多技術(shù)融合的電機(jī)軸承故障診斷方法

付嘉樂(lè) 慶陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

一、電機(jī)軸承基本故障類(lèi)型

機(jī)械設(shè)備正朝著精密化和復(fù)雜化的方向發(fā)展，各種構(gòu)配件之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系也十分嚴(yán)密，形成不同功能的有機(jī)整體。在現(xiàn)代工業(yè)中電機(jī)是重要的驅(qū)動(dòng)力，它包含了多種不同的零配件，作為一種重要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，它的使用范圍是非常廣泛的，工作環(huán)境也多種多樣，因此也比較容易出現(xiàn)電機(jī)故障。電機(jī)如果出現(xiàn)了問(wèn)題就會(huì)影響到生產(chǎn)，不僅會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)存在人身安全問(wèn)題和其他隱患。軸承是電機(jī)系統(tǒng)的核心部件，它的主要作用就是減少摩擦損耗，是一種標(biāo)準(zhǔn)化的精密裝置，有很強(qiáng)的承載能力。軸承在正常使用的過(guò)程中，會(huì)無(wú)法避免的受到機(jī)械磨損和人力作用的影響，日積月累會(huì)出現(xiàn)變形、腐蝕等損傷，進(jìn)而導(dǎo)致軸承出現(xiàn)問(wèn)題。而且在人為操作過(guò)程中，也可能會(huì)出現(xiàn)一定的損傷，損傷積累一段時(shí)間可能會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)組造成一定的影響。

（一）磨損失效

磨損失效是軸承故障中比較典型的一類(lèi)，因?yàn)樗械牟牧隙紩?huì)有一定的摩擦阻力，因此電機(jī)在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，各個(gè)元件之間會(huì)

不可避免的出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在長(zhǎng)期影響下就會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)磨損問(wèn)題。另外，潤(rùn)滑效果不良也是磨損發(fā)生的重要原因，一旦出現(xiàn)磨損不但會(huì)影響到運(yùn)行精度，還會(huì)大大降低使用壽命。

（二）疲勞失效

疲勞失效是另一種軸承常見(jiàn)的故障形式，因?yàn)檩S承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，在各種力的相互作用下，表面下方會(huì)形成一定的裂縫，使表面接觸處出現(xiàn)越來(lái)越多的剝落坑，這些都會(huì)影響到軸承運(yùn)行。疲勞故障會(huì)導(dǎo)致沖擊荷載，在工作中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和噪音。

（三）腐蝕失效

機(jī)械受到腐蝕的原因有很多，電機(jī)軸承會(huì)受到化學(xué)腐蝕和電腐蝕的影響。化學(xué)腐蝕是因?yàn)槭軡?rùn)滑脂中其他物質(zhì)的影響，讓電機(jī)軸承表面金屬與其產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)。而電腐蝕就是在運(yùn)行的過(guò)程中，軸承

內(nèi)部有電流通過(guò)，電流通過(guò)損傷的接觸面，在兩種因素的共同作用下，發(fā)生油膜擊穿，造成軸承滾道面上出現(xiàn)損傷。

二、振動(dòng)頻譜分析及電信號(hào)分析技術(shù)

（一）振動(dòng)頻譜分析技術(shù)

振動(dòng)頻譜分析技術(shù)主要是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備振動(dòng)信息的采集，然后利用相關(guān)的軟件對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行一定的數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后提取相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)做出良好的診斷。

1、頻域分析技術(shù)

頻域分析就是對(duì)采集到的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為頻域，進(jìn)而得到信號(hào)的頻率成分。通過(guò)頻域分析的方法可以對(duì)頻率的變化范圍進(jìn)行確定，還可以按照波的工頻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的判斷。頻域分析方法是目前最成熟且有效的故障診斷方法。

2、包絡(luò)調(diào)解技術(shù)

包絡(luò)調(diào)解技術(shù)就是利用軸承出現(xiàn)的局部缺陷車(chē)聲的周期性振動(dòng)終極，將所得軸承頻率進(jìn)行包絡(luò)調(diào)解，進(jìn)而對(duì)軸承故障頻率進(jìn)行突出，從而在解調(diào)信號(hào)中對(duì)故障特征頻率進(jìn)行有效的提取。常用方法有兩種，分別為Hilbert變換和檢波濾波法。

（二）電機(jī)電信號(hào)分析技術(shù)

大多數(shù)的電力系統(tǒng)的故障檢測(cè)技術(shù)都是基于時(shí)域分析的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行的，在電機(jī)故障檢測(cè)的領(lǐng)域當(dāng)中，數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，利用定子線電流來(lái)進(jìn)行電機(jī)故障診斷，可以得到更好的診斷效果。除了定子故障之外，大部分的電機(jī)故障都可以使用頻譜分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行故障診斷。有時(shí)，電機(jī)故障的原因不僅會(huì)局限于電機(jī)本身，還與外部的供電系統(tǒng)有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常，因?yàn)槿绻诶硐氲臓顟B(tài)下，外部供電電源應(yīng)有完全平衡的電壓和電流正弦波，但是事實(shí)卻不是如此，這就讓電機(jī)有因?yàn)橥獠侩娫炊霈F(xiàn)故障的可能。在利用定子電流進(jìn)行頻域分析的同時(shí)，也可利用同一時(shí)刻的電壓信號(hào)，使用電機(jī)電信號(hào)技術(shù)來(lái)對(duì)供電電源的品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

三、現(xiàn)場(chǎng)案例分析

將某公司的機(jī)械主變頻電機(jī)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，頻譜數(shù)據(jù)采集點(diǎn)主要有兩個(gè)：一是振動(dòng)信號(hào)采集點(diǎn)為電機(jī)兩端軸承處，主要采集的就是水平、垂直與軸向的振動(dòng)速度和加速度信號(hào)。二是電流、電壓信號(hào)，主要采集的是單位時(shí)間中的電流和電壓信號(hào)。

（一）振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

圖1就是電機(jī)軸承端垂直方向的振動(dòng)加速度時(shí)域圖，整體的圖譜較為雜亂，并且沒(méi)有明顯的沖擊。將圖1及速度信息進(jìn)行快速傅里葉變換可以得到圖2，對(duì)圖2進(jìn)行詳細(xì)的觀察可以看出，時(shí)域圖中的各個(gè)周期頻率和幅值都可以較為明顯的表現(xiàn)出，該處的頻率就是電機(jī)軸承外圈的故障頻率。根據(jù)圖1 和圖2的頻率圖可以明顯的得出，電機(jī)兩端的軸承存在一定的軸承外圈故障，表面也可能已經(jīng)存在一定的缺陷。

圖1 電機(jī)軸承端垂直方向加速度時(shí)域圖

圖2 電機(jī)軸承端垂直方向速度頻譜圖

（二）軸承拆檢故障確認(rèn)

圖3 是該電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端軸承故障圖片，從圖中可以看出，軸承外圈內(nèi)的表面跑道上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了間斷的光亮線條燒灼痕跡，這就是軸電流對(duì)軸承產(chǎn)生破壞的重要特征。

圖3 電壓諧波成分圖

（三）主要的處理方案

在變頻器是輸出側(cè)裝置上電抗器，進(jìn)而從根本上對(duì)變頻器產(chǎn)生的部分諧波進(jìn)行抵消。在電機(jī)轉(zhuǎn)軸處要安裝上接地碳刷，將軸電流動(dòng)電機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行引出，避免電流在電機(jī)軸承處持續(xù)放電造成損傷。電機(jī)連段的軸承可以更換為絕緣軸承，進(jìn)而避免軸承的點(diǎn)蝕。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用多技術(shù)融合的手段對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行合理的診斷，并且制定出相應(yīng)的改進(jìn)方案，可以從根本上對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行診斷，進(jìn)而提高電機(jī)的使用壽命。