圖1：基于旋轉速度，或以1x表達的頻率的振幅增加，即表示正在發(fā)生“不平衡”的情況 (圖片來(lái)源：ADI)

 

由此我們可以推斷監測“不平衡”系統時(shí)，對所需振動(dòng)傳感器的要求包括：

 

1) 需要有低噪聲特性以減少傳感器影響，并能夠檢測由不平衡系統產(chǎn)生的小信號。這對于傳感器、信號調理和采樣平臺非常重要。

 

2) 需要采樣系統有足夠的分辨率來(lái)提取信號（尤其是基線(xiàn)信號）以檢測這些小的不平衡。

 

3) 帶寬是捕獲旋轉速率以外的足夠信息所必需的，這有助于提高診斷的準確性和可信度。1x諧波可能會(huì )受到其他系統故障（例如未對準或機械松動(dòng)）的影響，因此對轉速或1x頻率的諧波進(jìn)行分析可以幫助區別系統噪聲和其他潛在故障。在旋轉機器上，基本轉速可以遠低于10rpm，這意味著(zhù)傳感器的低頻響應對于捕獲基本轉速至關(guān)重要。

 

錯位

與原先設計要處理的組件相比，“錯位(Misalignment)”會(huì )令組件在更高的壓力或負載下導致系統或組件過(guò)早產(chǎn)生故障。下圖2中列出了常見(jiàn)的“角錯位 (angular misalignment)”及“平行錯位 (parallel misalignment)”。

 

圖2：理想對位、角錯位 (angular misalignment)、平行錯位 (parallel misalignment) 狀態(tài)的比較 (圖片來(lái)源：ADI)

 

“錯位”的發(fā)生通?？稍谙到y旋轉速度的二次諧波 (文中稱(chēng)為2x) 中找出端倪。一般2x成分并不出現在頻率響應中(或存在于較低幅度)，但是當它出現時(shí)，或存在高幅度時(shí)，即表示“錯位”可能已經(jīng)正在發(fā)生。另外，利用2x與1x之間的比較及其幅度也可以推斷發(fā)生“錯位”的類(lèi)型、位置以及方向信息。圖3顯示了與潛在“錯位”故障相關(guān)的信號。

 

圖3：2x諧波增加，再加上高諧波增加 (圖片來(lái)源：ADI)

 

感測“錯位”系統時(shí)應考慮的振動(dòng)傳感器的要求包括：

1) 在不同機器類(lèi)型、系統和過(guò)程要求中，需要檢測較細微的未對準或在機器可容忍的公差中感測故障，低噪聲和足夠的分辨率是需考慮的因素之一。

 

2) 由于1倍諧波會(huì )受到其他故障影響，系統可能需要捕獲及分析諧波1×頻率及以上的高倍諧波，這有助于區別其他故障。為實(shí)現系統高質(zhì)的準確性和可信度，擁有足夠的診斷頻率帶寬  (Bandwidth)是需要考慮的。

 

3) 多向性信息的接收可以提高診斷的準確性并深入了解未對準誤差的類(lèi)型及其偏差的方向，通過(guò)測量機器上不同點(diǎn)處的振動(dòng)并確定相位測量值或整個(gè)系統中的差異，可以洞悉失準是角度失調、平行還是兩種失調類(lèi)型的組合。

 

滾動(dòng)軸承缺陷

 滾動(dòng)軸承(Rolling Element Bearing Defects)的缺陷通常是由機械引起的應力或潤滑問(wèn)題造成的，這些缺陷會(huì )在軸承的機械部件內產(chǎn)生小裂紋或缺陷，從而導致振動(dòng)增加。圖4提供了一些滾動(dòng)軸承的示例，并描述了可能發(fā)生的缺陷。

 

圖4：滾動(dòng)軸承 (圖中)及其潤滑和放電電流缺陷的示例。(圖片來(lái)源：ADI)

 

滾動(dòng)軸承幾乎在所有旋轉機械中都可以找到，從大型渦輪機到較慢的旋轉電機，從相對簡(jiǎn)單的風(fēng)扇到高速打摩主軸，全依賴(lài)滾動(dòng)軸承的運作。軸承缺陷可能是潤滑污染、安裝不當、高頻放電電流或系統負載的損耗。雖然診斷軸承故障的技術(shù)很多，但是可以根據軸承設計背后的物理原理，例如軸承的幾何形狀、旋轉速度和缺陷類(lèi)型來(lái)計算每個(gè)軸承的缺陷頻率，再從頻域分布圖中分析從而完成故障診斷。

 

來(lái)自特定機器或系統的振動(dòng)數據分析通常依賴(lài)于時(shí)域(time domain)和頻域分析的結合。時(shí)域分析對于檢測系統振動(dòng)水平整體上升的趨勢很有用。但是，這類(lèi)分析中幾乎沒(méi)有診斷信息。頻域分析可提高診斷能力，但由于其他系統振動(dòng)的影響，識別故障頻率可能很復雜。為減少其復雜性，早期的診斷十分重要，但此早期階段的故障識別是需要利用頻域分布的諧波圖，配合頻譜分析 (Spectral Analysis) 來(lái)識別早期故障。圖5提供了利用頻域以及頻譜分析進(jìn)行診斷信息的范例。

 

圖5 ：應用包絡(luò )信息( Envelope Signal)檢測技術(shù)從寬帶振動(dòng)數據中獲取早期軸承缺陷特征。(圖片來(lái)源：ADI)

 

診斷滾動(dòng)軸承故障所需振動(dòng)傳感器規格要求包括：

1) 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發(fā)作期間幅度較小。由于設計公差，軸承固有的機械滑動(dòng)會(huì )通過(guò)在軸承的頻率響應中將振幅信息分布到多個(gè)空位中來(lái)進(jìn)一步降低振動(dòng)的幅度，因此需要較低的噪聲才能更早地檢測到信號。

 

2) 帶寬對于早期檢測軸承缺陷至關(guān)重要。每次在旋轉過(guò)程中擊中缺陷都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)包含高頻成分的脈沖。對于這些早期故障，需要監視軸承缺陷頻率的諧波，而不是轉速。由于軸承缺陷頻率與轉速之間的關(guān)系，這些早期信號可能出現在幾千赫茲的范圍內，并遠遠超出了10kHz至20kHz的范圍。即使對于低速設備，軸承缺陷的固有特性也需要更寬的頻率范圍。用于早期檢測的帶寬，以避免受到影響較低頻段的系統諧振和系統噪聲的影響。

 

3) 動(dòng)態(tài)范圍對于軸承缺陷監測也很重要，因為系統負載和缺陷會(huì )影響系統所經(jīng)歷的振動(dòng)。增加的載荷導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)結構共振的脈沖，從而放大系統和傳感器所經(jīng)歷的振動(dòng)。隨著(zhù)機器在停止/啟動(dòng)條件或正常運行期間速度的上升和下降，不斷變化的速度為系統共振提供了潛在的機會(huì )，傳感器飽和會(huì )導致信息丟失、錯誤診斷，并且在某些技術(shù)的情況下會(huì )損壞傳感器元件。

 

齒輪故障 

齒輪故障(Gear Defects)通常是由于疲勞、剝落或點(diǎn)蝕而出現齒根裂紋或齒表面金屬脫落。它們可能是由于磨損、超負荷、潤滑不良、反沖以及偶爾的不當安裝或制造缺陷而引起的。

 

齒輪是許多工業(yè)應用中動(dòng)力傳輸的主要元素，承受很大的壓力和負荷。它們的正常狀況對于整個(gè)機械系統的正常運行至關(guān)重要。由于在故障附近安裝振動(dòng)傳感器很困難，并且由于系統內存在由多種機械撞擊而產(chǎn)生的背景噪聲，因此很難檢測出齒輪故障。在更復雜的變速箱系統中尤其如此，在變速箱系統中，可能存在多個(gè)旋轉頻率、齒輪比和嚙合頻率。因此，在齒輪故障的檢測中可能需要其他測驗方法作互補，包括聲發(fā)射分析 (acoustic emissions analysis)、電流信號分析 (current signature analysis) 和油渣分析 (oil debris analysis)。

 

在振動(dòng)分析方面，變速箱外殼是加速度計的典型安裝位置，主要的振動(dòng)模式是在軸向方向上。健全的齒輪會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)信號，稱(chēng)為齒輪嚙合振頻 (gear mesh frequency)，這等于軸頻率與齒輪齒數的乘積，通常還存在一些與制造或組裝公差有關(guān)而產(chǎn)生的振動(dòng)。在圖6中以齒輪為例進(jìn)行了說(shuō)明。當發(fā)生局部故障（如牙齒裂痕）時(shí)，每次旋轉中的振動(dòng)信號將包括系統在相對較低的能量水平下對短時(shí)撞擊的機械響應。這種情況下通常是低幅度的寬帶信號，以及非周期性及非平穩的信號。

  

圖6：在健全齒輪轉動(dòng)中，當軸轉速約1000rpm、齒輪轉速約290rpm、輪齒數為24，發(fā)生輪軸“彎曲”故障情況下，頻譜分析圖的狀態(tài) (圖片來(lái)源：ADI)

 

診斷齒輪故障所需振動(dòng)傳感器規格要求包括： 

1) 帶寬在齒輪故障檢測中非常關(guān)鍵，因為齒輪齒的數量改變在頻域分析中以倍數值增加，所以即使對于速度相對較低的系統，所需的檢測頻率范圍也會(huì )迅速提高到多個(gè)kHz。

 

2) 由于多種原因，分辨率和低噪聲至關(guān)重要。將振動(dòng)傳感器安裝在特定故障區域附近的難度很大，這意味著(zhù)機械系統對振動(dòng)信號的衰減可能會(huì )更高，這使得能夠檢測低能量信號至關(guān)重要。還要考慮到，由于齒輪問(wèn)題引發(fā)的信號不一定是靜態(tài)周期(static periodic)，因此不能完全依賴(lài)利用傳統的快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）技術(shù)，從高本底噪聲(noise floor)的環(huán)境中提取低振幅信號，所以要求傳感器本身的本底噪聲必須很低，在變速箱環(huán)境中尤其如此，在變速箱環(huán)境中，來(lái)自變速箱不同元件的多個(gè)振動(dòng)信號混合在一起。除了這些考慮因素之外，早期檢測的重要性不僅出于零件保護的原因，而且出于信號源本身在故障初期較易發(fā)現，例如與后期的多齒斷裂損壞相比，初期單齒斷裂故障的情況下的振動(dòng)嚴重性可能更高，這意味著(zhù)在早期階段檢測可能相對容易。

 

傳感器的選料 

下列表1 概括了以上四種系統故障類(lèi)型監測對應的所需傳感器的要求。

 

表1：不同故障下，傳感器參數的要求 (圖片來(lái)源：ADI) 

 

工程師可根據以上表1，選擇合適的振動(dòng)傳感器。使用參數恰當的振動(dòng)傳感器，加上正確使用分析工具，以確定機械問(wèn)題的具體原因及位置，將會(huì )協(xié)助工程師加快維修速度并降低成本。振動(dòng)傳感器可以用來(lái)測量和分析位移，線(xiàn)速度和加速度。雖然規格書(shū)內的參數一般直接與應用相關(guān)或是通過(guò)數學(xué)運算得知，但是Digi-Key已列出了一些傳感器的重要參數，可以幫助工程師省去這一費時(shí)的步驟。

 

圖7 ：振動(dòng)傳感器重要參數篩選列表

 

例如 TE Connectivity Measurement Specialties 公司的 LDT 系列，擁有高靈敏度 (50 – 200 mV/g)，輸出電壓擺幅可以直接輸入FET或CMOS，將部件靈活運用成“開(kāi)關(guān)”。

 

有部份工程師會(huì )選擇“加速計運動(dòng)傳感器 ”作振動(dòng)感測。此類(lèi)傳感器可以將微小的振動(dòng)感測如“加速度信號”，之后放大以進(jìn)行加速度測量，或者在傳感器內將其轉換為速度或位移信號。如今，大多數用于振動(dòng)監測的壓電傳感器都包含內部放大器。運算放大器可用于將這些傳感器連接至分立的或微控制器上的A/D轉換器。例如Analog Devices 公司的ADXL1005 系列，可為工業(yè)監控應用提供高帶寬及高噪聲密度的解決方案。使用ADAQ7980作模數轉換，用于測量0kHz至10kHz的機械振動(dòng)，請參考圖8的示例。 

 

圖8 ：ADXL1005 應用電路圖 (圖片來(lái)源：ADI)

 

總結 

因振動(dòng)而引發(fā)的故障類(lèi)型眾多，四類(lèi)常見(jiàn)故障分別是不平衡、錯位、滾動(dòng)軸承缺陷和輪齒故障，了解了這些故障產(chǎn)生振動(dòng)的原理，就能了解所需的振動(dòng)傳感器及其系統參數、要求，以便進(jìn)行檢測和診斷。所以在設計監控工業(yè)設備和應用的機械操作時(shí)， 選擇合適的振動(dòng)傳感器是不可或缺環(huán)節的。除了傳統的“振動(dòng)傳感器”，高階的“加速計運動(dòng)傳感器 ”也可以用于振動(dòng)感測，實(shí)現具有高分析能力的解決方案及系統。