الصيانة القائمة على الحالة للآلات الدوارة عن طريق تحليل الاهتزازات

يُعدّ الصيانة القائمة على الحالة للآلات الدوارة من خلال تحليل الاهتزازات مجالاً صناعياً وبحثياً يركز على صيانة المعدات الدوارة المعقدة بناءً على حالتها في الوقت الفعلي، والتي يتم تحديدها من خلال تحليل بصمات اهتزازاتها. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تُعدّ صيانة الآلات المعقدة، كالمروحيات والقطارات وتوربينات الرياح، مكلفة للغاية. في العديد من التطبيقات الحيوية، قد يؤدي أي عطل ميكانيكي إلى خسائر مالية فادحة ومخاطر جسيمة على السلامة ، بما في ذلك الخسائر في الأرواح. ^{[ 2 ]} تقليديًا، اعتمدت صيانة الآلات المعقدة على الصيانة الوقائية . في هذا النهج، تُجدول عمليات الصيانة واستبدال الأجزاء على فترات منتظمة، غالبًا ما تكون قصيرة، بغض النظر عن الحالة الفعلية للآلة، بهدف تقليل احتمالية الأعطال إلى أدنى حد ممكن. ^{[ 2 ]} مع ذلك، يفرض هذا النهج تحديات كبيرة: فتكاليف الصيانة مرتفعة للغاية، وقد تحدث أعطال غير متوقعة بين فترات الصيانة. علاوة على ذلك، في بعض الحالات، قد يؤدي التدخل الجراحي في عملية الصيانة نفسها إلى إدخال أعطال جديدة في النظام دون قصد. ^{[ 2 ]} ولمعالجة هذه القيود، تنص الصيانة القائمة على الحالة على صيانة الآلة بناءً على حالتها المادية الفعلية. تُراقَب حالة الآلة وتُحلَّل باستمرار، ولا تُنفَّذ الصيانة إلا عندما تشير البيانات إلى عطل مُحتمل. ^{[ 1 ]}

تُعدّ المكونات الدوّارة جزءًا لا يتجزأ من العديد من الأنظمة الميكانيكية المعقدة. بالنسبة لهذه المعدات، والتي يُشار إليها عمومًا بالآلات الدوّارة، يُعدّ تحليل الاهتزازات مفيدًا للغاية لتطبيق الصيانة القائمة على الحالة، حيث تظهر الأعطال الميكانيكية بوضوح ويسهل تمييزها نسبيًا ضمن بصمة الاهتزاز. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} تُعتبر خوارزميات تحليل الاهتزازات راسخة في الكشف عن الأعطال وتصنيفها في المكونات الدوّارة، مثل المحامل والتروس. تستطيع هذه الخوارزميات تحديد المكون المعيب بدقة باستخدام المواصفات الميكانيكية، مثل هندسة المكون. ^{[ 3 ] [ 4 ]} عادةً ما يتم الكشف عن الأعطال وتصنيفها في آنٍ واحد. يتمثل المبدأ الأساسي في عزل بصمة الاهتزاز لكل مكون على حدة وتتبّع الخصائص المميزة لسلوكيات أعطال محددة. ^{[ 2 ]} عندما تتجاوز هذه الخصائص عتبة مُحددة مسبقًا، يتم الكشف عن عطل، ويتم تصنيف مصدره تلقائيًا، نظرًا لأن عملية المراقبة تعتمد على الفصل المسبق للإشارات لكل مكون على حدة. ^{[ 2 ]}

حتى في ظل ظروف المختبر المُحكمة، نادرًا ما تكون سرعة دوران العمود ثابتة تمامًا. فالتقلبات الطفيفة في السرعة (مثل انحرافات بنسبة 1% فقط عن متوسط ​​السرعة) تتسبب في تداخل ترددات اهتزاز المكون الدوار عبر الطيف. ونتيجةً لذلك، يُصعّب هذا التداخل الطيفي عزل إشارة المكون عن اهتزازات الأجزاء الدوارة الأخرى. ^{[ 2 ]}

لمعالجة هذا التحدي، تُستخدم إعادة أخذ العينات الزاوية. تُقاس سرعة العمود إما مباشرةً أو تُستخرج من إشارة الاهتزاز نفسها. ^{[ 6 ]} ثم تُعاد أخذ عينات إشارة الاهتزاز لمزامنة البيانات مع زاوية دوران العمود بدلاً من مزامنتها مع الزمن. ^{[ 2 ]} يمكن تنفيذ هذه المعادلة الرياضية بعدة طرق، ولكنها تتضمن عمومًا ثلاث مراحل رئيسية: حساب طور (أو زاوية) العمود كدالة للزمن، وحساب متجه زمني جديد يحافظ على فاصل زاوي ثابت بين العينات المتتالية، وإعادة أخذ عينات إشارة الاهتزاز وفقًا لهذا المتجه الزمني الجديد. ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 8 ]}

كما هو موضح في المثال المرفق، تعمل إعادة التشكيل الزاوي على حل مشكلة تشوه التردد الناتج عن تقلبات السرعة، حيث تحول هذه الترددات المشوهة إلى قمم حادة ومميزة ضمن الطيف المعاد تشكيله زاويًا (المعروف بالرتبة). ^{[ 2 ] [ 8 ]}

يمكن تصنيف معظم المكونات الدوارة في الآلات الصناعية إلى فئتين تشغيليتين رئيسيتين: المكونات المتزامنة، مثل التروس، والمكونات شبه المتزامنة، مثل محامل العناصر الدوارة. ^{[ 9 ]} تدور المكونات المتزامنة بتزامن تام مع العمود، مما يجعل نمط اهتزازها محددًا تمامًا. في المقابل، تُظهر المكونات شبه المتزامنة بطبيعتها اختلافات تشغيلية طفيفة، حيث تنزلق قليلًا بالنسبة للعمود (عادةً ما يكون الانزلاق حوالي 1%) نتيجة للتفاعلات الحركية للعناصر الدوارة. ^{[ 9 ]} بينما يُستخدم المتوسط ​​الزمني المتزامن لاستخراج الاهتزازات المتزامنة للمكونات المتزامنة بدقة ^{[ 10 ]} ، يتطلب عزل خصائص المكونات شبه المتزامنة استخراج إشارة متبقية لتصفية تداخلات الشبكة المتزامنة السائدة. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

في جوهرها، تُعدّ عملية المتوسط ​​المتزامن، والمعروفة أيضًا بالمتوسط ​​الزمني المتزامن، عمليةً بسيطةً لكنها فعّالة لمعالجة الإشارات المنفصلة. ^{[ 12 ]} بعد إعادة أخذ عينات زاوية من بيانات الاهتزاز الخام لتصحيح التغيرات الطفيفة في السرعة، تُقسّم الإشارة إلى أجزاء متتالية تُقابل دورات كاملة للعمود. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} يُسهم حساب متوسط ​​هذه المتجهات المُجزأة في الاستفادة من التداخل الهدّام لتخفيف الضوضاء العشوائية واسعة النطاق وعزل المكوّن المستهدف. ^{[ 9 ]} تُزيل هذه العملية بشكل منهجي التداخلات الخلفية من التجميعات الدوّارة الأخرى التي لا تُعدّ سرعات تشغيلها مضاعفات صحيحة لسرعة العمود المرجعية. ^{[ 9 ]}

يرتبط المتوسط ​​المتزامن ارتباطًا وثيقًا بتقدير الإشارة باستخدام مقياس متوسط ​​مربع الخطأ . ^{[ 9 ]} فيما يتعلق بمجموعة من مقاطع البيانات المستخرجة من سجل اهتزاز مستمر، فإن الإطار الرياضي لمقياس متوسط ​​مربع الخطأ يُشير إلى أن المتوسط ​​الحسابي القياسي يُمثل بطبيعته تكوين الإشارة الأقرب إلى جميع المقاطع الأخرى. ^{[ 9 ]} وبالتالي، يُمكن تعريف عملية تقسيم إشارة الاهتزاز المُعاد أخذ عينات منها زاويًا إلى كتل متتالية تُمثل دورات كاملة للآلة، ثم حساب متوسطها معًا، رياضيًا على أنها مسألة تحسين مُتخصصة. في هذا الإطار، يُعد المتوسط ​​المتزامن المحسوب بمثابة التقدير الأمثل رياضيًا الذي يُقلل من إجمالي متوسط ​​مربع الخطأ عبر جميع المكونات المتزامنة ضمن مجموعة البيانات. ^{[ 9 ]}

يُعدّ إزالة الطور مكملاً لعملية التوسط المتزامن. وكما هو موضح في قسم التوسط المتزامن، عند تحليل المكونات شبه المتزامنة، يمكن استخدام التوسط المتزامن لتصفية التأثيرات الاهتزازية للمكونات المتزامنة من الإشارة. وهذا ذو أهمية بالغة للتروس، على سبيل المثال، التي تُنتج اهتزازات قوية حتى في الظروف السليمة. ^{[ 11 ] [ 16 ]}

توجد عدة طرق لتصفية اهتزازات المكونات المتزامنة من الإشارة، إحداها هي طريقة إزالة الطور. ^{[ 2 ]} في هذه الطريقة، يُعاد أخذ عينات زاوية من الإشارة لكل مكون متزامن وفقًا لسرعة دوران عموده، ثم يُحسب المتوسط ​​المتزامن لأجزاء الإشارة. لكل جزء، يُمدد المتوسط ​​المتزامن المحسوب دوريًا (يُدمج) ليُطابق طول الجزء، ثم يُطرح منه. بعد ذلك، تُصفى اهتزازات المكون المتزامن التالي باستخدام الطريقة نفسها. ^{[ 2 ]}

كما هو موضح، تعتمد طريقة Dephase على خطوتين رئيسيتين: طرح المتوسط ​​التزامني المتسلسل من كل قسم، وفصل الإشارة إلى أقسام أصغر بدلاً من طرح المتوسط ​​المتسلسل من الإشارة بأكملها دفعة واحدة. ^{[ 2 ]} الخطوة الأولى واضحة: المتوسط ​​التزامني هو تقدير لاهتزاز المكون التزامني، لذا فإن طرح هذا المتوسط ​​المتسلسل من الإشارة يُرشّح معظم تأثير هذا المكون. أما الخطوة الثانية فتُعالج الانزلاق الطفيف الذي قد يظل موجودًا في إشارة المكون التزامني، والذي قد ينتج عن عوامل مختلفة مثل عدم دقة قياس سرعة العمود. لذلك، فإن تقسيم الإشارة إلى أقسام قصيرة بما يكفي يُتيح تقديرًا دقيقًا لإشارة المكون التزامني بناءً على المتوسط ​​التزامني. ^{[ 2 ]} توجد أيضًا طرق أخرى لتصفية اهتزازات المكون التزامني، مثل تحليل السيبستروم الذي "يرفع" المكونات التزامنية. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

الإشارة المتزامنة المتوسطة هي تقدير لاهتزاز المكون خلال دورة واحدة. ^{[ 9 ]} تتكون هذه الإشارة المتوسطة من ترددات متعددة. بالنسبة للتروس، تحتوي الإشارة المتزامنة المتوسطة على ترددات عالية عند توافقيات تعشيق التروس، حتى في الظروف السليمة. ^{[ 2 ]} لتشخيص أعطال التروس، يتم ترشيح هذه التوافقيات ونطاقاتها الجانبية لتحسين تشخيص اهتزازات العطل. ^{[ 19 ]} تظهر اهتزازات العطل هذه عبر نطاق أوسع من الترددات، وهي أقل تركيزًا في توافقيات تعشيق التروس مقارنةً باهتزازات الترس السليم. ينتج عن هذه العملية إشارة الفرق. عدد النطاقات الجانبية المراد ترشيحها هو مُعامل فائق يمكن تحديده بالتجربة والخطأ، وقيمته النموذجية اثنان. ^{[ 20 ] [ 19 ]}

• 
  استخلاص إشارة الفرق: يتم تحويل المتوسط ​​المتزامن (أعلى اليسار) إلى مجال الترتيب (يمين). يتم ترشيح التوافقيات المتشابكة للتروس (وسط). تعود الإشارة المتبقية إلى مجال الدورة، مما يزيد من العطل (أسفل).
• 
  مقارنة بين المتوسطات المتزامنة (أعلى) وإشارات الفرق المقابلة (أسفل) لحالتي التروس السليمة والمعيبة. في حين أن اهتزازات تعشيق التروس العادية تهيمن وتخفي العيوب الموضعية في المتوسطات المتزامنة القياسية (أ، ج، هـ)، فإن حساب إشارات الفرق (ب، د، و) يزيل بصمة التعشيق الخلفية هذه، مما يكشف بوضوح ويعزز ذروات الاهتزاز النبضية الناتجة عن الأعطال الموضعية.

تعتمد عملية الكشف عن الأعطال في التروس ومحامل العناصر الدوارة على نفس المفهوم الأساسي: عزل إشارة اهتزاز المكون قدر الإمكان، ثم استخلاص خصائصها من هذه الإشارة المعزولة. بعد ذلك، يُكتشف العطل نسبةً إلى قيم الخصائص في الظروف الطبيعية - على سبيل المثال، إذا كانت القيمة الحالية أكبر بمقدار 3 سيجما من متوسط ​​القيمة في الظروف الطبيعية. ^{[ 2 ]} يمكن قياس القيم الأساسية للظروف الطبيعية، على سبيل المثال، في بداية عمر الآلة أو عند تركيب المكون الدوار ذي الصلة حديثًا. في بعض الأحيان، قد يشير اكتشاف العطل أيضًا إلى نوعه المحدد، مثل عطل في الحلقة الداخلية أو الخارجية للمحمل. ^{[ 21 ]}

تتألف عملية تشخيص أعطال محامل العناصر الدوارة من الخطوات التالية: أولًا، تُستخدم خطوة إزالة التزامن لتصفية الاهتزازات المتزامنة، مثل تلك الصادرة من التروس. ثم، يُعاد أخذ عينات الإشارة زاويًا وفقًا لسرعة عمود المحمل، ويُحسب غلاف الإشارة. ^{[ 2 ]} بعد ذلك، يُحوّل غلاف الإشارة إلى مجال التردد، ^{[ 21 ]} والذي يُشار إليه بمجال الترتيب نظرًا لعملية إعادة أخذ العينات الزاوية. في معظم الحالات، لا يُطبّق هذا التحويل مباشرةً عبر تحويل فورييه المنفصل، بل من خلال حساب كثافة القدرة الطيفية. ثم، تُستخرج الترددات المتعلقة بأنواع أعطال المحامل المحددة - مثل أعطال الحلقة الداخلية، والحلقة الخارجية، والقفص، والعناصر الدوارة. ^{[ 22 ]} أخيرًا، تُحسب مؤشرات الحالة؛ إذا تم اكتشاف أي خلل في قيم التردد هذه يتجاوز عتبة أو مستوى إنذار محدد مسبقًا، يتم تحديد العطل. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

بالنسبة للتروس، يتم تشخيص الأعطال عن طريق إعادة أخذ عينات الإشارة زاويًا وفقًا لسرعة عمود الترس، ثم استخراج متوسط ​​الإشارة المتزامنة للترس. ^{[ 10 ]} تعمل هذه الإشارة المتوسطة على عزل بصمة اهتزاز الترس بشكل فعال. ^{[ 9 ]} بعد ذلك، تُحسب إشارة الفرق من المتوسط ​​المتزامن لتعزيز مساهمة العطل، ثم تُستخرج الخصائص من إشارة الفرق هذه. إذا تم اكتشاف شذوذ يتجاوز مستوى الإنذار في قيم هذه الخصائص، يتم تحديد العطل. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

• 
  مخطط انسيابي يوضح مسار تحليل الاهتزازات الكامل لتشخيص أعطال محامل العناصر الدوارة. يتتبع سير العمل معالجة الإشارة من خلال فصل/إزالة طور المكونات الحتمية (1)، وإعادة أخذ العينات الزاوية لظروف السرعة المتغيرة (2)، وحساب الغلاف (3)، وتحويل الغلاف إلى مجال الترتيب (4)، واستخراج الميزات المستهدفة عند ترددات عيوب المحمل (5) مثل FTF وBSF وBPFO وBPFI. تُستخدم هذه الميزات لحساب مؤشرات صحة منفصلة على مستوى المكونات (6) للكشف النهائي عن الأعطال وعزلها بمرور الوقت بناءً على العتبة (7).
• 
  مخطط انسيابي يوضح مسار تحليل الاهتزازات الكامل لتشخيص أعطال التروس. يتتبع سير العمل المعالجة المسبقة للإشارة من خلال إعادة أخذ العينات الزاوية (1)، وحساب المتوسط ​​المتزامن (2)، واستخراج إشارة الفرق (3)، واستخراج الميزات الإحصائية مثل التفرطح، والجذر التربيعي المتوسط، والالتواء (4)، ودمجها في مؤشر صحة واحد (HI) عبر صيغة المسافة (5)، والكشف الآلي النهائي عن الأعطال القائم على العتبة بمرور الوقت (6).

• عطل في التروس