[1]赵燕育，陈永胜. 矿用通风机在线监控与故障诊断预警系统.山西煤炭，2011
[2]曾永龙.尘风机状态监测与故障诊断系统研究[硕士学位论文].武汉科技大学，2008
[3]王孚懋，曾齐福，杨龙.基于LabVIEW的罗茨鼓风机转子振动测试系统.山东科技大学，2008
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