據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，改善狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷、優(yōu)化整體系統(tǒng)，是當(dāng)今使用機(jī)械設(shè)施和技術(shù)系統(tǒng)的核心挑戰(zhàn)。不僅在工業(yè)領(lǐng)域，任何使用機(jī)器的領(lǐng)域，這個(gè)問(wèn)題都越來(lái)越受到大家的關(guān)注。

過(guò)去，機(jī)器是按照計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)的，延遲維護(hù)可能會(huì)帶來(lái)工廠(chǎng)停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。然而今天，來(lái)自機(jī)器的過(guò)程數(shù)據(jù)可以用于預(yù)測(cè)其剩余使用壽命。特別是溫度、噪音和振動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)記錄可以用來(lái)確定機(jī)器的最佳運(yùn)行狀態(tài)，甚至是必要維護(hù)的時(shí)間。這樣就可以避免不必要的磨損，還可以及早發(fā)現(xiàn)故障及其產(chǎn)生原因。借助這種監(jiān)控優(yōu)勢(shì)，機(jī)器在設(shè)施可用性和有效性方面都具有相當(dāng)大的優(yōu)化潛力。

預(yù)測(cè)性維護(hù)（predictive maintenance，簡(jiǎn)稱(chēng)PM）的核心是基于對(duì)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)（condition-based monitoring，簡(jiǎn)稱(chēng)CBM），通常是旋轉(zhuǎn)機(jī)器，如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、水泵和馬達(dá)等。通過(guò)CBM，機(jī)器運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息都可以被實(shí)時(shí)記錄下來(lái)。但是，該設(shè)備無(wú)法對(duì)可能發(fā)生的故障或磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)。雖然如此，通過(guò)PM來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器預(yù)測(cè)，標(biāo)志著轉(zhuǎn)折點(diǎn)的到來(lái)：借助更智能的傳感器和更強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算平臺(tái)，可以創(chuàng)建模型，檢測(cè)機(jī)器變化，并對(duì)其使用壽命進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

為了創(chuàng)建更富有意義的模型，我們需要分析振動(dòng)、溫度、電流和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。如今，有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信方法允許各工廠(chǎng)或公司對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)基于云系統(tǒng)產(chǎn)生的附加分析，以簡(jiǎn)單的方式使操作員和維修技術(shù)人員能夠訪(fǎng)問(wèn)到機(jī)器狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。但是，機(jī)器上的本地智能傳感器和通信基礎(chǔ)設(shè)施是這些附加分析的基礎(chǔ)。下文將揭示上述傳感器的“廬山真面目”，以及相關(guān)要求和關(guān)鍵特性。

機(jī)器生命周期

機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中最根本的問(wèn)題可能是：在必要維護(hù)之前，機(jī)器可以運(yùn)行多久？

從邏輯上來(lái)說(shuō)，越早進(jìn)行維護(hù)越好。但是，為了優(yōu)化運(yùn)行和維護(hù)成本或完全實(shí)現(xiàn)設(shè)施使用的最大效率，我們亟需熟悉機(jī)器性能的專(zhuān)家。在電機(jī)分析中，這些專(zhuān)家主要來(lái)自軸承/潤(rùn)滑領(lǐng)域，而經(jīng)驗(yàn)表明，該領(lǐng)域機(jī)器性能是最薄弱的。專(zhuān)家最終發(fā)出疑問(wèn)，相對(duì)于實(shí)際生命周期（見(jiàn)圖1），機(jī)器偏離正常狀態(tài)是否需要修理甚至更換。

圖1：機(jī)器生命周期
因此，未使用的機(jī)器仍處于所謂的保修階段（warranty phase）。生命周期早期階段的問(wèn)題可能無(wú)法排除，但這種情況相對(duì)較少，通?？梢宰匪莸疆a(chǎn)品缺陷。在間隔維護(hù)（interval maintenance）的后期，只有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的服務(wù)人員才可以有針對(duì)性地干預(yù)，包括在特定時(shí)間或在特定使用周期之后，獨(dú)立于機(jī)器狀態(tài)執(zhí)行的例行維護(hù)，例如換機(jī)油。所以，間隔維護(hù)期間的故障概率仍然非常低。隨著機(jī)器使用時(shí)間的增加，狀態(tài)監(jiān)測(cè)階段已經(jīng)到來(lái)。因此，今后機(jī)器故障都將能被預(yù)測(cè)到。圖1顯示了以下超聲波測(cè)距的六個(gè)變化情況（1）；隨后是振動(dòng)（2）；通過(guò)分析潤(rùn)滑劑（3）或溫度的略微升高（4）；在故障未發(fā)生之前通過(guò)對(duì)噪聲的感測(cè)發(fā)現(xiàn)跡象（5）或熱量產(chǎn)生（6）。振動(dòng)通常用于識(shí)別機(jī)器老化。如圖2所示，三臺(tái)相同的機(jī)器在其生命周期內(nèi)的振動(dòng)模式。在初始階段，所有數(shù)據(jù)都在正常范圍內(nèi)。但是，從中間階段開(kāi)始，振動(dòng)指數(shù)會(huì)根據(jù)負(fù)載的增加而迅速增長(zhǎng)，一直到指數(shù)增長(zhǎng)到壽命結(jié)束時(shí)的臨界范圍。一旦機(jī)器達(dá)到臨界范圍，技術(shù)人員就必須立即做出反應(yīng)。


圖2：振動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化
通過(guò)振動(dòng)分析CBM

諸如輸出速度、傳動(dòng)比和軸承元件數(shù)量等因素對(duì)于機(jī)器振動(dòng)模式的分析都具有重要意義。通常，變速箱引起的振動(dòng)在頻域中被認(rèn)為是軸速的倍數(shù)，而軸承的特征頻率通常不認(rèn)為是諧波分量。湍流和空化引起的振動(dòng)也經(jīng)常會(huì)被檢測(cè)到，因?yàn)檫@些振動(dòng)通常由風(fēng)扇和水泵中的空氣和/或液體流引起，所以往往被認(rèn)為是隨機(jī)振動(dòng)。它們通常都是固定的，統(tǒng)計(jì)特性也沒(méi)有變化。然而，隨機(jī)振動(dòng)也可以是循環(huán)平穩(wěn)的，因此它具有統(tǒng)計(jì)特性。這些振動(dòng)由機(jī)器產(chǎn)生并且周期性地變化，如在內(nèi)燃機(jī)中，點(diǎn)火這一操作就在每個(gè)氣缸中循環(huán)產(chǎn)生一次。

傳感器定位也起到關(guān)鍵作用。如果通過(guò)單軸傳感器測(cè)量主要線(xiàn)性振動(dòng)，必須根據(jù)振動(dòng)方向調(diào)整傳感器。雖然還有多軸傳感器可以記錄所有方向的振動(dòng)，但是，單軸傳感器由于其物理特性，具有噪聲更低、測(cè)力范圍更寬、帶寬更寬等優(yōu)勢(shì)。

大眾對(duì)振動(dòng)傳感器的要求

想要將振動(dòng)傳感器更廣泛地使用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有兩個(gè)因素非常重要：低成本和小尺寸。以前壓電傳感器較為常見(jiàn)，如今基于MEMS技術(shù)的加速度計(jì)使用范圍越來(lái)越廣。加速度計(jì)具有更高的分辨率、出色的漂移速度、極強(qiáng)的靈敏度和更高的信噪比，還可以檢測(cè)到接近直流范圍的極低頻振動(dòng)。同時(shí)，它們又非常節(jié)能，這就是為什么加速度計(jì)也是由電池供電的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的理想選擇。

與壓電傳感器相比，振動(dòng)傳感器的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是可以將整個(gè)系統(tǒng)集成在一起（系統(tǒng)級(jí)封裝，簡(jiǎn)稱(chēng)SiP）。SiP解決方案正在通過(guò)整合其他重要功能而不斷發(fā)展，形成智能系統(tǒng)：模數(shù)轉(zhuǎn)換器、可用于特定預(yù)處理應(yīng)用的嵌入式固件中的微控制器、通信協(xié)議和通用接口，同時(shí)還具備各種保護(hù)功能。

集成保護(hù)功能非常重要，因?yàn)楫?dāng)作用在傳感器元件上的力過(guò)大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致傳感器損壞甚至報(bào)廢。當(dāng)集成檢測(cè)裝置檢測(cè)到作用力超過(guò)正常范圍時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)或直接停用陀螺儀中的傳感器元件，通過(guò)關(guān)閉陀螺儀內(nèi)部時(shí)鐘，以此來(lái)保護(hù)傳感器元件。SiP解決方案如圖3所示。



圖3：MEMS系統(tǒng)級(jí)封裝（左下方）
隨著CBM領(lǐng)域的需求增加，人們對(duì)傳感器的要求也在增加。對(duì)于實(shí)用的CBM，有關(guān)傳感器測(cè)量范圍（滿(mǎn)量程范圍，簡(jiǎn)稱(chēng)FSR）的要求已經(jīng)部分大于±50 g。

因?yàn)榧铀俣扰c頻率的平方成正比，所以較快的頻率可以相對(duì)較快地達(dá)到加速度。公式1證明了這一點(diǎn)：

變量a代表加速度，f代表頻率，d代表振動(dòng)幅度。因此，我們假設(shè)有1kHz的振動(dòng)，那么1μm的振幅就產(chǎn)生了39.5g的加速度。

關(guān)于噪聲性能，在盡可能寬的頻率范圍內(nèi)，從接近直流電的極低頻率到中間水平為兩位數(shù)的千赫頻率范圍，其數(shù)值應(yīng)該相對(duì)比較低，因此，除了其它人為因素之外，軸承噪聲也可以在非常低的速度下檢測(cè)到。然而，正是在這個(gè)問(wèn)題上，目前振動(dòng)傳感器的制造商面臨著巨大挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于多軸傳感器。只有少數(shù)制造商能夠提供足夠的低噪聲傳感器，帶寬大于2kHz，可適用于多軸感測(cè)。

ADI公司ADXL100x系列中的單軸傳感器適用于更高的帶寬。它們?cè)跇O低噪聲水平下，可提供高達(dá)24kHz的帶寬（共振頻率=45kHz），以及高達(dá)±100g的測(cè)量范圍。由于帶寬高，大多數(shù)發(fā)生在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的故障（如滑動(dòng)軸承損壞、器械不穩(wěn)、運(yùn)行摩擦、零件松動(dòng)、齒輪齒缺陷、軸承磨損和氣蝕等）都可以通過(guò)該傳感器系列來(lái)檢測(cè)。

CBM的可行性分析方法

我們可以通過(guò)各種方法進(jìn)行CBM中的機(jī)器狀態(tài)分析。最常用的可能是如下三種：時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)頻結(jié)合分析。

1. 時(shí)域分析

在時(shí)域振動(dòng)分析中，我們需要考慮到有效值（均方根，或簡(jiǎn)稱(chēng)rms）、峰峰值和振幅（見(jiàn)圖4）。

圖4：諧波振動(dòng)信號(hào)的振幅、有效值和峰峰值

峰峰值反映了電機(jī)軸的最大撓度值，因此可以通過(guò)其算出最大負(fù)載值。相比之下，振幅值是指振動(dòng)的幅度，通過(guò)這個(gè)數(shù)值可以識(shí)別出是否有異常的沖擊事件。然而，振幅值不考慮振動(dòng)事件期間的持續(xù)時(shí)間或產(chǎn)生的能量，也不考慮其破壞力。因此，有效值通常是最有意義的，因?yàn)樗瑫r(shí)考慮了振動(dòng)時(shí)程和振幅值。所以，RMS振動(dòng)統(tǒng)計(jì)閾值的相關(guān)性可以通過(guò)這些參數(shù)對(duì)電機(jī)速度的依賴(lài)關(guān)系來(lái)獲得。

這個(gè)類(lèi)型的分析證明非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗炔恍枰镜南到y(tǒng)知識(shí)，也不需要任何類(lèi)型的光譜分析。

2. 頻域分析

通過(guò)頻域分析，時(shí)間變化的振動(dòng)信號(hào)可以通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）分解為其頻率分量。得到的幅度與頻率的頻譜圖能夠用于監(jiān)測(cè)特定的頻率分量及其諧波和邊帶。如圖5所示。

圖5：振動(dòng)與頻率關(guān)系的頻譜圖
FFT是一種廣泛用于振動(dòng)分析的方法，特別適用于檢測(cè)軸承損壞情況。它可以為每個(gè)頻率分量分配相應(yīng)的分量。因?yàn)闈L動(dòng)元件和缺陷區(qū)域之間互相接觸會(huì)引起某些故障，通過(guò)FFT分析，該故障的重復(fù)脈沖的主頻就可以被過(guò)濾掉。由于它們的頻率分量不同，就可以區(qū)分不同類(lèi)型的軸承損壞（如外圈損壞、內(nèi)圈損壞或滾珠軸承損壞等）。但是，該分析方法仍然需要有關(guān)軸承、電機(jī)和完整系統(tǒng)的精確信息。

此外，F(xiàn)FT分析過(guò)程需要在微控制器中重復(fù)記錄和處理振動(dòng)的離散時(shí)間塊。盡管這比時(shí)域分析需要略多的計(jì)算時(shí)間，但該方法可以進(jìn)行更詳細(xì)的損壞分析。

3. 時(shí)頻結(jié)合分析

這種類(lèi)型的分析是最全面的，因?yàn)樗Y(jié)合了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。時(shí)域中的統(tǒng)計(jì)分析提供了關(guān)于系統(tǒng)隨時(shí)間變化的振動(dòng)強(qiáng)度的信息，同時(shí)也提供了系統(tǒng)是否在允許的范圍內(nèi)運(yùn)行的信息?；陬l率的分析能夠監(jiān)測(cè)基頻形式的速度，以及精確識(shí)別故障癥狀所需的其它諧波分量。

基頻的跟蹤尤其具有決定性，因?yàn)橛行е岛推渌y(tǒng)計(jì)參數(shù)會(huì)隨速度變化。如果統(tǒng)計(jì)參數(shù)與上次測(cè)量相比有明顯變化，技術(shù)人員就必須檢查其基頻，以防誤報(bào)。

隨著時(shí)間變化，以上三種分析方法中，各個(gè)測(cè)量值有所變化是正常的。用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法可以包括首先記錄機(jī)器“健康狀況”或生成所謂的“指紋”（初始數(shù)據(jù)）。然后將其與不斷記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果出現(xiàn)過(guò)度偏差或超過(guò)相應(yīng)的閾值時(shí)，則需做出反應(yīng)。如圖6所示，F(xiàn)FT可能會(huì)做出的反應(yīng)有警告（2）或警報(bào)（4）。根據(jù)嚴(yán)重程度，可能還需要技術(shù)人員當(dāng)場(chǎng)采取措施。

圖6：FFT的閾值和反應(yīng)

采用磁場(chǎng)分析的CBM

隨著集成磁力計(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電機(jī)周?chē)s散磁場(chǎng)的測(cè)量是對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的另一種有效測(cè)量方法。測(cè)量是非接觸式的，也就是說(shuō)，機(jī)器和傳感器之間不需要直接連接。就像振動(dòng)傳感器一樣，磁場(chǎng)傳感器也分單軸和多軸。

對(duì)于故障檢測(cè)，應(yīng)在軸向（平行于電機(jī)軸）和徑向方向（垂直于電機(jī)軸）測(cè)量雜散磁場(chǎng)。徑向磁場(chǎng)力通常被定子鐵心和電機(jī)外殼所削弱。同時(shí)，它還會(huì)受到空隙中磁通量的影響。軸向磁場(chǎng)是由鼠籠式轉(zhuǎn)子中的電流和定子的端部繞組產(chǎn)生的。磁力計(jì)的位置和方向?qū)@兩個(gè)磁場(chǎng)的測(cè)量都有決定性的作用。因此，建議磁力計(jì)安裝在靠近軸或電機(jī)外殼的位置。同時(shí)溫度測(cè)量也是必要的，因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度與溫度具有直接關(guān)系。因此，如今大部分的磁場(chǎng)傳感器都集成了溫度傳感器。但同時(shí)，我們也不能忽視了校準(zhǔn)傳感器（如溫度漂移補(bǔ)償）。

將FFT用于電機(jī)磁場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其情況與振動(dòng)測(cè)量是一樣的。然而，對(duì)于電機(jī)狀況的評(píng)估，即使在幾赫茲的低頻到約120Hz范圍內(nèi)的頻率也是足夠的。線(xiàn)路頻率突出明顯，如果出現(xiàn)故障，低頻分量的頻譜將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。

當(dāng)鼠籠式轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)子條損壞時(shí)，滑移值就起著決定性的作用。它的大小取決于負(fù)載量，在無(wú)負(fù)載的理想情況下，其數(shù)值為0%。在額定負(fù)載下，對(duì)于完好的機(jī)器來(lái)說(shuō)，它的數(shù)值在1%到5%之間，發(fā)生故障時(shí)，數(shù)值會(huì)相應(yīng)增加。因此，進(jìn)行CBM時(shí)，應(yīng)在相同的負(fù)載條件下進(jìn)行測(cè)量，以消除負(fù)載方面的影響。

預(yù)測(cè)性維護(hù)（PM）現(xiàn)狀

無(wú)論是何種類(lèi)型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，即使采用最智能的監(jiān)測(cè)概念，也不能100%保證不會(huì)出現(xiàn)意外停機(jī)、機(jī)械故障或安全事故等。我們只能將這些風(fēng)險(xiǎn)降低。如今PM越來(lái)越多地成為工業(yè)領(lǐng)域中大家普遍探討的話(huà)題，它被視為生產(chǎn)設(shè)施在未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的先決條件。因此，我們需要不斷創(chuàng)新，推進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)和快速發(fā)展。目前，財(cái)務(wù)赤字主要體現(xiàn)在客戶(hù)利益和成本的比較上。

盡管如此，許多工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了PM的重要性，不僅僅是在服務(wù)領(lǐng)域，也為未來(lái)的業(yè)務(wù)發(fā)展提供更多機(jī)會(huì)。盡管面臨著極大的挑戰(zhàn)，PM的技術(shù)可行性仍然很大，特別是在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域。然而，PM目前正處于機(jī)會(huì)主義的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。預(yù)計(jì)未來(lái)的商業(yè)模式將主要由軟件組件決定，硬件的增值份額將相繼減少。總之，考慮到更長(zhǎng)的機(jī)器運(yùn)行時(shí)間會(huì)帶來(lái)更高的收益，現(xiàn)在我們對(duì)PM的軟硬件投資都是值得的。