如何用阶次跟踪方法来检测旋转机械故障

构建有效的电机振动状态监测器可以帮助工程师防止工业设备的损坏。

机器振动可能是一个悬而未决问题的关键征兆，如果不加以关注，很可能会造成损坏或加速工业设备的老化。机器振动的原因包括不平衡、错位、粘结、松动或磨损等。

未解决的机器振动可能会对生产运行和人员健康产生严重影响：从代价高昂的计划外停机到危及生命等诸多安全问题。

这就是为什么在预测性维护计划中，机器振动分析是一个非常重要的工具。如果定期执行，维护技术人员可以尽早检测出机器故障，并采取适当措施以避免机器故障或更换零件。

电机振动分析是一个广泛的领域，有多种检测机械故障的方法。为了找到一种更先进的技术来确定电机振动的原因，工程师们试验了一种较少使用的阶次跟踪（order tracking）方法来检测旋转机械故障。

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优化资产健康状况的振动分析

阶次跟踪分析对电机、发动机、发电机、涡轮机、泵和压缩机的振动分析非常有效。这类旋转机械会产生振动，通过对其进行分析可以评估其总体健康状况和零件的剩余寿命。阶次跟踪分析有助于区分整体输出中的旋转与随机振动。

振动特征分析可以检测轴承故障、不平衡、错位和齿轮缺陷等故障。为了概念验证，工程师们开发了一个压电式加转速计振动传感器原型机，以评估轴承的健康状况。轴承通常是大多数故障、不平衡和失调的根源。压电加转速传感器可用于对电机进行振动分析，以检测其轴承产生的振动。

轴承有4个关键部件，在使用过程中可能会损坏：内圈和外圈、滚珠和支撑架。其中任何一个发生故障，都会产生一个特征振动频率，这样仅通过分析振动特征就可以识别故障类型。准确的频率取决于轴承的物理特性，例如滚珠或滚柱的尺寸和数量。下面描述如何使用现成组件建立压电式加转速传感器原型。

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振动传感器的硬件配置

该解决方案有5个硬件组件：压电加转速传感器、无刷直流电机、电子调速器（ESC）、电源、数据采集设备和计算机。

通过设置电源电压（从6到16 V），并且通过钳制脉冲位置调制（PPM）信号控制电子转速控制器，CPU就可以控制电机转速。数据采集设备测量来自传感器的振动信号和来自电机相位的电压信号（用于计算电机旋转频率）。

在±10 V范围内，数据采集设备支持16位200 ksps的最大采样频率，因此工程师必须对电机相位信号进行分频。他们用BLHeli固件对电子转速控制进行重新编程，并禁用其比例积分微分（PID）控制回路，将最小和最大脉冲位置调制钳制值分别设置为1000和2000 ms，从而更容易精确的控制其转速（见图1）。传感器的关键部分是信号处理算法，特别是旋转*和阶次*。 

▲对电子转速控制重新进行编程，禁用 PID 控制回路，使其更容易精确的控制转速。

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确定如何测量和筛选结果

工程师通过测量单个电机相位的分压信号来跟踪电机旋转。原型机中使用的无刷电机，每7个电气周期旋转一次。由于周期的“形式”取决于频率，因此信号处理并不简单。

由于信号的不规则性，跟踪旋转的简单方法不起作用（例如识别没有电压“峰值”的块）。相反，工程师将旋转跟踪算法作为以下操作的序列来实现：

■ 从原始信号中，计算出高时间分辨率、低频率分辨率的谱图。

■ 计算出图中每个片段的主频，然后在原始信号的每个时间单位内进行插值。

■ 创建5个频段（[100；312.5]、[312.5；625]、[625；1250]、[1250；2500]和[2500；5000]Hz）的滤波器组（所选范围最多包括信号的三次谐波）。

■ 滤波器组用于原始信号，以生成5个滤波信号。

■ 根据每个时间单位计算所得的主频率，在每个时间单位对这些滤波信号进行线性组合。

■ 线性组合信号用于检测所有导数为负的过零点。

■ 信号振幅低于某个阈值的过零点被丢弃。

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区分同步和异步振动

阶次跟踪是一种可以将同步振动与异步振动分离开来的技术（同步振动频率与轴的旋转频率成正比，而异步振动频率则不成正比）。开发了一种将时间序列转换为旋转序列的算法，旋转序列是一系列等间距的基准轴旋转增量。该算法的实现方式如下：

1.通过FFT重采样，扩展振动时间序列。

2.旋转跟踪用于计算导数为负的过零点。

3.将计算的过零点所在的时间，重新采样为小的旋转增量。

4.以重新取样的小旋转增量，对扩展的振动时间序列进行采样（步骤2）。  

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信号分析

工程师专注于识别同步和异步振动部件，并实施实时振动分析仪表盘。为了确定哪些振动部件是异步的，哪些是同步的，他们从20 Hz到200 Hz，进行180 s的线性扫描。扫描突出显示哪些频谱分量受到轴旋转频率的影响，哪些不受影响。扫描还有助于识别在特定频率下可能受到阻尼的同步部件。

通过旋转跟踪，工程师们可以测量旋转频率曲线。扫描生成了一个振动频域谱图，将异步分量显示为水平线，将同步分量显示为对角线，该对角线随旋转频率按常数或阶次缩放（见图2）。通过计算阶次跟踪信号的频谱图，识别出同步分量的阶次频率。

▲通过计算阶次跟踪信号识别同步组件阶次频率。工程师们构建了一个实时振动分析仪表盘，使用 NI

LabVIEW显示结果。

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实时信息仪表板

工程师们构建了一个实时振动分析仪表盘，以使用分析软件显示结果。仪表板包含4个控件：用于打开供电装置的电源按钮（通过VISA驱动器访问）、用于设置电源输出电压的电压滑杆、用于控制电子调速器的滑杆（通过PPM信号）以及用于设置FFT窗口大小（以秒为单位）的历史控件。

仪表指示器显示电源回读电压、电流和功率，以及电机振荡频率（相位信号频谱的最高频率成分）。两个时域图显示振动和相位信号。水平频域图显示了阶次振动谱、频率振动谱和相电压谱。

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振动分析的好处

振动分析是测试机器健康状况和进行预测性维护的一个很好的工具，阶次跟踪分析被证明是检测旋转机械（如电机和发动机）故障的一个理想方法。

考虑到传感器和数字化系统的价格与昂贵的电机和发动机相比，将振动传感器连接到旋转机械以跟踪机器的健康状况可能是个好主意。随着机器变得越来越智能，它们将开始实施自己的振动分析系统，以跟踪自身的健康状况和故障演变。

编辑：黄飞