通过订单跟踪分析检测机器振动

机器振动可能是一个悬而未决的问题的关键症状，如果不加以控制，可能会损坏或加速工业设备的老化。机器振动的原因包括不平衡、不对中、捆绑、松动或磨损。未解决的机器振动可能会产生严重的业务和健康影响，从昂贵的、计划外的操作停机到危及生命的安全问题。

这就是为什么机器振动分析在预测性维护计划中是如此关键的工具。如果定期进行，维修技术人员可以在早期发现机器故障，并采取适当的措施，以避免机器故障或更换部件。

电机振动分析是一个广泛的领域，有许多方法来检测机械故障。为了找到一种更先进的技术来确定电机振动的原因，工程师们尝试了很少使用的顺序跟踪方法，这种方法用于检测旋转机械故障。阶次跟踪分析对电机、发动机、发电机、涡轮、泵和压缩机的振动分析是有效的。

振动分析以优化资产健康状况

这些类型的旋转机器产生振动，可以分析，以评估其一般状况和零件的剩余寿命。阶次跟踪分析有助于在整体输出中区分旋转源与随机振动。

振动特征分析可以检测轴承故障、不平衡、不对中和齿轮故障等故障。

作为概念验证，工程师们开发了一个压电加速度计振动传感器原型来评估轴承的健康状况，轴承通常是大多数故障、不平衡和错位的根源。压电加速度计传感器可用于对电机进行振动分析，以检测电机轴承产生的振动。

轴承有四个关键要素会随着使用而恶化:内圈和外圈、滚珠和保持架。这些元件在故障时产生一个特征振动频率，这使得仅通过分析振动特征就可以识别故障。准确的频率取决于轴承的物理特性，如尺寸和球或滚子的数量。下面介绍如何使用现成的组件建立压电加速度计传感器原型。

压电加速度计振动传感器的硬件设置

该解决方案有五个硬件组件:压电加速度计振动传感器、无刷直流(BLDC)电机、电子速度控制(ESC)、电源(PSU)、数据采集设备(DAQ)和计算机。

CPU通过设置PSU电压(从6到16 V)和通过节流脉冲位置调制(PPM)信号控制电子速度控制器(ESC)来控制电机速度。DAQ测量来自传感器的振动信号和来自电机相位的电压信号(用于计算电机旋转频率)。

DAQ在±10 V范围内支持200 ksps @16比特的最大采样频率，因此工程师必须对电机相位信号进行划分。他们用BLHeli固件重新编程ESC，并禁用其比例-积分-导数(PID)控制回路，并将最小和最大PPM油门值分别设置为1000和2000 ms，使其更容易精确控制其速度(见图1)。

传感器的关键要素是信号处理算法;具体来说，旋转跟踪器和顺序跟踪器。

确定如何测量、过滤结果

工程师通过测量单个电机相位的分压信号来跟踪电机的旋转。原型中使用的无刷电机每七个电循环旋转一次。信号的处理并不简单，因为周期的“形式”取决于频率。

由于信号的不规则性，跟踪旋转的简单方法——例如识别没有电压“尖峰”的块——不起作用。相反，工程师将旋转跟踪算法实现为以下一系列操作:

• 从原始信号计算出一个高时间分辨率、低频率分辨率的谱图。
• 计算频谱图每段的主频率，然后在原始信号的每一个时间单位内进行插值。
• 5个波段的滤波器组([100;312.5], [312.5;625]、[625;1250]、[1250;2500]和[2500;5000] Hz)被创建(所选范围包括信号的第三次谐波)。
• 将滤波器组应用于原始信号，得到五个滤波后的信号。
• 这些滤波后的信号在每个时间单位基于计算的主频率线性组合。
• 线性组合信号用于检测所有具有负导数的零交叉。
• 信号振幅低于某一阈值的零交叉被丢弃。

订单跟踪分离同步、异步振动

阶次跟踪是一种能将同步振动与异步振动(同步振动频率与轴转动频率成正比，异步振动频率不成正比)分离的技术。本文提出了一种将时间序列转换为旋转序列的算法，即参考轴的等间隔旋转增量序列。算法的实现方法如下:

1. 通过FFT重采样对振动时间序列进行扩展。
2. 旋转跟踪用于计算负导数零交叉口。
3. 计算出的零点交叉时间位置被重新采样到小的旋转增量。
4. 在重采样的小旋转增量(步骤2)处对扩展振动时间序列进行采样。

信号分析

工程师们专注于识别同步和异步振动组件，并实现实时振动分析仪表板。为了识别哪些振动组件是异步的，哪些是同步的，他们进行了从~20 Hz到~200 Hz的线性~180 s扫描。扫描突出了哪些频谱分量受轴转动频率的影响，哪些不受影响。扫描还有助于识别在特定频率下可能被阻尼的同步组件。
通过旋转跟踪，工程师可以测量旋转频率曲线。扫描生成振动频域谱图，其中异步分量为水平线，同步分量为对角线，随旋转频率按常数因子或阶数缩放(见图2)。通过计算阶数跟踪信号的谱图，识别出同步分量的阶数频率。

实时信息仪表盘，振动分析

工程师们建立了一个实时振动分析仪表盘，使用分析软件显示结果。仪表板包含四个控件:打开PSU的电源按钮(通过VISA驱动器访问)，设置PSU输出电压的电压滑条，控制ESC的油门滑块(通过PPM信号)，以及设置FFT窗口大小(以秒为单位)的历史控件。压力表指示PSU回读电压、电流和功率，电机振荡频率(相位信号频谱的最高频率成分)。两个时域图显示振动和相位信号。水平频域图显示了阶振动谱、频率振动谱和相位电压谱。

振动分析受益，机器健康

振动分析是测试机器健康状况和执行预测性维护的一个很好的工具，而顺序跟踪分析被证明是检测旋转机械(如电机和发动机)故障的理想方法。
考虑到与昂贵的电机和发动机相比，传感器和数字化系统的价格，将振动传感器附加到旋转机械上以跟踪机器的健康状况可能是一个好主意。随着机器变得越来越智能，它们将开始实现自己的振动分析系统，以跟踪自身的健康状况和故障的演变。

兰德尔Scasny高级社区内容专家是干什么的安富利的element14社区．由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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关键词:离散传感器，振动检测

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