gaishanzhuangtaijiankonghezhenduanbingshixianzhengtixitongyouhua
，shidangjinrenmenzaishiyongjixiesheshihejishuxitongshimianlindebufenhexintiaozhan。zhegehuatibujinzaigongyelingyu，zairenheshiyongjixiexitongdedifangdouyujiazhongyao。yiwang


，doushigenjujihualaiweihujiqi，yanchiweihukenenghuimianlinshengchantinggongdefengxian。rujin，renmentongguochulijiqideshujulaiyuceqishengyudeshiyongshouming。youqishiwendu
、噪(zao)聲(sheng)和(he)振(zhen)動(dong)等(deng)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)

，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)記(ji)錄(lu)的(de)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)來(lai)確(que)定(ding)最(zui)佳(jia)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)，甚(shen)至(zhi)是(shi)所(suo)需(xu)的(de)維(wei)護(hu)次(ci)數(shu)。此(ci)舉(ju)可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)造(zao)成(cheng)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)磨(mo)損(sun)，並(bing)且(qie)能(neng)夠(gou)盡(jin)早(zao)發(fa)現(xian)潛(qian)在(zai)的(de)問(wen)題(ti)和(he)原(yuan)因(yin)。通(tong)過(guo)這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)監(jian)控(kong)，設(she)施(shi)的(de)可(ke)用(yong)性(xing)和(he)有(you)效(xiao)性(xing)可(ke)挖(wa)掘(jue)出(chu)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)優(you)化(hua)空(kong)間(jian)，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)決(jue)定(ding)性(xing)的(de)優(you)勢(shi)。例(li)如(ru)
，經(jing)證(zheng)實(shi)

，實(shi)施(shi)這(zhe)種(zhong)監(jian)控(kong)之(zhi)後(hou)，ABB1一年內將停機時間減少了70%，將電機的服務壽命延長了30%，同時將設施的能耗降低了10%。

 

預防性維護的一個重要組成部分就是基於狀態的監控(CBM)
，通常監控渦輪機、風扇
、泵、電機等旋轉機器。利用CBM可實時記錄運行狀態信息。但是
，不會提供故障或磨損預測。這些隻能通過預防性維護提供，因此帶來一個轉折點：借助更加智能的傳感器
、更強大的通信網絡和計算平台，人們能夠創建模型、檢測變更
，並詳細計算服務壽命。

 

為了構建有效的模型，需要分析振動

、溫度
、dianliuhecichang。dangjincaiyongdeyouxianhewuxiantongxinfangfazhichizaizhenggegongchanghuogongsifanweineishishisheshijiankong。jiyuyundexitongweiwomendailailegengduodefenxikenengxing，shidecaozuoyuanheweixiujishurenyuannenggoutongguojiandandefangshihuodeyouguanjiqizhuangtaixinxideshuju。danshi
，jiqibixujubeibendizhinengchuanganqihetongxinjichujiagou，zheshihuodeewaidefenxinenglideqianti。zhexiechuanganqishishenmeyangde、需要滿足哪些要求
、有哪些關鍵特性—本文會就這些問題以及其他問題展開探討。

 

機器的生命周期展示

 

關於狀態監控，可能需要考慮以下最基本的問題：在實施必要的維護之前，設備能夠運行多長時間？

 

yibaneryan

，congluojishanglaishuo
，congfaxianwentidaokaishiweihudejiangeshijianyueduanyuehao。danshi
，weileyouhuayunyingheweihuchengben，huozhewanquanfahuisheshidezuigaoxiaolv，xuyaoshuxijiqitexingdezhuanyerenyuanpingjiezhishijingyanlaipanduan。zhexiezhuanyerenyuanzhuyaolaizizhoucheng/潤滑領域，在電機分析方麵經驗不多，屬於最薄弱的環節。專業人員最終會決定，根據實際的生命周期（如圖1）和實際狀態偏離正常狀態的情況，是否應當進行維修甚至是更換。

 

圖1：機器的生命周期。

 

shangweishiyongdejiqizuichuchuyusuoweidebaoxiuqi。zheshuyushengmingzhouqidezaoqijieduan，bupaichuzhegejieduanhuichuxianguzhang，danzhezhongjilvxiangduifeichangxiao，qieyibanyushengchanguzhangyouguan。zhiyouzaijiexialaidedingqiweihujieduan
，jieshouguoxiangyingpeixundeweixiurenyuancaihuikaishijinxingzhenduixingdeganyu。wulunjiqideshijizhuangtairuhe，tamendouhuianzhaozhidingdeshijian
，huozhezaidadaozhidingdeshiyongshijianhou

，duijiqizhixinglixingweihu，liru，weijiqihuanyou。zhezhongqingkuangxia，weihujiangeqijianchuxianguzhangdejilvyerengranfeichangdi。suizhejiqideshiyongshijianzengjia，huizhujiandaodazhuangtaijiankongjieduan。zicizhihou，yingzuohaoguzhangyingduizhunbei。tu1顯示了以下6種變化，從超聲波範圍(1)的變化開始，接著是振動變化(2)。通過分析潤滑油(3)或者通過稍微提高溫度(4)
，在實際發生故障之前

，可以通過可感知的噪聲(5)或發熱情況(6)檢測出將要發生故障的前期跡象。振動通常用於確認老化情況。圖2顯xian示shi了le三san台tai相xiang同tong設she備bei在zai生sheng命ming周zhou期qi內nei的de振zhen動dong模mo式shi。三san台tai機ji器qi在zai初chu始shi階jie段duan都dou處chu於yu正zheng常chang範fan圍wei。但dan是shi，從cong中zhong期qi階jie段duan開kai始shi，根gen據ju具ju體ti的de載zai荷he情qing況kuang，振zhen動dong或huo多duo或huo少shao快kuai速su增zeng加jia
；到後期階段會呈指數增加達到臨界範圍。一旦設備達到臨界範圍，則需要立即采取行動。

 

圖2：振動參數隨時間發生變化。

 

通過振動分析實施狀態監控

 

輸出速度
、齒(chi)輪(lun)比(bi)和(he)軸(zhou)承(cheng)組(zu)件(jian)數(shu)量(liang)等(deng)參(can)數(shu)與(yu)機(ji)器(qi)的(de)振(zhen)動(dong)模(mo)式(shi)分(fen)析(xi)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，齒(chi)輪(lun)箱(xiang)導(dao)致(zhi)的(de)振(zhen)動(dong)在(zai)頻(pin)域(yu)體(ti)現(xian)為(wei)軸(zhou)速(su)的(de)倍(bei)數(shu)，而(er)軸(zhou)承(cheng)的(de)特(te)征(zheng)頻(pin)率(lv)通(tong)常(chang)不(bu)代(dai)表(biao)諧(xie)波(bo)分(fen)量(liang)。此(ci)外(wai)，通(tong)常(chang)還(hai)會(hui)檢(jian)測(ce)湍(tuan)流(liu)和(he)氣(qi)蝕(shi)導(dao)致(zhi)的(de)振(zhen)動(dong)。它(ta)們(men)通(tong)常(chang)與(yu)風(feng)扇(shan)和(he)泵(beng)中(zhong)的(de)氣(qi)流(liu)和(he)/huoyeliuyouguan，yinci

，yibanbeishiweisuijizhendong。tamentongchangchengjingzhizhuangtai，congtongjitexinglaikan，bingbucunzaichayi。danshi，suijizhendongyejuyouxunhuanpingwenxing，yinciyejuyoutongjitexing。tamenyoujiqichanshengbingfashengzhouqixingbianhua
，zheyuneiranjimeigeqigangmeigezhouqidianhuoyicideqingxingleisi。

 

傳chuan感gan器qi方fang向xiang也ye至zhi關guan重zhong要yao。如ru果guo采cai用yong單dan軸zhou傳chuan感gan器qi來lai測ce量liang主zhu要yao線xian性xing振zhen動dong，則ze必bi須xu按an照zhao振zhen動dong方fang向xiang來lai調tiao整zheng傳chuan感gan器qi。也ye可ke使shi用yong多duo軸zhou傳chuan感gan器qi記ji錄lu所suo有you方fang向xiang的de振zhen動dong，但dan是shi基ji於yu其qi物wu理li特te性xing，采cai用yong單dan軸zhou傳chuan感gan器qi的de噪zao聲sheng更geng低di

、測量範圍更廣，帶寬也更大。

 

對振動傳感器的需求

 

為了廣泛使用振動傳感器來實施狀態監控
，務必考慮兩個重要因素：低成本和小尺寸。以往人們通常使用壓電傳感器，如今則越來越多地使用基於MEMS的加速計。它們具有更高的分辨率、出chu色se的de漂piao移yi特te性xing和he靈ling敏min度du
，以yi及ji更geng高gao的de信xin噪zao比bi，此ci外wai，還hai能neng檢jian測ce幾ji乎hu接jie近jin直zhi流liu範fan圍wei的de極ji低di頻pin率lv振zhen動dong。同tong時shi也ye非fei常chang節jie能neng，因yin此ci非fei常chang適shi合he電dian池chi供gong電dian的de無wu線xian監jian控kong係xi統tong。與yu壓ya電dian傳chuan感gan器qi相xiang比bi還hai有you另ling一yi項xiang優you勢shi：可以將整個係統集成到單個殼體（係統級封裝）中。這些所謂的SiP解決方案不斷集成以下其他重要功能，共同構建為智能係統：模數轉換器
、帶嵌入式固件（實施專用預處理）的微控製器、通信協議和通用接口，此外還包括各種保護功能。

 

集(ji)成(cheng)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)元(yuan)件(jian)受(shou)力(li)過(guo)大(da)會(hui)導(dao)致(zhi)損(sun)壞(huai)。集(ji)成(cheng)的(de)超(chao)量(liang)程(cheng)檢(jian)測(ce)功(gong)能(neng)會(hui)發(fa)出(chu)警(jing)告(gao)

，或(huo)者(zhe)通(tong)過(guo)關(guan)閉(bi)內(nei)部(bu)時(shi)鍾(zhong)，停(ting)用(yong)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)中(zhong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)組(zu)件(jian)，從(cong)而(er)保(bao)護(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)元(yuan)件(jian)不(bu)受(shou)損(sun)害(hai)。SiP解決方案見圖3。

 

圖3：基於MEMS的係統級封裝（左側）。

 

隨著CBM領域的需求增加
，對傳感器的需求也相應增加。對於有效的CBM，對傳感器測量範圍（滿量程，即FSR）的要求一般為±50g。

 

由於加速度與頻率的平方成比例，所以能夠相對很快地達到這些高加速力。公式1可以證明這一點：

 

 

變量表示加速度，f表示頻率
，d表示振動幅度。因此，例如，振動為1kHz時，1µm的振幅會產生39.5g的加速度。

 

至於噪聲性能
，這個值在盡可能廣泛的頻率範圍內（從接近dc到數十kHz的中間範圍）都dou應ying該gai非fei常chang低di，這zhe樣yang
，除chu了le其qi他ta因yin素su之zhi外wai，可ke以yi在zai速su度du極ji低di時shi檢jian測ce到dao軸zhou承cheng噪zao聲sheng。但dan是shi，由you此ci也ye可ke以yi看kan出chu，振zhen動dong傳chuan感gan器qi製zhi造zao商shang正zheng麵mian臨lin一yi個ge重zhong大da挑tiao戰zhan，尤you其qi對dui於yu多duo軸zhou傳chuan感gan器qi而er言yan。隻zhi有you少shao數shu幾ji家jia製zhi造zao商shang能neng夠gou提ti供gong帶dai寬kuan大da於yu2kHz、噪聲足夠低的多軸傳感器。ADI公司(ADI)已開發出適合CBM應用的ADXL356/ADXL357三軸傳感器係列。該係列產品具備出色的噪聲性能和溫度穩定性。除了有限的1.5kHz（諧振頻率=5.5kHz）帶寬以外，這些加速度計仍能夠為風輪機等低速設備提供重要的狀態監控讀數。

 

ADXL100x係列中的單軸傳感器適用於更高帶寬。它們提供高達24kHz（諧振頻率=45kHz）的帶寬
，且在噪聲水平極低的情況下，提供高達±100g的g範圍。由於具有高帶寬，該傳感器係列可以檢測出旋轉機械中的大部分故障問題（滑動軸承損壞

、失衡
、摩擦
、疏鬆、輪齒缺損、軸承磨損和氣蝕）。 

 

基於狀態的監控可以采用的分析方法

 

CBM中的機器狀態分析可以采用多種方法完成。最常見的方法是時域分析
、頻率域分析

，以及兩者共用。

 

1.基於時間的分析

 

在時域振動分析中
，會考慮有效值（均方根，即rms）
、峰峰值和振動幅度（見圖4）。

 

圖4：諧波振動信號的幅度
、有效值和峰峰值。

 

fengfengzhifanyingdianjizhoudezuidapianxiedu，yincinenggoudechuzuidazaihe。zhenfuzhizebiaoshizhendongdefudu

，bingqieshibieyichangdezhendongxianxiang。danshi，buhuikaolvzhendongdeshichanghuozhezhendongqijiandenengliang，yijizhendongdepohuaili。yinci，youxiaozhiyibanshizuijuyiyidezhi
，zheshiyinweitabudankaolvzhendongshichang
，haikaolvzhendongfuduzhi。tongguofenxisuoyouzhexiecanshuduidianjisududeyilaiguanxi
，keyihuodeduirms振動的統計閾值的相關性。

 

事實證明此類分析非常簡單，因為它既不需要基本的係統知識，也不需要進行任何類型的光譜分析。

 

2.基於頻率的分析

 

利用基於頻率的分析，可通過快速傅立葉變換（FFT）將隨時間變化的振動信號分解為頻率分量。由此產生的幅度和頻率關係頻譜圖有助於監控特定的頻率分量及其諧波和邊帶（見圖5）。

 

圖5：振動與頻率關係頻譜圖。

 

FFT是一種在振動分析中廣泛采用的方法，特別是用於檢測軸承損傷。采用這種方法
，可以將相應的組件分配給每個頻率分量。通過FFT
，keyilvchugundongbujianyuquexianquyujiechuyinqimouxieguzhangshichanshengzhongfumaichongdezhuyaopinlv。yinweitamendepinlvfenliangbutong
，yincikeyiqufenbutongleixingdezhouchengsunshang（外環
、內環或滾珠軸承損傷）。但是，這需要軸承、電機和整個係統的準確信息。

 

此外，FFT流(liu)程(cheng)需(xu)要(yao)提(ti)供(gong)在(zai)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)反(fan)複(fu)記(ji)錄(lu)和(he)處(chu)理(li)振(zhen)動(dong)的(de)離(li)散(san)時(shi)間(jian)塊(kuai)。盡(jin)管(guan)相(xiang)比(bi)時(shi)域(yu)分(fen)析(xi)，這(zhe)種(zhong)分(fen)析(xi)需(xu)要(yao)更(geng)強(qiang)的(de)計(ji)算(suan)能(neng)力(li)，但(dan)它(ta)能(neng)夠(gou)進(jin)行(xing)更(geng)詳(xiang)細(xi)的(de)損(sun)傷(shang)分(fen)析(xi)。

 

3.時域和頻域分析組合

 

cileifenxizuiquanmian，yinweitajianjuliangzhongfangfadeyoudian。shiyuzhongdetongjifenxitigongxitongdezhendongqiangdusuishijianbianhuadexinxi
，yijitamenshifouchuyuxukedefanweinei。pinyufenxinenggouyijibenpinlvdexingshijiancesudu
，tongshiyenenggoujiancezhunqueshibieguzhangtezhengsuoxudexiebofenliang。

 

對(dui)基(ji)本(ben)頻(pin)率(lv)的(de)跟(gen)蹤(zong)尤(you)其(qi)具(ju)有(you)決(jue)定(ding)性(xing)

，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)有(you)效(xiao)值(zhi)和(he)其(qi)他(ta)統(tong)計(ji)參(can)數(shu)會(hui)隨(sui)速(su)度(du)而(er)變(bian)化(hua)。如(ru)果(guo)與(yu)最(zui)後(hou)一(yi)次(ci)測(ce)量(liang)相(xiang)比(bi)，統(tong)計(ji)參(can)數(shu)發(fa)生(sheng)顯(xian)著(zhu)變(bian)化(hua)
，則(ze)必(bi)須(xu)檢(jian)查(zha)基(ji)本(ben)頻(pin)率(lv)，以(yi)避(bi)免(mian)誤(wu)報(bao)。

 

對(dui)於(yu)這(zhe)三(san)種(zhong)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)，其(qi)測(ce)量(liang)的(de)數(shu)值(zhi)都(dou)會(hui)隨(sui)時(shi)間(jian)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)可(ke)能(neng)首(shou)先(xian)需(xu)要(yao)記(ji)錄(lu)運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)，或(huo)者(zhe)生(sheng)成(cheng)所(suo)謂(wei)的(de)指(zhi)紋(wen)。然(ran)後(hou)與(yu)不(bu)斷(duan)記(ji)錄(lu)的(de)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)。在(zai)偏(pian)差(cha)過(guo)大(da)
，或(huo)超(chao)過(guo)相(xiang)應(ying)閾(yu)值(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，需(xu)要(yao)作(zuo)出(chu)反(fan)應(ying)。如(ru)圖(tu)6所示，可能的反應可以是警告(2)或警報(4)。根據具體的嚴重程度，可能需要維修人員立即著手修正這些偏差。

 

圖6：閾值和對FFT的反應。

 

通過磁場分析實施CBM

 

由於集成磁力計的快速發展
，測量電機周圍的雜散磁場是另一種對旋轉機器進行狀態監控的頗有前景的方法。測量采用非接觸式；也就是說，機械和傳感器之間不需要直接連接。與振動傳感器一樣，磁場傳感器也有單軸和多軸版本。

 

對於故障檢測，應從軸向（平行於電機軸）和徑向（與電機軸呈直角）測ce量liang雜za散san磁ci場chang。徑jing向xiang磁ci場chang通tong常chang被bei定ding子zi鐵tie芯xin和he電dian機ji外wai殼ke削xue弱ruo。與yu此ci同tong時shi

，還hai會hui受shou到dao氣qi隙xi磁ci通tong量liang的de顯xian著zhu影ying響xiang。軸zhou向xiang磁ci場chang是shi由you鼠shu籠long式shi轉zhuan子zi的de電dian流liu和he定ding子zi的de末mo端duan繞rao組zu產chan生sheng的de。磁ci力li計ji的de位wei置zhi和he方fang向xiang對dui於yu能neng否fou測ce量liang兩liang個ge磁ci場chang具ju有you決jue定ding性xing的de作zuo用yong。因yin此ci，建jian議yi選xuan擇ze靠kao近jin軸zhou或huo電dian機ji外wai殼ke的de合he適shi位wei置zhi。同tong時shi需xu要yao測ce量liang溫wen度du
，這zhe絕jue對dui有you必bi要yao，因yin為wei磁ci場chang強qiang度du與yu溫wen度du直zhi接jie相xiang關guan。因yin此ci，在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia，如ru今jin的de磁ci場chang傳chuan感gan器qi都dou包bao含han集ji成cheng式shi溫wen度du傳chuan感gan器qi。此ci外wai，還hai應ying校xiao準zhun傳chuan感gan器qi
，實shi施shi溫wen漂piao補bu償chang校xiao正zheng。

 

FFT用於對電機實施基於磁場的狀態監控
，就像振動測量一樣。但是，對於電機狀態評估
，即使是幾赫茲到大約120赫茲範圍的低頻也足夠了。線路頻率顯得很突出
，而出現故障時則以低頻分量頻譜為主。

 

在鼠籠式轉子的轉杆破裂的情況下，滑動值也具有決定性的作用。它與負載有關，理想情況下無負載時為0%。采用額定負載時，對於運行正常的機器，其值在1%和5%之間，出現故障時，會相應增大。對於CBM，應該在相同的負載條件下進行測量
，以消除負載不同帶來的影響。

 

預防性維護的狀態

 

無論是哪種類型的狀態監測，即使采用最智能的監控方案，也無法百分之百保證不會出現意外的停機、故gu障zhang或huo安an全quan風feng險xian。隻zhi能neng降jiang低di這zhe些xie風feng險xian。然ran而er，預yu防fang性xing維wei護hu越yue來lai越yue受shou關guan注zhu，正zheng在zai成cheng為wei行xing業ye的de一yi個ge重zhong要yao話hua題ti。它ta被bei認ren為wei是shi生sheng產chan設she施shi未wei來lai取qu得de可ke持chi續xu成cheng功gong的de一yi個ge明ming確que的de先xian決jue條tiao件jian。然ran而er，要yao做zuo到dao這zhe一yi點dian，需xu要yao采cai用yong獨du特te的de技ji術shu，而er且qie必bi須xu不bu斷duan創chuang新xin
，加jia速su發fa展zhan。盈ying虧kui赤chi字zi體ti現xian在zai客ke戶hu利li益yi和he成cheng本ben比bi較jiao中zhong。

 

盡管如此，許多工業企業已經認識到預防性維護的重要性，它是決定能否成功的重要因素，因此也是開展未來業務的機會—zhezhongjihuibingbujinjinjuxianyuweixiufuwulingyu。jinguanmianlinjudatiaozhan，youqishizaishujufenxilingyu
，yufangxingweihumuqianyijubeihengaodejishukexingxing。danshi，muqianyufangxingweihujuyouqiangliedejihuizhuyitezheng。yujiweilaideyewumoshijiangzhuyaoqujueyuruanjianzujian，yingjiandailaidezengzhifenejiangbuduanxiajiang。zongzhi，yinweijiqiyunxingshijianjiaochang，chanshengdejiazhijiaogao，muqianduiyufangxingweihudeyingjianheruanjiandetouziyijingwuyousuozhi。

 

 

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