美國晶鉆CoCo80機(jī)械振動故障監(jiān)測分析儀

　　美國晶鉆儀器(Crystal Instrument)公司

　　美國晶鉆儀器(CI)公司位于加州硅谷，1996年正式成立，是一家活躍在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、測試儀器、數(shù)字信號處理技術(shù)的高技術(shù)公司。在過去10余年的發(fā)展過程中，開發(fā)的振動測試、信號分析和數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品廣泛用于各國軍工、航空、航天、汽車和電子領(lǐng)域。終端客戶包括波音、NASA、歐洲航天局、美國福特、通用、IBM、思科、戴爾等上百家著名公司。

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　　特別在振動控制器和動態(tài)信號分析儀方面取得了一系列成果，如2000年發(fā)布Laser系列振動控制器，對業(yè)界產(chǎn)生了革命性的影響，目前占50%*,后為LDS收購;除產(chǎn)品外CI還提供硬件及軟件定制開發(fā)的工程服務(wù)。公司擁有30多名開發(fā)工程師，在計算機(jī)、電子技術(shù)、機(jī)電控制及其它相關(guān)工程領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗 ，CI的工程師在數(shù)據(jù)采集、實時控制及信號分析領(lǐng)域擁有多項磚利。

　　2007年后，CI公司相繼發(fā)布了新一代的動態(tài)信號分析儀CoCo80和Spider80在業(yè)內(nèi)引起廣泛關(guān)注，和用戶的一至好評。

　　目前美國CI公司下設(shè)：市場與銷售(北美、海外)、軟件工程部、DSP工程部、硬件工程部、及生產(chǎn)管理部等部門，有員工50多人，其中核心研發(fā)人員30多人。

　　CI公司對產(chǎn)品質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求，所有產(chǎn)品均由加州硅谷著名的電子儀器代工廠Electromax制造生產(chǎn)。(Electromax為高科技電子產(chǎn)業(yè)提供一系列的制造解決方案，公司擁有自動裝配和測試設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)的*技術(shù)，擁有50，000平方英尺的級生產(chǎn)設(shè)施，能夠支持的從新品發(fā)布到批量生產(chǎn)全過程的項目。

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　　CoCo80 機(jī)械振動點檢儀功能說明

　　總述

　　CoCo80 是*個集振動數(shù)據(jù)采集儀、動態(tài)信號分析儀和長時間數(shù)據(jù)記錄儀于一體的手持式設(shè)備。其中動態(tài)信號分析(Dynamic Signal Analysis ，DSA)功能適用于所有信號頻率在0~100KHz 之間的信號分析應(yīng)用，這些信號可以來自于機(jī)械、電子、地球物理、網(wǎng)絡(luò)、通信、液壓等任何感興趣的系統(tǒng)。而振動數(shù)據(jù)采集儀(Vibration Data Collector,VDC)功能主要用于測試分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，其提供了一個方便的振動數(shù)據(jù)采集方式，可以通過預(yù)定義的巡檢路徑進(jìn)行采集，也可以直接現(xiàn)場采集并進(jìn)行分析。

　　CoCo80 硬件上有2，4，8 個輸入通道三種配置。當(dāng)在VDC 模式下運行時，CoCo80 的通道1 同樣可以被設(shè)置為轉(zhuǎn)速測量通道，從而在采樣旋轉(zhuǎn)機(jī)械或往復(fù)式機(jī)械的振動數(shù)據(jù)的同時，對設(shè)備轉(zhuǎn)速進(jìn)行同步測量。

　　在CoCo80 上動態(tài)信號分析儀模式和振動數(shù)據(jù)采集儀模式具有不同的用戶界面。其風(fēng)格和設(shè)置習(xí)慣是不同的，以針對這兩個不的工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，用戶可以選擇進(jìn)入其中某一種模式。VDC 模式的用戶界面設(shè)計為快速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并且簡單易用，而更專業(yè)專注于研究與開發(fā)工作的用戶可以選擇DAS 模式，而不用VDC.

　　工程數(shù)據(jù)管理軟件EDM(Engineering Data Management)是運行于微軟Windows (XP,Vista)操作系統(tǒng)的，用于VDC 數(shù)據(jù)后處理、報告、數(shù)據(jù)文件管理，以及存檔、分析和趨勢等應(yīng)用。用戶可以按其需要的方式進(jìn)行創(chuàng)建、備份、分割或合并路徑數(shù)據(jù)庫。

　　EDM 軟件通過USB 或以太網(wǎng)與CoCo80 設(shè)備進(jìn)行同步，可以上載EDM 數(shù)據(jù)庫中的機(jī)器信息和路徑設(shè)置到 CoCo80 上，在數(shù)據(jù)采集完成后，采集到的數(shù)據(jù)可以下載到EDM 中，其中現(xiàn)場測量(路徑以外)的數(shù)據(jù)也同樣可以下載到EDM，與路徑采集的數(shù)據(jù)一同存儲。振動數(shù)據(jù)儀采集功能集成了“路徑采集”與“現(xiàn)場測量”兩種測量方式，其中現(xiàn)場測量方式允許用戶脫離采集路徑的限制，典型的測量應(yīng)用如：升/降轉(zhuǎn)速測量、動態(tài)平衡等。

　　美國晶鉆CoCo80機(jī)械振動故障監(jiān)測分析儀適用于DSA 和VDC 兩個市場。在此之前，傳統(tǒng)的DSA產(chǎn)品不適用于VDC 市場，主要原因在于DSA 產(chǎn)品體積大、功耗高，不便于攜帶。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的VDC 產(chǎn)品也不適用于DSA應(yīng)用，因為其測量通道數(shù)少、精度、性能指標(biāo)較低，而CoCo80目前能同時適應(yīng)這兩個市場的產(chǎn)品，當(dāng)用戶關(guān)心的是常規(guī)的振動數(shù)據(jù)采集，他可以選用VDC 模式;如果其應(yīng)涉及高級的時間域信號分析，如長時間波形記錄、倍頻程分析或者數(shù)字濾波器等，他可以方便地切換到DSA 模式進(jìn)行測試分析。這種雙模式的設(shè)計簡化了VDC 的用戶界面。

　　路徑巡檢采集

　　振動數(shù)據(jù)采集儀(VDC)是專為機(jī)器設(shè)備振動檢測和狀態(tài)監(jiān)測行業(yè)而設(shè)計的，其用戶界面也與單純的動態(tài)信號分析儀功能不同。主要功能有：巡檢路徑和測量規(guī)程設(shè)置工具、標(biāo)準(zhǔn)的振動數(shù)據(jù)監(jiān)測項目，如rms、 頻段rms、總量級rms、峰值等，以及時間波形、頻譜和包絡(luò)譜測量等。

　　使用時采集儀從PC 上接收一個或多個路徑設(shè)置，路徑設(shè)置是一個經(jīng)過索引排序的文件，其包含了預(yù)告定義好的機(jī)器測點、測量規(guī)程和參數(shù)等信息。巡檢路徑在PC 機(jī)上進(jìn)行設(shè)置，再上載到CoCo 儀器上。PCWindows 軟件EDM 可以方便地設(shè)置任意組合的巡檢路徑,工廠，機(jī)器和測量點，并提供管理、備份所有數(shù)據(jù)的功能。

　　上面左邊的圖是顯示了一個路徑的示例。右邊是根據(jù)測量規(guī)程正在進(jìn)行的一個測點采集過程。下圖是巡檢路徑在EDM 軟件上進(jìn)行編輯。

　　一個典型的振動數(shù)據(jù)采集過程包含以下步驟:

　　1. 用EDM 軟件，定義一系列測點，這些測點與具體的機(jī)器設(shè)備相關(guān)。

　　2. 為每個測點定義一個或若干個測量規(guī)程。每個測量規(guī)程定義了測量物理量及采用的傳感器，如加速度、速度、位移等，待測內(nèi)容，如波形、頻譜、包絡(luò)譜等，以及相應(yīng)的測量參數(shù)，如FFT 譜線數(shù)、加窗類型、平均方式等。

　　3. 一個數(shù)據(jù)采集巡檢路徑，由這些預(yù)定義的測點按規(guī)定的順序組成，也就是說一個”路徑”實際就是按某種順序?qū)@些測點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的測點列表。

　　4. 用戶將CoCo80 與PC 機(jī)聯(lián)接，從PC 機(jī)上載路徑，及相關(guān)的測點、測量規(guī)程信息到CoCo80

　　5. 具體負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集工作的現(xiàn)場點檢人員，拿著CoCo80 按路徑的定義的順序，一個一個地采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　6. 采集完成后，CoCo-80 被帶回辦公室并與PC 機(jī)聯(lián)接，將采集好的振動數(shù)據(jù)下載到PC 機(jī)上。

　　7. zui后用戶可以在EDM 軟件上顯示、分析這些數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的趨勢,異常或報警報告。

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　　同步CoCo和PC機(jī)

　　通過幾種硬件接口，有多方式可以在CoCo 和EDM 軟件之間傳遞路徑和測量數(shù)據(jù)。EDM 軟件可以通過USB 或以太網(wǎng)接口與CoCo 保持信息同步。EDM 數(shù)據(jù)庫中發(fā)生的改變可以被更新到CoCo 中，同樣CoCo 中采集的數(shù)據(jù)也被復(fù)制到EDM 數(shù)據(jù)庫中，并與相應(yīng)的測點、機(jī)器、工廠等信息相綁定。

　　另一個同步方式是，EDM 也可以直接從SD 卡上讀取CoCo 的測量數(shù)據(jù)，只要把SD 卡放入讀卡器就行了。

　　趨勢與報警

　　趨勢是指按一定的時間間隔存儲有效的振動數(shù)據(jù)記錄，并將這些振動數(shù)據(jù)的相關(guān)頻率的量級變化按時間繪制成圖形。如果發(fā)現(xiàn)某個頻率上量級的趨勢一直向上，就說明機(jī)器設(shè)備有隱患正在增大。zui簡單的應(yīng)用振動趨勢概念的方法是先將一個正常工作狀態(tài)下的機(jī)器振動頻譜作為參考，或稱為基準(zhǔn)線，然后將該機(jī)器zui近的頻譜測量結(jié)果與基準(zhǔn)線進(jìn)行比對。

　　在趨勢分析中，關(guān)鍵是要保持測量歷程的*性。所謂*性是指，相同的測量物理位置、相同的測量參數(shù)設(shè)置、相同的分析以及相同的信號提取算法，如果不能保持*性，這種比較就沒有意義了。當(dāng)用FFT 分析儀或數(shù)據(jù)采集儀采集振動數(shù)據(jù)時，采用對頻譜進(jìn)行多次平均以減少隨機(jī)量和無關(guān)的干擾，是非常重要的。

　　EDM 軟件和CoCo 支持多種趨勢分析，所有的讀值記錄都可以進(jìn)行趨勢分析：

　　1.加速度 rms, peak and peak-peak、2.速度 rms, peak and peak-peak、3.位移 rms, peak and peak-peak

　　另一個高級的功能是用戶可以自定義若干頻率帶，并對這些頻帶的RMS 值進(jìn)行趨勢分析。

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　　升/降轉(zhuǎn)速分析

　　升降轉(zhuǎn)速分析是一種實時的數(shù)據(jù)記錄和分析工具，用于其振動量級隨運行速度或時間而變化的機(jī)器設(shè)備，如在一個開停機(jī)的過程中，或其它一些應(yīng)用中所引起的瞬態(tài)變化過程。一個主要的應(yīng)用是用于確定機(jī)器設(shè)備的臨界/共振速度。分析結(jié)果可以多種方式顯示，以保證數(shù)據(jù)可以被zui合適抽取和顯示，以下是用戶常用 的顯示方式：

　　11頻帶RMS vs. RPM、11 n 階幅值 vs. RPM、11波特圖、11瀑布圖、1彩圖

　　這些圖形顯示可以使用戶快速地了解設(shè)備的振動量級與轉(zhuǎn)速或時間的變化關(guān)系。而且關(guān)鍵的是操作者可以鎖定機(jī)器設(shè)備的臨界或共振點的運行速度。另一方面，用戶也可以使用長時間波形記錄功能，來采集振動和轉(zhuǎn)速信號并以時間波形的方式存儲。這種長時間記錄波形可以用EDM 后處理軟件進(jìn)行任意次數(shù)的離線分析。

　　原始的轉(zhuǎn)速脈沖信號波形

　　RPM vs 時間

　　RPM 瀑布圖 (常頻率帶寬)

　　RPM 彩圖 (常頻率帶寬)

　　頻帶 RMS vs RPM:

　　階次譜

　　兩個總量級 RMS 信號vs RPM

　　RPM 彩圖 (常階次域)

　　1x 階幅值 和相位vs RPM (波特圖)

　　1x 1x 階幅值 和相位極坐標(biāo)顯示

　　軸心軌跡圖 (濾波后的)

　　撞擊測試

　　撞擊測試是分析一個機(jī)器或結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)的簡單方法。當(dāng)受到?jīng)_擊時，一個機(jī)器或結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一個寬頻帶的激勵，其中與結(jié)構(gòu)的自然頻率*的激勵頻率成份，會使用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為在這些頻率帶上振動值比正常值要高。在撞擊測試期間,CoCo80 通過加速度傳感器測量振動的幅值和頻率，并且顯示幅值vs 頻率圖，其峰值代表了結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)，并且zui尖的峰值處就是有危害的幅值向量。

　　通常在大多數(shù)機(jī)器振動監(jiān)測中，獲得精確的傳遞函數(shù)并不重要，而重要的是獲得結(jié)構(gòu)的各階振動模態(tài)的頻率，位置，以及這些模態(tài)的阻尼比等參數(shù)。

　　CoCo 可以無需一個特別的帶力傳感器的沖擊力錘就可以進(jìn)行撞擊測試，只要用一個合適的物體，如一根木棒，或硬像膠棒等擊打結(jié)構(gòu)就可以。撞擊測試可以按設(shè)備“開機(jī)”和“關(guān)機(jī)”兩種模式進(jìn)行。設(shè)備“關(guān)機(jī)”是推薦模式，指沒有旋轉(zhuǎn)或其它激勵激作用于設(shè)備，這樣一次撞擊測試可以測到清楚的共振動狀態(tài)，如下：

　　撞擊測試顯示

　　設(shè)備開機(jī)是應(yīng)用于轉(zhuǎn)子仍然工作時，此時受迫激勵作用于整個振動系統(tǒng)中。此時采用一個特殊的測試算法:負(fù)平均法,顯示如下：

　　動平衡

　　同，現(xiàn)場動平衡功能可以引導(dǎo)用戶按步驟地對機(jī)器的安裝在軸承上的轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡操作，使其正常工作。大型設(shè)備如汽輪機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)電樞等，經(jīng)常需要在兩次大修間進(jìn)行現(xiàn)場動平衡。糾正不平衡需要對1 個或2 個平面確定過重點，這取決于轉(zhuǎn)子半徑和剛度。一個過重點是指在轉(zhuǎn)子半徑上的某個位置，其質(zhì)量超重。與過重點相反的徑向方向就是需要進(jìn)行配重的位置。不過，除非預(yù)先知道平衡的狀態(tài)，否則無法確定配重點。因此大多數(shù)現(xiàn)場動平衡都采用影響因子方法來計算配重。

　　如圖，加速度傳感器安裝在轉(zhuǎn)子軸承上以采集振動信號。轉(zhuǎn)速信號用于計算旋轉(zhuǎn)速度并與振動信號同步，以計算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度。

　　動平衡模擬圖

　　影響因子算法用于確定旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)對于不平衡質(zhì)量變化的反應(yīng)程度。首先一塊試重被加到轉(zhuǎn)子上使用振動的幅值或相位產(chǎn)生變化。這塊已知質(zhì)量和位置的試重塊生產(chǎn)的不平衡性影響，或稱影響系數(shù)被計算出來。單面動平衡過程用于確定一個面的質(zhì)量位置響應(yīng)系數(shù)，而多面動平衡過程用于確定多個平面的響應(yīng)系數(shù)。鑒于初始配重后的振動可以看成是初始的不平衡性引起的反映，因此以此計算初始不平衡質(zhì)量及影響因子。這就使得系統(tǒng)可以為每一個平面計算需要配置的質(zhì)量和位置。初始平衡后通常還需要第二次平衡轉(zhuǎn)動以驗證平衡效果。

　　動平衡過程

　　測量2 個平面的不平衡向量

　　估計配重

　　給出配重安裝位置，指導(dǎo)安裝

　　完成后的信息匯總

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