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1、第30卷第6期 辽宁工业大学学报(自然科学版) Vol.30, No.6 2010 年 12 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition) Dec. 2010 收稿日期：2010-10-26 作者简介：霍红博(1982-)，男(满族)，辽宁兴城人，硕士生。 何 辉(1954-)，男，辽宁锦州人，教授。 基于 Labview 的发动机故障振动信号分析 霍红博, 何 辉 （辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001） 摘 要：基于 Labview 测试系统的软硬件选择与设计，在此基础上
2、利用了 Labview 的高级信号处理工具箱中 的小波包信号分解的模块，分别对发动机怠速 900 r/min 及中速 2 000 r/min 的正常及故障振动信号实现了小波包 分解。通过实际测量和分析，验证了该方法的可行性，并得到初步规律。 关键词：发动机故障；振动信号；Labview 测试系统；小波包分解 中图分类号：U464 文献标识码：B 文章编号：1674-3261(2010)06-0-0 Analysis of Failure Vibration Signal from Engine Based on Labview HUO Hong-bo, HE Hui （Automobile v
3、ibration signal: Labview testing system; wavelet packet decomposition Abstract: The software design and hardware choice of testing system were completed based on Labview, wavelet decomposition of models in advanced signal process toolbox of Labview was adopted to have decomposed the failure and norm
4、al vibration signals of engine under idle 900 r/min and middle speed 2 000 r/min. feasibility of this method is verified with the actual measurement and analysis, with preliminary rule obtained . 汽车发动机是汽车的重要动力装置，其结构复 杂，工作条件恶劣，在长期使用过程中处于各种复 杂环境，发动机技术状态参数或性能参数将会降 低，这终将导致故障，从而使得发动机部分或完全 丧失工作能力，因此发动机故障诊
5、断已经引起人们 高度重视。通过发动机振动信号的分析可以为发动 机故障诊断提供依据 1。 本课题在建立Labview测试 系统基础上，对发动机的正常和故障振动信号进行 测试与分析，对于掌握发动机的故障特征，为发动 机故障诊断提供有效的方法和手段。 1 系统硬件组成及软件设计 1.1 系统硬件组成 首先根据实际需要进行了硬件的选择，包括： 压电加速度传感器（图1），电荷放大器(图2), NI USB-6009数据采集卡(图3)。 本课题主要用到的编程软件是Labview，同时 要安装NI-DAQmx驱动， 还需要用到LabV IEW的高 级小波分析工具箱。 1.2 软件的实现过程 (1)小波分解原
6、理。 小波分解是将频带进行多层 次划分，对多分辨率，分析没有细分的高频部分进 一步分解。并能够根据被分析信号的特征，自适应 地选择相应频带，使之与信号频谱相匹配，从而提 高了时频分辨率，因此小波分析具有更广泛的应用 价值。时域信号为f(t),则其连续小波变换为： 1 (, )( )()d f tb Wa bf tt aa + = 、 (1) 390 辽宁工业大学学报(自然科学版) 第 30 卷 图 1 加速度传感器 图 2 电荷放大器 图3 NI USB-6009数据采集卡 工程实际中一般是经过实际采样得到离散信 号，因此多用离散二进小波变换进行小波分析，离 散二进小波变换的实质是将小波变换中
7、的 a,b 离散 为的形式。即 ( , )(2 ,2) jk ff Wa bW = (2) 通过小波分解可将原始信号分解成不同频率 段的时域信号24。 (2)具体软件实现。LabVIEW 的高级小波分析 工具箱中提供了小波包工具箱。 在该工具箱中,主要 包括了 Create WP session、Dispose WP session、WP Decomposition、WP Reconstruction 等模块。利用这 些模块编制程序如图 4. 图4 程序模块 (3)模块重要参数说明。如图 5, level 参数存在 于 WP Decomposition 模块中， 表示小波分解的层次 数。 Pa
8、th： 路径。 存在于 WP Read Node 和 WP Write Node 两模块中,表示分解路径。path 与 level 存在一 定的关系：level 为 1 时，path 为 0 或 1；level 为 2 时，path 为 11，10，01，00 即 path 中 0，1 总数为 尺度值。故可以通过对 path 的设置来同时设定 level， 并用 WP Read Node 来读取相应 path 的信号。 例 level =2, 应该分两层，4 段。则 path 可为 00，01，10，11 转化十进制分别对应第 1 段，第 2 段，第 3 段，第 4 段5。 图5 level和
9、path参数 2 振动信号测试及分析 本实验分别对发动机怠速 900 rpm、中速 2 000 rpm 下缸盖， 缸壁的振动加速度进行了测量， 并对 其进行 3 层小波分解。 图 6、7 分别为怠速下缸盖垂直加速度的正常 信号与故障信号（拔掉火花塞）的 1 级小波信号， 频率为 012.5 Hz 段。可以看出故障信号的能量值 是无故障信号能量值的 1.25 倍左右。 图 6 怠速工况下 012.5 Hz 无故障信号 图7 怠速工况下012.5 Hz故障信号 图 8、9 分别为怠速下缸盖垂直加速度正常信 号与故障信号（拔掉火花塞）的 1 级小波信号，频 率为 12.525 Hz 段， 可以看出故
10、障信号的能量值是 无故障信号的能量值的 2 倍左右。高频段无论有无 故障，都比低频段高。 图10, 11表示怠速工况下发动机侧面水平加速 度的正常信号与故障信号（拔掉火花塞），频率为 012.5 Hz. 侧面的振动要比缸盖强烈，信号侧面有 故障信号比无故障信号能量值大。 图 12，13 分别表示中速 2 000 rpm 工况下发 动机侧面水平加速度的正常信号与故障信号（拔 掉火花塞），频率为 12.525 Hz. 此外中速振动相 第 6 期 霍红博等：基于 Labview 的发动机故障振动信号分析 391 对怠速要强烈得多，有故障信号相对于无故障信 号的变化规律与怠速一样。 图8 怠速工况下1
11、2.525 Hz无故障信号 图9 怠速工况下12.525 Hz故障信号 图10 怠速工况下侧面012.5 Hz无故障信号 图11 怠速工况下侧面012.5 Hz故障信号 发动机怠速下在缸盖,缸壁的小波分解测试结 果如表 1，表 2 所示。 通过分析发现， 在缸盖位置测量时 37.5 50 Hz 频率段下，无故障特征值为 14.4，有故障特征值 15.5，都是所有频率段中最大值。在侧面位置测量 时 75 87.5 Hz 频率段下无故障特征值为 10.5，有 故障特征值为 12.2，都是所有频率段中最大值。 图12 中速工况下12.525 Hz发动机无故障信号 图13 中速工况下12.525 Hz
12、发动机故障信号 表 1 发动机怠速下缸盖位置的小波分解测试结果 频率段（Hz） 无故障特征值 有故障特征值 0-12.5 6.2 6.4 12.5-25 9.1 12.9 25-37.5 6.5 6.6 37.5-50 14.4 15.5 50-62.5 2.9 3.2 62.5-75 4.3 5.6 75-87.5 3.9 6.6 87.5-100 6.9 9.4 表 2 发动机怠速下侧面位置的小波分解测试结果 频率段（Hz）无故障特征值 有故障特征值 0-12.5 5.5 7.9 12.5-25 3.4 5.1 25-37.5 6.5 6.4 37.5-50 6.4 8.4 50-62.5
13、 5.4 8.0 62.5-75 5.6 10.2 75-87.5 10.5 12.2 87.5-100 7.2 11.5 3 结 论 通过发动机在怠速 900 rpm 和中速 2 000 rpm 工况下正常和故障信号的测试与分析表明： (1)随着频率提高无论正常信号还是故障信号 能量值都增大。 (2)无论缸盖还是侧面故障信号能量值都高于 无故障信号能量值。 (3)缸盖信号能量集中在 37.5 50 Hz 频率段。 (4)缸壁（侧面）信号能量集中在 7587.5 Hz 频率段。 (下转第 394 页) 394 辽宁工业大学学报(自然科学版) 第 30 卷 3 发展我国电动轿车造型深远意义 3.
14、1 造型主导消费的设计理念深入人心 当前，世界汽车市场产品竞争十分激烈，汽车 的功能结构设计不可忽视，尤其以造型争夺顾客， 造型主导汽车消费的设计理念已深入人心，在经历 了一百多年的发展之后，当今汽车技术的普及及发 展速度已非上个世纪初能比，因而同等级汽车的功 能之间不再有明显的差别。由于新车在技术上的差 异越来越小，其造型设计的重要性就凸现出来。对 普通顾客形成冲击的首先是汽车的造型，而后其他 因素才会逐渐对顾客形成影响。 3.2 电动轿车造型设计中国化是必经之路 不同国家的汽车设计都展现出不同的风格，德 国车的规格严谨，日本车的精工细造，美国车的豪 华气派，法国车的浪漫情调，无不蕴含着深厚
15、的民 族精神，而中国自主品牌的电动轿车缺少的恰恰是 中国元素。 如今我国民族自信心和自豪感在思想意识中 逐渐增强，人们开始怀念汉唐时的盛世文化，找寻 失落很久的民族优越感。现在，大的环境让我们开 始重新认识祖先留下的有形和无形的文化遗产。中 华民族传统文化光辉灿烂，我们有着历史性的任务 去传承它，而电动轿车造型设计正好具有引导大众 消费趣味的独特优势。车对很多人来说，已不仅仅 是一种交通工具， 而是一种文化， 一种个性的体现。 因此，传统文化融入电动轿车造型设计中，对设计 师来说是一种责任，而中国元素融入电动轿车造型 设计是汽车造型设计发展的必经之路。 参考文献： 1 胡平. 对汽车造型设计与
16、文化关系的研究J. 吉林大学 学报, 2004(2): 23-30. 2 周全. 概念轿车造型与中国元素相结合研究J. 吉林大 学学报, 2007(7): 56-64. 3 韩忠浩. 汽车造型设计M. 沈阳: 东北大学出版社, 2008. 责任编校：刘亚兵 (上接第 391 页) 参考文献： 1 谭达明, 秦萍, 余欲为. 柴油机工作过程故障振动诊断 的基础研究J. 内燃机学报, 1992, 10(4): 31-34. 2 范红波, 张英堂, 孙烨. 小波包和 SVM 在发动机故障诊 断中的应用J. 车用发动机, 2006(4): 22-32. 3 王江萍, 鲍泽富. 小波变换在柴油发动机故障
17、诊断中的 应用J. 石油机械, 2006(9): 15-29. 4 万良虹. 基于小波分析的滚动轴承故障诊断方法研究 D. 北京: 华北电力大学硕士论文, 2004. 5 王维强. 虚拟仪器与网络技术在汽车发动机故障远程诊 断中的应用J. 内燃机, 2006(8): 10-13. 6 李业德, 张景元, 李业刚, 等. 基于多传感器的发动机 故障诊断模糊专家系统J. 故障诊断, 2006(10): 10-15. 7 赵庆海, 陈一军, 高庶勤. MATLAB和LabVIEW混合编 程在齿轮故障识别中的应用J. 中国测试, 2009(7): 17-21. 8 E Douka, S Loutridis, A Trochidi. Crack identification in beams using wavelet analysisJ. International Journal of Solids and Structures, 2003, 40: 3557-3569. 责任编校：刘亚兵