基于在线状态监测的电机冷却风扇断裂分析

2021-12-29秦少锋

设备管理与维修 2021年21期

水龙，秦少锋

（1.西安寄云科技有限公司，陕西西安 710077；2.杭州安脉盛智能技术有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

双螺杆压缩机因其可靠的运转性能、易损件少、效率高等特点，在石油化工行业得到了广泛应用，在生产装置中属于重点设备，设备的完好率直接影响到整个生产的稳定性、流畅性、安全性。而电机是其动力源，电机的健康程度直接影响着整个机组能否正常连续运转，在线状态监测技术对电机的故障诊断起到了越来越重要的作用[1]。

传统的电机监测方式主要采用的是巡检的模式，巡检人员利用听、摸、看的方式，对设备的健康状态进行评估，人员的经验在其中占据绝对主导地位，因人不同设备状态的评估结果可能会出现完全相反的结果。引入在线状态监测系统，可以避免因主观因素可能导致不同的结果，通过采集设备的振动、温度、电流等参数，将其数字化、可视化，综合分析判断设备状态，实现设备故障早发现、早预警、早介入，延长设备使用寿命，减小故障带来的危害，避免意外停机[2]。

1 背景介绍

2021 年2 月3 日22：03 左右，某化工企业净化空气风机电机机组整体速度值突然升高，尤其是电机驱动端，由3.1 mm/s左右上升到12.2 mm/s 左右，系统随机报警，且APP 推送设备振动异常报警。现场人员经过确认后，机组于4 日凌晨3：23 左右停机，8:00 左右开始检查维修。

2 电机振动故障诊断方法

电机在线状态监测故障诊断，是利用设备的状态监测与诊断等手段，掌握设备状态的变化趋势，提前发现设备的故障征兆，根据实际情况对设备状态做出合理的判断，并采取最合理的预防性维修措施，从而延缓设备故障发展趋势，实现设备预防性维修的目标。

电机因类型不同，组成部分略有差异，主要由定子、转子、壳体、轴承、冷却风扇等部件组成，因其结构的特殊性，故障特征表现又有所不同，三相异步电机常见的故障有定子偏心、转子偏心、转子条断裂或故障、轴承故障、冷却风扇不平衡等故障，以上故障都可通过在线状态监测采集的振动数据，利用时域、频率、幅值等方法对故障进行分析定位[3]。

通过处理传感器采集的振动信号，可实现对设备故障的准确诊断的目标。日常使用的诊断分析工具有频谱分析、加速度包络分析、时域分析、趋势分析等，而电机冷却风扇不平衡的分析，主要是利用趋势分析、频谱分析、时域分析等，通过以上诊断工具的综合使用及分析，准确判断出电机冷却风扇的不平衡故障[4]。

转子不平衡的产生，是因转子的质量不平衡所产生的离心力始终作用在转子上，转子每旋转一周，就在转子或轴承的某一测点处产生一次振动响应，因此其振动频率就是转子的转速频率，即工频[5-6]。

3 净化空气风机机组参数及测点布置

以某化工企业为例，净化空气风机采用的是电机驱动双螺杆压缩机，实现对空气的压缩。其中，电机型号为HXR 450LF2，功率250 kW，转速为2979 r/min，由ABB 生产，电机两端轴承为6317M/C3；双螺杆压缩机的入口温度即环境温度，入口流量为6384 m3/h，出口压力0.2 MPa，轴承型号分别为SKF23120、NU2322 和NU220。

设备的故障在不同的方向反映的故障严重程度往往不同，振动数据采集点一般选择水平、垂直、轴向3 个方向。根据机组的特点、结合实际情况，对该机组布置的振动传感器分别为电机驱动端、风机驱动端垂直、风机驱动端水平、风机非驱动端水平、风机非驱动端垂直（图1）[7-8]。

图1 净化空气风机的振动传感器测点布置

根据设备情况，选用压电式加速度传感器，采用胶粘底座的方式将其安装在设备壳体上（表1）。

表1 振动传感器参数

4 振动数据分析

在线监测系统在采集到设备振动速度值突然升高后，同时在系统和手机端发送设备报警信息。在调取设备的振动数据后发现，电机驱动端振动速度值在突然上升后趋势趋于稳定，压缩机端振动速度值虽然也有所上升，但是上升幅度不及电机端幅度大（图2、图3）。

图2 电机驱动端速度趋势图

图3 风机驱动端水平速度趋势图

通过查看电机驱动端水平方向速度频谱和时域波形谱，分析发现速度频谱中主要为电机的工频，且幅值较高（图4）；时域波形近似正弦波，在波峰波谷处存在轻微的碰磨迹象（图5）。

图4 电机驱动端速度频谱图

图5 电机驱动端速度时域波形图

根据机组的趋势变化，结合电机驱动端的速度频谱及时域波形的分析，判断机组的故障源为电机端，电机存在不平衡故障，且为电机的某一部件损伤脱落。诊断出这一设备故障后，及时通知现场人员，经过现场人员的确认反馈，发现电机非驱动端振动速度值更高，初步判断为电机冷却风扇存在掉落风险，现场及时停机。对设备拆机进行检修的发现，电机冷却风扇一个扇叶断裂且另外两个扇叶也已撕裂，存在随时断裂的可能（图6）。