傳感器性能如何實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的監(jiān)控解決方案

半導(dǎo)體技術(shù)和能力的進(jìn)步為在工業(yè)應(yīng)用中感知、測量、解釋和分析數(shù)據(jù)提供了新的機(jī)會，特別是基于狀態(tài)的監(jiān)測解決方案?；?MEMS 技術(shù)的下一代傳感器，結(jié)合用于診斷和預(yù)測應(yīng)用的先進(jìn)算法，擴(kuò)大了測量各種機(jī)器的機(jī)會，并提高了有效監(jiān)控設(shè)備的能力、延長正常運(yùn)行時(shí)間、提高工藝質(zhì)量和提高產(chǎn)量。

為了啟用這些新功能并獲得基于狀態(tài)的監(jiān)控的好處，新的解決方案必須準(zhǔn)確、可靠和穩(wěn)健，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控可以擴(kuò)展到對潛在設(shè)備故障的基本檢測之外，以提供有洞察力和可操作的信息。下一代技術(shù)的性能與系統(tǒng)級洞察力相結(jié)合，可以更深入地了解解決這些挑戰(zhàn)所需的應(yīng)用程序和要求。

振動是機(jī)器診斷的關(guān)鍵組成部分之一，已被可靠地用于監(jiān)控各種工業(yè)應(yīng)用中最關(guān)鍵的設(shè)備。存在大量文獻(xiàn)來支持啟用高級振動監(jiān)測解決方案所需的各種診斷和預(yù)測能力。較少涉及的是振動傳感器性能參數(shù)（例如帶寬和噪聲密度）與終端應(yīng)用故障診斷能力之間的關(guān)系。本文介紹了工業(yè)自動化應(yīng)用中的主要機(jī)器故障類型，并確定了與特定故障相關(guān)的關(guān)鍵振動傳感器性能參數(shù)。

下面重點(diǎn)介紹了幾種常見故障類型及其特征，以深入了解開發(fā)基于狀態(tài)的監(jiān)控解決方案時(shí)必須考慮的一些關(guān)鍵系統(tǒng)要求。這些包括但不限于不平衡、不對中、齒輪故障和滾動軸承缺陷。

不平衡

什么是不平衡，是什么原因造成的？

不平衡是質(zhì)量分布不均，導(dǎo)致負(fù)載將質(zhì)心從旋轉(zhuǎn)中心移開。系統(tǒng)不平衡可歸因于不正確的安裝，例如聯(lián)軸器偏心、系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、組件故障，甚至碎片或其他污染物的堆積。例如，大多數(shù)感應(yīng)電動機(jī)中內(nèi)置的冷卻風(fēng)扇可能會由于灰塵和油脂的不均勻堆積或風(fēng)扇葉片損壞而變得不平衡。

為什么不平衡系統(tǒng)是一個(gè)問題？

不平衡的系統(tǒng)會產(chǎn)生過度的振動，這些振動會機(jī)械地耦合到系統(tǒng)內(nèi)的其他組件，例如軸承、聯(lián)軸器和負(fù)載——可能會加速處于良好運(yùn)行狀態(tài)的組件的劣化。

如何檢測和診斷不平衡

整個(gè)系統(tǒng)振動的增加可能指向由不平衡系統(tǒng)造成的潛在故障，但通過頻域分析來診斷振動增加的根本原因。不平衡系統(tǒng)以系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速率（通常稱為 1×）產(chǎn)生一個(gè)信號，其幅度與旋轉(zhuǎn)速率的平方成正比，F(xiàn) = m × w2。1× 分量通常始終存在于頻域中，因此通過測量 1× 和諧波的幅度來識別不平衡系統(tǒng)。如果 1× 的幅度高于基線測量值且諧波遠(yuǎn)小于 1×，則可能是不平衡系統(tǒng)。水平和垂直相移振動分量也可能出現(xiàn)在不平衡系統(tǒng)中。

診斷不平衡系統(tǒng)時(shí)必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

需要低噪聲來減少傳感器影響并能夠檢測由不平衡系統(tǒng)產(chǎn)生的小信號。這對于傳感器、信號調(diào)理和采集平臺很重要。

檢測這些小的不平衡需要采集系統(tǒng)有足夠的分辨率來提取信號（尤其是基線信號）。

帶寬對于捕獲除了旋轉(zhuǎn)速率之外的足夠信息以提高診斷的準(zhǔn)確性和信心是必要的。1× 諧波可能會受到其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對準(zhǔn)或機(jī)械松動，因此分析轉(zhuǎn)速或 1× 頻率的諧波有助于區(qū)分系統(tǒng)噪聲和其他潛在故障。1 對于旋轉(zhuǎn)速度較慢的機(jī)器，基本旋轉(zhuǎn)速率可以遠(yuǎn)低于 10 rpm，這意味著傳感器的低頻響應(yīng)對于捕獲基本旋轉(zhuǎn)速率至關(guān)重要。Analog Devices 的 MEMS 傳感器技術(shù)能夠檢測低至直流的信號，并能夠測量旋轉(zhuǎn)速度較慢的設(shè)備，同時(shí)還能夠測量通常與軸承和齒輪箱缺陷相關(guān)的較高頻率成分的寬帶寬。

為什么錯(cuò)位是一個(gè)問題？

錯(cuò)位誤差會迫使組件在比組件最初設(shè)計(jì)處理的壓力或負(fù)載更高的壓力或負(fù)載下運(yùn)行，從而影響更大的系統(tǒng)，并最終導(dǎo)致過早失效。

如何檢測和診斷錯(cuò)位

錯(cuò)位誤差通常顯示為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的二次諧波，稱為 2×。2x 分量并不總是出現(xiàn)在頻率響應(yīng)中，但當(dāng)它出現(xiàn)時(shí)，可以使用幅度與 1x 的關(guān)系來確定是否存在未對準(zhǔn)。根據(jù)錯(cuò)位的類型、測量位置和方向信息，錯(cuò)位增加可激發(fā)高達(dá) 10 倍的諧波。1 圖 4 突出顯示了與潛在錯(cuò)位故障相關(guān)的特征。

圖 1. 基于旋轉(zhuǎn)速率或 1 倍頻率的振幅增加，存在不平衡系統(tǒng)的可能性。

錯(cuò)位

什么是錯(cuò)位，是什么原因造成的？

顧名思義，系統(tǒng)錯(cuò)位發(fā)生在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸未對齊時(shí)。圖 2 顯示了一個(gè)理想的系統(tǒng)，從電機(jī)開始對齊，然后是軸、聯(lián)軸器，一直到負(fù)載（在本例中是泵）。

圖 2. 一個(gè)理想對齊的系統(tǒng)。

錯(cuò)位可能發(fā)生在平行方向和角度方向，也可能是兩者的組合（見圖 3）。當(dāng)兩個(gè)軸在水平或垂直方向上發(fā)生位移時(shí)，就會發(fā)生平行錯(cuò)位。當(dāng)其中一個(gè)軸與另一個(gè)軸成一定角度時(shí)，就會發(fā)生角度不對中。

圖 3. 不同未對準(zhǔn)的示例包括 （a） 角度、（b） 平行或兩者的組合。

圖 4. 增加的 2 倍諧波與增加的高次諧波相結(jié)合，表明存在潛在的失準(zhǔn)。

診斷失準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

需要低噪聲和足夠的分辨率來檢測小的錯(cuò)位。機(jī)器類型、系統(tǒng)和工藝要求以及轉(zhuǎn)速決定了允許的不對中公差。

帶寬對于捕獲足夠的頻率范圍和提高診斷的準(zhǔn)確性和信心是必要的。1×諧波可能會受到其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對準(zhǔn)，因此分析1×頻率的諧波有助于區(qū)分其他系統(tǒng)故障。對于更高轉(zhuǎn)速的機(jī)器尤其如此。例如，運(yùn)行在 10，000 rpm 以上的機(jī)器（例如機(jī)床）通常需要超過 2 kHz 的質(zhì)量信息，以便以高可信度準(zhǔn)確檢測不平衡。

多向信息還提高了診斷的準(zhǔn)確性，并提供了對錯(cuò)位誤差類型和錯(cuò)位方向的洞察。

系統(tǒng)的相位與定向振動信息相結(jié)合，進(jìn)一步改進(jìn)了對錯(cuò)位錯(cuò)誤的診斷。測量機(jī)器上不同點(diǎn)的振動并確定相位測量值或整個(gè)系統(tǒng)的差異，可以深入了解錯(cuò)位是角度錯(cuò)位、平行錯(cuò)位還是兩種錯(cuò)位類型的組合。

滾動體軸承缺陷

什么是滾動體軸承缺陷，是什么原因造成的？

滾動元件軸承缺陷通常是機(jī)械引起的應(yīng)力或潤滑問題的偽影，會在軸承的機(jī)械部件內(nèi)產(chǎn)生小裂縫或缺陷，從而導(dǎo)致振動增加。

為什么滾動元件軸承故障是一個(gè)問題？滾動軸承幾乎存在于所有類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，從大型渦輪機(jī)到慢速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，從相對簡單的泵和風(fēng)扇到高速 CNC 主軸。軸承缺陷可能是潤滑污染、安裝不當(dāng)、高頻放電電流或系統(tǒng)負(fù)載增加的跡象。故障可能導(dǎo)致災(zāi)難性的系統(tǒng)損壞，并對其他系統(tǒng)組件產(chǎn)生重大影響。

如何檢測和診斷滾動軸承故障？

有許多技術(shù)可用于診斷軸承故障，并且由于軸承設(shè)計(jì)背后的物理特性，可以根據(jù)軸承幾何形狀、旋轉(zhuǎn)速度和缺陷類型計(jì)算每個(gè)軸承的缺陷頻率，這有助于診斷故障。軸承缺陷頻率在圖 6 中列出。

圖 6. 軸承缺陷頻率取決于軸承類型、幾何形狀和轉(zhuǎn)速。

對來自特定機(jī)器或系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)的分析通常依賴于時(shí)域和頻域分析的結(jié)合。時(shí)域分析可用于檢測系統(tǒng)振動水平整體增加的趨勢。但是，此分析中包含的診斷信息很少。頻域分析提高了診斷洞察力，但由于其他系統(tǒng)振動的影響，識別故障頻率可能很復(fù)雜。

對于軸承缺陷的早期診斷，缺陷頻率的諧波用于識別早期或初期故障，以便在發(fā)生災(zāi)難性故障之前對其進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。為了檢測、診斷和理解軸承故障的系統(tǒng)影響，圖 7 所示的包絡(luò)檢測技術(shù)結(jié)合頻域中的頻譜分析通?？梢蕴峁└钊氲男畔?。

圖 7. 包絡(luò)檢測等技術(shù)可以從寬帶寬振動數(shù)據(jù)中提取早期軸承缺陷特征。

診斷滾動軸承故障時(shí)必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)范？

低噪聲和足夠的分辨率對于檢測早期軸承缺陷至關(guān)重要。通常，這些缺陷特征在缺陷開始期間的幅度較低。由于設(shè)計(jì)公差，軸承固有的機(jī)械滑移通過在軸承的頻率響應(yīng)中跨多個(gè)區(qū)間傳播幅度信息，進(jìn)一步降低了振動幅度，因此需要低噪聲來更早地檢測信號。

帶寬對于軸承缺陷的早期檢測至關(guān)重要。在旋轉(zhuǎn)過程中每次撞擊缺陷時(shí)都會產(chǎn)生一個(gè)包含高頻成分的脈沖（參見圖 7）。監(jiān)測軸承缺陷頻率的諧波，而不是轉(zhuǎn)速的諧波，以發(fā)現(xiàn)這些早期故障。由于軸承缺陷頻率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，這些早期特征可能出現(xiàn)在幾千赫茲范圍內(nèi)，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 10 kHz 至 20 kHz 的范圍。即使對于低速設(shè)備，軸承缺陷的固有性質(zhì)也需要更廣泛的用于早期檢測的帶寬，以避免系統(tǒng)諧振和影響較低頻帶的系統(tǒng)噪聲的影響。

動態(tài)范圍對于軸承缺陷監(jiān)測也很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)載和缺陷會影響系統(tǒng)所經(jīng)歷的振動。增加的載荷會導(dǎo)致作用在軸承和缺陷上的力增加。軸承缺陷還會產(chǎn)生激發(fā)結(jié)構(gòu)共振的脈沖，放大系統(tǒng)和傳感器所經(jīng)歷的振動。隨著機(jī)器在停止/啟動條件或正常運(yùn)行期間加速和減速，不斷變化的速度為系統(tǒng)共振成為潛在的機(jī)會興奮，導(dǎo)致更高振幅的振動。傳感器的飽和會導(dǎo)致信息丟失、誤診，并且在某些技術(shù)的情況下會損壞傳感器元件。

齒輪缺陷

什么是齒輪缺陷，是什么原因造成的？

由于疲勞、剝落或點(diǎn)蝕，齒輪故障通常發(fā)生在齒輪機(jī)構(gòu)的齒中。這些可以表現(xiàn)為齒輪根部的裂紋或齒面金屬的脫落。它們可能由磨損、負(fù)載過大、潤滑不良、間隙以及偶爾不正確的安裝或制造缺陷引起。

為什么齒輪故障是一個(gè)問題？

齒輪是許多工業(yè)應(yīng)用中動力傳輸?shù)闹饕⑶页惺苤薮蟮膽?yīng)力和負(fù)載。它們的健康對于整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要?？稍偕茉搭I(lǐng)域的一個(gè)眾所周知的例子是，導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)停機(jī)（以及隨之而來的收入侵蝕）的最大原因是主動力系統(tǒng)中的多級變速箱發(fā)生故障。類似的考慮也適用于工業(yè)應(yīng)用。

如何檢測和診斷齒輪故障？

由于難以在故障附近安裝振動傳感器以及由于系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)機(jī)械激勵(lì)而存在顯著的背景噪聲，因此齒輪故障難以檢測。在更復(fù)雜的齒輪箱系統(tǒng)中尤其如此，其中可能存在多個(gè)旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪比和嚙合頻率。 因此，在檢測齒輪故障時(shí)可以采取多種互補(bǔ)的方法，包括聲發(fā)射分析、電流特征分析和石油碎屑分析。

在振動分析方面，齒輪箱外殼是加速度計(jì)的典型安裝位置，主要振動模式是軸向方向。健康的齒輪會以稱為齒輪嚙合頻率的頻率產(chǎn)生振動特征。這等于軸頻率和齒輪齒數(shù)的乘積。通常還存在一些與制造和組裝公差相關(guān)的調(diào)制邊帶。這在圖 8 中針對健康齒輪進(jìn)行了說明。當(dāng)出現(xiàn)諸如齒裂紋等局部故障時(shí)，每轉(zhuǎn)中的振動信號將包括系統(tǒng)在相對較低的能量水平下對短時(shí)沖擊的機(jī)械響應(yīng)。這通常是一個(gè)低幅度的寬帶信號，通常被認(rèn)為是非周期性和非平穩(wěn)的。

圖 8. 曲軸轉(zhuǎn)速約為 1000 rpm，齒輪轉(zhuǎn)速約為 290 rpm，齒輪齒數(shù) = 24 的健康齒輪的頻譜。

由于這些特殊特性，標(biāo)準(zhǔn)頻域技術(shù)本身并不適合準(zhǔn)確識別齒輪故障。頻譜分析可能無法檢測到早期齒輪故障，因?yàn)闆_擊能量包含在邊帶調(diào)制中，邊帶調(diào)制也可能包含來自其他齒輪對和機(jī)械部件的能量。時(shí)間同步平均等時(shí)域技術(shù)或小波分析和包絡(luò)解調(diào)等混合域方法通常更合適。

診斷齒輪故障時(shí)必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

寬帶寬通常在齒輪故障檢測中非常關(guān)鍵，因?yàn)辇X輪齒數(shù)在頻域中充當(dāng)乘數(shù)。即使對于相對低速的系統(tǒng)，所需的檢測頻率范圍也很快被推高到數(shù) kHz 區(qū)域。此外，局部故障進(jìn)一步擴(kuò)展了帶寬需求。

出于多種原因，分辨率和低噪聲非常關(guān)鍵。將振動傳感器安裝在靠近特定故障區(qū)的困難意味著機(jī)械系統(tǒng)對振動信號的衰減可能更高，因此能夠檢測到低能量信號至關(guān)重要。此外，由于信號不是靜態(tài)周期性信號，因此不能依賴從高本底噪聲中提取低幅度信號的標(biāo)準(zhǔn) FFT 技術(shù)——傳感器本身的本底噪聲必須很低。在齒輪箱環(huán)境中尤其如此，在齒輪箱環(huán)境中，齒輪箱的不同元件混合了多種振動特征。除了這些考慮因素之外，早期檢測的重要性不僅是出于資產(chǎn)保護(hù)的原因，也是出于信號調(diào)理的原因。

概括

雖然很常見，但不平衡、不對中、滾動元件軸承缺陷和齒輪齒故障只是可以使用高性能振動傳感器檢測和診斷的眾多故障類型中的一小部分。更高的傳感器性能與適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級考慮相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)下一代基于狀態(tài)的監(jiān)控解決方案，從而更深入地了解各種工業(yè)設(shè)備和應(yīng)用的機(jī)械操作。這些解決方案將改變維護(hù)的執(zhí)行方式和機(jī)器的運(yùn)行方式，最終減少停機(jī)時(shí)間、提高效率并為下一代設(shè)備提供新功能。

表 1. 每個(gè)傳感器參數(shù)的要求

對于表 1，低帶寬被認(rèn)為 《1 kHz，中等帶寬在 1 kHz 到 5 kHz 之間，高帶寬被認(rèn)為 》5 kHz。低噪聲密度被認(rèn)為 》1 mg/√Hz，中等噪聲密度在 100 μg/√Hz 到 1 mg/√Hz 之間，高噪聲密度被認(rèn)為 《100 μg/√Hz。低動態(tài)范圍被認(rèn)為 《5 g，中等動態(tài)范圍在 5 g 到 20 g 之間，高動態(tài)范圍被認(rèn)為 》20 g。

作者：Pete Sopcik，Dara O‘Sullivan

審核編輯：郭婷