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落实马达与传动系统的预测性维护技术
确保制造动力不中断
[作者 籃貫銘]   2020年09月02日 星期三 浏览人次: [3721]

从历史的观点来看,马达(Motor)是一个古老的技术,它问世已有数百年,即便从汤玛斯·戴文波特(Thomas Davenport)首创马达应用算起,至今也有180多年的时间;若从应用面来看,则马达是世界最重要的元件之一,当今人类的食衣住行都与它息息相关,几??是没它不行的地步。而且不只如此,它更扮演着驱动未来数位世界发展的关键角色。


作为「机械之母」,马达几??是所有机具设备的主要动力来源,因此它的运行效率、健康状态、以及使用寿命的长短,都严重关系着产能效率的高或低。而这个需求随着电动车与智慧制造趋势的兴起,更显得至关重要。也因此,即时地测知马达和相关传动元件,如减速机和轴承等的状态,是现代生产制造管理系统不可或缺的项目之一。


五个导入预测性维护的优势

从工厂营运的角度来看,预测性维护主要的目标就是防止发生故障,以避免可能影响公司的生产计划和不必要的停机时间。


但是从马达及相关元件(包括控制器、减速机、轴承等)的观点来说,预测性维护最重要的就是提升其安全性,除了避免机具故障停机外,让制造现场更加安全也是很重要的考量。



图1 : 透过安装在内部和外部的各式控制器与感测器,运营者就可以远端或以其他方式监控关键马达的运行状况。
图1 : 透过安装在内部和外部的各式控制器与感测器,运营者就可以远端或以其他方式监控关键马达的运行状况。

以下是五个预测性维护对马达和传动设备很重要的优势:


1.延长寿命,优化成本优势


透过使用预测性维护可以减少企业的支出,这些程序除了可以尽快排除故障外,还可以延长马达的使用寿命。因为根据研究,因为故障所衍生的停机和修复所花费的时间,是成本最高的因素。所以企业的经营层级若实施预测性维护,将有助於其优化整体的生产成本。


2.减少停机时间


在故障发生之前就进行预防,是预测性维护的主要功能,因为它可以有效减少设备故障引起的停机时间。这对马达和传动设备也同样如此。


3.更清楚机器的工作情况


预测性维护包括在工作期间检测马达在满载情况下的工作状况,以及在有效温度和湿度条件下的运作情形。相较於传统都是在固定条件下的测试,预测性维护可以取得更贴近真实情境的数据资料。


4.获得更好的技术支援


要实现预测性维护,很重要的方法就是导入感测器技术。透过安装在内部和外部的各式控制器与感测器,再经由网路技术整合监测平台,运营者就可以远端或以其他方式监控关键马达的运行状况。也可以使用行动式仪器快速把马达与控制面板上的控制单元相连,藉此让厂房设备得到更好的技术支援。


5.鼓励积极进取的员工


机具毕竟只是硬体设备,人永远都是最後的焦点所在,进一步提高工作人员的涉入感,对於营运百利而无一害。所以当导入预测性维护的新工作模式後,工作人员将更加主动地预防马达等相关设备的故障,同时也会取代传统等待设备故障的心态。


马达的预测性维护分析方法

结合感测器与数据分析应用,是达成马达预测性维护的主要方式,目前约有两种类型的分析技术可以实现这个目标:


方法一:振动分析

振动分析主要是用於旋转设备,马达也同样适用。由於马达也会产生振动频率和讯号,只要连接精密的震动感测器後,就可以进行振动模式讯号的识别,藉此得知马达中是否存在任何不平衡、中心位移、松动或轴承故障的情况。


方法二:红外线分析


图2 : 振动分析主要是用於旋转设备,马达也同样适用。图为泓格的震动量测方案。
图2 : 振动分析主要是用於旋转设备,马达也同样适用。图为泓格的震动量测方案。

马达的运转会产生热,而这也成为能分析马达健康状态的资讯。红外线成像就是基於此原理的预测性维护技术,它允许人员可以测量马达的温度。而温度分析有助於揭示与轴承故障、气流、绝缘故障、电压不平衡或者轴心未对准等问题。


减速机与相关传动元件的维护也至关重要

至於减速机和相关的轴承等机械元件,也与马达的运转息息相关,因为马达几??不可能独立存在,一定要有传动元件的配合才可能运作,因此对这些机构元件采行预测性维护,也有助於提升马达的使用寿命。


以滚动轴承为例,它是支撑旋转机械中一个非常重要的环节,即便是很轻微的故障和偏移,也会妨碍机械的效率,甚至在最坏的情况下,会直接损坏机械设备,并对动力系统造成严重的故障。


但是这类的机械元件其实非常难以进行监测,主要是因为它本身的信噪比非常低,而又经常会因机器的整体振动而导致分析上的困难,所以仅能在某些适合的频段中应用,它的方法就是滤除掉某些信号,藉此突显出真正来自於轴承和减速机本身的信号。


这种称为封波(Envelope)的技术可以进行高频讯号的采集,并进行低频连续解调以进行分析。再结合专用的软体与特定的失效资料库一同分析,就可以计算和分析轴承和传动元件的缺陷频率,进而更清楚的了解磨损和润滑情况。



图3 : 减速机和相关的轴承等机械元件,与马达的运转息息相关,对这些机构元件采行预测性维护,有助於提升马达的使用寿命。
图3 : 减速机和相关的轴承等机械元件,与马达的运转息息相关,对这些机构元件采行预测性维护,有助於提升马达的使用寿命。

当然,所有的分析与判断的起点都是资料库的建立,它是对设备及其相关元件进行预判的基础。也因此,在导入预防性维修的机具设备里,所有的机卡和配件的资讯都要被明确的列出,包含它的类型、制造商、序列号、功率、速度、温度等。而且每个测量点都经过明确的标记,如此在进行检测时,就可以快速的识别它,且不会引起混乱。而数据采集程序是要在机械运作数轮之後才设定的,如此更能优化工厂内部的各种机具移动。


要注意的是,每个单独机件的基本叁数都是必要取得的资讯,这些叁数在诊断阶段非常有用,例如:转速叁数和轴承的类型,旋转机械的各种类型物理尺寸等,这些都决定了测量的方向。而对於马达来说,有三个重要资讯叁数,它们是轴向、径向水平和径向垂直。至於多少数值才是警报的范围,设计者则可以叁考ISO 10186-1的规范,其说明了许多关於整体振动的法规。


结语

随着智慧制造趋势的深化,更多的机具设备都开始导入预测性维护的技术,而作为运行动力核心的马达与传动系统,自然是关注的重点所在。然而,马达与减速机等动力系统,正朝向更紧密的整合的方向发展,以因应现在化机具设备的多工和多元的设计需求,因此已有越来越多的方案以整合式模组的方式提供。当此之际,电子元件厂、机械设备商,以及系统整合商,三方的紧密合作将是未来的趋势,唯有如此才能真正把预防性维护的功效发挥到最大。


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