大游隙軸承電機(jī)故障診斷方法研究

姚東紅，蘇俊博

（91370 部隊(duì)，福建福州 350014）

0 引言

軸承的游隙對(duì)軸承的動(dòng)態(tài)性能（噪聲、振動(dòng)和摩擦）和旋轉(zhuǎn)精度，使用壽命（磨損與疲勞）及承載能力都有很大影響。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸承的游隙值分為小游隙組（C1、C2 組）、基本組（0 組）和大游隙組（C3、C4、C5 組）。大游隙組適用于軸承與軸和外殼采用過(guò)盈配合、軸承內(nèi)外圈溫差較大，深溝球軸承需要承受較大軸向負(fù)荷或需改善調(diào)心性能，以及要求提高極限轉(zhuǎn)速和降低軸承摩擦力矩等場(chǎng)合。大游隙軸承電機(jī)在船舶上具有一定的應(yīng)用，如某型船舶舵機(jī)電機(jī)應(yīng)用了一種大游隙軸承電機(jī)。在使用MCA（電機(jī)靜態(tài)監(jiān)測(cè)）技術(shù)對(duì)該電機(jī)進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示多艘該型船舶舵機(jī)電機(jī)阻抗和電感均處于不平衡狀態(tài)，不平衡量達(dá)到了規(guī)定的預(yù)警值。通常同型電機(jī)同時(shí)發(fā)生相同故障的概率較小。除電機(jī)故障外，電機(jī)設(shè)計(jì)缺陷以及監(jiān)測(cè)方法的不適用均可能導(dǎo)致這樣的監(jiān)測(cè)結(jié)果，因此，研究該型電機(jī)阻抗和電感不平衡的原因以及適用的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)該型電機(jī)的故障診斷具有重要意義。

1 MCA 監(jiān)測(cè)及分析

MCA 分析技術(shù)在20 世紀(jì)80 年代中期產(chǎn)生于西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，通過(guò)測(cè)量記錄電機(jī)繞組的電阻、阻抗、電感、相角、I/F 倍頻值以及絕緣阻值等參數(shù)并做進(jìn)一步的處理分析，從而使維修管理人員能夠預(yù)測(cè)和判別電機(jī)的故障情況，以減小可能的危害損失。表1 是利用電機(jī)故障檢測(cè)儀對(duì)該型船舶舵機(jī)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)得到的結(jié)果，表2 是在IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中電機(jī)三相平衡評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

從IEEE 電機(jī)三相平衡評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可知，標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有將電阻平衡量作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)槟承┐箅姍C(jī)繞組阻值非常低，初期匝間短路導(dǎo)致電阻值的變化較小，以至于使用電阻測(cè)量無(wú)法精確地檢測(cè)故障，但由此產(chǎn)生的電感失效可通過(guò)阻抗和電感測(cè)量真實(shí)地反映出來(lái)[1]。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)可知，阻抗的不平衡量＞5%，處于故障狀態(tài)，電感的不平衡量＞10%，處于缺陷狀態(tài)。綜合以上結(jié)果，可以判斷該電機(jī)處于故障狀態(tài)。而相角和倍頻測(cè)試結(jié)果無(wú)異常，可進(jìn)一步定位該電機(jī)存在的故障為轉(zhuǎn)子故障。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，多艘同型船舶舵機(jī)電機(jī)的監(jiān)測(cè)結(jié)果均顯示轉(zhuǎn)子故障，這樣的結(jié)果顯然是不正常的。

表1 MCA 監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 電機(jī)三相平衡評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

2 振動(dòng)測(cè)試分析

MCA 監(jiān)測(cè)顯示該電機(jī)轉(zhuǎn)子故障，尤其指向轉(zhuǎn)子偏心引起的氣隙不均問(wèn)題。電機(jī)氣隙不均問(wèn)題會(huì)在電機(jī)振動(dòng)上有所體現(xiàn)，為排除電機(jī)轉(zhuǎn)子存在偏心問(wèn)題，對(duì)該電機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。舵機(jī)電機(jī)軸伸端振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從振動(dòng)數(shù)據(jù)可以看出，該電機(jī)振動(dòng)非常小，基本可以排除轉(zhuǎn)子偏心故障。

3 ESA 測(cè)試及分析

為對(duì)分析結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)該型電機(jī)進(jìn)行ESA（Electrical Signal Analysis，電子信號(hào)分析）測(cè)試。ESA 是一種電機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠通過(guò)在線(xiàn)測(cè)試，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)電機(jī)故障，又由于該技術(shù)需要的電壓、電流信號(hào)容易取得，因此該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

表3 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

3.1 ESA 測(cè)試的氣隙指示

電機(jī)氣隙問(wèn)題根本上是由電機(jī)轉(zhuǎn)子的偏心引起的，在電流、電壓頻譜上反映在頻譜的高頻段。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子在定子的中心旋轉(zhuǎn)，不存在偏心；當(dāng)轉(zhuǎn)子繞著與定子中心平行但偏離定子中心的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生靜態(tài)偏心；當(dāng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化時(shí)，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏心。理論上靜態(tài)偏心將導(dǎo)致譜峰：

動(dòng)態(tài)偏心區(qū)別于靜態(tài)偏心，是在靜態(tài)偏心的峰周?chē)嬖谵D(zhuǎn)速頻率邊帶，動(dòng)態(tài)偏心頻譜峰為：

其中，RS 是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，RB 是轉(zhuǎn)子條數(shù)，F(xiàn)L 是電源頻率，N是奇數(shù)，M 是任意整數(shù)。

3.2 ESA 測(cè)試結(jié)果及分析

采用Areva NP，Inc.公司的EMPATH2000 電機(jī)故障診斷儀，對(duì)上述舵機(jī)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，采集電壓、電流信號(hào)得到的電壓電流信號(hào)頻譜如圖1 和圖2 所示。

圖1 電壓信號(hào)頻譜

圖2 電流信號(hào)頻譜

一般情況下，轉(zhuǎn)子條數(shù)或定子槽數(shù)很少知道，這樣就不可能計(jì)算RS×RB，但是EMPATH 中的算法可確定轉(zhuǎn)子條數(shù)，因此，偏心引起的譜峰就可以在頻譜的高頻譜峰中查找。EMPATH 測(cè)試結(jié)果中顯示轉(zhuǎn)子條數(shù)為56，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻為24.991 Hz，RS×RB＝1399.5 Hz。從圖1、圖2 中可以發(fā)現(xiàn)電壓和電流頻譜中均存在1399.5 Hz 頻率譜峰及邊帶，但并不能說(shuō)明電機(jī)一定存在偏心問(wèn)題，因?yàn)殡姍C(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下，完美的不偏心狀態(tài)并不存在，因此電壓和電流頻譜中均存在RS×RB 頻率譜峰及其邊帶。觀察1399.5 Hz 頻率譜峰及其附近邊帶，可以發(fā)現(xiàn)其幅值均在-65 dB（EMPATH 軟件設(shè)定閾值）以下，由此可以判定該電機(jī)在偏心問(wèn)題上沒(méi)有表現(xiàn)出明顯異常。EMPATH 軟件的自動(dòng)診斷結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論，EMPATH 軟件的自動(dòng)診斷結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，該電機(jī)除因空載狀態(tài)下測(cè)量導(dǎo)致的負(fù)載太低外，并未顯示其他故障，其氣隙項(xiàng)“Air gap”顯示“OK”，表明該電機(jī)不存在氣隙不均問(wèn)題。

經(jīng)與該電機(jī)廠(chǎng)家維修人員溝通得知，該型舵機(jī)電機(jī)采用了C3 大游隙軸承，由此MCA 監(jiān)測(cè)結(jié)果可以得到合理的解釋。靜態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)子軸心位置顯然低于軸承中心位置，造成輕微的氣隙不均，一般情況下，這種輕微的氣隙不均不會(huì)對(duì)阻抗和電感的測(cè)量產(chǎn)生明顯影響，但大游隙軸承電機(jī)加劇了電機(jī)氣隙不均現(xiàn)象，對(duì)阻抗和電感的測(cè)量產(chǎn)生了明顯的影響，最終使監(jiān)測(cè)結(jié)果指向電機(jī)轉(zhuǎn)子故障。綜上所述，MCA 技術(shù)不適用大游隙軸承電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。電機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)可以顯著減少這種由軸承大間隙帶來(lái)的轉(zhuǎn)子偏心問(wèn)題，因此ESA 技術(shù)可以克服上述影響，準(zhǔn)確地對(duì)大游隙軸承電機(jī)進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

圖3 EMPATH 自動(dòng)診斷結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)采用MCA 技術(shù)對(duì)大游隙軸承電機(jī)進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)出現(xiàn)的阻抗和電感不平衡的問(wèn)題，對(duì)該型電機(jī)進(jìn)一步做振動(dòng)測(cè)試分析和ESA 測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：MCA 靜態(tài)測(cè)試技術(shù)不適用于大游隙軸承電機(jī)的技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，而電機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)可以顯著減少這種由軸承大間隙帶來(lái)的轉(zhuǎn)子偏心問(wèn)題，因此使用ESA 動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)能夠準(zhǔn)確地對(duì)大游隙軸承電機(jī)進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。