半導(dǎo)體技術(shù)和能力的進(jìn)步為工業(yè)應(yīng)用（特別是狀態(tài)監(jiān)控解決方案）檢測、測量、解讀、分析數(shù)據(jù)提供了新的機(jī)會(huì)?；贛EMS技術(shù)的新一代傳感器與診斷預(yù)測應(yīng)用的先進(jìn)算法相結(jié)合，擴(kuò)大了測量各種機(jī)器和提高能力的機(jī)會(huì)，有助于高效監(jiān)控設(shè)備，延長正常運(yùn)行時(shí)間，增強(qiáng)過程質(zhì)量，提升產(chǎn)量。

為了實(shí)現(xiàn)這些新能力并獲得狀態(tài)監(jiān)控的益處，新解決方案必須準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)健，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控能夠擴(kuò)展到對(duì)潛在設(shè)備故障的基本檢測之外，提供富有洞察力和可操作的信息。新一代技術(shù)的性能與系統(tǒng)級(jí)洞察力相結(jié)合，有助于人們更深入地了解解決這些挑戰(zhàn)所需的應(yīng)用和要求。

振動(dòng)是機(jī)器診斷的關(guān)鍵要素之一，已被可靠地運(yùn)用于監(jiān)控各種工業(yè)應(yīng)用中的最關(guān)鍵設(shè)備。有大量文獻(xiàn)來支持實(shí)現(xiàn)高級(jí)振動(dòng)監(jiān)控解決方案所需的各種診斷和預(yù)測能力。但是，關(guān)于振動(dòng)傳感器性能參數(shù)（如帶寬和噪聲密度）與最終應(yīng)用故障診斷能力之間關(guān)系的文獻(xiàn)則不是很多。本文介紹工業(yè)自動(dòng)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)的振動(dòng)傳感器關(guān)鍵性能參數(shù)。

下面重點(diǎn)介紹幾種常見故障類型及其特性，以便深入了解開發(fā)狀態(tài)監(jiān)控解決方案時(shí)必須考慮的一些關(guān)鍵系統(tǒng)要求。所述故障類型包括但不限于不平衡、未對(duì)準(zhǔn)、齒輪故障和滾動(dòng)軸承缺陷。

不平衡

什么是不平衡，什么原因?qū)е虏黄胶猓?/p>

不平衡是指質(zhì)量分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致載荷使質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心。系統(tǒng)不平衡可歸因于安裝不當(dāng)（例如聯(lián)軸器偏心）、系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、部件故障，甚至碎屑或其他污染物的累積。舉例來說，大多數(shù)感應(yīng)電機(jī)內(nèi)置的散熱風(fēng)扇可能由于灰塵和油脂的不均勻積聚或扇葉損壞而變得不平衡。

為什么不平衡系統(tǒng)是一個(gè)問題？

不平衡系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生過大振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)機(jī)械耦合到系統(tǒng)內(nèi)的其他部件，如軸承、聯(lián)軸器和負(fù)載，進(jìn)而可能導(dǎo)致處于良好運(yùn)行狀態(tài)的部件加速劣化。

如何檢測和診斷不平衡

整體系統(tǒng)振動(dòng)增加可能表明存在由不平衡系統(tǒng)引起的潛在故障，但振動(dòng)增加的根本原因需要通過頻域分析來診斷。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(hào)，其幅度與旋轉(zhuǎn)速率的平方成比例，F(xiàn) = m×w2。1×分量在頻域中通常總是存在，因此，通過測量1x和諧波的幅度可以識(shí)別不平衡系統(tǒng)。如果1×的幅度高于基線測量且諧波遠(yuǎn)小于1×，則很可能存在不平衡系統(tǒng)。水平和垂直相移振動(dòng)分量也可能出現(xiàn)在不平衡系統(tǒng)中1。

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

噪聲必須很低，以便降低傳感器的影響并支持檢測由不平衡系統(tǒng)產(chǎn)生的小信號(hào)。這對(duì)于傳感器、信號(hào)調(diào)理和采集平臺(tái)非常重要。

為了檢測微小的不平衡，采集系統(tǒng)需要有足夠高的分辨率來提取信號(hào)（尤其是基線信號(hào)）。

另外還需要足夠的帶寬來捕獲充分的信息（不光是旋轉(zhuǎn)速率），以提高診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。1×諧波可能受其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對(duì)準(zhǔn)或機(jī)械松動(dòng)，因此分析旋轉(zhuǎn)速率（或1×頻率）的諧波可以幫助區(qū)分系統(tǒng)噪聲和其他潛在故障1。用于慢速旋轉(zhuǎn)機(jī)器，基本旋轉(zhuǎn)速率可能遠(yuǎn)低于10 rpm，這意味著傳感器的低頻響應(yīng)對(duì)于捕獲基本旋轉(zhuǎn)速率至關(guān)重要。ADI公司的MEMS傳感器技術(shù)可以檢測低至直流的信號(hào)，并能夠測量較慢的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，同時(shí)還能測量寬帶寬，以獲得通常與軸承和齒輪箱缺陷相關(guān)的更高頻率內(nèi)容。

圖1.旋轉(zhuǎn)速率或1X頻率的幅度增加可能意味著存在不平衡系統(tǒng)。

未對(duì)準(zhǔn)

什么是未對(duì)準(zhǔn)，什么原因?qū)е挛磳?duì)準(zhǔn)？

顧名思義，當(dāng)兩根旋轉(zhuǎn)軸未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生系統(tǒng)未對(duì)準(zhǔn)現(xiàn)象。圖2顯示了一個(gè)理想的系統(tǒng)，其中從電機(jī)開始對(duì)準(zhǔn)，然后是軸、聯(lián)軸器，一直到負(fù)載（本例中是泵）。

圖2.理想的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

未對(duì)準(zhǔn)可以在平行方向和角度方向上發(fā)生，也可以是兩者的組合（參見圖3）。當(dāng)兩根軸在水平或垂直方向上錯(cuò)位時(shí)，稱為平行未對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)其中一根軸與另一根軸成一個(gè)角度時(shí)，稱為角度未對(duì)準(zhǔn)2。

圖3.不同未對(duì)準(zhǔn)示例，包括（a）角度、（b）平行或兩者的組合。

為什么未對(duì)準(zhǔn)是一個(gè)問題？

未對(duì)準(zhǔn)誤差可能會(huì)迫使部件在高于最初設(shè)計(jì)能力的應(yīng)力或負(fù)載下工作，從而影響更大的系統(tǒng)，最終可能導(dǎo)致過早失效。

如何檢測和診斷未對(duì)準(zhǔn)

未對(duì)準(zhǔn)誤差通常表現(xiàn)為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速率的二次諧波，稱為2×。2x分量在頻率響應(yīng)中不一定存在，但當(dāng)它存在時(shí)，其與1x的幅度關(guān)系可用來確定是否存在未對(duì)準(zhǔn)。增加的對(duì)準(zhǔn)誤差可以將諧波激勵(lì)到10×，具體取決于未對(duì)準(zhǔn)的類型、測量位置和方向信息1。圖4突出顯示與潛在未對(duì)準(zhǔn)故障相關(guān)的特征。

圖4.不斷增加的2×諧波加上不斷增加的更高次諧波，表明可能存在未對(duì)準(zhǔn)現(xiàn)象。

診斷未對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

為了檢測細(xì)小的未對(duì)準(zhǔn)，需要低噪聲和足夠高的分辨率。機(jī)器類型、系統(tǒng)和工藝要求、旋轉(zhuǎn)速率決定了允許的未對(duì)準(zhǔn)容差。

另外還需要足夠的帶寬來捕獲充分的頻率范圍，以提高診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。1×諧波可能受其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對(duì)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。這尤其適合于較高轉(zhuǎn)速的機(jī)器。例如，為了準(zhǔn)確可靠地檢測不平衡，轉(zhuǎn)速超過10，000 rpm的機(jī)器（機(jī)床等）通常需要2 kHz以上的高質(zhì)量信息。

系統(tǒng)相位與方向性振動(dòng)信息相結(jié)合，可進(jìn)一步改善對(duì)未對(duì)準(zhǔn)誤差的診斷。測量機(jī)器上不同點(diǎn)的振動(dòng)并確定相位測量值之間或整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的差異，有助于深入了解未對(duì)準(zhǔn)是角度、平行還是兩種未對(duì)準(zhǔn)類型的組合1。

滾動(dòng)元件軸承缺陷

什么是滾動(dòng)元件軸承缺陷，什么原因?qū)е逻@些缺陷？

滾動(dòng)元件軸承缺陷通常是機(jī)械引起的應(yīng)力或潤滑問題的假象，這些問題在軸承的機(jī)械部件內(nèi)產(chǎn)生小裂紋或缺陷，導(dǎo)致振動(dòng)增加。圖5提供了滾動(dòng)元件軸承的一些示例，并顯示了若干可能發(fā)生的缺陷。

圖5.（上）滾動(dòng)元件軸承和（下）潤滑與放電電流缺陷的示例

為什么滾動(dòng)元件軸承故障是一個(gè)問題？

滾動(dòng)元件軸承幾乎在所有類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械上都會(huì)使用，從大型渦輪機(jī)到慢速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，從相對(duì)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（圖5）、安裝不當(dāng)、高頻放電電流（圖5）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(duì)其他系統(tǒng)部件產(chǎn)生重大影響。

如何檢測和診斷滾動(dòng)元件軸承故障？

有多種技術(shù)可用來診斷軸承故障，并且由于軸承設(shè)計(jì)背后的物理特性，每個(gè)軸承的缺陷頻率可以根據(jù)軸承幾何形狀、旋轉(zhuǎn)速度和缺陷類型來計(jì)算，這有助于診斷故障。軸承缺陷頻率如圖6所示。

對(duì)特定機(jī)器或系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析，常常依賴于時(shí)域和頻域分析的結(jié)合。時(shí)域分析可用來檢測系統(tǒng)振動(dòng)水平整體增加的趨勢(shì)。但是，這種分析包含的診斷信息非常少。頻域分析可提高診斷洞察力，但由于其他系統(tǒng)振動(dòng)的影響，確定故障頻率可能很復(fù)雜。

對(duì)于軸承缺陷的早期診斷，使用缺陷頻率的諧波可識(shí)別早期或剛出現(xiàn)的故障，從而在災(zāi)難性故障發(fā)生之前對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。為了檢測、診斷、了解軸承故障的系統(tǒng)影響，包絡(luò)檢測（如圖7所示）等技術(shù)與頻域中的頻譜分析相結(jié)合，通?？商峁└叨床炝Φ男畔ⅰ?/p>

診斷滾動(dòng)元件軸承故障時(shí)須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

低噪聲和足夠高的分辨率對(duì)于早期軸承缺陷檢測至關(guān)重要。在缺陷剛剛出現(xiàn)時(shí)，缺陷特征的幅度通常很低。由于設(shè)計(jì)容差，軸承固有的機(jī)械滑動(dòng)會(huì)將幅度信息傳播到軸承頻率響應(yīng)中的多個(gè)倉，從而進(jìn)一步降低振動(dòng)幅度，因此要求低噪聲以便較早地檢測到信號(hào)2。

帶寬對(duì)于軸承缺陷的早期檢測至關(guān)重要。在旋轉(zhuǎn)期間，每次撞擊缺陷時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生包含高頻內(nèi)容的脈沖（參見圖7）。對(duì)軸承缺陷頻率（而非旋轉(zhuǎn)速率）的諧波進(jìn)行監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)這些早期故障。由于軸承缺陷頻率與旋轉(zhuǎn)速率之間的關(guān)系，這些早期特征可以在數(shù)千赫茲范圍內(nèi)出現(xiàn)，并延伸到10 kHz到20 kHz范圍之外2。即使是低速設(shè)備，軸承缺陷的固有性質(zhì)也要求較寬帶寬以便及早檢測到缺陷，避免系統(tǒng)諧振和系統(tǒng)噪聲（會(huì)影響較低頻段）的影響3。

動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于軸承缺陷監(jiān)測也很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)載和缺陷可能影響系統(tǒng)所經(jīng)受的振動(dòng)。負(fù)載增加會(huì)導(dǎo)致作用在軸承和缺陷上的力增加。軸承缺陷也會(huì)產(chǎn)生沖擊，激發(fā)結(jié)構(gòu)諧振，放大系統(tǒng)和傳感器所經(jīng)受的振動(dòng)2。隨著機(jī)器在停止/啟動(dòng)情況下或正常運(yùn)行期間的速度上升和下降，變化的速度會(huì)為系統(tǒng)諧振激發(fā)創(chuàng)造潛在的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致更高幅度的振動(dòng)4。傳感器的飽和可能導(dǎo)致信息丟失、誤診斷，在某些技術(shù)的情況下甚至?xí)p壞傳感器元件。

圖6.軸承缺陷頻率取決于軸承類型、幾何形狀和旋轉(zhuǎn)速率。

圖7.諸如包絡(luò)檢測之類的技術(shù)可以從寬帶寬振動(dòng)數(shù)據(jù)中提取軸承早期缺陷特征。

齒輪缺陷

什么是齒輪缺陷，什么原因?qū)е慢X輪缺陷？

齒輪故障通常發(fā)生在齒輪機(jī)構(gòu)的齒節(jié)中，原因有疲勞、剝落或點(diǎn)蝕等。其表現(xiàn)為齒根出現(xiàn)裂縫或齒面上有金屬被削除。造成的原因有磨損、過載、潤滑不良和齒隙，偶爾也會(huì)因?yàn)榘惭b不當(dāng)或制造缺陷而引起5。

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(dòng)力傳遞的主要元件，承受著相當(dāng)大的應(yīng)力和載荷。齒輪的健康狀況對(duì)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)域有一個(gè)眾所周知的例子，造成風(fēng)力渦輪機(jī)停機(jī)（以及相應(yīng)的收入流失）的最大因素是主動(dòng)力系統(tǒng)中多級(jí)齒輪箱的失效5。類似的考量也適用于工業(yè)應(yīng)用。

如何檢測和診斷齒輪故障？

由于難以將振動(dòng)傳感器安裝在故障附近，以及系統(tǒng)內(nèi)多種機(jī)械激勵(lì)引起的相當(dāng)大背景噪聲的存在，齒輪故障的檢測很棘手。在更復(fù)雜的齒輪箱系統(tǒng)中尤其如此，其中可能有多個(gè)旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪比和嚙合頻率6。因此，檢測齒輪故障可能要采用多種互補(bǔ)的方法，包括聲發(fā)射分析、電流特征分析和油渣分析。

在振動(dòng)分析方面，加速度計(jì)通常安裝在齒輪箱殼體上，主要振動(dòng)模式是軸向振動(dòng)7。健康齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)特征的頻率是所謂齒輪嚙合頻率，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容差相關(guān)的調(diào)制邊帶。健康齒輪的這些情況如圖8所示。當(dāng)發(fā)生齒裂紋之類的局部故障時(shí)，每次旋轉(zhuǎn)中的振動(dòng)信號(hào)將包括系統(tǒng)對(duì)相對(duì)低能級(jí)的短時(shí)沖擊的機(jī)械響應(yīng)。這通常是低幅度寬帶信號(hào)，一般被認(rèn)為是非周期性和非靜態(tài)的7，8。

圖8.健康齒輪的頻譜，曲軸轉(zhuǎn)速為~1000 rpm，齒輪轉(zhuǎn)速為~290 rpm，齒輪齒數(shù)為24。

由于這些特性，僅憑標(biāo)準(zhǔn)頻域技術(shù)并不能精確識(shí)別齒輪故障。由于沖擊能量包含在邊帶調(diào)制中，其中還可能包含來自其他齒輪對(duì)和機(jī)械部件的能量，因此頻譜分析可能無法檢測早期齒輪故障。時(shí)域技術(shù)（例如時(shí)間同步平均）或混合域方法（例如子波分析和包絡(luò)解調(diào)）一般更合適9。

診斷齒輪故障時(shí)須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

一般來說，寬帶寬對(duì)齒輪故障檢測非常重要，因?yàn)辇X輪齒數(shù)在頻域中是乘數(shù)。即使對(duì)于相對(duì)低速的系統(tǒng)，所需的檢測頻率范圍也會(huì)快速上升到數(shù)kHz區(qū)域。此外，局部故障進(jìn)一步擴(kuò)展了帶寬要求。

出于多種原因，分辨率和低噪聲極其關(guān)鍵。將振動(dòng)傳感器安裝在特定故障區(qū)域附近是很困難的，這意味著機(jī)械系統(tǒng)可能會(huì)使振動(dòng)信號(hào)發(fā)生較高程度的衰減，因此能夠檢測低能量信號(hào)至關(guān)重要。此外，由于信號(hào)不是靜態(tài)周期信號(hào)，因此不能依賴于從高本底噪聲中提取低幅度信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)FFT技術(shù)，傳感器本身的本底噪聲必須很低。在混合了不同元件的多個(gè)振動(dòng)特征的齒輪箱環(huán)境中尤其如此。除了這些考慮因素之外，早期檢測的重要性不僅僅是出于資產(chǎn)保護(hù)的原因，還出于信號(hào)調(diào)理的原因。已經(jīng)證明，單齒斷裂故障的情況與兩個(gè)或更多齒斷裂的故障情況相比，前者的振動(dòng)嚴(yán)重程度可能更高，這意味著在早期進(jìn)行檢測可能相對(duì)更容易。

結(jié)語

雖然常見，但不平衡、未對(duì)準(zhǔn)、滾動(dòng)元件軸承缺陷和齒輪齒節(jié)故障只是高性能振動(dòng)傳感器可以檢測和診斷的許多故障類型中的幾種。更高傳感器性能與適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級(jí)考量相結(jié)合，有助于實(shí)現(xiàn)新一代狀態(tài)監(jiān)控解決方案，讓人們更深入了解各種工業(yè)設(shè)備和應(yīng)用的機(jī)械運(yùn)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，并使下一代設(shè)備具備新能力。

表1.對(duì)每個(gè)傳感器參數(shù)的要求

對(duì)于表1，一般認(rèn)為低帶寬小于1 kHz，中帶寬介于1 kHz到5 kHz之間，高帶寬大于5 kHz。低噪聲密度大于1 mg/√Hz，中等噪聲密度介于100 μg/√Hz到1 mg/√Hz之間，高噪聲密度小于100 μg/√Hz。低動(dòng)態(tài)范圍小于5 g，中等動(dòng)態(tài)范圍在5 g到20 g之間，高動(dòng)態(tài)范圍大于20 g。

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Pete Sopcik

Pete Sopcik ［pete.sopcik@analog.com］是ADI公司狀態(tài)監(jiān)控部門的營銷經(jīng)理。他負(fù)責(zé)為工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控所需的傳感器、信號(hào)鏈和解決方案提供戰(zhàn)略支持。在此之前，Pete在ADI公司的若干不同領(lǐng)域工作了11年，從集成高速轉(zhuǎn)換器和傳感器模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)到系統(tǒng)級(jí)解決方案的項(xiàng)目管理，包括基于MEMS的慣性測量單元。他擁有佛羅里達(dá)大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和威克森林大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。

Dara O’Sullivan

Dara O’Sullivan ［dara.osullivan@analog.com］是ADI公司自動(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理。其專長領(lǐng)域是工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換、控制和監(jiān)測。他擁有愛爾蘭科克大學(xué)工程學(xué)士、工程碩士和博士學(xué)位。自2001年起，他便從事研究、咨詢和工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)與可再生能源應(yīng)用方面的工作。

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