構建有效的電機振動狀態監測器可以幫助工程師防止工業設備的損壞。

機器振動可能是一個懸而未決問題的關鍵征兆，如果不加以關注，很可能會造成損壞或加速工業設備的老化。機器振動的原因包括不平衡、錯位、粘結、松動或磨損等。

未解決的機器振動可能會對生產運行和人員健康產生嚴重影響：從代價高昂的計劃外停機到危及生命等諸多安全問題。

這就是為什么在預測性維護計劃中，機器振動分析是一個非常重要的工具。如果定期執行，維護技術人員可以盡早檢測出機器故障，并采取適當措施以避免機器故障或更換零件。

電機振動分析是一個廣泛的領域，有多種檢測機械故障的方法。為了找到一種更先進的技術來確定電機振動的原因，工程師們試驗了一種較少使用的階次跟蹤（order tracking）方法來檢測旋轉機械故障。

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優化資產健康狀況的振動分析

階次跟蹤分析對電機、發動機、發電機、渦輪機、泵和壓縮機的振動分析非常有效。這類旋轉機械會產生振動，通過對其進行分析可以評估其總體健康狀況和零件的剩余壽命。階次跟蹤分析有助于區分整體輸出中的旋轉與隨機振動。

振動特征分析可以檢測軸承故障、不平衡、錯位和齒輪缺陷等故障。為了概念驗證，工程師們開發了一個壓電式加轉速計振動傳感器原型機，以評估軸承的健康狀況。軸承通常是大多數故障、不平衡和失調的根源。壓電加轉速傳感器可用于對電機進行振動分析，以檢測其軸承產生的振動。

軸承有4個關鍵部件，在使用過程中可能會損壞：內圈和外圈、滾珠和支撐架。其中任何一個發生故障，都會產生一個特征振動頻率，這樣僅通過分析振動特征就可以識別故障類型。準確的頻率取決于軸承的物理特性，例如滾珠或滾柱的尺寸和數量。下面描述如何使用現成組件建立壓電式加轉速傳感器原型。

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振動傳感器的硬件配置

該解決方案有5個硬件組件：壓電加轉速傳感器、無刷直流電機、電子調速器（ESC）、電源、數據采集設備和計算機。

通過設置電源電壓（從6到16 V），并且通過鉗制脈沖位置調制（PPM）信號控制電子轉速控制器，CPU就可以控制電機轉速。數據采集設備測量來自傳感器的振動信號和來自電機相位的電壓信號（用于計算電機旋轉頻率）。

在±10 V范圍內，數據采集設備支持16位200 ksps的最大采樣頻率，因此工程師必須對電機相位信號進行分頻。他們用BLHeli固件對電子轉速控制進行重新編程，并禁用其比例積分微分（PID）控制回路，將最小和最大脈沖位置調制鉗制值分別設置為1000和2000 ms，從而更容易精確的控制其轉速（見圖1）。傳感器的關鍵部分是信號處理算法，特別是旋轉跟蹤器和階次跟蹤器。?

▲對電子轉速控制重新進行編程，禁用 PID 控制回路，使其更容易精確的控制轉速。

03

確定如何測量和篩選結果

工程師通過測量單個電機相位的分壓信號來跟蹤電機旋轉。原型機中使用的無刷電機，每7個電氣周期旋轉一次。由于周期的“形式”取決于頻率，因此信號處理并不簡單。

由于信號的不規則性，跟蹤旋轉的簡單方法不起作用（例如識別沒有電壓“峰值”的塊）。相反，工程師將旋轉跟蹤算法作為以下操作的序列來實現：

■?從原始信號中，計算出高時間分辨率、低頻率分辨率的譜圖。

■?計算出圖中每個片段的主頻，然后在原始信號的每個時間單位內進行插值。

■?創建5個頻段（[100；312.5]、[312.5；625]、[625；1250]、[1250；2500]和[2500；5000]Hz）的濾波器組（所選范圍最多包括信號的三次諧波）。

■?濾波器組用于原始信號，以生成5個濾波信號。

■?根據每個時間單位計算所得的主頻率，在每個時間單位對這些濾波信號進行線性組合。

■?線性組合信號用于檢測所有導數為負的過零點。

■?信號振幅低于某個閾值的過零點被丟棄。

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區分同步和異步振動

階次跟蹤是一種可以將同步振動與異步振動分離開來的技術（同步振動頻率與軸的旋轉頻率成正比，而異步振動頻率則不成正比）。開發了一種將時間序列轉換為旋轉序列的算法，旋轉序列是一系列等間距的基準軸旋轉增量。該算法的實現方式如下：

1.通過FFT重采樣，擴展振動時間序列。

2.旋轉跟蹤用于計算導數為負的過零點。

3.將計算的過零點所在的時間，重新采樣為小的旋轉增量。

4.以重新取樣的小旋轉增量，對擴展的振動時間序列進行采樣（步驟2）。??

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信號分析

工程師專注于識別同步和異步振動部件，并實施實時振動分析儀表盤。為了確定哪些振動部件是異步的，哪些是同步的，他們從20 Hz到200 Hz，進行180 s的線性掃描。掃描突出顯示哪些頻譜分量受到軸旋轉頻率的影響，哪些不受影響。掃描還有助于識別在特定頻率下可能受到阻尼的同步部件。

通過旋轉跟蹤，工程師們可以測量旋轉頻率曲線。掃描生成了一個振動頻域譜圖，將異步分量顯示為水平線，將同步分量顯示為對角線，該對角線隨旋轉頻率按常數或階次縮放（見圖2）。通過計算階次跟蹤信號的頻譜圖，識別出同步分量的階次頻率。

▲通過計算階次跟蹤信號識別同步組件階次頻率。工程師們構建了一個實時振動分析儀表盤，使用 NI

LabVIEW顯示結果。

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實時信息儀表板

工程師們構建了一個實時振動分析儀表盤，以使用分析軟件顯示結果。儀表板包含4個控件：用于打開供電裝置的電源按鈕（通過VISA驅動器訪問）、用于設置電源輸出電壓的電壓滑桿、用于控制電子調速器的滑桿（通過PPM信號）以及用于設置FFT窗口大小（以秒為單位）的歷史控件。

儀表指示器顯示電源回讀電壓、電流和功率，以及電機振蕩頻率（相位信號頻譜的最高頻率成分）。兩個時域圖顯示振動和相位信號。水平頻域圖顯示了階次振動譜、頻率振動譜和相電壓譜。

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振動分析的好處

振動分析是測試機器健康狀況和進行預測性維護的一個很好的工具，階次跟蹤分析被證明是檢測旋轉機械（如電機和發動機）故障的一個理想方法。

考慮到傳感器和數字化系統的價格與昂貴的電機和發動機相比，將振動傳感器連接到旋轉機械以跟蹤機器的健康狀況可能是個好主意。隨著機器變得越來越智能，它們將開始實施自己的振動分析系統，以跟蹤自身的健康狀況和故障演變。

編輯：黃飛

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