关键词 异步电机 振动 诊断方法

    中图分类号 TM343    文献标识码B

 

    一、电机故障简述

    三相异步电机是现场生产中最常见的驱动装置之一。根据电机的基本理论：电机的运行是机械结构和电磁原理相互作用产生的结果。因此，导致电机异常振动的因素大致可包括两个方面：机械振动和电气振动。

    电机的机械振动是由于自身的机械结构缺陷所引发的异常振动，如电机转子不平衡、联轴器不对中、滚动轴承磨损、地脚松动等。

    电气振动是由于作用在定子或转子上的磁边拉力（切向或径向）不均匀产生的异常振动。现场中常见的原因有：(1)电机气隙不均匀；(2)鼠笼式异步电动机转子的断条或铸造缺陷；(3)定子或转子的固有频率与电磁力的频率相同或相近，形成电磁共振等。

    理论上讲，各种故障在频率谱图上都有其特征频率与之对应，但由于现场的复杂性及故障的相似关联性，单一凭借观察振动的频率谱图往往不能得出准确的结论。特别是对于二极电机(P=2)，其同步转速n=2×60f/P(f为电源频率50Hz)=2×60×50/2=3000r/min，同步频率fs=n/60=3000/60=50Hz，在分析频率设置过大的情况下，与机械故障所对应的工频很难与电源频率相区分。

    二、电机故障诊断方法

    根据前面所述，电机故障的多重性决定了其诊断过程的复杂性。它需要从简易诊断和精密诊断两方面，综合应用多种诊断分析方法，逐一排除电机可能存在的故障。对于二极电机来讲，由于工频与电源频率接近，诊断的首要任务是区分电机故障的类型，即机械故障或电气故障。

    1．简易诊断

    (1)应用便携式测振仪对电机的相关测点（前、后轴承，地脚等）进行全面的测量，记录各个振动参数值（位移、速度、加速度高频／低频），并比照相关的绝对标准、相对标准、对比标准，对电机的当前工作状态进行整体评价。常用的绝对标准有ISO 2372及ISO 2373标准。需要注意的是，ISO 2372和ISO 2373标准具有不同的使用范围，后者仅仅适用于电机空载情况。

    (2)根据振动加速度值计算冲击系数，冲击系数α=高频加速度Hi／低频加速度Lo。该系数能够反映滚动轴承的工作状况，轴承良好时该系数小于5，当大于5时应酌情考虑轴承的早期冲击磨损，此时着重查看电机轴承的润滑。

    (3)对振动异常的电机做瞬时断电处理，观察振动形态曲线。如果振动值随转速的降低而缓慢下降，则故障可能为机械不平衡；如果振动值在断电后很短的时间内下降到正常范围，则可排除机械不平衡，考虑为电气故障理论上讲，当电机存在电气故障时，一旦断电振动值立刻归零但实际不可能如此，其振动值跟随时间的变化率应根据电机的功率、转速具体而定。该方法对于识别二极电机故障类型十分有用。

    2．精密诊断

    精密诊断的分析方法包括：频率谱分析、时域波形分析、时域特征数分析，其分析结果可对简易诊断的分析结果做进一步的补充印证。

    (1)频率谱分析。根据不平衡、不对中、滚动轴承故障、机械松动、电气故障所对应的频率成分特征，比照实测的频谱图，识别故障类型。作频率分析时，分析频率的设置应能够对主要的频率成分进行有效区分，如二极电机工作频率与电源频率的区分，注意电气故障频谱图中的边频调制现象。

    (2)时域波形分析。电机电气故障的时域波形在整个时间域内具有明显的调制现象，“上尖下宽，半陡半缓”是转子故障波形最主要的特征。

    (3)时域特征数分析。峰值指标、脉冲指标、峭度指标能够较好地反映冲击故障，可与简易诊断中计算的冲击系数共同评判滚动轴承的工作状况。

    三、电机故障诊断实例

    电机型号YKK4005-2，功率500kW，极数P=2，转速2976r/min，电机中心高400mm。经行星齿轮增速器驱动透平机。主机转速10459r/min，流量3725m3/h，进口压力0.088MPa，出口压力0.47MPa。2006年11月7日，透平机电机在带负荷的情况下试车，系统振动较大，附近平台均有明显振感。

    1．简易诊断分析

    对电机进行振动测试，测试结果如表1所示。对数据分析可知：

    (1)根据ISO 2372机械振动标准，该电机速度值虽在极限值以内（1.12cm/s )，但作为新电机而言，驱动端0.98cm/s、0.87cm/s的振动值偏高，且位移值整体偏大，不建议继续运行。

    (2)冲击系数Hi/Lo较好，未见明显冲击，可排除轴承异常。

    2006年11月9日，在拆卸联轴器处理后对电机进行单机空载试车，测量结果如表2所示（由于带负荷测试时已排除轴承故障，故此处未测加速度值）。

    由表中数据分析可知，速度振动值超过ISO 2373电机振动标准的规定（0.45cm/s )，电机存在异常。

    同时，对电机进行了瞬时断电测试，以观察其振动形态图：结果为：当振动值稳定在0.67cm/s时给予电机断电，在电机转速降低极小（断电后约10s）的情况下，振动快速降至0.02crn/s左右，该现象基本可排除电机的机械不平衡故障。

    综上所述，该电机不能继续运行，需作停机检查，故障原因可初步排除滚动轴承故障、机械不平衡。

    2．精密诊断分析

    为进一步查找故障源，用精密诊断仪对振值较大的前轴承捌点进行分析。测试仪器的分析频率设置为500Hz，振动速度测试值如表3所示。

    由表中可知，水平方向与垂直方向的频率分布均有以下特征：以50Hz为中心，分别以1.25Hz频率间隔分居两侧，且各频率间隔之间都有整数倍比的关系，另外，垂直方向图谱上还有100Hz、150Hz、200hz、350Hz谐波成分。振值分布都是以50Hz为中心呈山字形，50Hz的振值最大，分别向两边递减。

    分析振源主要来自50Hz成分，由于振形曲线分析已初步排除机械不平衡，故50Hz应该不是电机的工频（3000r/min/60=50Hz)，且当分析频率设置为500Hz时，工频不应该是整50Hz，而应该是略小（实际转速小于同步转速）。结合边频的出现可认为50Hz为电源频率，即故障可能为电气故障。

    电机特征值读数见表4，均在相应指标内，可进一步排除轴承故障。

    时域波形水平方向呈较为规则的正弦图象，有明显的调制现象；垂直方向波形较复杂，类似电机“上尖下宽，半陡半缓”的电气故障波形，有明显的调制现象。

    综合分析，特征值显示无脉冲冲击现象，轴承良好；时域波形具有电气故障“上尖下宽，半陡半缓”的特征，且调制现象进一步说明电机电气异常（单一的机械不平衡不可能出现调制）。诊断认为，该电机振动异常，需作停机修理，故障源初步分析为电气故障。

    检修结果与上述结论一致。