如何為無線狀態監測系統選擇最佳MEMS感測器-第二部分:如何檢測機械故障

作者:ADI IC設計工程師Richard Anslow 及應用工程師Chris Murphy


簡介

本系列文章的第一部分 「如何為無線狀態監測系統選擇最佳MEMS感測器——第一部分」 介紹了Voyager無線CbM模組,以及在使用MEMS加速度計無線測量振動時需要注意的一些關鍵特性。第二部分則將重點描述常見的交流感應馬達(ACIM)故障,並詳細介紹如何識別和診斷特定的故障類型,以及三軸MEMS加速度計相對於其他振動感測器的優勢。


馬達和資產故障對製造業的影響


當工廠中的重要馬達突然意外故障時將導致停產,而如果需要更換特定的零件,或者甚至更換整個馬達,那麼有可能需要耗費很長的時間。計畫外停機的成本是按計劃停機成本的10倍。1工廠每年的平均停機時間約為800小時。1在這些資訊的推動下,隨著無線技術與MEMS感測器技術的新進展相互結合,使得CbM開始快速發展,最終推動工廠和維護主管快速部署高度有效的無線CbM系統來降低因計畫外停機導致的損失。雖然三軸MEMS感測器可能是這場無線革命的中心,但對於這些振動感測器可發揮的效益各界仍不十分清楚。


三軸MEMS加速度計適合用於振動感測器頻譜的什麼位置?


為了減少生產停機時間,必須瞭解馬達內部的潛在故障,做好故障處理準備。雖然單軸類比輸出MEMS感測器(專與壓電振動感測器相比)在故障診斷能力方面,最近已經達到了與低階/中階壓電感測器相似的性能水準,但本文更側重於介紹三軸MEMS加速度計中常見的窄頻寬監測(0 Hz至1 kHz)。並非所有的CbM部署都側重於診斷甚至是預測資產故障。有些資產可以接受在後期階段執行故障檢測,所以,感測器性能和成本可以稍低一些。在這些地方,可以使用三軸MEMS加速度計,作為提供高性能(雜訊低至 25 μgHz)和低成本的替代方案,如圖1所示。如果比較ADXL356和壓電感測器PZT 8,兩者之間的成本相差20倍,但之間並無什麼高性能、低成本的MEMS可作為替代。預計在未來幾年,這一領域將取得明顯發展。

Figure 1. Triaxial MEMS sensors for CbM compared to higher performance MEMS and IEPE sensors.

圖1. 適用於CbM的三軸MEMS感測器和更高性能的MEMS和IEPE感測器的比較。

為什麼需要在CbM應用中檢測10 Hz/600 rpm以下的振動?

低頻CbM振動測量的範圍通常是0.1 Hz至10 Hz,或者在6 rpm至600 rpm頻寬之間。低頻應用比一般的機械監測更為複雜,因為低於10 Hz (600 rpm)的運動產生的振動非常小。雖然眾所皆知,使用高靈敏度的感測器來測量高頻振動資料有助於檢測到某些故障(軸承脫落、齒輪嚙合和泵空蝕),並且可能瞭解資產的剩餘有效壽命,但還需要注意,在接近直流或0 Hz時也存在重要資訊。所以,在0 Hz時,可以使用一些特殊用途的非接觸式感測器(例如電渦流位移感測器或接近感測器)來準確檢測馬達軸的位移或失調,甚至是檢測高頻振動,但相較於MEMS,其很難進入某些應用,且成本也更高昂。MEMS並非是用於取代可以在極端條件下檢測低於0.1 nm的位移的電渦流感測器。3 但是,如果設計人員想要採用低成本CbM系統,或者甚至是能夠檢測低至0 Hz的加速度的無線系統,那麼,MEMS加速度計是非常經濟高效的替代產品。

造紙和紙漿加工、食品和飲料、石油和天然氣、風力發電、金屬加工和採礦等產業都使用轉速低於1 Hz的低速馬達;因此,振動感測器需要能夠檢測這些基本轉速,這很重要,特別是在試圖檢測失衡和失調故障時。我們可以使用頻率響應從0.1 Hz開始的專用低頻IEPE感測器或壓電感測器,但2 Hz至5 Hz的通用感測器更為常用。相較於壓電感測器,MEMS的一個關鍵優勢在於:其可檢測低至0 Hz,產生傾斜資訊。我們無法在模態激振器上進行這種測試,所以測量範圍被限制為0.01 Hz,如圖2所示。需要注意的是,壓電感測器的成本更加高昂,且正如預期一樣,在0.1 Hz以上的範圍內,具有更傑出的雜訊性能,但在0.1 Hz以下的範圍內,MEMS感測器的雜訊性能更為卓越,可以低至0.01 Hz,直到0 Hz。多軸MEMS加速度計的所有軸都具有這種低頻性能特性,可協助維護和設備工程師進一步瞭解其資產的低頻動態特性,而在以前,即使是使用高度專業的壓電感測器也無法實現這種特性。

Figure 2. MEMS vs. piezo low frequency response.

圖2. MEMS與壓電感測器的低頻回應。

通常建議加速度計的頻率回應是軸轉速的40到50倍,以監測軸承,對於風扇和變速箱,頻率回應應高達葉片通過頻率的5倍。4 轉速極慢的機器,例如造紙機輥輪、螺旋輸送機和碎石機等都裝有滾子軸承。有些機器的Rpm轉速可能低至0.2 Hz或12 rpm。5 在檢測和診斷失衡、失調和機械鬆動等問題時,1×、2×和3× rpm轉速資訊非常重要。衝壓機器的曲柄軸承可能以低至0.18 Hz或11 rpm的轉速運行。5 對於無線CbM系統,電渦流感測器因為功耗高,目前尚不可用。MEMS加速度計為基於壓電加速度計和電渦流感測器的多模態振動和位移測量提供了一種性能更低、成本更低的替代方案。


使用Voyagers三軸MEMS加速度計檢測基座鬆軟或傾斜問題


ACIM的尺寸和功率可能各不相同,且較大的馬達要求基座堅實,如圖3所示。工業泵是一個典型應用,電源透過直接連接或透過一些耦合元件從軸傳輸至泵。這些連接失調可能為徑向、軸向或切向。為了保持穩固對準,必須透過將泵固定到堅實基座上來儘量減小振動。穩定、堅實且硬度均勻的基座可以減少振動,提高可靠性,從而有效延長馬達的使用壽命。我們通常使用螺栓直接將工業泵固定在底板上,並將配套設備對準放置和固定在相同的底板上。然後,將該組合固定到混凝土基座上。

Figure 3. Soft foot is a common issue when aligning rotating equipment.

圖3. 對準旋轉設備時,基座鬆軟是一個很常見的問題。

如果基座太過靈活或不均勻,可能導致出現對準問題,使得振動幅度增大,最終出現計畫外停機。會在安裝馬達、運作的初始階段、經過維護或維修之後,以及在計畫維護期間執行對準測試。可以使用各種機械設備來檢測失調,例如塞規、千分尺和千分錶。廣泛使用鐳射對準系統等替代工具來對準馬達軸和相關的驅動設備。

開始運行之後,會定期維護,檢查馬達與底座之間的對準或馬達安裝是否存在異常,但這可能需要幾個月的時間。目前的維護方案基於振動資料來檢測失衡和失調,幾十年來,這種做法一直很成功。在低重力條件下,MEMS三軸感測器可以連續監測和檢測振動和傾斜的變化,這兩者結合,會使測量更準確,且可能能夠提早檢測出故障。

MEMS加速度計如何測量傾斜?

如圖4所示,將單軸加速度計平穩置於平面上時,其敏感軸與重力方向垂直,所以輸出0 g。當感測器向重力方向傾斜時,會檢測到1 g場產生的加速度。圖4所示曲線的傾斜度表示裝置靈敏度。注意,隨著水平面與X軸之間的角度增大,靈敏度降低。

Figure 4. MEMS accelerometer with sensitive axis perpendicular to 1 g.

圖4. MEMS加速度計的敏感軸垂直於1 g。

從圖5中,可以看到Voyager模組測量重力導致的加速度或靜態加速度。模組垂直放置,z軸上的加速度為1 g,x軸和y軸上的加速度為0 g。當Voyager模組在x軸上傾斜4°,在22 s處,可以很容易看出這種傾斜(作為直流失調),如圖5所示。要將測量到的加速度轉換為傾斜角度,需要取測量到的加速度的反正弦sin -1 0.07 g = 4°。

Figure 5. Voyager module detecting 4° of the tilt under static conditions.

圖5. Voyager模組在靜態條件下檢測4°傾斜。

對於CbM應用,在振動條件下檢測傾斜時,存在幾個問題。首先,其檢測難度比在靜態條件下更高,需要考慮更多因素。其次,傾斜應用通常會限制頻寬,以降低雜訊(>100 Hz),但是CbM應用需要使用更寬的頻寬(1 kHz或更高)。如圖6所示,檢測資產或馬達傾斜的最大範圍可能限制為±5°或±87 mg,在可能存在高g振動的情況下,這可能是一項挑戰。

Figure 6. Output acceleration vs. angle of inclination under static conditions.

圖6. 靜態條件下的輸出加速度與傾斜角度。

對測量到的加速度應用三角函數,很容易會產生傾斜角度。但是,如果檢測到衝擊事件或振動,則會影響傾斜角度測量,如圖7所示,2 g衝擊事件導致產生82°傾斜角度。

Figure 7. Inclination data with high g vibration present and averaged data.

圖7. 存在高g振動時的傾斜資料和平均數據。

雖然暫態撞擊、衝擊或振動不會影響到馬達的實際傾斜角度,但在將加速度轉換為傾斜角度的這個過程中,會將這些資料當作實際傾斜值,如圖7所示。取這些資料的平均值,或產生平均值是消除這些異常的常見方法,Voyager平台GUI具備此功能,如圖8所示。

Figure 8. Mean vibration on three axes.

圖8 .三個軸的振動平均值。

圖8所示的測量顯示馬達從1秒開始運行,在約18秒的位置出現4°傾斜。雖然從y軸和z軸可以觀察到一些變化,但在x軸上清楚檢測到了這種傾斜。這是三軸振動感測器的關鍵優勢之一,在本例中,其主要用於檢測z軸上的振動,然後是y軸。x軸可以更準確地檢測出傾斜,因為其不在測量振動的軸的範圍之內。雖然在動態條件下,很難準確確定實際的傾斜量,但簡單表述馬達和可允許的傾斜範圍也可以得出不錯的結果。當測量到z軸為3 g,y軸為1.3 g,x軸為0.2 g時(如圖9所示),計算出圖8所示的傾斜角度為sin-1 0.07 g = 4°。Voyager模組的靜態傾斜解析度約為0.2°。

Figure 9. Time domain plots showing vibrations measured on three axes.

圖9. 時域圖:顯示三個軸上測量到的振動。

在設計能夠檢測傾斜角度的MEMS無線振動模組時,需要考慮的另一個重要(資料手冊)參數是g範圍。MEMS感測器在遭遇超出g值範圍的振動時,會產生削波,其會表現為直流失調,進而增大傾斜測量值的誤差。表示在選擇MEMS感測器,用於在振動條件下檢測傾斜角度時,必須確保g範圍相較於潛在的衝擊、撞擊或振動時間幅度,還留有餘量,以避免出現這種失調。

Figure 10. Vibration rectification in an accelerometer with ±2 g full-scale range due to asymmetric clipping.

圖10. ±2 g滿量程範圍的加速度計因為非對稱削波而振動校正。

使用Voyager檢測故障

Voyager三軸振動測量解決方案能夠識別故障並提供見解,單軸解決方案不具備此能力。基於振動的故障檢測是一個複雜的過程,期間需要使用許多數學模型,甚至AI來診斷故障。之所以使用Voyager模組給出的測量結果,是為了顯示相較於單軸感測器,三軸測量結果更為準確,是用於診斷特定故障的更加可靠的方法。

圖11顯示SpectraQuest檢具,它能夠在模擬真實機器的元件上執行受控實驗。如果能深入瞭解負載失衡、轉子翹起或偏心、轉子軸彎曲,以及軸承/軸承套受損導致的故障的特徵,即可透過類比深入瞭解振動特徵。Voyager無線模組安裝在殼體上(如圖11所示),所在位置有利於測量徑向(z和y方向)振動幅度,以及軸和負載所在方向上的軸振動。

Figure 11. SpectraQuest lite rig.

圖11. SpectraQuest檢具。

失衡和失調


失衡和失調這兩種故障特徵被分為一組,經常會在同一個FFT分析中出現。如圖12所示,馬達轉子重心周圍的重量分佈不均會導致失衡,引發轉子振動,給軸承帶來額外的壓力。這些振動會使軸承受到過度磨損,進而產生更多雜訊,如果不維護,可能導致軸承,甚至整個馬達出現故障。

Figure 12. Uneven distribution of mass around an axis of rotation.

圖12. 轉動軸周圍的重量分佈不均。

如圖13所示,當轉子、耦合組件和從動軸沒有對中時,會發生轉子失調。這種失調可能是傾斜的,是平行的,或者兩者皆有。失調導致的最常見的振動具有1× rpm頻率。2× rpm頻率可能超過1×頻率,但這種情況並不常見。請注意,軸彎曲和失衡也會產生1× rpm頻率的振動。

Figure 13. Centerlines of the rotor and the driven equipment shafts are not in line with each other.

圖13. 轉子和從動設備軸的中心線不在一條直線上。

失衡負載

如果相較於基準背景振動雜訊,在(1×)轉速下振動幅度增大,那麼系統可能失衡。為了模擬失衡,將透過增加配重,使其重量達到最大的負載放置到SpectraQuest檢具的軸上。該系統以3000 rpm運轉,我們增加5 kg負載。圖14顯示,與預期基準振動相比,在z徑向方向上,在1×轉速時振動幅度明顯增大。圖15顯示對從x、y和z軸收集的振動幅度執行的FFT分析。在y和z徑向方向,在1×轉速時振動幅度明顯增大,但在x軸方向,在9×和10×轉速時振動幅度也明顯增大,而在使用單軸感測器時,我們無法檢測到後者。

Figure 14. Imbalance FFT analysis at 3000 rpm with a 5 kg load, z-axis compared to baseline.

圖14. 在負載為5 kg,轉速為3000 rpm時的失衡FFT分析(z軸與基準比較)。

Figure 15. Imbalance FFT analysis at 3000 rpm with a 5 kg load.

圖15. 在負載為5 kg,轉速為3000 rpm時的失衡FFT分析。

轉子翹起

圖16顯示對附加到SpectraQuest檢具上的翹起的轉子(偏離軸0.5°)執行的FFT分析。頻譜顯示,在1×轉速下,振動幅度大幅增大,但在3×、4×、5×、6×、7×、8×、9×和10×的諧波下,軸向振動幅度也會重複增大。與失衡負載一樣,翹起的轉子會在軸向上顯示故障特徵,使用單軸振動感測器時則無法識別這種特徵。

Figure 16. Cocked rotor FFT analysis at 3000 rpm with no load and one imbalance weight.

圖16. 在轉速為3000 rpm,無負載,有一個失衡重量時,對翹起的轉子的FFT分析。

偏心轉子

圖17顯示對附加到SpectraQuest檢具上的偏心轉子執行的FFT分析。頻譜顯示在第一個1×諧波位置,幅度大幅增加,表示徑向(z)方向上存在失衡,但在軸向的3×諧波位置也出現大幅增加,這表示存在失調。6,7 三軸感測器會捕捉偏心轉子導致的失調和失衡,而單軸感測器解決方案無法檢測到這些問題。

Figure 17. Eccentric rotor FFT analysis at 3000 rpm with no load.

圖17. 在轉速為3000 rpm,無負載時對偏心轉子的FFT分析。

彎曲的軸

圖18顯示對附加到SpectraQuest檢具上的彎曲的軸執行的FFT分析。頻譜顯示在第一個1×諧波位置,幅度大幅增加,表示徑向(z)和(y)方向上存在失衡,但在軸向的3×諧波位置,也出現大幅增加,這表示存在失調。另一個峰值出現在y方向1×諧波位置,可協助區分彎曲的軸和偏心轉子故障。三軸感測器捕捉彎曲的軸導致的失調和失衡,而單軸感測器解決方案無法檢測到這些問題。

Figure 18. Bent shaft FFT analysis at 3000 rpm with no load.

圖18. 在轉速為3000 rpm,無負載時對彎曲的軸的FFT分析。

表1匯總列出最常見的機器故障,這些故障出現的頻率很低。

表1. 類比的故障描述和故障特徵
類比的故障 附加到軸上的負載或轉子 失衡故障的特徵? 失調故障的特徵? 其他故障特徵?
品質失衡——品質分佈不均。增加品質,達到最大負載限制。 Table Graphic 1
轉子翹起。轉子偏離軸0.5°。 Table Graphic 2
偏心轉子。轉子偏離中心——附加到軸上時,中心點不對稱。 Table Graphic 3
彎曲的軸。為了進行描述,對反向的圖像進行了誇大。 Table Graphic 4

軸承缺陷


基於軸承的幾何形狀,可以將軸承缺陷分為幾個基本的類型。軸承內圈軌道損壞頻率(BPFI)和軸承外圈軌道損壞頻率(BPFO)是滾動元件滾過軸承外圈或內圈的缺陷時產生的頻率。

軸承內圈軌道損壞頻率

將內圈存在缺陷的軸承裝到SpectraQuest檢具上,透過存在缺陷的軸承箱,牢固連接杆和負載。可以使用以下公式來計算BPFI,

Equation 1

其中F表示頻率,N表示圈數,B表示圈直徑,θ表示接觸角,P表示節圓直徑。對於SpectraQuest檢具,產品手冊中提供了與其相關的計算。基於5/8"轉子軸承使用的8個滾動元件,滾動元件的直徑為0.3125",節圓直徑為1.318",計算4.95×基本轉速下的BPFI。

圖19顯示安裝在SpectraQuest檢具上的Voyager感測器對軸承內圈缺陷故障執行的FFT分析。在y軸(徑向)上大約250 Hz (~4.95×)的位置取BPFI值。值得注意的是,在z徑向軸上也是如此,但振動幅度沒有這麼大而明顯。

Figure 19. BPFI FFT analysis at 3000 rpm with a 5 kg load.

圖19. 在負載為5 kg,轉速為3000 rpm時的BPFI FFT分析。

軸承外圈軌道損壞頻率

將外圈存在缺陷的軸承裝到SpectraQuest檢具上,透過存在缺陷的軸承箱,牢固連接杆和負載。可以使用以下公式來計算BPFO,

Equation 2

對於SpectraQuest檢具,產品手冊中提供了與其相關的計算。基於5/8"轉子軸承使用的8個滾動元件,滾動元件的直徑為0.3125",節圓直徑為1.318",計算3.048×基本轉速下的BPFO。

圖20顯示安裝在SpectraQuest檢具上的Voyager感測器對軸承外圈缺陷故障執行的FFT分析。在y軸和z軸(徑向)上大約150 Hz (~3.048×)的位置取BPFO值。值得注意的是,相較於4.95× BPFI預估特徵,BPFO 3.048×預估特徵下的幅度沒有這麼大。

Figure 20. BPFO FFT analysis at 3000 rpm with a 5 kg load.

圖20. 在負載為5 kg,轉速為3000 rpm時的BPFO FFT分析。

診斷故障:如何在演算法中使用故障特徵


表2顯示,Voyager三軸振動感測器在軸向採集故障特徵,這些特徵可用於區分具體的故障。例如,偏心和翹起轉子故障都會導致在系統轉速(1×)下,振動幅度大幅增加。但是,在軸向上,偏心轉子僅在3×諧波時顯示了一次增加,而翹起轉子在3×、4×,以及高達10×諧波時都出現了增加。我們可以在演算法中使用這些簡單的諧波模式,以區分兩種故障。Voyager三軸解決方案可以提供相關資訊,單軸解決方案則不具備此能力。

表2. 常見的機器故障的故障頻率特徵匯總

軸上的故障特徵,以及常見的故障頻率(基本轉速的1×或多倍)
故障 Z軸
(徑向——垂直)
Y軸
(徑向——水準)
X軸
(軸向)
失衡負載 9×、10×
偏心轉子
轉子翹起
3×、4×、5×、6×、7×、8×、9×、10×
彎曲的軸
BPFO(軸承外環軌道損壞頻率) 3× (BPFO)、4× 3× (BPFO)、4×
BPFO(軸承內環軌道損壞頻率) 5× (BPFI)

另一個示例是:區分失衡負載和彎曲的軸。在系統轉速(1×)下,失衡負載和彎曲的軸都會導致振動幅度增加。1×增加發生在徑向方向(垂直方向和水準方向)。但是,在軸向上,失衡負載導致在9×和10×諧波位置出現增加,與之相比,彎曲的軸導致在3×諧波位置(失調特徵)發生增加。

如前所述,彎曲的軸和偏心轉子缺陷可以透過彎曲的軸在徑向(y)方向上的大幅增加來區分,在偏心轉子測試中則沒有出現這種情況。

對於軸承故障,Voyager三軸解在徑向水準(y)方向上取BPFI,而不是在垂直徑向方向上取該值。如果使用單軸解決方案,就無法檢測到這種軸承內圈缺陷故障,除非使用者恰好猜對了g幅度最大的軸。

結論

雖然MEMS的最新進展大幅推動其在CbM中的應用,但其功能仍有不確定性,且具有很大的差異。本文簡要介紹適用於CbM的三軸MEMS感測器與更高性能的單軸MEMS感測器和壓電/IEPE感測器的功能,以明確各種感測器的功能。壓電感測器通常在較高的頻率下具有較低的雜訊,而MEMS可以提供接近於0 Hz的較低雜訊,適合許多CbM應用。此功能與三個傳感軸耦合,甚至能在振動條件下執行大致的傾斜檢測,很適合檢測底座鬆動。

我們在檢具上類比各種故障,明顯可以看出,Voyager模組中的三軸MEMS感測器能夠檢測失衡、失調、軸承問題、轉子翹起和彎曲軸等等故障。此外,三軸感測器能夠準確識別特定故障,所以,三軸MEMS感測器非常適合對振動測量系統進行狀態監測。

在本系列文章的第三部分中,我們將探討Voyager模組的不同功率模式、其電源和軟體架構,以及如何優化其性能。

參考電路

1計畫外停機時間:這究竟有多麼糟糕?」 Intech Automation Intelligence,2021年4月。

2 Brian Graney和Ken Starry。 「滾動元件軸承分析」。 材料評估,第70卷,第78–85頁,2011年。

3電渦流原理NCDT」 。Micro-Epsilon。

4 Bjorn Ryden。 「使用振動感測器進行預測性維護」。 TE Connectivity,2021年。

5低頻機器監控:測量考慮」。 Wilcoxon Sensing Technologies。

6 R. Keith Mobley。 預測性維護簡介。Butterworth-Heinemann,2002年。

7解鎖性能」 。IndustryWeek and Emerson。

8 Olav Vaag Thorsen和Magnus Dalva。「海洋石油、石化、天然氣接收站和煉油廠中的感應馬達的故障調查」 IEEE石油與化工業技術會議論文集(PCIC '94),1994年。