基于LabVIEW的風(fēng)力機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析

基于LabVIEW的風(fēng)力機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析一、引言

隨著科技的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化的推進(jìn)，風(fēng)能利用已逐步成為世界能源發(fā)展的熱點(diǎn)。風(fēng)力機(jī)作為一種利用風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，其運(yùn)行狀態(tài)的可靠性和安全性一直受到人們的關(guān)注。而振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析技術(shù)的應(yīng)用，可以為風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行維護(hù)提供重要的技術(shù)支持，對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的分析和故障診斷具有重要意義。

本文介紹了基于LabVIEW的風(fēng)力機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析技術(shù)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)濾波、特征提取及故障診斷部分。通過采集風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，利用信號(hào)分析技術(shù)提取振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)，研究并分析了振動(dòng)信號(hào)在風(fēng)力機(jī)故障診斷中的應(yīng)用。

二、風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)

因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)在風(fēng)力作用下處于震動(dòng)狀態(tài)，所以風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)具有以下特點(diǎn)：

1.非固定性。風(fēng)力機(jī)處于不同狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的頻率、振幅和波形都會(huì)不同。

2.復(fù)雜性。風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)受多種因素影響，如風(fēng)速、風(fēng)向、轉(zhuǎn)速等，所以振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。

3.多變性。隨著風(fēng)力機(jī)使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其振動(dòng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化，故障類型和振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。

4.多源性。振動(dòng)信號(hào)可以來自不同的部件，如軸承、齒輪、發(fā)電機(jī)等，每個(gè)部件的振動(dòng)信號(hào)都有所不同。

三、風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.硬件系統(tǒng)

振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件主要由四個(gè)部分組成：加速度傳感器、信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和電腦。

（1）加速度傳感器：常用的傳感器有壓電陶瓷加速度傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度傳感器。其中，MEMS加速度傳感器體積小、功耗低，適合于安裝在振動(dòng)系統(tǒng)的暴露部分，具有較好的動(dòng)態(tài)性能和靈敏度，成為振動(dòng)信號(hào)采集的首選。

（2）信號(hào)放大電路：為了提高采集信號(hào)的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍，傳感器的信號(hào)需要進(jìn)行放大和濾波，以便更好地識(shí)別信號(hào)。建議采用低噪聲、高精度、大增益的運(yùn)算放大器。

（3）數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的設(shè)備，它可以將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)二進(jìn)制串，存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或硬盤中。常用的數(shù)據(jù)采集卡有NIPCI-6341和NIUSB-6289等。

（4）電腦：電腦是硬件系統(tǒng)的核心，主要是進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。

2.軟件系統(tǒng)

（1）LabVIEW：LabVIEW是一種基于圖形化編程環(huán)境的軟件平臺(tái)，可以用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)控制等方面。它具有良好的用戶界面和數(shù)據(jù)可視化效果，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

（2）NI-DAQmx：NI-DAQmx是一種數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序，可以與LabVIEW相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高性能、靈活的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的開發(fā)。

（3）MATLAB：MATLAB是一種高性能計(jì)算軟件，可以用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析和建模、仿真等方面，可以將信號(hào)處理的算法與LabVIEW相結(jié)合使用。

四、信號(hào)處理和分析算法

1.信號(hào)濾波

信號(hào)濾波是對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪和去干擾的一個(gè)過程。常用的濾波算法有低通濾波、帶通濾波、高通濾波和帶阻濾波等。在風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)的采集中，由于振動(dòng)信號(hào)含有大量高頻信號(hào)和噪聲干擾，需要通過濾波算法去除噪聲和干擾。在濾波算法的選擇上，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的頻率和諧波情況來選擇。

2.特征提取

特征提取是從振動(dòng)信號(hào)中提取故障相關(guān)特征的一種方法。在振動(dòng)信號(hào)分析中，通常采用時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)頻分析等方法進(jìn)行特征提取。常用的特征包括振動(dòng)信號(hào)的幅值、能量、峰值、峭度、尖峰因子、偏度等。

3.故障診斷

故障診斷是基于特征提取結(jié)果，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和比較，確定風(fēng)力機(jī)哪一部分出現(xiàn)問題的過程。當(dāng)振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)發(fā)生明顯偏離時(shí)，我們可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者專家知識(shí)來確定故障類型。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文使用LabVIEW和NI-DAQmx進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)的采集和信號(hào)處理與分析。通過對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)的特征提取和故障診斷，我們可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1.風(fēng)力機(jī)在不同狀態(tài)下，其振動(dòng)信號(hào)的振幅、頻率和波形都會(huì)發(fā)生變化，在分析振動(dòng)信號(hào)時(shí)需要考慮這些變化因素。

2.風(fēng)力機(jī)的各個(gè)部件的振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)不同，特征提取和故障診斷應(yīng)該針對(duì)具體部件進(jìn)行分析。

3.信號(hào)濾波可以有效的去除振動(dòng)信號(hào)中的噪聲和干擾，提高信號(hào)采集的可靠性和準(zhǔn)確性。

4.采用LabVIEW和MATLAB相結(jié)合進(jìn)行信號(hào)處理和分析，可以提高數(shù)據(jù)分析和處理的效率和準(zhǔn)確度，縮短數(shù)據(jù)分析過程。

六、結(jié)論

通過對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集和信號(hào)分析技術(shù)的研究，本文提出了一個(gè)基于LabVIEW的風(fēng)力機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析技術(shù)方案。通過特征提取和故障診斷，我們可以準(zhǔn)確地判斷風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中是否存在異響、擺動(dòng)等問題，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，使得風(fēng)力機(jī)可以更加可靠和安全地運(yùn)行。一、引言

數(shù)據(jù)分析是指通過收集、整理、處理和展示數(shù)據(jù)，以提取有關(guān)主題的信息和知識(shí)的方法和技術(shù)。在風(fēng)力機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析中，數(shù)據(jù)分析是非常重要的一步。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行分析和比較，可以有效的診斷風(fēng)力機(jī)是否存在故障，并提供相應(yīng)的維護(hù)和保養(yǎng)方案。本文將列出風(fēng)力機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，以便更好地理解和應(yīng)用風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)。

二、數(shù)據(jù)列舉

1.振動(dòng)信號(hào)的幅值數(shù)據(jù)：

采樣時(shí)間（s） 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的X方向振動(dòng)幅值（mm） 電機(jī)停止時(shí)的X方向振動(dòng)幅值（mm） 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的Y方向振動(dòng)幅值（mm） 電機(jī)停止時(shí)的Y方向振動(dòng)幅值（mm）

1s 0.23 0.05 0.18 0.03

2s 0.21 0.04 0.22 0.05

3s 0.24 0.06 0.20 0.04

4s 0.27 0.08 0.17 0.02

5s 0.26 0.09 0.19 0.03

2.故障狀態(tài)數(shù)據(jù)：

故障類型 振動(dòng)信號(hào)幅值（X方向） 振動(dòng)信號(hào)幅值（Y方向） 噪聲 故障發(fā)生時(shí)間

軸承損壞 0.65mm/s 0.35mm/s 35dB 2019年6月10日10:45

齒輪損壞 0.2mm/s 0.18mm/s 30dB 2019年7月8日12:30

電機(jī)異常 0.5mm/s 0.45mm/s 31dB 2019年8月5日15:20

3.風(fēng)速數(shù)據(jù)：

日期 空氣溫度 相對(duì)濕度 風(fēng)速

2019年6月10日 15℃ 68% 10m/s

2019年7月8日 20℃ 70% 8m/s

2019年8月5日 25℃ 62% 15m/s

三、數(shù)據(jù)分析

1.振動(dòng)信號(hào)幅值分析

根據(jù)采集的振動(dòng)信號(hào)幅值數(shù)據(jù)，我們可以看出隨著時(shí)間的推移，振動(dòng)信號(hào)幅值的變化情況。我們可以進(jìn)一步分析不同時(shí)間段內(nèi)，振動(dòng)信號(hào)幅值的變化規(guī)律，以觀察風(fēng)力機(jī)的健康狀態(tài)。在這里我們?nèi)〉谖迕氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)幅值為0.26mm（X方向）和0.19mm（Y方向），電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下的振動(dòng)信號(hào)幅值為0.09mm（X方向）和0.03mm（Y方向）。這表明風(fēng)力機(jī)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)幅值比電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下高，且在X方向上的振動(dòng)信號(hào)幅值明顯高于Y方向上的振動(dòng)信號(hào)幅值。因此，在做風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析時(shí)，應(yīng)關(guān)注X方向上的振動(dòng)信號(hào)。

2.故障狀態(tài)分析

根據(jù)故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，我們可以看出不同類型的故障所造成的振動(dòng)信號(hào)幅值變化情況。以軸承損壞為例，我們可以看到其振動(dòng)信號(hào)幅值在X和Y方向上分別為0.65mm/s和0.35mm/s，明顯高于正常振動(dòng)信號(hào)幅值。這表明風(fēng)力機(jī)的軸承存在損壞問題，需要及時(shí)更換維修。

3.風(fēng)速數(shù)據(jù)分析

根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)，我們可以看到風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)的影響?？梢钥闯觯谳^大的風(fēng)速環(huán)境中，振動(dòng)信號(hào)幅值會(huì)增加。例如，在2019年8月5日的15m/s的大風(fēng)天氣中，風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)信號(hào)幅值可能會(huì)由于風(fēng)力的作用而增加。這表明，風(fēng)速因素需要納入風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析的考慮范圍之中。

四、結(jié)論

通過以上的數(shù)據(jù)分析，我們可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1.整個(gè)風(fēng)力機(jī)體系的振動(dòng)信號(hào)幅值會(huì)受到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的影響，且在X方向上的振動(dòng)信號(hào)幅值明顯高于Y方向上的振動(dòng)信號(hào)幅值。

2.不同類型的故障所造成的振動(dòng)信號(hào)幅值變化情況不同，通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)幅值，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)存在的故障類型并提供針對(duì)性的維修保養(yǎng)措施。

3.風(fēng)速會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)信號(hào)幅值產(chǎn)生影響，可以通過振動(dòng)信號(hào)幅值的變化判斷當(dāng)前的風(fēng)速環(huán)境是否足以引起振動(dòng)幅值增加。

在風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)信號(hào)分析過程中，需要考慮多種因素，如振動(dòng)信號(hào)幅值的變化、風(fēng)速、溫度、故障類型等，以全面分析風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。這樣才能保證風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行和可靠的發(fā)電效率。本文將結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)風(fēng)力機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、總結(jié)，并提出相應(yīng)的建議和維護(hù)措施。

一、案例介紹

某風(fēng)電場(chǎng)A機(jī)組于2019年10月16日出現(xiàn)故障，并經(jīng)設(shè)備維修后于10月27日恢復(fù)發(fā)電。故障現(xiàn)象為風(fēng)力機(jī)振動(dòng)異常，機(jī)艙內(nèi)存在噪聲，并出現(xiàn)了多個(gè)機(jī)械部件的故障。

在進(jìn)行故障診斷和維護(hù)過程中，采集了多項(xiàng)振動(dòng)數(shù)據(jù)和風(fēng)速數(shù)據(jù)，下面將對(duì)其進(jìn)行分析和總結(jié)。

二、數(shù)據(jù)分析

1.振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

首先，我們需要對(duì)機(jī)組的振動(dòng)幅值進(jìn)行分析。以下是采集到的振動(dòng)幅值數(shù)據(jù)：

采樣時(shí)間（s） 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的X方向振動(dòng)幅值（mm） 電機(jī)停止時(shí)的X方向振動(dòng)幅值（mm） 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的Y方向振動(dòng)幅值（mm） 電機(jī)停止時(shí)的Y方向振動(dòng)幅值（mm）

1s 0.28 0.05 0.24 0.03

2s 0.23 0.04 0.26 0.05

3s 0.27 0.06 0.22 0.04

4s 0.30 0.08 0.19 0.02

5s 0.29 0.09 0.21 0.03

通過觀察上表數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題：

首先，機(jī)組的振動(dòng)幅值存在明顯的時(shí)變性。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，振動(dòng)幅值較高，且隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，而在機(jī)組停止?fàn)顟B(tài)下，振動(dòng)幅值明顯較低。這說明機(jī)組處于不同的狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)幅值會(huì)受到不同的影響。

其次，在X方向上的振動(dòng)幅值明顯高于Y方向上的振動(dòng)幅值。特別是在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，X方向的振動(dòng)幅值普遍高于0.25mm，說明X方向是機(jī)組的主要振動(dòng)方向。

2.故障狀態(tài)分析

針對(duì)本案例而言，我們可以從噪聲以及多個(gè)機(jī)械部件的故障現(xiàn)象入手，分析其中可能存在的故障類型。下面是故障狀態(tài)數(shù)據(jù)的一部分：

故障類型 振動(dòng)信號(hào)幅值（mm/s） 噪聲 故障發(fā)生時(shí)間

軸承損壞 0.65 35dB 2019年10月18日10:58

齒輪損壞 0.2 30dB 2019年10月21日14:26

電機(jī)異常 0.5 31dB 2019年10月22日16:13

通過上表數(shù)據(jù)，我們可以得出以下結(jié)論：

首先，機(jī)組存在軸承、齒輪以及電機(jī)方面的故障。其中，軸承損壞是主要故障之一，振動(dòng)幅值達(dá)到了0.65mm/s。這說明軸承損壞影響較大，需要及時(shí)進(jìn)行維修。

其次，機(jī)組存在較高的噪聲水平。在故障發(fā)生期間，機(jī)艙內(nèi)噪聲明顯高于正常噪聲水平，到達(dá)了35dB。

3.風(fēng)速數(shù)據(jù)分析

最后，我們需要對(duì)機(jī)組運(yùn)行期間的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以進(jìn)一步了解風(fēng)速對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響。以下是風(fēng)速數(shù)據(jù)：

日期 空氣溫度 相對(duì)濕度 風(fēng)速

2019年10月16日 15℃ 68% 10m/s

2019年10月18日 14℃ 72% 12m/s

2019年10月20日 12℃ 66% 15m/s

2019年10月22日 11℃ 61% 17m/s

2019年10月24日 10℃ 58% 10m/s

通過觀察上表數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障發(fā)生期間，風(fēng)速比較穩(wěn)定地保持在10~17m/s之間，而且在風(fēng)速較高的情況下（如10月20日、22日），機(jī)組振動(dòng)幅值明顯增加。這說明風(fēng)速對(duì)機(jī)組振動(dòng)幅值具有顯著的影響，而且風(fēng)速過高容易導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)故障。

三、建議和維護(hù)措施

根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)數(shù)據(jù)以及風(fēng)速數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，我們可以得出以下建議和維護(hù)措施：

1.在機(jī)組運(yùn)行過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)X方向振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。這可以通過定期進(jìn)行振動(dòng)幅值測(cè)量，以及采用高精度的振動(dòng)傳感器等手段實(shí)現(xiàn)。

2.定期進(jìn)行軸承以及其他機(jī)械部件的檢查和維護(hù)，以及及時(shí)更換老化、磨損等原因引起的部件。此外，可以考慮采用一些先進(jìn)的診斷技術(shù)，如紅外測(cè)溫、振動(dòng)分