通過測振診斷電機(jī)的特殊故障

胡慶　楊軍　章霞剛

摘 要：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵冶金、石油化工、建材等連續(xù)工藝流程生產(chǎn)線。電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能是其電磁、振動(dòng)和聲學(xué)過程的總體反映。振動(dòng)診斷就是在對故障充分分析的基礎(chǔ)上，確定診斷試驗(yàn)項(xiàng)目，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對電機(jī)的狀態(tài)作出判斷。本文用振動(dòng)試驗(yàn)的方法研究了電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障，通過對電機(jī)的振動(dòng)分析準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了電機(jī)存在的故障。

關(guān)鍵詞：電機(jī) 故障診斷 振動(dòng)分析 邏輯方法

中圖分類號：TP91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0094-02

此文舉出了頻譜故障診斷方法運(yùn)用在電機(jī)實(shí)例中，監(jiān)測電機(jī)振動(dòng)參數(shù)并獲取頻譜診斷信息的可行性。電機(jī)動(dòng)態(tài)性能是電磁學(xué)、振動(dòng)學(xué)、聲學(xué)的總體反應(yīng)，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子、貼心、氣隙和軸承的組件存著密不可分聯(lián)系，這種聯(lián)系是電磁的和機(jī)械的聯(lián)系。電機(jī)某些部位的損傷會(huì)引起其相關(guān)的其他部件的損傷，從而產(chǎn)生條件性的故障。條件性的故障包括了氣隙中電磁場均勻性被破壞，定子繞組電流中出現(xiàn)高次諧波，氣隙磁勢不均勻等。所有的損傷都會(huì)引起運(yùn)行過程中相關(guān)參數(shù)的變化，這種參數(shù)的變化就可通過振動(dòng)診斷方法監(jiān)測。振動(dòng)診斷方法在對故障有一定判斷的前提下來進(jìn)行精密分析試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來確定電機(jī)故障的由來。從而可對故障進(jìn)行針對性預(yù)防和維修。

1 簡述

該設(shè)備是我公司燒結(jié)生產(chǎn)線的原料皮帶輸送機(jī)電機(jī)，原料輸送共有兩條系列的輸送帶線，分別為602系列和702系列，各由3臺電機(jī)拖動(dòng)皮帶將原料輸送到指定地點(diǎn)，原料皮帶輸送機(jī)電機(jī)出現(xiàn)故障的話會(huì)造成停產(chǎn)從而產(chǎn)生重大損失。當(dāng)時(shí)點(diǎn)檢人員反映現(xiàn)場兩臺皮帶輸送電機(jī)出現(xiàn)異音，要求我們對電機(jī)進(jìn)行診斷，但當(dāng)我們在測取了振動(dòng)值和錄取了信號之后，回到試驗(yàn)室進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)2臺原料皮帶輸送機(jī)電機(jī)都發(fā)生了故障。這次分析的2臺原料皮帶輸送機(jī)電機(jī)分別在2條輸送線上，不能停機(jī)同時(shí)送往修理車間修理，所以要求我們確診，哪一臺電機(jī)故障程度嚴(yán)重。

2 基本參數(shù)

由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場是由定子的旋轉(zhuǎn)磁場切割感應(yīng)而生，因此定子和轉(zhuǎn)子磁場是不同步的，其轉(zhuǎn)子速度必定低于旋轉(zhuǎn)磁場的速度，其差值我們稱為轉(zhuǎn)差速度，其百分比表示為轉(zhuǎn)差率。該皮帶機(jī)電機(jī)為四級鼠籠型異步電機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速為1400RPM。電機(jī)的轉(zhuǎn)頻約為25Hz左右。

本次測試所用的儀器及流程如圖1所示。

設(shè)備簡圖見圖2所示。

3 分析結(jié)果與討論

3.1 振動(dòng)分析

該設(shè)備是現(xiàn)場臨時(shí)委托設(shè)備。當(dāng)時(shí)現(xiàn)場點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)該設(shè)備存在異常振動(dòng)并伴有規(guī)律性的異音，因此電話委托我們檢測公司到現(xiàn)場對設(shè)備可能存在的故障進(jìn)行診斷。由于該設(shè)備不是周期受控設(shè)備，沒有可供進(jìn)行比較的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場實(shí)際測試時(shí)發(fā)現(xiàn)其中 1#電機(jī)振動(dòng)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，最大的振動(dòng)出現(xiàn)在該電機(jī)的徑向，振動(dòng)值大概為1.7～4.4mm/s，測試時(shí)可聽見明顯呈周期性的嗡嗡聲，由此初步推斷該電機(jī)可能存在電氣故障。電機(jī)常見故障有電機(jī)定子繞組匝間或相間短路、轉(zhuǎn)子斷條和轉(zhuǎn)子軸偏心等各類故障。

為了進(jìn)一步判斷問題的所在我們記錄了電機(jī)的振動(dòng)信號以便進(jìn)行更加精確地分析。

3.2 振動(dòng)信號分析

將采集的振動(dòng)頻譜數(shù)進(jìn)行據(jù)取樣分析后，初步發(fā)現(xiàn)有些類似回轉(zhuǎn)部件間隙不良的典型頻譜特征，這種這種特征主要體現(xiàn)在頻域信號中主要以電機(jī)轉(zhuǎn)頻為主振動(dòng)能量及諧頻組成。又經(jīng)過仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)在時(shí)域信號中可發(fā)現(xiàn)有調(diào)制的成分存在，并且有拍波存在，這又證明了該問題并非單純的間隙不良，間隙不良不會(huì)存在這樣的波形。

拍波的存在，說明是有相近的頻率在相互調(diào)制從而產(chǎn)生的，若是要區(qū)分的話必須要更高的分辨率來對頻率進(jìn)行更加細(xì)化的分析。為了獲得細(xì)化的幅值譜，我們采用了高分辨率的傅立葉分析方法，簡稱HR-FA法。HR-FA法是一種基于復(fù)調(diào)制的高分辨率傅立葉分析方法，它可以使?jié)M足條件的的分辨率來分析某一寬帶信號在頻率軸上任何窄帶內(nèi)的傅立葉譜結(jié)構(gòu)。

我們分別對從1倍到4倍的電機(jī)轉(zhuǎn)頻進(jìn)行細(xì)化分析（見圖5、圖6、圖7、圖8），結(jié)果在對上述進(jìn)行細(xì)化后我們有了決定性的發(fā)現(xiàn)，可以看到在這些轉(zhuǎn)頻的周圍果然存在很多非常接近的頻率，而且通過分析我們發(fā)現(xiàn)這些頻率的間隔均為0.17622Hz。

由于該電機(jī)是異步電機(jī)，異步電機(jī)在工作中是存在轉(zhuǎn)差速度的，轉(zhuǎn)差速度就是電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速其實(shí)會(huì)稍微低于同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載越大電機(jī)的轉(zhuǎn)差速度也會(huì)越大?，F(xiàn)場電機(jī)實(shí)際測試的轉(zhuǎn)速為1388RPM左右，與電機(jī)同步轉(zhuǎn)速相差12轉(zhuǎn)左右，經(jīng)計(jì)算得出所差頻率應(yīng)該是約等于0.2Hz，該數(shù)值即為該電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。該頻譜1x，2x，3x，4x轉(zhuǎn)頻周圍都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)差頻率通過邊帶，這預(yù)示了轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條裂縫、破碎、短路環(huán)故障或疊層短路。

電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條裂縫或破碎會(huì)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的高阻抗接觸，這種高阻抗會(huì)引起轉(zhuǎn)差頻率通過邊帶出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速的高次諧波周圍，從上述圖譜中我們可以明顯看到這種情況。

另外當(dāng)測電氣問題時(shí)重要的頻率將是電氣頻率的2倍即100Hz，如圖9所示在高頻段的頻譜中出現(xiàn)很多間隔為100Hz的諧頻。

3.3 診斷結(jié)論及建議

在這個(gè)案例中可以看到在1～4倍的轉(zhuǎn)頻中均出現(xiàn)較多的轉(zhuǎn)差頻率，且電機(jī)的振動(dòng)值波動(dòng)范圍較大在1.7～4.4mm/s，電機(jī)廠家給出監(jiān)測振動(dòng)的速度標(biāo)準(zhǔn)值為2.8mm/s，上述情況說明該電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的導(dǎo)條故障――斷裂；而2#電機(jī)的振動(dòng)值相對較小，通過認(rèn)真、仔細(xì)地進(jìn)行比對分析和處理，判斷為1#電機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂的導(dǎo)條數(shù)較2#電機(jī)多，據(jù)此我們建議現(xiàn)場立刻停機(jī)對1#電機(jī)進(jìn)行檢修，而對2#電機(jī)進(jìn)行跟蹤測試。

4 檢修結(jié)果

將1#電機(jī)送至電修廠進(jìn)行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該電機(jī)轉(zhuǎn)子共有14根導(dǎo)條斷裂。2#電機(jī)進(jìn)行的跟蹤測試過程中僅發(fā)現(xiàn)其軸承加速了劣化趨勢，在檢修中發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩根導(dǎo)條出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，證明了我們判斷的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

故障預(yù)知和振動(dòng)分析技術(shù)越發(fā)成熟，也越來越受到設(shè)備管理人員的關(guān)注，中外學(xué)者和廠家都進(jìn)行了大量的研究，提出了很多可行并有效的方法，例如采用磁導(dǎo)分析的方法，通過對定轉(zhuǎn)子繞組中單元繞組的分析，研究氣隙磁場?？紤]氣隙高次諧波的影響，從而導(dǎo)出定轉(zhuǎn)子三相繞組的參數(shù)計(jì)算，為轉(zhuǎn)子故障時(shí)的電流分析計(jì)算，提供理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法；另外還有用仿真試驗(yàn)的方法研究電機(jī)定子繞組匝間或相間短路、轉(zhuǎn)子斷條和轉(zhuǎn)子軸偏心等各類故障。討論故障對電機(jī)電磁、振動(dòng)和聲學(xué)性能的影響。建立了包括直接故障及其條件故障在內(nèi)的電機(jī)故障模型。利用邏輯診斷方法，借助布爾矩陣確定了最小診斷試驗(yàn)集及相應(yīng)的監(jiān)測參數(shù)。通過對繞組電壓和電流中三次諧波的監(jiān)測能夠在故障初期和在運(yùn)行條件下確定故障類型，提出的算法能對電機(jī)的技術(shù)狀態(tài)做出快速判斷。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)部門，特別是在電力、鋼鐵冶金、石油化工、建材等連續(xù)工藝流程部門起著重要的作用。在一定的時(shí)間和范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的突發(fā)故障，勢必造成流水生產(chǎn)線的癱瘓。這種連續(xù)性工藝流程造成的經(jīng)濟(jì)損失和影響往往會(huì)超出驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身的價(jià)值。因此，對于感應(yīng)電機(jī)安全、可靠、故障診斷和在線監(jiān)測，其重要性愈來愈突出。

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