FFT (การแปลงฟูริเยร์อย่างรวดเร็ว) ในการวิเคราะห์การสั่นสะเทือน
ที่ การแปลงฟูเรียร์อย่างรวดเร็ว (FFT) เป็นอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์ที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งแปลงสัญญาณจากโดเมนเวลาไปสู่โดเมนความถี่ ใน การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน มันจะแปลง รูปคลื่นเวลา ดิบที่ซับซ้อน — แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนที่พล็อตเทียบกับเวลา — ให้เป็น สเปกตรัมความถี่, แอมพลิจูดที่พล็อตเทียบกับความถี่ การแปลงเพียงครั้งเดียวนี้คือกระบวนการที่สำคัญและเป็นพื้นฐานที่สุดในงานวินิจฉัยเครื่องจักรสมัยใหม่; หากไม่มีมัน สัญญาณการสั่นสะเทือนก็แทบเป็นเพียงเส้นหยึกหยักที่อ่านไม่รู้เรื่อง
1. คำจำกัดความ: FFT คืออะไร?
FFT ไม่ใช่การวัด แต่เป็นการคำนวณ มันคือการทำ Discrete Fourier Transform แบบรวดเร็ว โดยอาศัยสมมาตรทางคณิตศาสตร์เพื่อทำสิ่งที่ปกติต้องใช้เวลานานให้เสร็จภายในไม่กี่มิลลิวินาที จึงสามารถทำงานสดบนเครื่องมือพกพาได้ แนวคิดของมันมาจาก Fourier ที่ว่า สัญญาณคาบที่ซับซ้อนใด ๆ สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้จากผลรวมของคลื่นไซน์ง่าย ๆ ที่มีความถี่และแอมพลิจูดต่างกัน FFT ดำเนินแนวคิดนี้ย้อนกลับ: ป้อนรูปคลื่นที่พันกันยุ่งเหยิงให้มัน แล้วมันจะคืนรายการคลื่นไซน์ที่รูปคลื่นนั้นประกอบขึ้นมา
2. เหตุใด FFT จึงจำเป็นต่อการวินิจฉัย
รูปคลื่นเวลาแบบดิบจากเครื่องจักรที่กำลังทำงานคือความยุ่งเหยิงของการสั่นสะเทือนหลายชนิดที่เกิดพร้อมกัน และแทบเป็นไปไม่ได้ที่จะตัดสินสุขภาพของเครื่องด้วยตาเปล่าจากรอยสัญญาณนั้น FFT ทำหน้าที่เหมือนปริซึม แยกสัญญาณที่ซับซ้อนออกเป็นองค์ประกอบความถี่รายตัว ผลลัพธ์คือกราฟที่ชัดเจนและใช้ตัดสินใจได้ ซึ่งทำให้นักวิเคราะห์เห็นได้ว่า:
- มีความถี่อะไรบ้าง?
- พลังงาน (แอมพลิจูด) อยู่ที่ความถี่ใดบ้าง มากน้อยเพียงใด?
- ความถี่เหล่านั้นสัมพันธ์กันอย่างไร — ฮาร์มอนิก ไซด์แบนด์ และอื่น ๆ?
เพราะความขัดข้องทางกลและทางไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ — ความไม่สมดุล, การจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง, ข้อบกพร่องของตลับลูกปืน, และ ความหลวม — แต่ละชนิดสร้างการสั่นสะเทือนที่ความถี่เฉพาะซึ่งคาดการณ์ได้ สเปกตรัมจึงให้แผนที่ตรงไปยังสาเหตุรากแท้ของปัญหา มุมมองในโดเมนความถี่นี้เป็นพื้นฐานของทั้งหมด การวิเคราะห์สเปกตรัม.
3. พารามิเตอร์สำคัญของการวิเคราะห์ FFT
เพื่อให้ได้สเปกตรัมที่ใช้งานได้ นักวิเคราะห์ต้องตั้งพารามิเตอร์หลายอย่างบนเครื่องเก็บข้อมูลหรือซอฟต์แวร์ ตั้งผิดอาจพลาดความขัดข้องจริง ตั้งถูกมันจะเด่นชัดออกมา
Fmax (ความถี่สูงสุด)
ความถี่สูงสุดที่รวมอยู่ในสเปกตรัม ต้องตั้งให้สูงพอที่จะจับความขัดข้องความถี่สูงสุดที่สนใจ — เช่น เสียงความถี่สูงของ การขบกันของเฟือง หรือโทนของตลับลูกปืน — แต่ไม่สูงจนทำให้รายละเอียดความถี่ต่ำสูญเปล่า เพื่อป้องกัน อาลิแอสซิง, เครื่องมือจะใช้ตัวกรอง anti-aliasing ตัวกรองความถี่ต่ำ ต่ำกว่าอัตราการสุ่มตัวอย่างก่อนคำนวณ FFT
ความละเอียดในการแยก (Lines of Resolution)
สิ่งนี้กำหนดระดับรายละเอียด — จำนวน "bins" ความถี่ที่ไม่ต่อเนื่องที่คำนวณไปยัง Fmax หากใช้เส้นมากขึ้น (3,200 หรือ 6,400 เป็นต้น) จะได้ความละเอียดที่ดีขึ้น ซึ่งหมายถึงความสามารถที่ดีขึ้นในการแยกความถี่สองความถี่ที่อยู่ใกล้กันได้ ความละเอียดสูงถือเป็นสิ่งจำเป็นในการแยกแบบจำพวกหรือแก้ไขความถี่ที่ห่างกันใกล้ ๆ แถบข้าง ในการวิเคราะห์กระปุกเกียร์ เนื่องจากความกว้างของ bin เท่ากับ Fmax หารด้วยจำนวนเส้น จึงมีการแลกเปลี่ยนระหว่างช่วงและรายละเอียดเสมอ เครื่องคำนวณความละเอียด FFT แสดงความกว้างของ bin ที่ได้และระยะเวลาการอักษรสำหรับการตั้งค่าใด ๆ และ ซูม FFT สามารถรวมเส้นที่มีอยู่ทั้งหมดลงในแบนด์แคบเมื่อต้องการการแยกที่ลึกยิ่งขึ้น
ค่าเฉลี่ย
เนื่องจากการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรมีความผันผวน FFT snapshot เพียงครั้งเดียวอาจทำให้เข้าใจผิดได้ การหาค่าเฉลี่ยอักษร FFT หลายตัวต่อเนื่องกันอย่างรวดเร็วและรวมเข้าด้วยกัน ซึ่งจะทำให้เสียงรบกวนแบบสุ่มลดลงและให้สเปกตรัมที่เสถียรและนำไปใช้ได้อีกมากขึ้นซึ่งแสดงสภาวะของเครื่องจักรได้อย่างแท้จริง
การสร้างหน้าต่าง
A ฟังก์ชันหน้าต่าง — ส่วนใหญ่มักจะเป็น หน้าต่างฮันนิ่ง — คือการถ่วงน้ำหนักทางคณิตศาสตร์ที่นำไปใช้กับข้อมูลเวลาก่อนการแปลง มันลดข้อผิดพลาดที่เรียกว่า การรั่วไหลของสเปกตรัมซึ่งอาจจะกระจายจุดสูงแหลมไปทั่วถังข้างเคียงและทำให้ทั้งแอมพลิจูดและความถี่ที่ชัดเจนของมันเสียหาย
4. การตีความสเปกตรัม FFT
นักวิเคราะห์ที่ฝึกอบรมอ่านสเปกตรัมโดยการจดจำรูปแบบลักษณะเฉพาะ:
- พีคขนาดใหญ่ที่ 1× ความเร็วเดินเครื่อง บ่งชี้ถึงความไม่สมดุล
- พีคขนาดใหญ่ที่ 2× ความเร็วในการทำงานมักชี้ไปที่การจัดตำแหน่งที่ผิด
- ชุดยาว ๆ ฮาร์โมนิกส์ (1×, 2×, 3×, 4×…) เป็นสัญญาณคลาสสิกของความหลวมทางกล
- จุดสูงแหลมความถี่สูงที่มีวงดนตรีข้างเคียงระยะห่างในความเร็วในการทำงานเป็นสัญญาณที่ชัดเจนของข้อบกพร่องของกระปุกเกียร์หรือลูกปืน
- "พื้น" ที่สูงขึ้นของเสียงรบกวนแบนด์วิดท์กว้างอาจแสดงให้เห็น การเกิดโพรงอากาศ ในปั๊มหรือแรงเสียดทานทั่วไป
โดยเปรียบเทียบสเปกตรัมปัจจุบันกับ เส้นฐาน บันทึกเมื่อเครื่องจักรมีสภาพที่ดี นักวิเคราะห์สามารถจดจำการเปลี่ยนแปลงและวินิจฉัยปัญหาที่กำลังพัฒนาก่อนที่จะกลายเป็นความล้มเหลวที่วิกฤติ
5. FFT ในการวัดภาคสนามจริง
บนเครื่องมือพกพา FFT จะถูกคำนวณในสถานที่จากข้อมูล มาตรความเร่ง สัญญาณ Balanset-1Aเครื่องวิเคราะห์สนามสองช่องสัญญาณ จับรูปคลื่นเวลาและแสดงสเปกตรัมตั้งแต่ประมาณ 5 Hz ถึง 1000 Hz เพื่อให้วิศวกรสามารถอ่านจุดสูงสุดความเร็วการทำงาน ฮาร์โมนิกส์ และเสียงจากตลับลูกปืนหรือเกียร์ที่เครื่องจักร รวมกับพัลส์แทคมิเตอร์คร่ึงต่อหนึ่งรอบการหมุน ชุดข้อมูลเดียวกันจะสนับสนุนการปรับสมดุลตามเฟส ขณะที่ การวิเคราะห์ออร์เดอร์ สามารถปรับอ้างอิงสเปกตรัมเป็นทวีคูณของความเร็วการทำงานบนเครื่องจักรที่มีความเร็วแปรผัน โดยเปลี่ยน FFT จากแผนภูมิแบบคงที่เป็นเครื่องมือสำคัญของเวิร์กโฟลว์การวินิจฉัยและการปรับสมดุลในสถานที่
