技術專欄

2018.12.18

無線感測分析模組用於天車齒輪箱故障診斷

王郁仁副教授/許碩群研究生

現今因煉鋼廠內吊掛鋼水爐所需使用之天車現場環境吵雜,如天車中進行起降吊掛動作的捲筒,其齒輪箱之傘齒輪損壞或軸承出現異常無法提前被發現,且現場安裝有線感測器困難度高並容易受到天車及配線空間不靈活的影響。為解決此問題,將開發之無線振動感測模組安裝於天車上捲筒的齒輪箱外部,將振動訊號回傳,透過特徵辨識演算法分析是否異常,提前預知傘齒輪是否異常或損毀,基於振動感測故障分析模組流程圖,如圖1所示。設備齒輪箱監測極具實務應用之價值,此技術建立之後,將可應用於其他設備齒輪箱監測,提早預警與保養,避免損毀時發生的損失。提升設備之穩定性,避免預期外之破壞所帶來損失,並提升生產線穩定性。

1 振動感測故障分析模組流程圖

本研究針對天車捲筒齒輪箱內之齒輪斷齒故障前預警分析,並將安裝感測器於齒輪箱殼最靠近齒輪嚙合之位置,如圖1所示。而在齒輪故障初期,常有異常徵兆出現,齒輪故障如圖2所示,透過即時監控齒輪箱的震動訊號,提前預測齒輪箱性能的衰退,當設備發生異常時,立即警告操作員,以避免設備發生更嚴重的故障。故障診斷的方法是利用從齒輪箱量測到的時域震動訊號作傅立葉轉換,利用已知的故障特徵頻率判別故障源並以後續建立之故障矩陣與數學方法進行頻譜分析,比較日後大量蒐集之正常訊號比較出相對異常訊號並建立預警告知系統。

1 無線加速規安裝與使用環境

2 傘齒輪故障

齒輪破壞訊號特徵分析中,邊頻帶成分常包含有豐富的齒輪故障訊息,可利用出現之邊頻帶頻率判斷異常齒輪為何。系統的硬體設備包含無線加速規、WIFI無線訊號接收器及監控電腦,軟體建構是以人機介面軟體LabVIEW將訊號進行傅立葉轉換為頻域圖的頻譜,後續將與振動分析軟體整合成齒輪故障預警系統介面。將此系統建立後,可經由手機利用LabVIEW人機介面與手機APP連結顯示機台設備震動訊號狀況,整體架構如圖3所示。建構遠端使用者人機介面,以達到智慧擷取資料以及遠端監控的目的,如圖4所示。不僅是可視化工具,還可以用於員工訓練或輔助員工從事維修或生產操作,為智慧機械提供更廣泛的連結與監控。

3 無線加速規振動感測與智慧監控示意圖

4 遠端使用者人機介面之齒輪振動分析圖

本技術利用快速傅立葉分析進行頻域特徵擷取,並對照時域特徵對齒輪進行狀態監測,以達成齒輪故障前兆之診斷。日後將結合OA警戒值作為預警與否之判斷門檻,為頻帶內任一峰值超過警戒值視為警戒狀況。其中利用同機比照之方法,即比照該齒輪箱經長期量測記錄後,取每一點常態值為每一點正常值,一般取其初始值為正常值 AN:取兩倍正常值 2 AN為注意值,取六倍正常值 6 AN為危險值,並於日後隨該齒輪箱進行細部調整。