农机异步电机故障检测系统研究与设计

田 睿

（新疆理工学院，新疆 阿克苏 843100）

随着科技的飞速发展，异步电机凭借其内部结构简单、便宜耐用和传动效率高等诸多优点在农业机械上得到了广泛应用，比如，应用于风机、泵以及农业生产中的脱粒机、粉碎机等。由于农机的工作环境和工作条件的影响，一旦异步电机发生故障，将对农业生产产生较大的影响。为此，笔者通过对农机异步电机的故障诊断进行研究，设计了一套针对农机异步电机进行故障检测的故障检测系统。

1 农机异步电机故障分析

农机异步电机根据其故障类型，基本上可以分为机械故障和电气故障两大类。

1.1 机械故障

机械故障是农机异步电机最常见的故障类型，机械故障主要包括电机轴承故障、电机振动异常、电机内部温度过高、电机噪声过大等[1-3]。在这些机械故障中，出现故障频率最高的为电机轴承故障和电机振动异常。

1.1.1 电机轴承故障

电机轴承故障的主要表现形式为电机轴承温度较高或者升温较快，导致轴承过热。出现该故障的原因可能有多个，比如，电机轴承不匹配、润滑用油脂过多或者过少，还可能是因为电机长时间高负荷运转，导致电机轴承磨损较大。针对这一类电机轴承故障的检测来说，可以在农机异步电机运行过程中实时采集轴承温度和润滑用油脂的含量等，通过采集到的轴承温度和润滑用油脂的含量来判断电机轴承的故障情况，从而实现电机轴承的故障检测。

1.1.2 电机振动异常

电机振动异常的主要表现形式为电机在运行过程中振动幅度或者振动频率超过正常值。出现该故障的原因一般为异步电机内的旋转部件出现异常。对于农机电机振动异常的故障检测，可以通过振动传感器等采集异步电机的振动数据，比如可以采集振动频率或者振动频谱等。然后对采集到的数据进行分析，从而得到振动频率与异步电机当前转速之间的关系，基于振动频率和转速之间的关系来判断电机振动异常的故障原因。故障原因有多种，当异步电机当前的振动频率为基频振动时，故障原因就可能为转子平衡问题导致电机振动异常，当异步电机当前的振动频率为高频或倍频振动时，故障原因就可能为异步电机内部的轴承滚道或者滚子等部件损坏。另外，异步电机在运行过程中，共振往往也会导致异步电机产生高频振动，为了更加精准地检测异步电机振动异常的故障原因，还可以对农机异步电机进行振动仿真分析，基于振动仿真结果对电机的结构尺寸进行调整，从而避免出现共振的情况。

1.2 电气故障

1.2.1 绕组击穿故障

绕组击穿故障的故障类型可以有多种，主要包括异步电机内部短路故障和击穿故障，短路故障可能为异步电机内部线圈匝间短路，而击穿故障包括异步电机内部相间击穿和对比击穿等。在农机异步电机上，绕组击穿故障通常出现在电机启动阶段，对于绕组击穿故障的检测可以检测电机的输出或者内部电压等情况，从而判断出绕组击穿故障的故障类型。

1.2.2 鼠笼型转子断条故障

转子断条故障也是农机异步电机比较常见的电气故障，农机异步电机的转子导条的材质通常为铸铝或铜条这两种。在异步电机启动时，对转子导条会产生一定的冲击，当冲击达到一定载荷时，就会导致转子导条发生断裂，从而出现转子断条故障，此时，异步电机的启动转矩就会大大降低，而且启动时间也会变长，甚至无法正常启动，另外，还会出现电流不稳定、转速降低和电机内部温度升高等诸多异常现象。因此，可以通过检测异步电机的转矩、电流、转速和电机温度等方式来判断转子断条故障。

1.3 常用故障检测方法

农机异步电机常见的故障检测方法主要包括两大类，一类是定性分析采集的数据检测出故障，另一类是定量分析方法。定性分析方法包括基于解析模型的方法、基于信号处理的方法和基于机器学习的方法，定量分析方法主要包括基于专家系统的方法、基于定量仿真的方法和基于凸轮的方法。对于一般的农机异步电机来说，重点可以采用专家系统或者时频信号诊断的方法进行故障检测。

2 农机异步电机故障检测系统硬件设计

2.1 总体设计

农机异步电机故障检测系统根据功能可以分为四个模块，分别为数据采集模块、检测模块、交互模块和维修模块等，如图1 所示。

2.2 数据采集模块

数据采集模块用于采集农机异步电机的各个检测参数，同时，还可以采集农机上的一些运行数据，数据采集模块主要包括各种数据传感器、用于数据传输的通信装置和存储数据的数据库等。农机异步电机在运行过程中，通过传感器实时或者定时采集运行中的检测数据，这些检测数据可以是异步电机转速、振动频率、电流、电压、功率、输出转矩、轴承温度、润滑油脂含量等。将采集的数据通过通信装置传输至数据库进行存储和更新，还可以将采集到的数据进行转换，转换为检测模块可以识别和应用的数据格式[4-5]。

2.3 检测模块

检测模块用于对数据采集模块采集到的数据进行定量或定性分析，从而检测出农机异步电机存在的故障。检测模块主要包括两个方面的检测，一个是当农机异步电机存在故障时，基于采集的数据直接分析农机异步电机的故障类型和原因；另一个是通过采集的数据实时检测出农机异步电机的性能，通过分析性能变化，检出农机异步电机当前存在的故障类型和原因[5-6]。第一类检测方式可以直接对采集的数据进行分析，从而准确地判断故障类型和原因，针对这一类检测方式可以采用各种智能检测方式进行分析，比如，可以采用神经网络或者其他AI 检测算法进行分析，从而减少人工分析产生的误差，还可以提升检测速度。第二类检测方式重点在于对农机异步电机的性能进行分析和判断，可以基于性能对应的异步电机的不同部分进行准确检测，从而准确地判断出发生故障的部位，并基于该部位对应的实时数据，确定该故障发生的原因。

2.4 交互模块

交互模块主要用于在终端通过页面交互的信息，与用户或者管理员进行信息交互，交互模块包括查询子模块、展示子模块和维护子模块。查询子模块用于查询农机异步电机在运行过程中出现的故障及故障原因等信息，展示子模块用于实时展示检测出的农机异步电机的故障类型和原因等信息，维护子模块用于对农机异步电机故障检测系统内信息或数据进行维护，比如删减或增加部分数据，输入和输出部分数据等等。

2.5 维修模块

维修模块用于输出或展示故障对应的维修方案和维修资料等，维修模块包括维修方案展示子模块和维修资料展示子模块，维修方案展示子模块用于展示当前故障对应的维修视频和工艺，维修资料展示子模块用于展示当前故障需要用到的维修图纸，比如异步电机内部结构图、线路图或者其他图纸。

3 软件功能与界面设计

对于农机异步电机故障检测的应用场景进行分析，在农机异步电机故障诊断过程中，故障检测系统需要获取农机异步电机当前的运行信息，再基于当前运行信息进行故障检测，可以为人工检测，也可以为系统根据检测算法自检，检测出故障类型和原因[6-8]之后，便可以生成异步电机故障检测日志。然后，根据异步电机故障检测日志，在预设维修信息中筛选出当前故障类型对应的维修方案和资料，并输出或展示该维修方案和资料。因此，农机异步电机故障检测系统主要功能包括信息采集和管理功能、电机状态监测和故障诊断功能和电机维修辅助功能。

针对以上功能，在农机异步电机故障检测系统中的界面设计主要包括故障展示界面、故障查询界面、故障检测界面和故障统计界面[9-10]。

3.1 故障信息展示界面

故障信息展示界面如图2 所示，用户在登录农机异步电机故障检测系统之后，触发当前故障控件，就可以显示故障信息展示页面，该故障信息展示页面主要包括农机异步电机在运行过程中检测出故障的故障编号、故障详情以及针对该故障的故障分类，故障分类包括多种，比如可以为外部故障、内部故障和设备故障等等。还可以对检测出的故障进行操作，比如，当检测出的故障为误检测的故障时，就可以将该故障进行删除，另外，还可以对检测出的故障进行锁定操作和编辑操作，编辑操作主要用于在该故障中编辑故障信息等，然后将编辑后的故障信息发送至农机操作系统进行故障提示等。

图2 故障信息展示界面

3.2 故障查询界面

故障查询界面如图3 所示，用户或管理员在故障信息展示页面中触发查询控件，然后，通过输入查询信息，就可以展示故障查询界面。当故障的数量较多或者检测周期较长时，就可以设定特点的查询条件，从而在历史故障信息中查询出想要查询的故障，然后，在故障查询界面展示查询出的目标故障及其信息等。

图3 故障查询界面

3.3 故障检测界面

故障检测界面如图4 所示，故障检测界面用于显示检测出的故障的原因和检测信息等，故障检测界面主要有当前检测出的故障类型、针对该故障进行故障分析后得到的故障原因、检测时间等信息。故障检测界面还具有查询控件和检测控件，当用户触发查询控件时，就可以输入查询信息，进而展示故障查询界面；当用户触发检测控件时，可以实时对农机异步电机进行故障检测，这里的故障检测包括运行状态下的检测和静止状态下的检测。

图4 故障检测界面

3.4 故障统计界面

故障统计界面如图5 所示，故障统计界面用于统计在一个或多个检测周期内，农机异步电机出现的故障类型、故障原因和检测时间等信息。通过故障统计界面统计出的检测周期内的故障详情，就可以准确判断出该农机异步电机在这个检测周期的实时状态，进而对农机异步电机进行正确的维护和保养。

图5 故障统计界面

4 结语

笔者针对农机异步电机的故障检测进行研究，设计了面向农机异步电机的故障检测系统。在农机异步电机故障检测系统的研究与设计过程中，首先分析了农机异步电机常见的机械故障、电气故障，以及常用的故障诊断方法；其次对于农机异步电机故障检测系统的硬件设计，采用了数据采集模块、检测模块、交互模块和维修模块等多模块设计；最后对农机异步电机故障检测系统进行软件功能与界面设计，从而实现了远程监测异步电机运行状态和故障诊断的功能，大大提升了农机异步电机故障检测效率。