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(huì)，特別是基于狀態(tài)的監(jiān)測解決方案。基于 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(huì)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(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)的關(guān)鍵振動(dòng)傳感器性能參數(shù)。

下面重點(diǎn)介紹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(dòng)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(dòng)機(jī)中內(nèi)置的冷卻風(fēng)扇可能會(huì)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(huì)產(chǎn)生過度的振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(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)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(tái)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× 諧波會(huì)受到其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對準(zhǔn)或機(jī)械松動(dòng)，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 對于轉(zhuǎn)速較慢的機(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(huì)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(huì)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(huì)發(fā)生角度不對中。 2

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?zèng)Q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(huì)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(dòng)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(dòng)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。 1

滾動(dòng)體軸承缺陷

什么是滾動(dòng)體軸承缺陷，是什么原因造成的？

滾動(dòng)元件軸承缺陷通常是機(jī)械引起的應(yīng)力或潤滑問題的偽影，它們會(huì)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(dòng)增加。

為什么滾動(dòng)元件軸承故障是一個(gè)問題？滾動(dòng)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（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，并對其他系統(tǒng)組件產(chǎn)生重大影響。

如何檢測和診斷滾動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的影響，識(shí)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(shí)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)與頻域中的頻譜分析相結(jié)合，通常可以提供更深入的信息。

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

診斷滾動(dòng)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(dòng)幅度，因此需要低噪聲來更早地檢測信號。 2

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(huì)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。2 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。 3

動(dòng)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(huì)影響系統(tǒng)所經(jīng)歷的振動(dòng)。增加的載荷會(huì)導(dǎo)致作用在軸承和缺陷上的力增加。軸承缺陷還會(huì)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(dòng)。2 隨著機(jī)器在停止/啟動(dòng)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(huì)4 傳感器飽和會(huì)導(dǎo)致信息丟失、誤診，并且在某些技術(shù)的情況下會(huì)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。 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。可再生能源領(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損失）的最大原因是主動(dòng)力系統(tǒng)中的多級齒輪箱發(fā)生故障。5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(dòng)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。 6 因此，在檢測齒輪故障時(shí)可以采用多種互補(bǔ)的方法，包括聲發(fā)射分析、電流特征分析和石油碎屑分析。

在振動(dòng)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(dòng)模式是軸向方向。7 健康的齒輪會(huì)以稱為齒輪嚙合頻率的頻率產(chǎn)生振動(dòng)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(dòng)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。 7，8

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(shí)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。 9

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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)元件軸承缺陷和齒輪齒故障只是可以使用高性能振動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍被認(rèn)為 《5 g，中等動(dòng)態(tài)范圍在 5 g 到 20 g 之間，高動(dòng)態(tài)范圍被認(rèn)為 》20 g。

作者：Pete Sopcik，Dara O‘Sullivan

審核編輯：郭婷