如何改善機(jī)器振動(dòng)的分析方法

工廠的機(jī)器都有正常的換班時(shí)間。由于停機(jī)換班會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停頓，因此停機(jī)造成的損失可能會(huì)很大，但其實(shí)這些損失是可以避免的。目前很多工廠、發(fā)電廠、礦地及其他操作流程都加裝了具有預(yù)防作用的維護(hù)系統(tǒng)，以改善機(jī)器的操作效率。

新一代具有預(yù)防作用的維護(hù)系統(tǒng)都采用電子診斷技術(shù)以監(jiān)視可以顯示機(jī)器操作狀況的參數(shù)。以滾軋機(jī)為例來(lái)說(shuō)，這類機(jī)器可能設(shè)有多個(gè)大型的電動(dòng)馬達(dá)及軸承，而每一馬達(dá)及軸承都各有滾軸、液壓泵以及多種不同液壓傳動(dòng)裝置。保護(hù)這類設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)可能需要配備電子監(jiān)控電路，才可測(cè)量滾軸的振動(dòng)程度和溫度、液壓系統(tǒng)的液壓、液體溫度以及馬達(dá)溫度。

機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分會(huì)不時(shí)產(chǎn)生頻率介于 50Hz 至 10kHz 之間的振動(dòng)，我們可以測(cè)量機(jī)件的振動(dòng)幅度，以便從中了解滾軸及其他轉(zhuǎn)動(dòng)部分的物理狀態(tài)，這個(gè)監(jiān)控過(guò)程一般稱為振動(dòng)分析。超聲波分析可說(shuō)是另一種的振動(dòng)分析，但超聲波分析涉及的頻率范圍則介于 15kHz 至 40kHz 之間，而這一頻率范圍屬于高頻區(qū)。由于機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分會(huì)出現(xiàn)磨損或損壞，以致所產(chǎn)生的頻率與原先的不同，顯示機(jī)件的物理狀態(tài)與以前有異，因此我們只要通過(guò)頻譜分析便可檢測(cè)機(jī)件的轉(zhuǎn)變情況。機(jī)件出現(xiàn)磨損，其振幅會(huì)擴(kuò)大，而超聲波噪音也會(huì)增加。只要有 12dB 左右的增幅，便表示有關(guān)機(jī)器可能會(huì)隨時(shí)出現(xiàn)故障。 

  
圖 1：振動(dòng)分析的信號(hào)鏈


這種監(jiān)控方法的好處是，機(jī)件還未出現(xiàn)故障便可先行搶修。振動(dòng)分析及超聲波分析所需的設(shè)備很多時(shí)完全不同。最理想當(dāng)然是有一套現(xiàn)成而又極具成本效益的儀器可以在整個(gè)頻率范圍內(nèi)作出監(jiān)控。圖 1 所示的是振動(dòng)及超聲波分析的信號(hào)路徑電路圖。

壓電傳感器可以感測(cè)滾軸所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率及超聲波噪音。壓電傳感電路由 MOSFET 晶體管為其提供內(nèi)部緩沖，而驅(qū)動(dòng) MOSFET 晶體管的電流則來(lái)自 A4 的恒流源，通過(guò)交流耦合在內(nèi)部連接到濾波器。A1、A2 及 A3 放大器組成一 6極點(diǎn)低通濾波器并提供41.9dB 的增益。取樣率為 200kHz 的 ADC121S021 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將已放大及濾波的信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。微處理器的軟件可以通過(guò)快速傅立葉變換 (FFT) 取得有關(guān)信號(hào)頻率及振幅的數(shù)據(jù)。圖中所示電路的通帶約為 40kHz。圖 2 則顯示典型寬頻帶振動(dòng)傳感器的傳遞函數(shù)。 

  
圖 2：傳感器的傳遞函數(shù)

傳感器在 30Hz 左右會(huì)開始滾降，其頻率響應(yīng)幅度相對(duì)較為平坦，直到升至 65kHz 這個(gè)諧振頻率，這時(shí)平坦響應(yīng)才改變過(guò)來(lái)，在此之后頻率響應(yīng)便急速下跌。這一平坦頻帶的峰峰值振幅約為 32mVp-p，然后振幅會(huì)放大至 4Vp-p。以下是增益數(shù)字：

        4.096V
               ---------- = 128
         0.032

我們最好采用 125 倍的增益，以便多留一點(diǎn)余量。以 40kHz 這個(gè)最高信號(hào)頻率為例來(lái)說(shuō)，取樣率便成為一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題。為免高于尼斯奎特頻率的混疊信號(hào)頻率，我們必須將取樣頻率的一半加以濾波，然后將振幅抑制至模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的 1 LSB 以下。以這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，我們所采用的是 12 位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其參考電壓為 4.096V，將得到1mV 解析度，計(jì)算方法如下：

        4.096V
               ---------- = 0.001V
          4096

我們?nèi)粢獮槿淤Y料系統(tǒng)提供一個(gè)切實(shí)可行的濾波器，便必須在某一程度上將要量度的最高頻率與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的尼奎斯特頻率加以分開。雖然這樣做可能會(huì)令信號(hào)出現(xiàn)過(guò)取樣，但濾波器可以抑制或完全消除假信號(hào)。圖 1 采用的 ADC121S021 是一款 12 位、200kSPS 取樣率的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 。若這款模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器以 200kSPS 的取樣率進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，尼奎斯特頻率會(huì)固定于 100kHz。若頻率為 100kHz，傳感器的輸出信號(hào)振幅大約為 8mVp-p，將這個(gè)信號(hào)抑制至 1mVp-p 以下所需的增益可以根據(jù)以下公式計(jì)算出來(lái)：