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壓電式傳感器：機(jī)器健康監(jiān)測中探測早期故障
2024-05-13
在當(dāng)今以互聯(lián)互通和設(shè)備間無縫數(shù)據(jù)共享為特征的工業(yè)時(shí)代，要求加速度計(jì)具有無線傳輸、數(shù)字輸出（如IO-Link）、傳感器級別的數(shù)據(jù)邊緣處理等功能日益成為預(yù)防性維護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。但不管傳感器數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)如何進(jìn)步，機(jī)器健康監(jiān)測中人們最信賴的傳感技術(shù)仍然是兩種，即：壓電傳感和電容式MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）。
在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，MEMS加速度計(jì)因其具有的低成本、頻率范圍低至0Hz等特性而廣受歡迎。而在機(jī)械健康監(jiān)測領(lǐng)域，對傳感器的要求卻有極大的不同。寬頻探測能力對實(shí)現(xiàn)故障早期報(bào)警至關(guān)重要。MEMS傳感器可探測的低頻振動(dòng)通常和滾動(dòng)軸承失效后期有關(guān)，因此，單純依靠MEMS加速度計(jì)進(jìn)行機(jī)械健康監(jiān)測可能會(huì)導(dǎo)致報(bào)警遲誤，設(shè)備產(chǎn)生重大損壞。為確保早期發(fā)現(xiàn)潛在隱患，避免災(zāi)難性故障，壓電式傳感器成為首選。
本文將對這兩種主流的傳感器類型進(jìn)行對比，并評估其在常見故障對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)的性能。
一、頻率范圍的重要性
為說明傳感器寬頻探測能力的重要性，下面我們考慮軸承失效的四個(gè)階段相關(guān)的振動(dòng)頻率。
1.第一階段
在軸承失效的初始階段，開始出現(xiàn)狀態(tài)惡化的跡象，表現(xiàn)為金屬間的碰撞，通常是由缺乏潤滑引起。這個(gè)階段，軸承的振動(dòng)頻率屬于超聲頻率，范圍大約在1200k至3600k CPM (20,000~60,000Hz)，通常只能用尖峰能量或沖擊脈沖儀器才能探測到。在失效早期對潤滑或?qū)χ袪顟B(tài)進(jìn)行評估，能夠防止產(chǎn)生重大問題。相反，如果不進(jìn)行干預(yù)，損壞就會(huì)發(fā)展，進(jìn)入失效的第二個(gè)階段。
2.第二階段
在失效的第二個(gè)階段，第一階段中的損傷開始變得顯著。微小缺陷引起安裝的加速度計(jì)產(chǎn)生諧振響應(yīng)，頻率范圍約為120k~480k CPM (2,000~8,000 Hz)。磨損或損壞在軸承表面變得可見，可能開始影響軸承的整體壽命。在這個(gè)階段，軸承可能開始出現(xiàn)噪聲或振動(dòng)增大等現(xiàn)象，有時(shí)溫度還會(huì)上升。此時(shí)，軸承很可能需要更換，由此產(chǎn)生的機(jī)器停機(jī)時(shí)間可能導(dǎo)致產(chǎn)量下降。因此，在這個(gè)階段，盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題對于防止產(chǎn)生更大損壞以及機(jī)器失效是非常重要的。
3.第三階段
當(dāng)軸承失效發(fā)展到第三個(gè)階段，損傷已變得嚴(yán)重，軸承的性能顯著衰退。振動(dòng)增大、工作溫度上升是這個(gè)階段的常見表現(xiàn)。缺陷頻率附近可能會(huì)出現(xiàn)邊帶頻率。關(guān)鍵機(jī)器應(yīng)進(jìn)行額外的振動(dòng)分析，以評估損傷。如果在此階段仍不進(jìn)行人為干預(yù)，則引發(fā)災(zāi)難性失效及相應(yīng)的機(jī)器損害的風(fēng)險(xiǎn)非常顯著。
4.第四階段
第四階段是災(zāi)難性階段，是軸承缺陷發(fā)展的最終，也是最嚴(yán)重的階段。在這個(gè)階段，軸承徹底碎裂或完全喪失功能，致使其不能承擔(dān)載荷或有效工作。軸承缺陷對應(yīng)的頻率集中在5000Hz以下的低頻范圍。災(zāi)難性失效會(huì)造成更長的停機(jī)時(shí)間、更高的修理費(fèi)用，并可能對周邊機(jī)械產(chǎn)生附帶損壞。
從根本上講，是否可探測高頻振動(dòng)意味著簡單的預(yù)防性維修和高成本修理的區(qū)別。與MEMS傳感器不同，壓電式加速度計(jì)可以在很寬的頻率范圍內(nèi)，包括高頻段，精確地測量振動(dòng)。這種能力由于能夠在設(shè)備狀態(tài)惡化的早期探測微小的振動(dòng)異樣，因此對于機(jī)器健康監(jiān)測應(yīng)用是非常有用的。
二、總結(jié)
機(jī)器健康監(jiān)測旨在識(shí)別潛在的失效隱患，避免其發(fā)展成為災(zāi)難性事件。使用壓電式傳感器，技術(shù)人員能夠在包括低頻段和高頻段在內(nèi)的頻率范圍內(nèi)探測和分析振動(dòng)。壓電式傳感器的寬頻特性使其適用于多種的機(jī)器健康監(jiān)測應(yīng)用，包括旋轉(zhuǎn)機(jī)械、工業(yè)設(shè)備以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測。它的探測失效早期微小振動(dòng)異常的能力使得維修技術(shù)人員能夠及時(shí)采取行動(dòng)，防止發(fā)生重大故障，減少停機(jī)時(shí)間。
除寬頻性能之外，壓電式傳感器還具有出色的可靠性和精度。通過可靠而精確的數(shù)據(jù)，維修技術(shù)人員就能夠全面掌握機(jī)器的健康狀態(tài)，做出科學(xué)決策，優(yōu)化維修計(jì)劃，避免計(jì)劃外停機(jī)，降低維護(hù)成本。
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