壓縮機用電動機振動噪聲故障診斷

楊僑明，陳文卿，周明龍，何志龍，邢子文

（1.西安交通大學(xué)蘇州研究院，江蘇蘇州215123；2.西安交通大學(xué)，陜西西安710049）

1 引言

壓縮機是一種通用機械，作為核心設(shè)備廣泛應(yīng)用于空氣動力、制冷、化工、食品、醫(yī)藥、紡織等諸多領(lǐng)域，振動和噪聲是評價壓縮機質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。在使用壓縮機的工業(yè)現(xiàn)場，總是具有一臺或多臺電動機作為動力源驅(qū)動壓縮機，而其中壓縮機的振動噪聲一般高于電動機。目前關(guān)于壓縮機振動噪聲的研究[2-6]已相對成熟，隨著壓縮機減振降噪技術(shù)的不斷提升，電動機的振動噪聲逐漸凸顯出來。電動機異?；蛘咂蟮恼駝釉肼?，不僅影響壓縮機設(shè)備整體的振動噪聲水平，而且會帶來額外的功率損失，同時在一定程度上縮短壓縮機設(shè)備的使用壽命。對電動機的振動噪聲進(jìn)行故障診斷，有助于判斷電動機運行狀態(tài)是否異常，識別電動機發(fā)生故障的位置及產(chǎn)生故障的原因。

2 電動機振動噪聲產(chǎn)生機理

電動機的振動和噪聲是評定電動機質(zhì)量的重要指標(biāo)[7-8]，電動機的振動不僅影響其使用壽命，而且是引起噪聲的主要原因。一般來說，電動機噪聲來源基本可以分為3類，即空氣動力噪聲、機械噪聲與電磁噪聲。

（1）空氣動力噪聲

電動機的空氣動力噪聲包括通風(fēng)噪聲及電動機的轉(zhuǎn)動部分與氣體摩擦的噪聲?？諝鈩恿υ肼暜a(chǎn)生的根部原因是電動機通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力的局部迅速變化和隨時間的急烈脈動以及氣體與電動機風(fēng)路管道的摩擦，這種噪聲直接從氣流中輻射出來[9-16]。

壓縮機常用的外置式電動機，一般具有冷卻風(fēng)扇，其空氣動力噪聲包括旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲及笛聲。旋轉(zhuǎn)噪聲是指風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時，空氣質(zhì)點受到風(fēng)葉周期性的作用而產(chǎn)生壓力脈動，從而引發(fā)的噪聲。渦流噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時在葉片后面產(chǎn)生渦流，進(jìn)而引起氣流擾動，形成壓縮與稀疏過程，從而產(chǎn)生的噪聲。笛聲是氣流遇到障礙物發(fā)生擾動而產(chǎn)生的單一頻率的聲音，一般有3種：定子、轉(zhuǎn)子風(fēng)道之間的干擾；轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與定子繞組之間的干擾；以及風(fēng)扇葉片與基座散熱筋之間的干擾。對于如半封閉制冷壓縮機等具有的內(nèi)置式電動機，通常沒有冷卻風(fēng)扇，通過制冷劑等流體進(jìn)行冷卻，此時的空氣動力噪聲則主要由于冷卻流體流經(jīng)冷卻流道及氣隙而引發(fā)的噪聲。

（2）機械噪聲

機械噪聲是由電動機運轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振形成的[9-16]。電動機機械噪聲主要包括軸承噪聲和轉(zhuǎn)子不平衡引起的噪聲。

軸承噪聲分為滾動軸承噪聲及滑動軸承噪聲。滾動軸承是現(xiàn)有壓縮機用電動機中最常用的軸承類型，多為深溝球軸承。造成滾動軸承噪聲的因素主要有：軸承本身幾何缺陷、外來異物侵入、潤滑狀態(tài)不佳、承受交變載荷、不合理裝配等。而滑動軸承噪聲則是受到加工精度、功率量、開槽方式及軸承材料等因素影響。對于內(nèi)置于壓縮機內(nèi)部的電動機，電動機常與壓縮機共用軸承，此時壓縮機轉(zhuǎn)動部件的負(fù)荷變化對軸承噪聲具有較大的影響。

電動機轉(zhuǎn)子不平衡造成動態(tài)轉(zhuǎn)子振動和偏心，可導(dǎo)致由定子、轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)子支撐裝置依次發(fā)出噪聲。轉(zhuǎn)子的不平衡一方面與其本身質(zhì)量分布不均有關(guān)；另一方面也與中心軸的撓曲變形有關(guān)。對于外置式電動機，當(dāng)壓縮機與電動機的傳動軸在聯(lián)軸器處存在錯位或交叉等狀況時，壓縮機會通過傳動軸向電動機的中心軸傳遞徑向負(fù)荷，從而造成中心軸的撓曲。而對于半封閉式制冷壓縮機（如雙螺桿壓縮機），電動機轉(zhuǎn)子常處于懸臂結(jié)構(gòu)，電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程會有小幅擺動，這同樣會引起機械噪聲。

（3）電磁噪聲

所謂電磁噪聲，是電磁力作用在定子、轉(zhuǎn)子間的氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動動力波，是定子產(chǎn)生振動而向外輻射噪聲。電動機電磁噪聲的主要來源是鐵芯和機殼的振動，機殼的振動直接輻射噪聲，鐵芯的振動通過機殼或端蓋上的孔向外輻射噪聲。電動機中，主磁通大致沿徑向進(jìn)入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，同時它產(chǎn)生切向力矩和軸向力，徑向力所引起的振動是三相電動機產(chǎn)生電磁振動和噪聲的主要原因[9-16]。

基波磁場和定轉(zhuǎn)子諧波磁場相互作用是產(chǎn)生徑向力波的主要原因。由基波磁場及定、轉(zhuǎn)子諧波磁場相互作用所產(chǎn)生的交變徑向力波作用于定轉(zhuǎn)子鐵芯，引起隨時間周期性變化的變形，從而引發(fā)振動和噪聲。因轉(zhuǎn)子剛度較好，而定子鐵芯剛性較差，一般認(rèn)為定子鐵芯的振動是引起電磁噪聲的主要原因。

現(xiàn)有部分小型壓縮機，如民用活塞空壓機等，采用的是單相異步感應(yīng)電動機。單相異步感應(yīng)電動機的氣隙磁場，一般是橢圓形的，各次諧波磁場相互作用，除了產(chǎn)生徑向電磁振動力外，一般還附加產(chǎn)生切向振動力。切向振動對于電動機本身的噪聲而言是微不足道的，然而由于這類電動機的應(yīng)用場合一般都是小型壓縮機，往往存在薄壁結(jié)構(gòu)，切向振動常導(dǎo)致薄壁產(chǎn)生較大的振動，甚至發(fā)生工作現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的噪聲。

3 電動機振動噪聲故障診斷

壓縮機運轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的振動噪聲，是由壓縮機本身以及電動機各自的振動噪聲疊加起來形成的。正常運行中，壓縮機本體會發(fā)出一系列不同頻率的振動噪聲，這些頻率一般具有一定的規(guī)律，常與壓縮機幾何參數(shù)如轉(zhuǎn)子齒數(shù)、氣缸列數(shù)等相關(guān)。對壓縮機用電動機進(jìn)行振動噪聲的故障診斷，需充分考慮并排除壓縮機本體振動噪聲的影響，必要時可脫離負(fù)載單獨運轉(zhuǎn)電動機來診斷其振動噪聲。

3.1 電動機噪聲診斷

在通常情況下，電動機噪聲是平穩(wěn)的且具有隨機過程特性的復(fù)合噪聲。由于電動機內(nèi)噪聲源較多，電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲分布在不同的頻域，而有時又相互重疊、混雜，噪聲往往具有較寬的頻域范圍。電動機在特殊情況下，會產(chǎn)生非平穩(wěn)的隨機噪聲，而這種噪聲往往和某些故障有直接關(guān)系。電動機所輻射的噪聲雖然是一種隨機過程的復(fù)合噪聲，但它內(nèi)部的噪聲源卻是互不相干的。頻譜分析是確定噪聲頻率成分和噪聲源的重要方法，這種方法將在下節(jié)一并闡述。在工業(yè)現(xiàn)場，可以采用分離因素的原理，來確定電動機的噪聲源，常用的方法如下[17-24]：

（1）突然停電法。在條件允許的情況下，將正常允許的電動機突然斷電，電動機由于慣性會繼續(xù)運轉(zhuǎn)一段時間，斷電的瞬間，電動機的噪聲會立即消失。因此對比斷電前后噪聲級的變化，消失的某一部分都屬于電磁噪聲。

（2）停止通風(fēng)法。通過停止電動機風(fēng)扇或者外鼓風(fēng)機的運轉(zhuǎn)，將此時的噪聲聲級與正常通風(fēng)時的聲級進(jìn)行對比，可分析出風(fēng)扇和外鼓風(fēng)機的噪聲成分。

（3）對拖法。用一臺低噪聲電動機作為原動機，拖動被測電動機，將測得的噪聲聲級與被測電動機空載運行時的噪聲級和頻譜相比較，這樣可鑒別出電磁噪聲。

（4）更換零部件法。有些零部件在電動機運行時，由于共振而發(fā)生機械噪聲，通過將這些零件取下或者更換，并于它們存在或者未更換使作比較，可分離出共振而引起的機械噪聲。

3.2 電動機振動診斷

電動機在穩(wěn)定運行時，振動有一種典型特性和一個允許限值，當(dāng)電動機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，振動的振幅、振動的形式以及振動頻譜成分都會發(fā)生變化，且不同的缺陷和故障所引起的振動方式也不盡相同。振動能夠客觀地反映電動機的運行狀態(tài)。對電動機的振動進(jìn)行測量和分析，是電動機振動噪聲故障診斷的主要技術(shù)手段。

簡諧振動是一種最基本的振動形式，其振動位移x可用下式來表示

x=A sin（ωt+φ）

式中 A——振幅

ω——角頻率

t——振動時間

φ——初始相位

振動的速度v是振動位移x的微分值

振動加速度a是振動速度v的微分值

使用測量儀器可采集得到電動機的振動位移、振動速度、振動加速度是隨時間變化的時域信號，再通過傅里葉變換可將其分解成多個不同頻率和幅值的簡諧振動。引起電動機振動的原因很多，產(chǎn)生振動的部位和振動的特征各不相同，結(jié)合電動機異常振動的特點，對電動機振動頻譜進(jìn)行分析，有助于快速診斷電動機異常振動噪聲的原因。電動機常見的異常振動有一下幾種類型[17-24]。

（1）定子異常產(chǎn)生的電磁振動。電動機定子電磁振動的頻率是電網(wǎng)頻率的2倍即2f0。定子電磁振動異常主要有3個方面原因：當(dāng)定子鐵芯和定子線圈發(fā)生松動時，將使定子電磁振動和電磁噪聲增大，此時在振動頻譜中，除了2f0的基頻成分外，還可能出現(xiàn)4f0、6f0、8f0的諧波成分；當(dāng)定子三相磁場不對稱時，會導(dǎo)致定子磁場不對稱，進(jìn)而導(dǎo)致異常振動；當(dāng)電動機地腳螺釘松動時，由于機座剛度降低，電動機會在接近2f0的頻率范圍發(fā)生共振，從而導(dǎo)致異常振動。

（2）氣隙不均勻引起的電磁振動。氣隙不均勻有兩種情況，分別是靜態(tài)不均勻和動態(tài)不均。當(dāng)氣隙靜態(tài)不均勻，即定子軸線與轉(zhuǎn)子軸線不重合時，電磁振動頻率與不偏心時相同為2f0，且隨偏心值與負(fù)荷的增大而增大。氣隙動態(tài)不均勻是由于轉(zhuǎn)軸撓曲或轉(zhuǎn)子鐵芯不圓造成，偏心的位置對于定子是不固定的，對于轉(zhuǎn)子是固定的。對于異步電動機，電磁振動以f0/p（p為電機極對數(shù)）的頻率振動，以1/2sf0（s為異步電動機轉(zhuǎn)差率）為周期進(jìn)行節(jié)拍脈動，而永磁同步電動機動態(tài)偏心時，電磁振動頻率為μf0/p±f0±fe（其中μ為轉(zhuǎn)子諧波次數(shù)，fe=l1z1f0/p（l1=1，2，3…）為永磁同步電動機定子齒槽轉(zhuǎn)矩所引起的振動頻率）[15]。

（3）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常引起的電磁振動。此種情況常出現(xiàn)在異步感應(yīng)電動機中，當(dāng)鼠籠型轉(zhuǎn)子籠條斷裂或者繞線型轉(zhuǎn)子回路電氣不平衡時，將產(chǎn)生不平衡電磁力，此時，在定子振動頻譜的基頻兩側(cè)，會出現(xiàn)±2sf0的邊頻。

（4）轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的機械振動。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不平衡時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生單邊離心力，從而引發(fā)機械振動。此時振動頻率與轉(zhuǎn)速頻率相等，振幅隨轉(zhuǎn)速提高而增大。

（5）滾動軸承異常產(chǎn)生的機械振動。當(dāng)滾動軸承發(fā)生損壞時，應(yīng)當(dāng)以各軸承的特征頻率為參考來判斷出現(xiàn)故障的部位，由載荷過大、安裝不正確或者滾動體大小不一致所引起的振動，一般頻率較低，通常小于1kHz。當(dāng)滾動軸承本身加工和裝配不良時，振幅以軸向為最大，振動頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相同。

（6）滑動軸承異常產(chǎn)生的機械振動。在滑動軸承長期運行后，軸瓦間隙變大、潤滑油粘度過大、油溫偏低以及軸承負(fù)載減輕等原因會造成油膜加厚，油膜動壓不穩(wěn)定造成油膜渦動而產(chǎn)生徑向振動，振動頻率一般略低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率的一半（通常0.42~0.48），一般通過改變潤滑油粘度和溫度能減輕或消除振動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率達(dá)到其一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍時，隨著轉(zhuǎn)速增加，油膜渦動的頻率等于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速并保持不變，此時出現(xiàn)強烈的徑向振動，即為油膜振蕩，通過減少轉(zhuǎn)子不平衡、降低潤滑油粘度和提高溫度，能使油膜振蕩消失。

（7）安裝、調(diào)整不良引起的機械振動。當(dāng)電動機軸線與壓縮機軸線不重合（平行或相交）時，電動機在運行中會受到來自聯(lián)軸器的作用力而發(fā)生振動，此時，振動中2倍旋轉(zhuǎn)頻率的成分增多，當(dāng)電動機單獨運行時，這些振動立即消失。當(dāng)電動機與壓縮機之間聯(lián)軸器配合不好時，會產(chǎn)生不平衡力而引起徑向振動，此振動頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相同，電動機和壓縮機振動相位相差180°，電動機單獨運行時，振動消失。

4 結(jié)論

壓縮機的振動噪聲往往包含有電動機振動噪聲部分，對電動機進(jìn)行振動噪聲的故障診斷，有助于進(jìn)一步降低壓縮機設(shè)備的振動噪聲水平，提高壓縮機設(shè)備可靠性和產(chǎn)品競爭力。

本文結(jié)合電動機在壓縮機系統(tǒng)中的工作特點，指出壓縮機用電動機振動噪聲來源于空氣動力、機械和電磁3個方面，并闡述了電動機空氣動力噪聲、機械噪聲、電磁噪聲的產(chǎn)生機理?；诜蛛x因素的原理，闡述了電動機噪聲源的識別與診斷技術(shù)，同時基于振動頻譜分析理論，闡述了電動機各部件異常振動的特征頻率及診斷技術(shù)。