用于診斷電機(jī)運(yùn)行故障的振動(dòng)頻譜技術(shù)探討

張鵬

摘 要：隨著我國(guó)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)電氣機(jī)械設(shè)備的依賴程度也越來越大，采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)是提高產(chǎn)量的保證。電氣機(jī)械設(shè)備的電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)隨著運(yùn)作強(qiáng)度的增大而出現(xiàn)故障，有些故障通過常規(guī)的方法就能診斷出來，但有些故障則難以通過常規(guī)方法診斷出來。文章主要介紹了振動(dòng)頻譜技術(shù)在電機(jī)運(yùn)行故障診斷中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電機(jī)運(yùn)行；振動(dòng)頻譜；故障診斷

1 振動(dòng)頻譜技術(shù)的應(yīng)用范圍

1.1 振動(dòng)頻譜在電氣故障診斷中的應(yīng)用

振動(dòng)頻譜在電氣故障中的應(yīng)用主要是體現(xiàn)在：在對(duì)電氣的電機(jī)設(shè)備進(jìn)行常規(guī)的檢查和故障診斷時(shí)，對(duì)電機(jī)設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，并定義設(shè)置一定的頻譜寬度，通過觀察振動(dòng)頻譜圖象就可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速故障、各項(xiàng)機(jī)械零件的故障表現(xiàn)和發(fā)生的頻率進(jìn)行分析。振動(dòng)頻譜診斷技術(shù)可以有效提高對(duì)電氣電機(jī)設(shè)備診斷的精密度，并而能夠幫助很好的對(duì)故障問題進(jìn)行分析和處理解決。

1.2 振動(dòng)頻譜在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用

振動(dòng)頻譜在機(jī)械故障中的診斷應(yīng)用主要常規(guī)譜圖頻率分辨，在振動(dòng)頻譜分辨率比較低的情況下，通過利用頻譜細(xì)化措施可以對(duì)電機(jī)設(shè)備出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析并合理細(xì)化和分析振動(dòng)頻譜。在進(jìn)行頻譜細(xì)化的時(shí)候要合理采用數(shù)幅值，避免出現(xiàn)環(huán)繞丟失情況。此外，在確保能提升電機(jī)機(jī)械穩(wěn)定性的前提下進(jìn)一步提升振動(dòng)頻譜在機(jī)械故障中的應(yīng)用效果。

2 電機(jī)運(yùn)行故障診斷技術(shù)分析

2.1 頻譜細(xì)化識(shí)別技術(shù)

一般情況下，在對(duì)電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行例行故障檢查和診斷的時(shí)候，在收集設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)之前需要按照采集定義設(shè)置頻譜的頻帶寬，一般是在兩千HZ，只需要八百條譜線就夠。如果只是了解電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的半倍頻、單倍頻、雙倍頻或是多倍頻以及滾動(dòng)軸承機(jī)械故障的特征頻率時(shí)，就能在上面設(shè)置的常規(guī)頻譜圖上反映出來了。但是，由于大部分的電氣電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，它們所反映出來的頻率主要是集中在2倍頻上，也即是100HZ，而大多數(shù)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)是在2970r/Min左右，它的轉(zhuǎn)數(shù)2倍頻和電源的2倍頻很接近，所以要從常規(guī)頻譜上分辨出是轉(zhuǎn)數(shù)2倍頻還是電源2倍頻有一定難度。所以，需要通過頻譜細(xì)化技術(shù)來解決頻譜分辨率低的問題，對(duì)電源頻率、轉(zhuǎn)子條數(shù)、轉(zhuǎn)速頻率諧波頻率或基頻做細(xì)化的分析，而且需要采用對(duì)數(shù)幅值，防止環(huán)繞在1X轉(zhuǎn)速頻率和電源頻率、2X電源頻率尖峰兩側(cè)的極通過頻率邊帶的丟失。

2.2 常規(guī)譜和細(xì)化譜的比較分析

比如，對(duì)一臺(tái)機(jī)泵進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)泵運(yùn)行聲響和振動(dòng)值都比較大。通過分析，可以發(fā)現(xiàn)頻譜的能量主要位于101HZ處，3.26mm/s，同時(shí)呈現(xiàn)出1倍頻、3倍頻、多倍頻等頻率分量，轉(zhuǎn)速2975r/min，轉(zhuǎn)頻49.58Hz，2倍頻99.17Hz，電源2倍頻100Hz。如果把該頻譜能量轉(zhuǎn)為2倍頻能量來考慮的話，初步判斷振源應(yīng)該是來自于聯(lián)軸器對(duì)中不好或是電機(jī)軸承安裝偏心等。如果把該頻譜能量作為2倍頻能量來考慮，則振源可能來自轉(zhuǎn)子、定子偏心或氣隙不均勻等故障。所以，要準(zhǔn)確的判斷到底故障發(fā)生在哪個(gè)位置，就需要知道這個(gè)頻率是轉(zhuǎn)速2倍頻還是電源2倍頻。所以，為了能夠準(zhǔn)確找出電機(jī)故障發(fā)生的位置就必須要比較分析常規(guī)譜和細(xì)化譜，重新修改采集定義頻帶寬。

2.3 電機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析

振動(dòng)是電機(jī)運(yùn)行過程各種運(yùn)行狀態(tài)的重要載體，它是判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要信息來源，振動(dòng)特征反映了電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的特征。電機(jī)無論是在運(yùn)行狀態(tài)還是故障狀態(tài)下都會(huì)發(fā)生振動(dòng)，不同運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)形式各不相同，發(fā)生振動(dòng)的所在位置也不一樣，所以可以通過檢測(cè)電機(jī)振動(dòng)的情況來判斷電機(jī)發(fā)生故障的位置和類型。具體診斷操作方法如下：采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法對(duì)電機(jī)的模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，然后將測(cè)試得到的模態(tài)參數(shù)跟該型號(hào)電機(jī)的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比照，就可以找出故障的類型和部位。其中，振動(dòng)特征數(shù)據(jù)庫(kù)的建立非常重要，需要在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下對(duì)其振動(dòng)各階的頻率和振型進(jìn)行測(cè)試，而且也要模擬電機(jī)發(fā)生故障，在模擬故障狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，測(cè)試在模擬故障狀態(tài)下的各階模態(tài)參數(shù)，最終把這兩者匯總起來建立一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)故障真正發(fā)生時(shí)通過測(cè)試表現(xiàn)出來的各階的參數(shù)就可以診斷出故障。

3 電機(jī)故障類型振動(dòng)頻譜分析

電機(jī)發(fā)生故障的類型多種多樣，不同位置發(fā)生故障后所顯示出來的振動(dòng)頻譜圖也不一樣，所以需要了解掌握不同電機(jī)故障類型的振動(dòng)頻譜特征，以便判別故障類型。

3.1 軸承故障類型

軸承會(huì)由于經(jīng)受高負(fù)荷運(yùn)行、缺乏潤(rùn)滑、異物進(jìn)入等因素的影響造成軸承磨損、剝落、腐蝕、碎裂等故障現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)產(chǎn)生異樣的電機(jī)振動(dòng)。另外，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻或是拖動(dòng)過程中造成裝置的軸心偏離對(duì)中位置，重心偏移，偏移會(huì)引起轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生單邊離心力和不對(duì)稱的電磁拉力，只是轉(zhuǎn)子的支撐力出現(xiàn)變化，最終導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)異常，故障也因此而產(chǎn)生。軸承發(fā)生故障會(huì)表現(xiàn)獨(dú)特的頻率譜圖，通過判斷故障頻譜的峰值大小就可以判斷出軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體的故障。

3.2 轉(zhuǎn)子偏心故障類型

當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心故障時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)可變的氣隙，引起脈沖振動(dòng)，一般情況下是在2FL與轉(zhuǎn)速的諧波頻率之間，所以需要從細(xì)化譜中分離出2FL與轉(zhuǎn)速諧波頻率以及2FL兩側(cè)的FP，F(xiàn)P的正常值在0.3Hz到2Hz之間。靜態(tài)偏心的振動(dòng)頻譜特征是：電磁振動(dòng)頻率是電源頻率FL的2倍；轉(zhuǎn)子偏心的程度越嚴(yán)重，電磁振動(dòng)就越大；動(dòng)態(tài)偏心振動(dòng)頻譜的特征是：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速頻率的電磁振動(dòng)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)；電磁振動(dòng)的脈動(dòng)周期一般為1/2sFL，并隨著電動(dòng)機(jī)負(fù)載的增大，脈動(dòng)的節(jié)奏也會(huì)加快；電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出和脈動(dòng)節(jié)奏一樣的電磁噪聲。

3.3 定子繞組故障類型

定子偏心或是鐵芯發(fā)生短路和松動(dòng)故障等情況都會(huì)產(chǎn)生2FL振動(dòng)，如果將電源切斷，2FL頻率下的振動(dòng)也會(huì)消失。當(dāng)定子鐵芯和定子線圈發(fā)生松動(dòng)時(shí)，定子所發(fā)出來的電磁振動(dòng)和電磁噪聲也會(huì)變大，這時(shí)候表現(xiàn)在振動(dòng)頻譜圖中的會(huì)有2FL基本成分，同時(shí)還會(huì)有4FL/6FL/8FL等諧波成分。定子發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)的表現(xiàn)是：振動(dòng)頻率高于電源頻率雙倍；電源一切斷，電磁振動(dòng)也會(huì)消失。

3.4 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂或松動(dòng)故障類型

轉(zhuǎn)子條和末端處發(fā)生斷裂或是接觸不良以及轉(zhuǎn)子的鐵芯發(fā)生短路時(shí)都會(huì)產(chǎn)生單倍轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)及其兩側(cè)的極通過頻率邊帶，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻的二、三、四、五階諧波兩側(cè)的極通過頻率邊帶。如果轉(zhuǎn)子條通過頻率和其諧波頻率兩側(cè)的2FL邊帶則說明轉(zhuǎn)子條存在松動(dòng)或開脫的情況，在這種情況轉(zhuǎn)子條松動(dòng)與端環(huán)間的電弧會(huì)顯示出高幅值的2RBPF，但震動(dòng)幅度不會(huì)變大。轉(zhuǎn)子由于受熱過度會(huì)發(fā)生彎曲，彎曲的轉(zhuǎn)子會(huì)和定子發(fā)生摩擦，導(dǎo)致電磁力越來越大、不平衡力越來越嚴(yán)重，熱量也會(huì)越聚越多，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的彎曲度越嚴(yán)重，振動(dòng)幅度值受定子電流影響會(huì)很明顯。

4 結(jié)束語

電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于各種因素的影響，總是會(huì)發(fā)生各種各樣的故障問題，某些比較明顯的故障通過簡(jiǎn)單的方法就可以查出來，而有些比較隱蔽的故障則需要通過特殊的方法才可以檢測(cè)出來。振動(dòng)頻譜技術(shù)在診斷一些特殊故障的時(shí)候，有著它的獨(dú)特性，能發(fā)揮有效的檢測(cè)作用，所以要充分的挖掘這種診斷技術(shù)的潛力，有效的應(yīng)用到特殊故障的電機(jī)故障診斷當(dāng)中。

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