如何改善機(jī)器振動(dòng)的分析方法

為了避免機(jī)器故障造成的停工損失，目前很多工廠、發(fā)電廠、礦廠及其他操作流程都加裝了具有預(yù)防作用的維護(hù)系統(tǒng)，以改善機(jī)器的操作效率。新一代具有預(yù)防作用的維護(hù)系統(tǒng)都采用電子診斷技術(shù)以監(jiān)視機(jī)器操作狀況的各種參數(shù)。以滾軋機(jī)為例，這類機(jī)器可能設(shè)有多個(gè)大型的電動(dòng)機(jī)及軸承，而每一電動(dòng)機(jī)及軸承都各有滾軸、液壓泵以及多種不同液壓傳動(dòng)裝置。保護(hù)這類設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)可能需要配備電子監(jiān)控電路，才可測(cè)量滾軸的振動(dòng)程度和溫度、液壓系統(tǒng)的液壓、液體溫度以及電動(dòng)機(jī)溫度。

機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分會(huì)不時(shí)產(chǎn)生頻率介于50Hz～10kHz之間的振動(dòng)，我們可以測(cè)量機(jī)件的振動(dòng)幅度，以便從中了解滾軸及其他轉(zhuǎn)動(dòng)部分的物理狀態(tài)，這個(gè)監(jiān)控過程一般稱為振動(dòng)分析。超聲波分析可說是另一種振動(dòng)分析，但超聲波分析涉及的頻率范圍則介于15～40kHz之間，而這一頻率范圍屬于高頻區(qū)。由于機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分會(huì)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(jī)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(cè)機(jī)件的變化情況。機(jī)件出現(xiàn)磨損，其振幅會(huì)增大，而超聲波噪聲也會(huì)增加。只要有12dB左右的增幅，便表示有關(guān)機(jī)器可能會(huì)隨時(shí)出現(xiàn)故障。

這種監(jiān)控方法的好處是，機(jī)件還未出現(xiàn)故障便可先行搶修。振動(dòng)分析及超聲波分析所需的設(shè)備很多時(shí)侯是完全不同的。最理想的當(dāng)然是有一套現(xiàn)成而又極具成本效益的儀器，可以在整個(gè)頻率范圍內(nèi)做出監(jiān)控。圖1所示的是振動(dòng)及超聲波分析的信號(hào)路徑電路圖。

圖1 振動(dòng)分析的信號(hào)鏈

壓電傳感器可以感測(cè)滾軸所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率及超聲波噪聲。壓電傳感電路由MOSFET為其提供內(nèi)部緩沖，而驅(qū)動(dòng)MOSFET的電流則來自A4的恒流源，通過交流耦合在內(nèi)部連接到濾波器。A1、A2及A3放大器組成一6極點(diǎn)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(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將已放大及濾波的信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。微處理器的軟件可以通過快速傅里葉變換(FFT)取得有關(guān)信號(hào)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(dòng)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(huì)開始滾降，其頻率響應(yīng)幅度相對(duì)較為平坦，直到升至65kHz這個(gè)諧振頻率，這時(shí)平坦響應(yīng)才改變過來，在此之后頻率響應(yīng)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(huì)放大至4Vp-p。以下是增益：

4.096V/0.032V = 128

我們最好采用125倍的增益，以便多留一點(diǎn)余量。以40kHz這個(gè)最高信號(hào)頻率為例，取樣率便成為一個(gè)令人擔(dān)憂的問題。為免高于尼奎斯特頻率的混疊信號(hào)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(zhuǎn)換器的1 LSB以下。在這個(gè)例子中，我們所采用的是12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其參考電壓為4.096V，將得到1mV解析度，計(jì)算方法如下：

4.096V/4096 = 0.001V

我們?nèi)粢獮槿淤Y料系統(tǒng)提供一個(gè)切實(shí)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(zhuǎn)換器的尼奎斯特頻率加以分開。雖然這樣做可能會(huì)令信號(hào)出現(xiàn)過取樣，但濾波器可以抑制或完全消除假信號(hào)。圖1采用的ADC121S021是一款12位、200kSPS取樣率的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。若這款模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器以200kSPS的取樣率進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，尼奎斯特頻率會(huì)固定于100kHz。若頻率為100kHz，傳感器的輸出信號(hào)振幅大約為8mVp-p，將這個(gè)信號(hào)抑制至1mVp-p以下所需的增益可以根據(jù)下面公式計(jì)算出來：

20log〔0.001V/0.008V〕=-18dB

100kHz頻率與40kHz信號(hào)之間有60kHz的差別，亦即0.6的頻率遞減。若頻率為40kHz，增益如下：

20log(125V/V)=41.9dB

以下是濾波器的滾降率：

(-41.9dB+(-18dB))/0.6 decade =-99.8dB/decade

或最低限度采用5偏振極點(diǎn)濾波器：

 -99.8dB/decade
——————————  =4.99 poles
-20dB/decade/pole

由于我們可以輕易將放大器配置為雙極偏振濾波器，因此上述設(shè)計(jì)可以采用3個(gè)放大器，使每一放大器都有5倍的通帶增益。濾波器的通帶特性取決于兩個(gè)因素：其一是放大器的增益帶寬；另一因素是放大器反饋電路的偏振位。每一濾波級(jí)可以視為雙極的5V/V非反相增益級(jí)。若噪聲為40kHz，確保振幅偏差不會(huì)超過1 LSB的放大器增益帶寬可以利用以下的公式計(jì)算出來：

(40kHz×5)/0.0156 = 12820kHz ≈12.8MHz

若放大器的-3dB點(diǎn)已定，上述公式中的分母(即0.0156)是確保準(zhǔn)確度可達(dá)13位的實(shí)際帶寬。由于LMP7711高精度放大器的增益帶寬高達(dá)17MHz，而且偏移電壓的典型值為20μV，因此最適合這類濾波系統(tǒng)采用。A3放大器的輸出與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電容器輸入之間加設(shè)了一個(gè)180Ω的電阻及另一470pF的電容器，以便將兩者分隔開，也為抑制假信號(hào)的濾波器添加另一偏振極。圖3顯示低通濾波器的預(yù)計(jì)響應(yīng)。

圖3 低通濾波器的預(yù)計(jì)響應(yīng)

ADC121S021是一款設(shè)有串行外圍接口(SPI)的12位、200kSPS單端輸入轉(zhuǎn)換器。型號(hào)為L(zhǎng)M4140ACM-4.1的另一款高精度電壓參考電路可為這款模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供電壓參考，并為濾波放大器提供偏壓，并設(shè)置濾波器的偏置電壓為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍的一半。傳感器的輸出屬于交流電信號(hào)，而中度的電平偏移可將信號(hào)轉(zhuǎn)移到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍內(nèi)的中央位置。LM4140芯片也可為L(zhǎng)M730132V通用放大器(即A4放大器)所輸出的壓控電流提供電壓參考。傳感器內(nèi)置的MOSFET可為壓電傳感電路提供緩沖。A4放大器負(fù)責(zé)輸出電流，以便驅(qū)動(dòng)組成為共源級(jí)放大器的MOSFET，而有關(guān)晶體管則通過交流耦合與輸出終端裝置連接在一起。

除此之外，我們也可利用機(jī)器監(jiān)控電路測(cè)量及分析液壓控制系統(tǒng)的液壓瞬態(tài)。例如，若液體流動(dòng)控制閥突然關(guān)閉，便會(huì)出現(xiàn)液壓錘現(xiàn)象，其中產(chǎn)生的動(dòng)力會(huì)令液體出現(xiàn)錘擊效應(yīng)，對(duì)液壓系統(tǒng)的組件及整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)造成損害，甚至?xí)钕到y(tǒng)很快便出現(xiàn)故障。液壓系統(tǒng)可以利用監(jiān)控電路緩解液壓動(dòng)力。圖4便是液壓監(jiān)控系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)圖。

圖4 液壓監(jiān)控系統(tǒng)電路框圖

我們可以利用這個(gè)信號(hào)鏈監(jiān)控液壓變動(dòng)以及進(jìn)行有關(guān)液壓變動(dòng)的頻譜分析。正如圖1所示，傳感器及放大器必須做出適當(dāng)?shù)念l率響應(yīng)，以消除所有高于尼奎斯特頻率的其他頻率。以上述情況為例，液壓傳感器及液壓系統(tǒng)所做出的頻率響應(yīng)會(huì)自動(dòng)將液壓信號(hào)限制在3～4kHz的幅度范圍內(nèi)，這樣有助緩解放大器電路對(duì)濾波器的要求。這個(gè)包括A1與A2在內(nèi)的放大器便是測(cè)量?jī)x表放大器的輸入級(jí)，可提供差分輸入及差分輸出，增益高達(dá)100V/V。200pF的電容器可以為8kHz的頻率提供另一偏振極，以便再次進(jìn)行濾波。放大器的輸出與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電容器輸入之間加設(shè)了一個(gè)180Ω的電阻及另一470pF的電容器，以便將兩者分隔開。

上例電路的液壓傳感器屬于電阻性電橋，傳感器的輸出取決于電阻值的變動(dòng)及驅(qū)動(dòng)電阻的電壓，并與兩者有函數(shù)上的關(guān)系。圖3所示的傳感器具有0.2mV/V的敏感度。DAC081S101是一款8位的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，可以改變驅(qū)動(dòng)電橋的電壓，以便為液壓測(cè)量電路提供增益控制。例如，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器輸出若設(shè)定為4V，那么全標(biāo)度液壓便可達(dá)25.6PSI。若輸出電壓為1V，全標(biāo)度液壓便高達(dá)102PSI。

總體來說，以上所介紹的電路可以用來組建極具成本效益而又具備特別測(cè)量功能的機(jī)器監(jiān)控系統(tǒng)。