作者：Pete Sopcik and Dara O’Sullivan

半導(dǎo)體技術(shù)和功能的進步為工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)檢測、測量、解釋和分析提供了新的機會，特別是基于狀態(tài)的監(jiān)控解決方案?；?a target="_blank">MEMS技術(shù)的下一代傳感器與用于診斷和預(yù)后應(yīng)用的先進算法相結(jié)合，擴大了測量各種機器的機會，提高了有效監(jiān)控設(shè)備的能力，延長了正常運行時間，提高了過程質(zhì)量和增加吞吐量的能力。

為了實現(xiàn)這些新功能并獲取基于狀態(tài)的監(jiān)控的優(yōu)勢，新的解決方案必須準確、可靠且穩(wěn)健，以便實時監(jiān)控可以擴展到潛在設(shè)備故障的基本檢測之外，以提供有見地和可操作的信息。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)用和要求。

振動是機器診斷的關(guān)鍵組成部分之一，已被可靠地用于監(jiān)測各種工業(yè)應(yīng)用中最關(guān)鍵的設(shè)備。有大量文獻支持實現(xiàn)高級振動監(jiān)測解決方案所需的各種診斷和預(yù)測功能。不太清楚的是振動傳感器性能參數(shù)（如帶寬和噪聲密度）與最終應(yīng)用故障診斷能力之間的關(guān)系。本文介紹了工業(yè)自動化應(yīng)用中的主要機器故障類型，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)。

下面重點介紹幾種常見的故障類型及其特征，以深入了解在開發(fā)基于狀態(tài)的監(jiān)控解決方案時必須考慮的一些關(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)致載荷將質(zhì)心從旋轉(zhuǎn)中心移開。系統(tǒng)不平衡可歸因于安裝不當，例如耦合偏心率、系統(tǒng)設(shè)計錯誤、組件故障，甚至碎屑或其他污染物的堆積。例如，大多數(shù)感應(yīng)電機內(nèi)置的冷卻風(fēng)扇可能會由于灰塵和油脂的不均勻積累或風(fēng)扇葉片損壞而變得不平衡。

為什么不平衡的系統(tǒng)是一個問題？

不平衡系統(tǒng)會產(chǎn)生過度振動，這些振動以機械方式耦合到系統(tǒng)內(nèi)的其他組件，例如軸承、聯(lián)軸器和負載，從而可能加速處于良好運行狀態(tài)的組件的劣化。

如何檢測和診斷不平衡

整體系統(tǒng)振動的增加可能表明不平衡系統(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，諧波遠小于1×，則系統(tǒng)可能是不平衡的。水平和垂直相移振動分量也可能處于不平衡系統(tǒng)中。1

診斷不平衡系統(tǒng)時必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

需要低噪聲來減少傳感器的影響，并能夠檢測不平衡系統(tǒng)產(chǎn)生的小信號。這對于傳感器、信號調(diào)理和采集平臺非常重要。

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

帶寬對于捕獲除旋轉(zhuǎn)速率之外的足夠信息是必要的，以提高診斷的準確性和可信度。1×諧波可能受到其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對準或機械松動，因此分析旋轉(zhuǎn)速率或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)速度較慢的機器，基波轉(zhuǎn)速可能遠低于 10 rpm，這意味著傳感器的低頻響應(yīng)對于捕獲基波轉(zhuǎn)速至關(guān)重要。ADI公司的MEMS傳感器技術(shù)能夠檢測低至直流的信號，并能夠測量較慢的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，同時還能夠測量通常與軸承和齒輪箱缺陷相關(guān)的更高頻率內(nèi)容的寬帶寬。

圖1.基于旋轉(zhuǎn)速率或1×頻率下振幅的增加，存在不平衡系統(tǒng)的可能性。

失調(diào)

什么是錯位，是什么原因造成的？

顧名思義，當兩個旋轉(zhuǎn)軸未對齊時，就會發(fā)生系統(tǒng)未對中。圖2顯示了一個理想的系統(tǒng)，從電機開始，然后是軸，聯(lián)軸器，一直到負載（在本例中為泵）實現(xiàn)對準。

圖2.一個理想的對齊系統(tǒng)。

錯位可能發(fā)生在平行方向和角度方向上，也可能是兩者的組合（見圖3）。當兩個軸在水平或垂直方向上移位時，就會發(fā)生平行不對中。當其中一個軸與另一個軸成相關(guān)角度時，就會發(fā)生角度不對中。2

圖3.不同錯位的例子包括（a）角度，（b）平行或兩者的組合。

為什么錯位是一個問題？

未對準誤差會迫使組件在比組件最初設(shè)計處理的更高的應(yīng)力或負載下運行，從而影響更大的系統(tǒng)，并最終導(dǎo)致過早失效。

如何檢測和診斷錯位

未對準誤差通常表現(xiàn)為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速率的二次諧波，稱為2×。頻率響應(yīng)中并不總是存在2×分量，但是當它存在時，幅度與1×的關(guān)系可用于確定是否存在未對準。增加的錯位可以將諧波激發(fā)到10×具體取決于錯位的類型、測量位置和方向信息。1圖 4 突出顯示了與潛在未對準故障相關(guān)的特征。

圖4.2×次諧波增加，加上高次諧波增加，表明存在潛在的失調(diào)。

診斷未對準的系統(tǒng)時必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

需要低噪聲和足夠的分辨率來檢測小的錯位。機器類型、系統(tǒng)和工藝要求以及轉(zhuǎn)速決定了允許的錯位公差。

帶寬對于捕獲足夠的頻率范圍并提高診斷的準確性和可信度是必要的。1×諧波可能受到其他系統(tǒng)故障的影響，例如未對準，因此分析1×頻率的諧波有助于與其他系統(tǒng)故障區(qū)分開來。對于更高轉(zhuǎn)速的機器尤其如此。例如，運行在 10，000 rpm 以上的機器（如機床）通常需要超過 2 kHz 的質(zhì)量信息，以便以高置信度準確檢測不平衡。

多向信息還可以提高診斷的準確性，并提供對錯誤差類型和未對準方向的洞察。

系統(tǒng)的相位與方向振動信息相結(jié)合，進一步改善了對錯位誤差的診斷。通過測量機器上不同點的振動并確定相位測量或整個系統(tǒng)的差異，可以深入了解未對準是角度、平行還是兩種未對準類型的組合。1

滾動體軸承缺陷

什么是滾動軸承缺陷，是什么原因造成的？

滾動軸承缺陷通常是機械引起的應(yīng)力或潤滑問題的產(chǎn)物，這些問題在軸承的機械部件內(nèi)產(chǎn)生小裂紋或缺陷，導(dǎo)致振動增加。

為什么滾動軸承故障是一個問題？

滾動軸承幾乎存在于所有類型的旋轉(zhuǎn)機械中，從大型渦輪機到較慢的旋轉(zhuǎn)電機，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、高頻放電電流（圖 5）或系統(tǒng)負載增加的跡象。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體軸承故障？

有許多技術(shù)用于診斷軸承故障，并且由于軸承設(shè)計背后的物理原理，可以根據(jù)軸承幾何形狀、旋轉(zhuǎn)速度和缺陷類型計算每個軸承的缺陷頻率，這有助于診斷故障。軸承缺陷頻率如圖6所示。

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。

對特定機器或系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)的分析通常依賴于時域和頻域分析的組合。時域分析對于檢測系統(tǒng)振動水平總體增加的趨勢非常有用。然而，該分析中包含的診斷信息很少。頻域分析可提高診斷見解，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。

為了早期診斷軸承缺陷，缺陷頻率的諧波用于識別早期或初期故障，以便在災(zāi)難性故障發(fā)生之前對其進行監(jiān)控和維護。為了檢測、診斷和理解軸承故障的系統(tǒng)影響，包絡(luò)檢測等技術(shù)（如圖7所示）與頻域頻譜分析相結(jié)合，通?？商峁└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。

診斷滾動體軸承故障時必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

低噪音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發(fā)作期間的振幅較低。由于設(shè)計公差，軸承固有的機械滑移通過將振幅信息分散到軸承頻率響應(yīng)中的多個箱中來進一步降低振動幅度，因此需要低噪聲才能更早地檢測到信號。2

帶寬對于及早發(fā)現(xiàn)軸承缺陷至關(guān)重要。在旋轉(zhuǎn)過程中，每次撞擊缺陷時，都會產(chǎn)生包含高頻成分的脈沖（見圖7）。監(jiān)測軸承缺陷頻率的諧波，而不是旋轉(zhuǎn)速率，以發(fā)現(xiàn)這些早期故障。由于軸承缺陷頻率與旋轉(zhuǎn)速率的關(guān)系，這些早期特征可能發(fā)生在幾千赫茲范圍內(nèi)，并遠遠超出10 kHz至20 kHz范圍。2即使對于低速設(shè)備，軸承缺陷的固有性質(zhì)也需要更寬的帶寬進行早期檢測，以避免系統(tǒng)諧振和系統(tǒng)噪聲的影響，從而影響較低頻段。3

動態(tài)范圍對于軸承缺陷監(jiān)測也很重要，因為系統(tǒng)負載和缺陷會影響系統(tǒng)經(jīng)歷的振動。載荷增加會導(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，從而放大系統(tǒng)和傳感器所經(jīng)歷的振動。2隨著機器在停止/啟動條件或正常運行期間速度的上升和下降，速度的變化為系統(tǒng)共振創(chuàng)造了潛在的激發(fā)機會，從而導(dǎo)致更高的振幅振動。4傳感器飽和會導(dǎo)致信息缺失、誤診，以及（在某些技術(shù)的情況下）傳感器元件損壞。

齒輪缺陷

什么是齒輪缺陷，是什么原因造成的？

齒輪故障通常由于疲勞、剝落或點蝕而發(fā)生在齒輪機構(gòu)的齒上。這些可以表現(xiàn)為齒根裂紋或齒面上的金屬去除。它們可能是由磨損、過載、潤滑不良、間隙以及偶爾不正確的安裝或制造缺陷引起的。5

為什么齒輪故障是一個問題？

在許多工業(yè)應(yīng)用中，齒輪是動力傳輸?shù)闹饕⒊惺芫薮蟮膽?yīng)力和負載。它們的健康對于整個機械系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要?？稍偕茉搭I(lǐng)域一個眾所周知的例子是，風(fēng)力渦輪機停機（以及隨之而來的收入侵蝕）的最大因素是主動力系統(tǒng)中多級齒輪箱的故障。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傳感器，并且由于系統(tǒng)內(nèi)的多個機械激勵而存在明顯的背景噪聲，因此齒輪故障很難檢測。在更復(fù)雜的齒輪箱系統(tǒng)中尤其如此，其中可以有多個旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪比和嚙合頻率。6因此，在齒輪故障檢測中可以采取多種互補的方法，包括聲發(fā)射分析、電流特征分析和油屑分析。

在振動分析方面，齒輪箱外殼是加速度計的典型安裝位置，其中主要的振動模式是軸向。7健康的齒輪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裝配公差相關(guān)的調(diào)制邊帶。圖 8 中說明了一個健康的齒輪。當發(fā)生局部故障（例如齒裂）時，每轉(zhuǎn)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間沖擊的機械響應(yīng)。這通常是一種低幅度的寬帶信號，通常被認為是非周期和非平穩(wěn)的。7,8

圖8.曲軸轉(zhuǎn)速為 ~1000 rpm、齒輪速度為 ~290 rpm、齒輪齒數(shù) = 24 的健康齒輪的頻譜。

由于這些特殊特性，標準頻域技術(shù)本身被認為不適合準確識別齒輪故障。頻譜分析可能無法檢測到早期齒輪故障，因為沖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副和機械部件的能量。時域技術(shù)（如時間同步平均）或混合域方法（如小波分析和包絡(luò)解調(diào)）通常更合適。9

診斷齒輪故障時必須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

寬帶寬在齒輪故障檢測中通常非常關(guān)鍵，因為齒輪齒數(shù)在頻域中充當乘法器。即使對于相對低速的系統(tǒng)，所需的檢測頻率范圍也會迅速推高到多個kHz區(qū)域。此外，局部故障進一步擴展了帶寬要求。

由于幾個原因，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帶的困難意味著機械系統(tǒng)對振動信號的衰減可能更高，因此能夠檢測低能量信號至關(guān)重要。此外，由于信號不是靜態(tài)周期信號，因此不能依賴從高本底噪聲中提取低幅度信號的標準FFT技術(shù)——傳感器本身的本底噪聲必須較低。在齒輪箱環(huán)境中尤其如此，其中混合了來自齒輪箱不同元件的多個振動特征。除了這些考慮之外，早期檢測的重要性不僅在于資產(chǎn)保護原因，還在于信號調(diào)理原因。研究表明，在單齒斷裂故障的情況下，振動嚴重程度可能更高，而不是具有兩個或更多齒斷裂的故障，這意味著在早期階段檢測可能相對容易。

總結(jié)

雖然常見，不平衡、不對中、滾動體軸承缺陷和齒輪齒故障只是高性能振動傳感器可以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?shù)南到y(tǒng)級考慮相結(jié)合，可實現(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)用的機械操作。這些解決方案將改變維護方式和機器運行方式，最終減少停機時間，提高效率，并為下一代設(shè)備提供新功能。

對于表1，低帶寬<1 kHz，中等帶寬在1 kHz至5 kHz之間，高帶寬>5 kHz。低噪聲密度>1 m g/√Hz，中等噪聲密度在 100 μ g/√Hz 至 1 m g/√Hz 之間，高噪聲密度<100 μ g/√Hz。低動態(tài)范圍<5 g，中動態(tài)范圍在5 g至20 g之間，高動態(tài)范圍>20 g。

審核編輯：郭婷