基于Labview的自動扶梯機械振動數據采集系統的設計與實現

　　摘要: 以 Labview 為開發平臺，運用加速度傳感器、數據采集卡，該文設計了自動扶梯振動信號的數據采集系統，實現了多通道自動扶梯振動數據的采集、數據分析、存儲與回放的功能; 并選取自動扶梯驅動主機、減速器、梯級等關鍵部位進行現場試驗，實現了對自動扶梯關鍵部位振動數據的采集與加速度峰值、頻譜特性、功率譜等振動特征量的分析。通過第三方機構的測試及現場試驗結果表明，該系統工作性能穩定、測量結果準確、重復性良好。其具有人機交互界面簡潔，操作便利、攜帶方便、可擴展性能良好的優點，既可在線監測，也可做離線分析，為下一步的自動扶梯的故障診斷及智能識別提供了研究基礎。

　　本文源自梁敏健; 彭曉軍， 工業儀表與自動化裝置 發表時間：2021-04-15《工業儀表與自動化裝置》雜志，于1971年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:61-1121/TH，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：經驗交流、新產品介紹、信息與動態等。

　　關鍵詞: 自動扶梯監測; 振動測試; 數據采集; Labview

　　近年來，自動扶梯在我國呈逐年遞增的趨勢，老舊扶梯的安全形勢也不容樂觀，常規的定期檢測、監督抽查檢驗往往不易發現扶梯內部存在的潛在風險和故障，如梯級滾輪磨損、曳引鏈磨損、減速箱齒輪齒面磨損、齒根彎曲疲勞折斷、驅動鏈條過松、減速箱油量不足等問題。這些故障影響著乘客舒適性，縮短著自動扶梯的使用壽命，威脅乘客的人身安全。上述故障通常要借助維護保養人員拆開自動扶梯內部查看，目的性差，檢測效率低，成本高，現場很少借助自動化程度高的技術來監測扶梯內部的安全狀況。

　　旋轉機電類設備中存在大量振動信號，當其內部異常時，常常伴有振動幅值升高和工作性能異常現象的出現。大多數機械設備出現故障時都會通過振動的形式表現出來。所謂振動狀態監測技術( Vibration Condition Monitoring Technology) 就是綜合現代科學技術研究的一種強力手段來監測機械設備的振動狀態，綜合機器的歷史故障和現況，分析采集到的機械設備的運行數據，以找出故障原因，為生產和維修提供決策依據。當前工程應用最多、最有效的方法就是振動狀態監測法，其特點是設備裝置簡單、測量方便，能同時檢測出設備的多種故障[1 - 3]。

　　1 振動監測原理

　　根據機械振動學原理，將自動扶梯簡化為振動微分方程: mx ·· + kx + 2ξ 槡mkx · = F( t) ( 1) 式中: m 為系統等效質量; k 為系統等效剛度; ξ 為系統等效阻尼系數; x，x ·，x ··為系統輸出的位移、速度和加速度; F( t) 為激勵源[4]。

　　從式中可以看出，加速度既與內部激勵源有關，也和等效剛度和等效阻尼系數有關。因此，利用加速度振動曲線及其特征量可以表征自動扶梯的運行狀態。

　　此外，振動頻率也是衡量扶梯振動的一個重要的指標，通常將加速度數據經過 FFT 變換得到頻譜圖。FFT 是離散傅里葉變換的快速算法。

　　對 N 點序列 x ( n) ，其離散傅里葉變換( DFT) 變換對為: X( k) = ∑ N-1 n =0 x( n) Wnk N ，k = 0，1，…N - 1; WN = e -j 2π N x( n) = 1 N ∑ N-1 k =0 X( K) W-nk { N ，n = 0，1…N - 1 ( 2)

　　如果 N 比較大時，計算量是巨大的。Cooley 和 Tukey 提出的 FFT 算法大幅降低了計算次數[5 - 7]。

　　自動扶梯的主要振動來源是驅動裝置，其包括主機和減速箱等。電機本身的振動和噪聲、減速箱齒輪的制造精度、軸承和聯軸節的型式及裝配質量、鏈條傳動不可避免的速度波動而產生的慣性力以及梯級在軌道上循環往復運動等，都使得扶梯產生振動和噪聲。

　　機械振動信號常常借助加速度傳感器和 Labview 構成的測量系統，上述系統具有結構簡單，精確度高等優點，在國內外振動研究領域取得了良好的應用效果 [8 - 10]，該文擬搭建自動扶梯振動數據采集系統，在自動扶梯驅動主機、減速箱、梯級等關鍵部位安裝振動加速度傳感器，運用所設計系統采集上述關鍵部位的振動數據，并由此求出振動信號的最大值、幅值譜、功率譜、倒頻譜等時頻域特征量，為下一步自動扶梯機械故障診斷及智能識別打下基礎。

　　2 設計方案

　　如圖 1 為該自動扶梯振動采集系統的總體設計方案，該系統包括三軸加速度傳感器、信號調理模塊、數據采集設備和上位機等硬件，軟件包括系統設置、數據采集、數據分析、數據存儲、波形顯示等模塊。

　　2. 1 硬件設計

　　2. 1. 1 三軸壓電加速度傳感器

　　該次選擇 PCB 公司的三軸加速度傳感器，其型號為 356B18，具體主要技術參數如表 1 所示。該型號的傳感器集成了壓電加速度傳感器和電荷放大器，可以實現對測試系統的簡化。該傳感器具有體積小，精度高，穩定性好，抗干擾性強等特點。可以廣泛用于振動數據采集的各種場合。

　　2. 1. 2 信號調理和數據采集模塊

　　該文選取美國國家儀器公司 CompactDAQ 便攜式數據記錄儀作為該文的信號調理和數據采集模塊。該模塊包括 NI9234 數據采集卡[11]和 cDAQ -9174 機箱，NI - 9234 是一個四通道動態信號采集模塊，提供四路同步采樣模擬輸入通道的連接，實現 IEPE 接口加速度傳感器的高精度數據采集。其主要參數如表 2 所示。

　　cDAQ9174 是一款為小型傳感器測量系統而設計的總線供電 CompactDAQ 4 槽盒 USB 機箱。借助 USB 數據線可以實現連接傳感器和電氣測量的目的。用該機箱從 C 系列模擬輸入模塊中采樣時有不同速率可供選擇。體積小，方便攜帶，性價比高，可適應惡劣環境，適宜于工業現場測試。

　　2. 2 軟件設計

　　2. 2. 1 系統軟件結構

　　自動扶梯振動采集系統的軟件采用的是 Labview 圖形化語言，開發周期短、可靠性高，被廣泛地應用于工業界、學術界和研究實驗室[12 - 15]。設計的軟件具有系統設置、數據采集、數據分析、數據存儲、波形顯示等功能。其具體框架和軟件頻譜分析分別如圖 2 和圖 3 所示。

　　2. 2. 2 數據采集流程

　　數據采集流程和具體框圖如圖 4 和 5 所示。

　　3 現場試驗及分析

　　3. 1 第三方機構測試

　　該文開發的自動扶梯機械振動數據采集系統，經過第三方機構計量測試，如圖 6 所示。

　　在第三方計量測試過程中，將 PCB 公司的中頻標準振動系統和動態信號分析儀的加速度數據、頻譜數據與所設計系統的測量數據示值進行對比，加速度和頻率的測試對比結果如表 3 和表 4 所示。

　　第三方機構的計量測試數據表明，所設計的自動扶梯機械振動數據采集系統測得的加速度和頻率的精確度均比較高，可以準確測量扶梯現場的振動情況。

　　3. 2 現場試驗

　　最后以某自動扶梯為實驗對象，應用該文設計的自動扶梯機械振動數據采集系統對其進行監測，該扶梯參數如下: 提升高度: 5. 4 m、運行速度: 0. 5 m/s、傾斜角度 35°，驅動電機額定轉速為 960 r/min。該系統的傳感器頻率分析范圍最低可達 0. 5 Hz，滿足扶梯關鍵部位常見頻率的測量范圍。一般的，扶梯典型的故障包括: 梯級故障如梯級滾輪磨損、曳引鏈故障如曳引鏈磨損、驅動裝置故障如減速箱齒輪齒面磨損、齒根彎曲疲勞折斷、驅動鏈條過松、減速箱油量不足等等。上述故障主要集中在驅動主機、減速器、梯級、出入口等關鍵部位，因此將加速度傳感器分別置于驅動主機、減速器、梯級等部位，由此獲得該臺自動扶梯關鍵部位的振動曲線，接著將加速度曲線通過傅里葉變換得到其頻域內的頻譜圖，以此觀測上述關鍵部位的振動頻率、幅值圖、功率譜等振動特征，為接下來進行故障診斷智能分析提供良好的數據基礎。

　　在驅動主機部位安裝振動傳感器( 如圖 7( a) 所示) ，監測電機的振動特征量。在減速器部位安裝振動傳感器( 如圖 7( b) 所示) ，監測減速器的振動特征量。在扶梯梯級鏈鏈輪處安裝振動傳感器( 如圖 7( c) 所示) ，監測旋轉鏈輪部位振動特征量。在梯級中部安裝振動傳感器( 如圖 7( d) 所示) ，監測梯級部位的振動特征量。

　　3. 3 試驗結果及分析

　　以驅動主機處的數據為例，其時域和頻域內的信號分析如圖 8 所示。

　　由上述時域和頻譜圖可知，主機振動頻率為 16 Hz，與驅動主機的轉速 960 r/min 計算所得頻率完全吻合。

　　4 結語

　　該文以 Labview 為開發平臺，運用加速度傳感器和數據采集卡設計的自動扶梯振動信號的數據采集系統，較好地實現了多通道自動扶梯振動數據的采集、數據分析處理、存儲與回放的功能。實驗數據表明，系統測量精度高，重復性良好，為后續的自動扶梯的故障診斷及智能識別提供了研究基礎。