离心泵智能维护策略：轴承振动分析（下）
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关于如何在早期阶段测量轴承（箱的）振动，有多种方法。在本文中，我们将关注峰值（PeakVue），它使用信号处理技术来检测轴承磨损的迹象。它以非常高的频率（102.4 kHz）对振动进行采样，以发现轴承故障早期阶段存在的任何短时应力波。PeakVue方法涉及适合应用的滤波设备，这取决于机器类型和转速。
表1给出了以900 - 4000 r/min转速旋转的典型轴承的轴承磨损阶段和PeakVue的值。PeakVue提供了轴承磨损的最终测量值，可用于在最佳时间做出维修或更换轴承的决定。详细的振动分析提供了重建轴承所需零件的信息。
表1：不同磨损阶段的轴承振动分析
为了防止出现任何泵的故障，必须正确报告警示信号。报告应以图形、表格或任何其它方式说明，以便于理解并能够全面地告知用户。这是专门在认知层面执行的，它将获得的信息呈现给用户以做出正确的决定。振动传感器通常是加速度计，其输出以(g)为单位表示。根据峰值冲击值，当离心泵开始运行时，从连接到轴承的振动传感器检测到峰值冲击值等于20 (g)，这意味着轴承存在严重问题，剩余使用寿命不足10%。由于出现严重问题，当峰值冲击值达到30 (g)时，轴承接近其预期寿命的终点。此时必须进行强制维护，否则轴承会立即失效。
因此，在配置层面，操作员必须决定是立即停泵并提供紧急维护服务，还是让泵运行直到下一次计划停机服务发生。在某些情况下，即使存在高振动水平，由于缺乏冗余或没有技术人员，操作员可能会简单地忽略警报并让泵继续运行。有时，即使现场有技术人员或存在冗余，操作员也会问自己泵的故障是否会导致系统中的另一个故障（级联效应），在这种情况下，只有在发生重大或甚至灾难性故障的概率相当高的情况下，他们才可能停泵。
4.1 数据报告
对轴承进行全面的振动监测，是在问题发生之前识别问题的更好方法，这是PdM的本质。为了在正确的时间采取正确的措施，经过培训的振动分析员需要每月获得实际的系统监测信息。如果振动水平过高，可直接在现场发出警报。因此，通过在现场安装报警信号，如机械振动开关或报警灯，可以识别危急情况，并将报警通知直接并立即发送给操作员。
图3：用于监测轴承健康状况的用户界面示例
另一种方法是通过基于Web的监控平台、智能手机或控制室发送通知。这将有助于远程维护。此外，当需要更先进的诊断（如振动频谱和时间波形）时，可靠性和维护团队可以从任何联网设备（例如智能手机、平板电脑或Web浏览器）远程访问系统。此外，始终有机会为iOS和Android平台开发远程维护应用程序和软件。这必须是一个用户友好的软件，它不仅将维护和运营数据集成到一个仪表板中，而且还减少了对现场手册的需要、提高了运营监控效率。
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PdM和非PdM策略经济分析
除了用于预测和诊断泵送系统的PdM技术外，（智能）维护系统的经济收益很难量化，因为影响结果的变量很难测量。更具体地说，不可能准确确定通过维护策略避免的损坏、维护和更换（以及相关成本）。
根据我们于2019年4月至5月对德国泵系统领域的60名维修和维护专家进行的在线调查结果显示，90%的服务人员每年至少会访问商业客户现场一次。对此，三分之一的人员每年经常访问客户的工厂超过12次，例如每月一次。服务专家必须每天至少行驶20公里（平均每天78公里，平均行驶时间为1.5小时）。他们花了将近2个小时来修复客户站点的故障（商业客户报告故障和修复完成之间的平均时间通常约为36小时）。据维修人员介绍，如果在故障发生前一周对泵送系统进行维修，则可以避免25%以上的现场维护服务，这说明存在适当的PdM系统。虽然我们的调查可以估算泵送系统的维修和维护成本，但它并未告知我们预防故障的成本和停机时间。因此，我们参考了文献【2】所做的比较评估，以估算PdM的潜在经济效益和成本，该PdM可以防止故障并缩短非PdM系统和策略的停机时间。
5.1 没有PdM系统的维护策略
1）生产损失和额外工作的成本
同于计划外停机，生产损失和额外工作都可以相对容易地进行经济量化。例如，10小时的停机时间会导致许多产品无法生产（和销售）。需要加上维修和/或维护机器所需的额外工作时间和备件成本（见图4）。
图4：故障和修理的合计成本
2）交付、质量损失和生产纠正产生的成本
有些方面在财务上更难量化。计划外停机可能导致产品延迟交付给用户，或者原有机器磨损可能导致效率和质量损失。两者都会影响顾客的满意度。
此外，由于合同违约罚款或必须从市场竞争对手处购买产品以履行交货义务，供应义务协议可能导致高成本。
3）故障的频率和持续时间
确定经济效益最困难的部分是故障发生的频率及其持续时间。工厂的历史数据有助于准确估计故障的频率和持续时间以及发生的成本。然而，这并不能保证检测未来的故障，但至少可以从过去发生的故障中观察到一些趋势。如果情况并非如此，并且故障是随机发生的，则运营报告可以深入了解平均计划外停机时间而造成的成本。
4）因老化而产生的成本
工厂里的机器和仪器仪表会随着时间的推移而老化，只有及时采取维护措施，才能减少这种劣化过程。例如，轴承的振动会导致各种机器部件的磨损。当没有可用的PdM系统来监测振动时，可以更换与主要损坏无关的其它损坏零件。因此，更换备件的支出将增加（见图5）。
图5：条件恶化导致成本增加
5.2 PdM系统的维护策略
1）系统及其安装费用
与采购、安装、运行和维护相关的成本需要计入总成本。此外，还必须考虑与保护、可访问性、电源和服务访问相关的成本。理想情况下，PdM系统在计划停止期间实施，因此可以避免额外的生产损失。此外，在人员操作系统前，可能需要进行特殊培训才能有效地操作PdM系统（见图6）。
图6：安装PdM系统时的现金支出
2）费用
在投资和实施PdM系统以后，由于需要配备额外的人员而产生成本。如果对人员进行适当的培训，可以节约一些费用。每个工厂的劳动力成本可能会有很大差异。然而，比较容易估计可以实现什么。将人员安装、操作、培训和执行必要的维护任务的成本与持续维护策略的人员成本进行比较；这些是每个工厂都应该提供的清晰数字。除了员工操作和维护系统的成本外，运行成本还包括其它费用，例如电力消耗。虽然这些费用可能相当低，但在计算总成本时仍然应该考虑（见图7）。
图7：通过运行PdM系统潜在的成本节约
通过适当的维护策略，可以实现成本和时间节约、投资回报、产品质量改进等多项优势。根据图6和图7，配备PdM系统的泵送系统的现金支出比不配备PdM的系统低得多。尽管PdM的初始投资可能很高，但随着时间的推移，成本节约可以弥补投资，因此，可以盈利，并缩短投资回收期。非PdM系统的故障和维修总成本通常超过初始投资成本。因此，长期存在PdM方案可以防止意外停机成本。
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结论
本文在 CPS 的帮助下探索了离心泵的智能 PdM。为了防止系统故障，减少泵送系统计划外维护而造成的停机时间，需要执行可靠的 PHM 程序。轴承是泵送系统中最关键的部件，在轴承所有的监测方法中，振动分析是监测整个系统状况最方便、最相关的方法。因此，我们开发了一种基于“5C 架构”的测量轴承振动信号的概念 - 一方面是为了提高泵的可靠性，另一方面是为了确保工厂中正在工作的操作员工作场所的安全。为了达到这个目标，振动传感器连接到轴承的外圈，并将振动信号传输到工业计算机。这些计算机从信号中提取有意义的信息，然后将它们发送到云服务器，以便在一个大数据库中进一步存储和分析它们。接着，云服务器完成了一种自适应聚类方法，以便将轴承性能历史分割成离散的工作状态。之后，有关轴承健康状况的综合报告将提供给操作员，最终让操作员可以更有效地进行决策。与非 PdM 相比，PdM 可以最大限度地降低故障成本，从而增加潜在的成本节约。一开始，PdM 需要为安装进行大量初始投资。但是，从长远来看，它可以降低与紧急维修和计划外停机相关的总成本，从而提高投资回报并缩短投资回收期。
参考文献
[1] Jay Lee, Behrad Bagheri, and Hung-An Kao. A cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems. Manufacturing Letters, 3:18–23, 2015.
[2] Istec International BV. Vibration. Booklet, Lisse, The Netherlands, October 2018. The Financial Justification of Condition Monitoring.