1、SOFTWARE软 件2023第 44 卷 第 9 期2023 年Vol.44,No.9基金项目：国家重点研发计划（2020YFB2006800）；国家自然科学基金（51775171）作者简介：李林昌（1996），男，硕士研究生，从事测控系统的设计与研发工作；苏建新（1971），男，博士，教授，从事测控系统的设计与研发工作。盾构机主轴承试验台数据采集与分析系统设计李林昌 苏建新（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003）摘要：为实现在试验过程中对盾构机缩比主轴承的状态进行监测，收集试验数据，设计了一套基于 LabVIEW 的数据采集与分析系统。该系统可进行多种用户权限登录，方便用户管理
2、，能够实现对温度数据和振动数据的实时采集、显示、保存与回调，还可对采集到的振动数据进行时域分析和频域分析，便于工作人员及早发现试验轴承的异常情况。系统在轴承试验台进行了试验验证，试验结果表明，该系统能够正常实现上述功能并成功发现试验轴承的早期异常情况，具有一定的工程应用价值。关键词：LabVIEW；数据采集；数据分析；轴承 中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.09.004本文著录格式：李林昌,苏建新.盾构机主轴承试验台数据采集与分析系统设计J.软件,2023,44(09):014-021Design of Data
3、Acquisition and Analysis System for Shield Machine Main Bearing Test BedLI Linchang,SU Jianxin(School of Mechatronics Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471003)【Abstract】：In order to monitor the bearing status and collect test data during the test,a set of data acqu
4、isition and analysis system based on LabVIEW is designed.The system can carry out a variety of user rights login,convenient user management,can realize the temperature data and vibration data real-time acquisition,display,save and callback,but also the vibration data collected time domain analysis a
5、nd frequency domain analysis,convenient for the staff to detect the abnormal situation of the test bearing early.Finally,the system is tested on the bearing test stand.The test results show that the system can realize the above functions normally,and successfully found the early abnormal condition o
6、f the test bearing,which has a certain engineering application value.【Key words】：LabVIEW;data acquisition;data analysis;bearing基金项目论文0 引言盾构机主轴承作为盾构机的核心部件之一，其使用寿命决定了盾构机的性能，制约着施工进度。根据相关统计，在盾构机主轴承使用过程中，仅有 5%的盾构机主轴承能够达到其设计使用寿命1。盾构机主轴承在隧道施工过程中一旦损坏就会造成盾构机停机，且因其更换周期长、维修难度大，导致整个工程进展严重滞后，带来巨大的经济损失2。因此，搭建盾构机主
7、轴承试验台，开发与之配套的数据采集与分析系统，为盾构机主轴承的研发设计、工艺改进、失效分析等提供真实详尽的数据，对推进盾构机主轴承的研发具有重要意义3。1 系统的硬件设计数据采集与分析系统硬件由计算机、供电模块、温度传感器、振动传感器、数据采集卡、信号调理电路等组成4。在试验过程中，传感器将采集到的温度数据与振动数据经过信号调理电路处理后通过数据采集卡进入计算机中，通过 LabVIEW 软件来进行温度数据和振动数据的分析、处理、显示与保存5。系统硬件结构如图 1所示。2 系统的软件设计系统软件由用户登录模块、用户管理模块、数据采集与显示模块、数据存储模块、数据分析模块和数据回调模块六个模块组成
8、6。通过这六个模块的紧密配合，15李林昌 苏建新：盾构机主轴承试验台数据采集与分析系统设计系统可以实现用户管理、权限控制、温度数据与振动数据的采集与显示、数据回看以及对振动数据的时域和频域分析等功能。软件结构框图如图 2 所示。系统软件用户登录 用户管理数据采集与显示数据存储数据分析数据回调用户登录界面启动增加用户修改密码删除用户采集参数设置数据采集数据显示振动数据保存温度数据保存时域分析数据回调用户数据保存频域分析图 2 系统软件结构Fig.2 System software structure系统软件的工作流程是：首先进行用户登录，获得相应的权限，然后选择相应的功能模块。若是管理员，可对用
9、户基本信息进行管理，若是操作员，则只能进入数据采集与分析界面。进入采集与分析界面后，设置相关参数信息，包括选择采样通道，采样率、缓存区大小等，以便后续温度数据与振动数据的采集。系统会对采集到的信号一方面进行实时显示与存储；另一方面对振动数据进行时域分析，方便工作人员监测轴承状况。软件的整体工作流程如图 3 所示。2.1 系统的管理功能模块2.1.1 用户登录模块用户登录模块中用户的身份有两种，分别是管理员和操作员。该模块一方面为了保证系统的安全性，设置用户名和用户密码，使得工作人员必须输入正确的用户名和与之相匹配的密码才可以登录系统并使用。同时，只有管理员才能够使用用户管理功能，操作员则不具备
10、数 据 采 集 卡振动传感器温度传感器信 号 调 理 电 路（LabVIEW程序）PC机配供电模块图 1 系统硬件结构Fig.1 System hardware structure用户登录及管理数据回调采集参数配置用户管理修改密码进入主界面信号采集与显示振动信号分析数据存储退出管理退出修改退出回调结束退出采集否否是否否是是是开始图 3 软件工作流程图Fig.3 Software flow chart配置文件(INI)路径Path初始化登录退出进入系统修改密码用户管理布尔布尔布尔布尔布尔200源类刑时间控件引用原值新值功能界面2登录:值改变Read用户登录RingText.Text读写键段 功能
11、界面 0超时 1退出:值改变 2登录:值改变 3用户管理:值改变 4修改密码:值改变 5进入系统:值改变默认真Bool(严格)Visible密码图 4 用户登录模块程序框图Fig.4 User login module block diagram16软 件第 44 卷 第 9 期SOFTWARE用户管理的权限；另一方面使用不同权限进入系统时，可以选择不同的功能模块。用户登录模块的部分程序框图如图 4 所示，从图 4 中可以看到用户登录模块包含用户登录、用户管理、修改密码、进入系统等功能。2.1.2 用户管理模块用户管理模块主要由添加用户、删除用户、修改密码等功能组成。用户管理模块只能由管理员进
12、行操作，操作员无权进入此模块。用户管理模块实现的流程图如图 5 所示。开始用户管理添加用户删除用户确认保存确认保存添加用户及其信息删除用户及其信息用户信息添加完成用户信息删除完成修改密码输入原始密码输入新密码输入一致重复输入新密码密码正确退出密码修改完成是是是是否否否否图 5 用户管理模块流程图Fig.5 Flow chart of user management module使用管理员权限登录系统，可进入用户管理界面。该界面显示所有管理员和操作员的信息，并可进行用户的添加和删除等操作。程序框图如图 6 所示。在添加用户界面，输入需要添加的用户名以及用户密码，并选择用户权限，点击确定按钮后弹出
13、添加用户成功窗口后即表示系统已添加新用户。添加用户程序框图如图 7 所示。此外，管理员还可通过修改密码选项修改管理员密码。单击修改密码按钮即可进入密码修改界面，修改密码程序框图如图 8 所示。在修改密码前，会通过原始密码来校验管理员身份，校验通过后输入两次相同的新密码使绿灯亮起，点击确定按钮即可完成密码的修改。2.2 系统的处理分析功能模块2.2.1 数据采集与显示模块该模块用以实现试验台数据的采集与实时显示，是工作人员监测试验工况的重要窗口。数据采集前需要设置振动信号和温度信号的传输通道、接地方式、采样率与缓冲区大小等参数。该模块程序结构框图如图 9 所示。2.2.2 数据存储模块系统需要进
14、行存储的数据主要分为三部分，分别是用户信息数据、温度数据和振动数据。由前文中用户管理模块程序框图可知用户信息数据主要存储在 INI 文件中，其占用内存小，不需要单独设置存储方式。而试验过程中采集的温度信号和振动信号数据量较大，在采集保存过程中对写入文件的速度要求很高，所以本系统采用 TDMS 文件格式来对温度数据和振动数据进行存储7。以轴向振动数据为例，系统以时间为单位，每过配置文件(INI)路径Path表格200功能界面5表格:鼠标按下功能界面 0超时 1添加按钮:值改变 2删除按钮:值改变 3保存按钮:值改变 4退出按钮:值改变5表格:鼠标按下Set Cell ValueEnum枚举初始化
15、源类刑时间控件引用坐标按钮组合键平台组合键Point to Row ColumnPointlnBoundsCellPosition200表格管理员操作员表格单元格位置表格KeyFocusX IndexY IndexValue200图 6 用户管理模块程序框图Fig.6 User management module block diagram17李林昌 苏建新：盾构机主轴承试验台数据采集与分析系统设计用户名确定按钮密码退出按钮权限源类刑时间控件引用原值新值用户名密码用户名和密码都不能为空 0超时 1退出按钮:值改变2确定按钮:值改变 3权 限:鼠标按下 4前面板关闭用户名和密码都不能为空确定20
16、0路径Path管理员FP.IsFrontmost权限密码用户名200abcabcokokabc2确定按钮:值改变 图 7 添加用户程序框图Fig.7 Add user block diagram配置文件(INI)路径Path初始化登录退出进入系统修改密码用户管理布尔布尔布尔布尔布尔FP.OpenActivateState源类刑时间控件引用原值新值功能界面4修改密码:值改变0读写键段真Bool(严格)Visible修改密码VI路径2PathVI修改密码abc权限1登录退出进入系统修改密码布尔布尔布尔布尔真用户登录RingText.TextWrite功能界面径向接地方式径向电压最小值(V)径向电压
17、最大值(V)温度接地方式温度电压最小值(V)温度电压最大值(V)温度占用的通道径向占用的通道连续采样每通道采样点数采样频率轴向接地方式轴向电压最小值(V)轴向电压最大值(V)轴向占用的通道AI电压AI电压采样时钟每通道采样点数1001234567模拟2D DBLN通道N采样00202020202020开始采集轴向振动径向振动实时温度1图 8 修改密码程序框图Fig.8 Block diagram of password modification program图 9 数据采集与显示模块程序框图Fig.9 Block diagram of data acquisition and display
18、 module18软 件第 44 卷 第 9 期SOFTWARE5min 保存 10s 轴向振动数据，数据文件的命名格式以“年-月-日-时-分-轴向振动数据”的方式命名，如，试验测试时间为2023年5月1日12时10分，则此时保存的文件命名为“2023-05-01-12时-10分轴向振动数据”，由于文件每 5min 存储一次，所以通过此命名方式不仅可以保证存储的文件名不重复，而且为工作人员回调数据提供了很大便利。如图 10 所示为轴向振动数据存储的程序。2.2.3 时域分析模块通过对试验轴承在运行状态下产生的振动信号进行时域分析，可以对轴承的运行状态进行监测，及时发现轴承在试验过程中的异常情况
19、。峭度、峰值、对冲击脉冲故障比较敏感，对早期故障有较高的敏感性。因此本系统选取峭度指标、峰值指标、脉冲指标三个无量纲参数来对采集到的振动信号进行时域分析。对于一个给定的滚动轴承振动信号，峭度值 Kr的定义如式（1）所示：NirirmsxXKNX=441()1 （1）式（1）中 xi为振动信号，X为振动信号的均值，N 为振动信号的长度，Xrms为振动信号的标准差。峰值因子 C 的定义如式（2）所示：prmsXCX=（2）式（2）中 Xp=max|xi|，即峰值。裕度因子 CL的定义如式（3）所示：pLNiiXCxN=211 （3）时域分析的程序框图如图 11 所示。2.2.4 频域分析模块频谱分
20、析即将采集到的振动信号从时域变换到频域，程序框图如图 12 所示，观察图中是否存在故障特征频率，以此来判断是否存在故障以及故障类型8,9。目前频谱分析方法已经从离散傅里叶变换（DFT）演变为了快速傅里叶变换（FFT），FFT 相较于 DFT 能够减少计算时间提高分析效率。对振动信号 x(t)进行频域分轴向振动数据存储路径:open or create%Y-%m-%d-%H时-%M轴向写入中轴向振动数据轴向振动使能通道轴向占用的通道500025轴向振动0轴向振动数据轴向实时振动300000采样间隔时间轴向写入中图 10 数据存储程序框图Fig.10 Data storage program bl
21、ock diagram图 11 时域分析程序框图Fig.11 Block diagram of time domain analysis program轴向实时振动统计信号算术平均均方根最大值总采样数峰值因子C峭度值KR裕度因子CL19李林昌 苏建新：盾构机主轴承试验台数据采集与分析系统设计析的表达式如式（4）所示：jftX fxt edt=2()()（4）式（4）中 x(t)为时域信号，X(f)为频域信号，f 为频率，t 为时间。功率谱又称功率谱密度，它反映了信号功率在频域上的分布情况，即表示信号功率随频率变化的情况。功率谱可用自相关函数进行傅里叶变化得到，也可由直接计算幅值谱得到。对振动信
22、号 x(t)，功率谱 Sxx()定义如式（5）所示：ixxxxSRed+=1()()2 （5）其中 Rxx()为 x(t)的自相关函数。2.2.5 数据回调模块该模块可使工作人员随时查看过去某一时间段的温度和振动数据文件，并以波形图表的样式展现出来。在系统中点击数据读取选项卡即可进入数据读取模块，在该选项卡中，输入所需查看的数据文件路径，点击“开始读取文件”按钮，即可完成数据文件的读取。如图13 所示为数据读取的程序框图。文件路径开始读取文件真读取波形文件停止条件读取文件错误图 13 数据读取程序框图Fig.13 Data reading program block diagram2.3 系统
23、的整体实现本节将对前文设计的系统各个功能模块进行整合，完成软件系统的整体实现。整合后的系统可分为用户登录与管理和数据处理与分析两大子系统，下面将分别对其进行介绍。2.3.1 用户登录与管理界面打开系统后，首先进入用户登录界面，如图 14 所示的三个界面分别表示了用户登录初始界面和管理员、操作员登录完成界面。由前文可知，管理员相较于操作员而言除了能选择进入系统、修改密码外，还具有用户管理功能。用户管理功能可以查看所有用户的信息，并可添加和删除用户。用户管理和添加用户界面如图 15 所示。单击修改密码按钮即可对管理员密码进行修改。其中只有输入正确的原始密码以及两次输入的新密码一致才能成功修改密码。
24、2.3.2 数据处理与分析界面数据处理与分析界面如图 16 所示。由图 16 可以看出，数据处理与分析界面主要由五部分组成，它们分别是：（1）温度数据和振动数据的实时显示。方便工作人员对试验进行监测。(a）登录界面(a）管理界面(b）管理员界面(b）添加用户界面(c）操作员界面(c）修改密码界面图 14 用户登录界面Fig.14 User login interface图 15 用户管理界面Fig.15 User management interface图 12 频域分析程序框图Fig.12 Block diagram of frequency domain analysis program功
25、率谱频谱试验台数据采集与分析系统管理员李用户登录密码退出登录试验台数据采集与分析系统管理员李用户登录密码退出登录*用户管理修改密码进入系统试验台数据采集与分析系统操作员郭用户登录密码退出登录*进入系统用户管理密码权限用户管理.vi管理员 李 111操作员 郭 123123操作员 连 123123用户名退出保存删除用户添加用户添加用户退出确定添加用户.vi用户名密 码权 限宋song123管理员原始密码新 密 码再次输入123lili123lili123修改密码.vi修改密码退出确定20软 件第 44 卷 第 9 期SOFTWARE（2）数据文件的保存及路径。点击“是否保存数据”按钮后系统将采集
26、到的温度数据和振动数据以TDMS 文件的形式保存，并且将保存路径显示在主界面，方便工作人员查找。（3）振动数据的时域分析。通过峭度值、峰值因子和裕度因子对振动数据进行时域分析，及时发现试验过程中出现的异常情况。（4）振动数据的频域分析。通过频谱分析和功率谱分析对试验轴承的异常情况进行异常诊断。（5）对已保存数据的回看。3 试验应用系统在轴承试验台上进行了试验验证，试验台如图 17 所示，主要由驱动电机、联轴器、传动轴、试验轴承、加载系统等组成。试验进行时，由驱动电机为整个试验台提供动力，加载系统为被试轴承施加轴向载荷，通过振动传感器获取试验过程中轴承的轴向、径向振动信号，通过温度传感器获取试验
27、过程中轴承的温度信号。该试验台的驱动电机可提供轴承转速的范围为1 500rpm,加载系统的加载范围为 0 520kN。根据试验轴承特点，在轴承外圈间隔 18等分安装5 个温度传感器，在轴承外圈的轴向和径向分别安装一个振动传感器。传感器安装位置如图 18 和图 19 所示。本次试验计划对轴承进行为期 900min 的试验，期间驱动电机转速为 15r/min，轴向加载为 225kN，系统运行界面如图 20 所示。在实验进行至750min时，试验轴承温度升高至68，峭度值也由 3 左右上升至 4.9，怀疑试验轴承发生了异常9。随后将这一时刻的径向振动数据进行频域分析，如图 21 所示，可以看到此刻试
28、验轴承的频谱图和功率谱图都出现了明显的倍频。根据文献 10 的滚动轴承故障频率计算公式算得试验轴承在转速为 15r/min 时，轴承外圈的故障频率为 13.25Hz，与频域分析中的峰值频率及其倍频基本吻合，因此判断是轴承外圈发生异常。图 16 数据处理与分析界面Fig.16 Data processing and analysis interface图 17 试验台结构Fig.17 Test bed structure图 18 温度传感器安装位置Fig.18 Installation position of the temperature sensor图 19 振动传感器安装位置Fig.19
29、Installation position of vibration sensor试验台数据采集与分析系统数据采集读取与分析温度实时温度温度1温度3温度4温度2温度5403634323038实时振动0.020-0.01-0.02-0.030.01径向实时振动0.020-0.01-0.02-0.030.010.03轴向径向开始采集停止时域分析温度数据存储路径:径向写入中温度写入中轴向写入中是否保存数据?轴向振动数据存储路径:径向振动数据存储路径:842010684201068420106峰值因子C峭度值KR裕度因子CL峰值阈值峭度阈值裕度阈值123数据采集读取与分析频谱功率谱数据回看曲线0曲线0
30、幅值/ms25E-53E-52E-51E-504E-5频率/Hz0 5 101520253035404945幅值5E-53E-52E-51E-504E-5频率/Hz0 5 101520253035404945幅值100-5-10505 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 9010095时间开始读取文件文件路径曲线01432驱动电机联轴器传动轴被试轴承21李林昌 苏建新：盾构机主轴承试验台数据采集与分析系统设计(a)频谱(b)包络谱图 21 频域分析Fig.21 Frequency domain analysis将试验关停后拆开被试轴承
31、，发现试验轴承外圈出现了明显磨损，如图 22 所示，验证了上述判断。4 结语本文针对盾构机主轴承试验台开发了一套基于LabVIEW的数据采集与分析系统，该系统设计合理，操作简单，显示内容丰富。经试验验证，该系统能够正常对试验轴承的振动数据和温度数据进行实时采集、显示和存储，并能够对振动数据进行时域分析与频域分析，对轴承的早期异常情况有一定捕捉和分析能力，满足试验需求，具有一定的实用性、可靠性和工程应用价值。参考文献1 杨民强.盾构机液压系统研究进展综述J.液压与气动,2022,46(10):170-181.2 何川,封坤,方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望J.西南交通大学学报,2015,
32、50(1):97-109.3 李方义,戚小霞,李燕乐,等.盾构机关键零部件再制造修复技术综述J.中国机械工程,2021,32(7):820-831.4 舒恺,郭高鹏,张洁,等.基于LabVIEW的变压器振动信号数据采集系统J.测控技术,2023,42(1):106-112.5 秦永晋,郭亮,付力扬,等.基于LabVIEW的大功率海上风电机组增速箱轴承试验机测控系统设计J.制造技术与机床,2022(7):85-90.6 郝振兴,岳哲,杨瑞,等.基于LabVIEW的电磁阀特性测控系统J.机床与液压,2022,50(8):57-61.7 胡勇,刘强,周永清.基于LabVIEW平台数据采集卡配置参数的
33、保存与加载方法研究J.交与计算机,2004,22(6):44-46.8 孙伟峰.滚动轴承振动信号分析与数据处理系统设计与实现D.黑龙江:哈尔滨工业大学,2020.9 王柏杨,刘永强,廖英英.滚动轴承故障信号时域特征指标的敏感性分析J.轴承,2015(10):45-48.10 夏晓中.南京长江隧道泥水盾构机状态监测方案设计与实施J.国防交通工程与技术,2009,7(6):38-41+45.图 20 系统运行界面Fig.20 System operation interface图 22 试验轴承磨损图Fig.22 Test bearing wear diagram试验台数据采集与分析系统数据采集读
34、取与分析温度实时温度403634323038轴向实时振动0.020-0.01-0.02-0.030.01径向实时振动0.020-0.01-0.02-0.030.010.03径向轴向温度1温度3温度4温度2温度5停止开始采集轴向振动数据存储路径:径向振动数据存储路径:时域分析峰值因子C峭度值KR裕度因子CL峰值阈值峭度阈值裕度阈值径向写入中轴向写入中温度写入中是否保存数据?CUsers82400DocumentsLabVIEW Data温度_23-05-30_1827.tdmsCUsers82400DocumentsLabVIEW Data轴向振动_23-05-30_1827.tdmsCUsers182400DocumentsLabVIEW Data径向振动_23-05-30_1827.tdms温度数据存储路径:236842010684201068420106
