通过测振诊断电机的特殊故障

胡庆　杨军　章霞刚

摘 要：感应电动机广泛应用于电力、钢铁冶金、石油化工、建材等连续工艺流程生产线。电机的动态性能是其电磁、振动和声学过程的总体反映。振动诊断就是在对故障充分分析的基础上，确定诊断试验项目，再根据试验结果对电机的状态作出判断。本文用振动试验的方法研究了电机转子断条故障，通过对电机的振动分析准确地预报了电机存在的故障。

关键词：电机 故障诊断 振动分析 逻辑方法

中图分类号：TP91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0094-02

此文举出了频谱故障诊断方法运用在电机实例中，监测电机振动参数并获取频谱诊断信息的可行性。电机动态性能是电磁学、振动学、声学的总体反应，电机的定子、转子、贴心、气隙和轴承的组件存着密不可分联系，这种联系是电磁的和机械的联系。电机某些部位的损伤会引起其相关的其他部件的损伤，从而产生条件性的故障。条件性的故障包括了气隙中电磁场均匀性被破坏，定子绕组电流中出现高次谐波，气隙磁势不均匀等。所有的损伤都会引起运行过程中相关参数的变化，这种参数的变化就可通过振动诊断方法监测。振动诊断方法在对故障有一定判断的前提下来进行精密分析试验，根据试验结果来确定电机故障的由来。从而可对故障进行针对性预防和维修。

1 简述

该设备是我公司烧结生产线的原料皮带输送机电机，原料输送共有两条系列的输送带线，分别为602系列和702系列，各由3台电机拖动皮带将原料输送到指定地点，原料皮带输送机电机出现故障的话会造成停产从而产生重大损失。当时点检人员反映现场两台皮带输送电机出现异音，要求我们对电机进行诊断，但当我们在测取了振动值和录取了信号之后，回到试验室进行分析发现2台原料皮带输送机电机都发生了故障。这次分析的2台原料皮带输送机电机分别在2条输送线上，不能停机同时送往修理车间修理，所以要求我们确诊，哪一台电机故障程度严重。

2 基本参数

由于异步电机的转子磁场是由定子的旋转磁场切割感应而生，因此定子和转子磁场是不同步的，其转子速度必定低于旋转磁场的速度，其差值我们称为转差速度，其百分比表示为转差率。该皮带机电机为四级鼠笼型异步电机，其同步转速为1400RPM。电机的转频约为25Hz左右。

本次测试所用的仪器及流程如图1所示。

设备简图见图2所示。

3 分析结果与讨论

3.1 振动分析

该设备是现场临时委托设备。当时现场点检发现该设备存在异常振动并伴有规律性的异音，因此电话委托我们检测公司到现场对设备可能存在的故障进行诊断。由于该设备不是周期受控设备，没有可供进行比较的数据。

现场实际测试时发现其中 1#电机振动在一定的范围内波动，最大的振动出现在该电机的径向，振动值大概为1.7～4.4mm/s，测试时可听见明显呈周期性的嗡嗡声，由此初步推断该电机可能存在电气故障。电机常见故障有电机定子绕组匝间或相间短路、转子断条和转子轴偏心等各类故障。

为了进一步判断问题的所在我们记录了电机的振动信号以便进行更加精确地分析。

3.2 振动信号分析

将采集的振动频谱数进行据取样分析后，初步发现有些类似回转部件间隙不良的典型频谱特征，这种这种特征主要体现在频域信号中主要以电机转频为主振动能量及谐频组成。又经过仔细分析后发现在时域信号中可发现有调制的成分存在，并且有拍波存在，这又证明了该问题并非单纯的间隙不良，间隙不良不会存在这样的波形。

拍波的存在，说明是有相近的频率在相互调制从而产生的，若是要区分的话必须要更高的分辨率来对频率进行更加细化的分析。为了获得细化的幅值谱，我们采用了高分辨率的傅立叶分析方法，简称HR-FA法。HR-FA法是一种基于复调制的高分辨率傅立叶分析方法，它可以使满足条件的的分辨率来分析某一宽带信号在频率轴上任何窄带内的傅立叶谱结构。

我们分别对从1倍到4倍的电机转频进行细化分析（见图5、图6、图7、图8），结果在对上述进行细化后我们有了决定性的发现，可以看到在这些转频的周围果然存在很多非常接近的频率，而且通过分析我们发现这些频率的间隔均为0.17622Hz。

由于该电机是异步电机，异步电机在工作中是存在转差速度的，转差速度就是电机的实际转速其实会稍微低于同步转速，负载越大电机的转差速度也会越大。现场电机实际测试的转速为1388RPM左右，与电机同步转速相差12转左右，经计算得出所差频率应该是约等于0.2Hz，该数值即为该电机的转差频率。该频谱1x，2x，3x，4x转频周围都出现了转差频率通过边带，这预示了转子的导条裂缝、破碎、短路环故障或叠层短路。

电机转子導条裂缝或破碎会在电机内部产生的高阻抗接触，这种高阻抗会引起转差频率通过边带出现在转速的高次谐波周围，从上述图谱中我们可以明显看到这种情况。

另外当测电气问题时重要的频率将是电气频率的2倍即100Hz，如图9所示在高频段的频谱中出现很多间隔为100Hz的谐频。

3.3 诊断结论及建议

在这个案例中可以看到在1～4倍的转频中均出现较多的转差频率，且电机的振动值波动范围较大在1.7～4.4mm/s，电机厂家给出监测振动的速度标准值为2.8mm/s，上述情况说明该电机已经出现了较为严重的导条故障――断裂；而2#电机的振动值相对较小，通过认真、仔细地进行比对分析和处理，判断为1#电机转子断裂的导条数较2#电机多，据此我们建议现场立刻停机对1#电机进行检修，而对2#电机进行跟踪测试。

4 检修结果

将1#电机送至电修厂进行检修时发现该电机转子共有14根导条断裂。2#电机进行的跟踪测试过程中仅发现其轴承加速了劣化趋势，在检修中发现电机转子两根导条出现断裂现象，证明了我们判断的准确性。

5 结语

故障预知和振动分析技术越发成熟，也越来越受到设备管理人员的关注，中外学者和厂家都进行了大量的研究，提出了很多可行并有效的方法，例如采用磁导分析的方法，通过对定转子绕组中单元绕组的分析，研究气隙磁场。考虑气隙高次谐波的影响，从而导出定转子三相绕组的参数计算，为转子故障时的电流分析计算，提供理论基础和计算方法；另外还有用仿真试验的方法研究电机定子绕组匝间或相间短路、转子断条和转子轴偏心等各类故障。讨论故障对电机电磁、振动和声学性能的影响。建立了包括直接故障及其条件故障在内的电机故障模型。利用逻辑诊断方法，借助布尔矩阵确定了最小诊断试验集及相应的监测参数。通过对绕组电压和电流中三次谐波的监测能够在故障初期和在运行条件下确定故障类型，提出的算法能对电机的技术状态做出快速判断。

感应电动机广泛应用于工业部门，特别是在电力、钢铁冶金、石油化工、建材等连续工艺流程部门起着重要的作用。在一定的时间和范围内，驱动电机的突发故障，势必造成流水生产线的瘫痪。这种连续性工艺流程造成的经济损失和影响往往会超出驱动电机本身的价值。因此，对于感应电机安全、可靠、故障诊断和在线监测，其重要性愈来愈突出。

参考文献

[1] 沈标正.电机故障诊断技术[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2] 余涛，王晶，高峰.水电机组故障诊断的集成知识表示与推理[J].中国电机工程学报，2002，20（4）：68-71.

[3] 屈梁生.机械故障诊断学[D].西安交通大学机械故障诊断考研室，1985.