如何改善機器振動的分析方法

　　工廠的機器都有正常的換班時間。由于停機換班會導致生產(chǎn)停頓，因此停機造成的損失可能會很大，但其實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防作用的維護系統(tǒng)，以改善機器的操作效率。

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

　　機器的轉動部分會不時產(chǎn)生頻率介于 50hz 至 10khz 之間的振動，我們可以測量機件的振動幅度，以便從中了解滾軸及其他轉動部分的物理狀態(tài)，這個監(jiān)控過程一般稱為振動分析。超聲波分析可說是另一種的振動分析，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)。由于機器的轉動部分會出現(xiàn)磨損或損壞，以致所產(chǎn)生的頻率與原先的不同，顯示機件的物理狀態(tài)與以前有異，因此我們只要通過頻譜分析便可檢測機件的轉變情況。機件出現(xiàn)磨損，其振幅會擴大，而超聲波噪音也會增加。只要有 12db 左右的增幅，便表示有關機器可能會隨時出現(xiàn)故障。

　　圖 1：振動分析的信號鏈

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

　　壓電傳感器可以感測滾軸所產(chǎn)生的振動頻率及超聲波噪音。壓電傳感電路由 mosfet 晶體管為其提供內部緩沖，而驅動 mosfet 晶體管的電流則來自 a4 的恒流源，通過交流耦合在內部連接到濾波器。a1、a2 及 a3 放大器組成一 6極點低通濾波器并提供41.9db 的增益。取樣率為 200khz 的 adc121s021 模擬/數(shù)字轉換器負責將已放大及濾波的信號轉為數(shù)字信號。微處理器的軟件可以通過快速傅立葉變換 (fft) 取得有關信號頻率及振幅的數(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 左右會開始滾降，其頻率響應幅度相對較為平坦，直到升至 65khz 這個諧振頻率，這時平坦響應才改變過來，在此之后頻率響應便急速下跌。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，以便多留一點余量。以 40khz 這個最高信號頻率為例來說，取樣率便成為一個令人擔憂的問題。為免高于尼斯奎特頻率的混疊信號頻率，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)字轉換器的 1 lsb 以下。以這個例子來說，我們所采用的是 12 位的模擬/數(shù)字轉換器，其參考電壓為 4.096v，將得到1mv 解析度，計算方法如下：

　　4.096v

　　---------- = 0.001v

　　4096

　　我們若要為取樣資料系統(tǒng)提供一個切實可行的濾波器，便必須在某一程度上將要量度的最高頻率與模擬/數(shù)字轉換器的尼奎斯特頻率加以分開。雖然這樣做可能會令信號出現(xiàn)過取樣，但濾波器可以抑制或完全消除假信號。圖 1 采用的 adc121s021 是一款 12 位、200ksps 取樣率的模擬/數(shù)字轉換器 。若這款模擬/數(shù)字轉換器以 200ksps 的取樣率進行信號轉換，尼奎斯特頻率會固定于 100khz。若頻率為 100khz，傳感器的輸出信號振幅大約為 8mvp-p，將這個信號抑制至 1mvp-p 以下所需的增益可以根據(jù)以下公式計算出來：