本文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，以及三軸微機電系統(MEMS)加速度計相對於其他振動感測器的優勢，並以Voyagers無線狀態監測(CbM)模組為例進行說明。
狀態監測及感測器概況
馬達故障對製造業影響大
工廠中的重要馬達意外故障時，將導致停產。若須要更換特定零件，或甚至整個馬達，便可能耗費很長的時間。計畫外停機的成本是計畫停機成本的10倍，而工廠每年的平均停機時間約為800小時。因此，隨著無線技術與MEMS感測器技術相互結合，狀態監測開始快速發展，最終推動工廠和維護主管快速部署無線狀態監測系統來降低計畫外停機造成的損失。雖然三軸MEMS感測器可能是這場無線革命的中心，但對於振動感測器的效益，各界仍未完全瞭解。
三軸MEMS加速度計適用場合
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，本文將更加側重於三軸MEMS加速度計中較常見的窄頻寬監測(0Hz~1kHz)。
並非所有的狀態監測部署都格外重視診斷或資產故障預測，有些資產可在後期執行故障檢測，感測器性能不必非常優秀。遇到這樣的資產，可使用三軸MEMS加速度計作為高性能(雜訊低至25μg√Hz)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 8，兩者的成本相差20倍，但兩者間卻沒有高性能、低成本的MEMS可作為替代方案。預計在未來幾年，這一領域將取得顯著進展。
狀態監測為何須檢測10Hz/600rpm以下振動？
低頻狀態監測振動測量的範圍通常是0.1Hz~10Hz，或者在6rpm~600rpm頻寬之間。低頻應用比一般的機械監測更為複雜，因為低於10Hz(600rpm)的運動產生的振動非常小。使用高靈敏度的感測器來測量高頻振動資料有助檢測某些故障，如軸承脫落、齒輪嚙合和泵空蝕，並且可能洞察資產的剩餘有效壽命。須要特別注意的是，除了前述情況，在接近直流(DC)或0Hz的地方也存在重要資訊。所以，在0Hz時，可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近接感測器，來準確檢測馬達軸的位移或錯位，甚至是檢測高頻振動。然而相較於MEMS，這類感測器在某些應用中不易採用，成本也更為高昂。MEMS並非可在極端條件下檢測低於0.1nm位移電渦流感測器的替代品，不過，若設計人員欲採用低成本狀態監測系統，或是能夠檢測低至0Hz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1Hz的低速馬達；因此，振動感測器須能檢測這些基本轉速，在試圖檢測失衡和錯位故障時特別重要。檢測時，可使用頻率響應(Frequency Response)從0.1Hz開始的專用低頻整合電路壓電(IEPE)感測器或壓電感測器，但2Hz~5Hz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可檢測低至0Hz的頻率，產生傾斜資訊(Tilt Information)。這種測試無法在模態激振器上進行，所以測量範圍被限制為0.01Hz，如圖2所示。須要注意的是，壓電感測器的成本更高，並在0.1Hz以上具有更傑出的雜訊性能；在0.1Hz以下的範圍，MEMS感測器的雜訊性能更為卓越，可低至0.01Hz，直到0Hz。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，即使使用高度專業的壓電感測器也無法實現此功能。
通常建議加速度計的頻率響應是軸轉速的40到50倍，以監測軸承；對於風扇和變速箱，頻率響應應達葉片通過頻率(Blade Pass Frequency)的5倍。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0.2Hz或12rpm。在檢測和診斷失衡、錯位及機械鬆動等問題時，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0.18Hz或11rpm的轉速運行。對於無線狀態監測系統，電渦流感測器因為功耗高，目前尚無法使用。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性能更低、成本更低的替代方案。
三軸MEMS加速度計檢測基座/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。工業泵是一個典型應用，其電源透過直接連接或一些耦合元件從軸傳輸至泵，其連接錯位可能為徑向、軸向或切向。為了保持穩固對齊，必須將泵固定到堅實基座上來減小振動。穩定、堅實且硬度均勻的基座可以減少振動，提高可靠性，進而有效延長馬達的使用壽命。通常可使用螺栓直接將工業泵固定在底板上，並將配套設備對齊放置和固定在相同的底板，最後將該組合固定到混凝土基座上。
如果基座太過靈活或不均勻，可能導致對齊問題，使得振動幅度增大，最終出現計畫外停機。對齊測試會在安裝馬達、運作初始階段、維護或維修之後，以及計畫維護期間執行，可使用各種機械設備來檢測錯位，例如厚薄規(Feeler Gauge)、卡尺(Caliper)和針盤指示器(Dial Indicator)。其他如鐳射對齊系統等替代工具也在對齊馬達軸和相關驅動設備時廣泛使用。
機械開始運行之後，定期維護將檢查馬達與底座之間的對齊狀況或馬達安裝是否存在異常，但每次維護可能相隔好幾個月。目前的維護方案基於振動資料來檢測失衡和錯位，幾十年來，這種做法一直很成功。在低重力條件下，MEMS三軸感測器可連續監測並檢測振動和傾斜的變化，兩者結合使測量更準確，且有可能提早檢測出故障。
・MEMS加速度計如何測量傾斜？
如圖3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0g。當感測器向重力方向傾斜時，會檢測到1g場產生的加速度。圖3中，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。
從圖4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1g，x軸和y軸上的加速度為0g。當Voyager模組在x軸上傾斜4°，在22s處可輕鬆作為直流偏置(DC Offset)看出這種傾斜，如圖4所示。要將測量到的加速度轉換為傾斜角度，須要取得所測量加速度的反正弦sin-10.07g=4°。
對於狀態監測應用，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，須要考慮更多因素。其次，傾斜應用通常會限制頻寬以便降低雜訊(>100Hz)，但是狀態監測應用須使用更寬的頻寬(1kHz或更高)。
以三角函數計算測量到的加速度，可輕鬆得出傾斜角度。但是，如果檢測到衝擊事件或振動，則會影響傾斜角度測量。
雖然暫態撞擊、衝擊或振動不會影響馬達實際的傾斜角度，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。取這些資料的平均值，或產生平均值是消除這些異常數據的常見方法，Voyager平台圖形使用者介面(GUI)具備此功能，如圖5所示。
圖5的測量結果顯示馬達從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軸也能夠觀察到一些變化，但x軸上的傾斜狀況最為明顯。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，接著是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，但簡單陳述馬達特徵和可允許的傾斜範圍也可以得出不錯的結果。如圖6所示，當測量結果z軸為3g，y軸為1.3g，x軸為0.2g時，計算出圖5的傾斜角度為sin-10.07g=4°。Voyager模組的靜態傾斜解析度約為0.2°。
在設計能夠檢測傾斜角度的MEMS無線振動模組時，須考慮的另一個重要數據表(Data Sheet)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(Clipping)，其具體表現為直流偏置，進而增大傾斜測量值的誤差。這表示在選擇MEMS感測器於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，以避免出現偏置。
相比單軸更可靠 Voyager檢測多種故障
Voyager三軸振動測量解決方案能夠識別故障並提供洞察，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，期間須使用許多數學模型，甚至AI來進行診斷。本文以Voyager模組的測量結果為例，目的為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更加可靠的方法。
圖7為SpectraQuest檢具，可在模擬真實機器的元件上執行受控實驗。若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/軸承套筒受損導致的故障特徵，即可透過類比瞭解振動特徵。如圖7所示，Voyager無線模組安裝於殼體，所在位置有利於測量徑向(z和y軸方向)振動幅度及軸和負載方向上的軸振動。
失衡和錯位
失衡和錯位這兩種故障特徵經常在同一個快速傅立葉變換(FFT)分析中出現。馬達轉子重心周圍的質量分布不均會導致失衡，引發轉子振動，給軸承帶來額外的壓力。這些振動會使軸承過度磨損，進而產生更多雜訊，若不維護，可能導致軸承，甚至整個馬達出現故障。
若轉子、耦合組件和從動軸的中心線並未對齊於一直線上，將發生轉子錯位。這種錯位可能是傾斜的、平行的，或者兩者皆有。錯位所導致最常見的振動為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。
・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，那麼系統可能出現失衡。若欲模擬失衡，可透過增加配重，把質量達到最大的負載放置於檢具軸上來進行測試。該系統以3000rpm運轉，負載為5kg。圖8顯示，與預期基準振動相比，z軸徑向方向上，在1×轉速時振動幅度明顯增大。圖9顯示對x、y和z軸收集的振動幅度執行的FFT分析。在y和z軸徑向方向，1×轉速時振動幅度明顯增大，但在9×和10×轉速時，x軸方向的振動幅度也明顯增大。若使用單軸感測器將無法檢測到後者。
・轉子翹起
圖10顯示對附加於SpectraQuest檢具上翹起的轉子(偏離軸0.5°)執行的FFT分析。頻譜顯示，在1×轉速下，振動幅度大幅增加，但在3×、4×、5×、6×、7×、8×、9×和10×的諧波下，軸向振動幅度也重複增大。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無法識別這種特徵。
・偏心轉子
圖11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軸方向上存在失衡，但在軸向的3×諧波位置也出現大幅增加，這表示存在錯位。三軸感測器會捕捉偏心轉子導致的錯位和失衡，而單軸感測器解決方案無法檢測到這些問題。
・彎曲的軸
圖12顯示對附加到SpectraQuest檢具上彎曲的軸執行的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軸方向上存在失衡；軸向的3×諧波位置也出現大幅增加，表示存在錯位。另一個峰值出現在y軸方向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錯位和失衡，而單軸感測器解決方案無法檢測到這些問題。
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。
軸承缺陷
基於軸承的幾何形狀，可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，以下將分別介紹兩頻率的測量及運算方式。
・軸承內圈軌道損壞頻率
欲測量此頻率，可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。可使用以下公式來計算BPFI。
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13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徑向軸上大約250Hz(~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，也沒這麼明顯。
・軸承外圈軌道損壞頻率
欲測量此頻率，可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。可使用以下公式來計算BPFO。
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14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150Hz(~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。
診斷故障：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×諧波時顯示振幅增加，而翹起轉子在3×、4×，一直到10×諧波都出現振幅增加。使用者可在演算法中使用這些簡單的諧波模式，以區分兩種故障類型。三軸解決方案能夠提供相關資訊，單軸解決方案則不具備此能力。
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(垂直方向和水平方向)。但是，在軸向上，失衡負載將導致9×和10×諧波位置出現振幅增加，而彎曲的軸則會導致3×諧波位置振幅增加(錯位特徵)。
如前所述，彎曲的軸和偏心轉子缺陷可透過彎曲的軸在徑向y軸方向上的大幅增加來進行區分，因為在偏心轉子測試中並未出現這種情況。
對於軸承故障，Voyager三軸解決方案在徑向水平y軸方向上取BPFI，而不是在垂直徑向z軸方向上取該值。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振動幅度最大的軸。
感測器功能各異 三軸MEMS助力狀態監測
雖然MEMS的最新進展大幅推動其在狀態監測的應用，但其功能仍存在模糊地帶，且差異頗大。本文簡要介紹適用於狀態監測的三軸MEMS感測器與更高性能的單軸MEMS感測器和壓電/IEPE感測器並進行比較，以便清楚呈現各種感測器的功能。壓電感測器通常在較高的頻率下具有較低的雜訊，而MEMS可提供接近0Hz的較低雜訊，適合許多狀態監測應用。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。
從前面在檢具上進行的各式故障模擬可以看出，Voyager模組中的三軸MEMS感測器能夠檢測失衡、錯位、軸承問題、轉子翹起和彎曲軸等等故障，並且可以準確識別特定故障。因此，三軸MEMS感測器非常適合對振動測量系統進行狀態監測。
(本文作者皆任職於ADI)
