理解同步平均
同步平均 — 亦稱時域平均或時間同步平均（TSA）— 是一種訊號處理技術，用於 振動分析 可增強週期性、與轉速同步的 振動 同時抑制隨機雜訊以及任何未鎖定於軸旋轉的振動。此方法在多個軸轉數週期內重複採樣振動，每個資料區塊由每轉一次的 轉速計 脈衝觸發，然後對每一轉的對應點進行平均。每轉重複相同的組件會相互增強，而隨機雜訊與 非同步 組件則會相互抵銷，從而顯著提升訊噪比。它在齒輪診斷方面特別強大——可隔離單一齒輪的嚙合特徵——並能揭示隱藏在雜訊中、在一般 時域波形 或 FFT 頻譜.
1. 同步平均的工作原理
逐步流程
- 觸發訊號： 來自轉速計或 鍵相器 定義每一轉的起始點。
- 資料分段： 振動訊號被分割為等長片段，每轉一圈對應一個片段。
- 對中： 每個分段皆對齊其觸發脈衝，使它們共用相同的角度起始點。
- 逐點平均： 所有分段中的對應樣本被一起平均。
- 結果： 產生單一平均波形，代表一次理想化的旋轉週期。
- 降噪： 隨機組件在統計上相互抵銷，而週期性組件則相互增強。
背後的數學原理
- 週期性、相位鎖定的訊號會 相干 （它們同相疊加，隨平均次數線性增長）。
- 隨機雜訊會 不相干 （它在統計上相互抵銷，僅隨次數的平方根增長）。
- 因此，訊噪比的改善與 √N成正比，其中 N 為平均次數。
- 例如，100 次平均可使 SNR 提升 10 倍（20 dB）；400 次平均則提升 20 倍（26 dB）。
由於觸發訊號來自軸本身，同步平均本質上是一種 階次分析 — 平均後的記錄鎖定於軸角度，而非時鐘時間，因此能容忍微小的轉速漂移，而不會像一般固定採樣率的 FFT 那樣產生模糊。
2. 應用
齒輪箱診斷——主要應用
這是最常見且最強大的應用。
- 齒輪嚙合隔離： 與目標齒輪同步平均可增強該齒輪的 嚙合模式 同時抑制其他齒輪與軸承，有助於確認 齒輪缺陷.
- 逐齒分析： 平均波形清晰顯示每一齒的嚙合情況，受損齒輪會呈現為重複模式中的局部偏差，藉此偏差可識別 哪個 哪一齒受損並評估其嚴重程度。
其他應用
- 軸承分析增強： 以外圈週期進行平均，可隔離並增強 軸承缺陷的週期性衝擊，穿透其他來源的遮蔽——特別適用於高雜訊環境。
- 扭振： 增強與旋轉同步的組件，同時抑制徑向振動與雜訊，揭示 扭轉 共振與激振。
- 動平衡校正： 提升 振幅 與 相位 在雜訊環境下的測量精度，提供更可靠的 影響係數 判定。
3. 優點
- 降噪： 顯著提升信噪比，能提取出隱藏在噪聲底噪以下 20–30 dB 的信號，使在真正惡劣環境中的測量成為可能。
- 故障隔離： 將單一組件的特徵信號與其他所有信號分離——例如在齒輪箱中將小齒輪嚙合信號與大齒輪嚙合信號隔離——從而識別出哪個組件存在缺陷。
- 增強解析度： 揭示細微的模式與缺陷，顯示原始信號中被掩蓋的細節，並實現真正的早期 故障檢測.
4. 需求與限制
所需條件
- 轉速計： 可靠的每轉觸發信號至關重要——沒有它，該方法無法對齊數據段。
- 恆定轉速： 轉速必須保持相對穩定，通常在 ±1–2% 以內。
- 足夠的平均次數： 通常需要 50–200 轉以獲得良好結果。
- 週期性信號： 僅真正週期性、相位鎖定的組件會被增強。
適用性不足之處
- 它會抑制非同步故障： 隨機缺陷與大多數 軸承故障頻率 就是 降低，因此若目標是這些故障，則此技術並非合適工具（應使用 包絡分析 ）。
- 轉速變化： 平均窗口期間的轉速變化會使結果模糊。
- 所需時間： 必須在多個轉數期間收集數據。
- 非即時： 需要進行一些後處理。
5. 與其他技術的比較
同步平均與線性平均
- 同步： 在時域進行平均，鎖定旋轉，並增強週期性組件。
- 線性： 對 FFT 頻譜進行平均，並不加區別地減少所有頻率的隨機變化。
- 應用案例： 同步平均適用於齒輪與特定組件；線性平均適用於一般頻譜平滑。
同步平均與包絡分析
- 同步平均： 時域，增強週期性模式。
- 包絡分析： 頻域，檢測重複衝擊，例如來自剝落滾道的衝擊。
- 互補： 兩者可結合進行全面分析——先平均掉齒輪嚙合信號，再對剩餘信號進行包絡分析以找出軸承缺陷。
6. 實際實施
設置、收集與解讀
- 設定： 安裝具有清晰每轉脈衝的轉速計——一條 反光膠帶 搭配光電拾取器是現場常見選擇——設定平均次數（50–200），定義信號長度（一轉、十轉等），並驗證轉速穩定性。
- 資料收集： 在平均期間內獲取數據；儀器會自動分段並平均，顯示平均後的波形，且通常會計算該平均信號的 FFT 以提供增強後的頻譜。
- 解讀： 檢查平均波形中的週期性模式，尋找指示缺陷的偏差，與已知良好的 基線 特徵信號進行比較，並根據偏差幅度量化嚴重度。
在現場，整個工作流程取決於清晰的相位參考。像 Balanset-1A 這樣的便攜式雙通道儀器正好提供此功能：其光學雷射轉速計從軸上的小塊反光貼紙觸發，提供鎖定每個平均窗口的每轉脈衝——該儀器原本就使用此脈衝進行 現場動平衡。在觸發穩定且轉速恆定的情況下，僅需數秒即可捕獲的平均波形，能暴露出原始頻譜完全掩蓋的單一崩齒齒輪。
7. 高級變體
- 齒輪同步平均： 從目標齒輪而非軸觸發，可顯示該特定齒輪的嚙合模式，但這需要編碼器或多脈衝轉速計。
- 多階次平均： 同時對多個階次進行平均，以分離 1×、2× 和 3× 分量，並提供完整的階次內容。
- 差分訊號： 從原始訊號中減去平均訊號，會留下殘餘訊號，其中精確包含被移除的內容——即非同步分量——這是一種在去除齒輪嚙合訊號後，有效暴露軸承缺陷的方法。
同步平均是一種精密技術，能顯著增強週期性、與轉速同步模式的能見度，同時抑制雜訊與非同步分量。掌握此技術可解鎖進階齒輪箱診斷、在雜訊環境中早期缺陷檢測，以及在原本難以穿透的機械內部清晰隔離單一元件特徵。
