异步电机振动的检测与处理

Fault Diagnosis and Correction of Asynchronous Motor

Vibration

Wang Yang[1] [2]，Fu JingQi[2] ，Huang Hui[3]

1.Shanghai Dianji University，Shanghai，P.R.China，200240，2. Shanghai University，Shanghai，P.R.China， 3.Shanghai Maritime university 1.wangyang@sdju.edu.cn

Abstract-Different impulse signals will be given if there is any problem with the electromotor rolling bearing, spectrum analysis is used as a quick and useful troubleshooting method to detect any defects during the running period. A deficiency is solved successfully in this article and the process is of valuable reference for future similar cases. Keywords-vibration；fault diagnosis；Frequency-Domain Analysis

异步电机振动的检测与处理

王洋[1] [2] ，付敬奇[2] ，黄辉[3]

1.上海电机学院，上海，中国，200240，2.上海大学，上海，中国，200072, 3. 上海海事大学，上海，中国，200135 1.wangyang@sdju.edu.cn

【摘要】振动响应测量是电机缺陷检测中的一门非常重要和有效的技术。 当电机发生故障时，会产生不同的脉冲，运用频谱分析对电机的状态进行检测，可以快速而准确的诊断出电机故障。本文成功的运用频谱分析解决了一起电机滚动轴承故障，其振动分析方法和诊断过程对电机的故障诊断具有一定的参考价值。 【关键词】振动；故障诊断；频域分析

0000

⎤⎡x(0)⎤••⎡X(0)⎤⎡WWNWNWNN

⎥⎢X(1N−⎥⎢0121⎥⎢x(1))••⎢⎥W⎥⎢⎢NWNWNN⎥WN023−2⎥⎢x(2)⎥⎢X(2)⎥⎢••WWWWNNNN⎥⎢⎥ ⎢⎥= ⎢

•••••••⎢⎥⎥⎢⎢⎥

⎥⎥⎢••••⎢••⎥⎢•

⎢⎥2⎢⎥⎥⎢0N−IN−2−(N1)⎢⎥)⎥)⎥⎢⎢x(N−1••W⎣X(N−1⎦⎣⎦WNWNWNN⎦⎣

由于W是复数，x(N)也可能是复数。假设

N

1.引言

电机是由本体、机座和它的负载一起构成一个机械系统，它是当今用于驱动各种机械和工业设备的最通用装置，其中三相异步电动机由于其性能优异被广泛应用。

振动是电机运行过程中常有的现象。对于各种类型和规格的电机来说，在它们稳定运行时，振动都有一种典型特性和一个允许限值。当电机内部出现故障、零部件产生缺陷、装配和安装情况发生变化，其振动特性就要发生变化。因此，振动能客观地反映电机的运行状态，对电机振动的诊断，掌握其运行状态对于发现故障有着极其重要的意义。

2.频谱分析的计算

傅立叶变化是信号分析和处理中的一个重要工具，它可以把一个时域问题转化成频域问题来解决。但连续傅立叶变换只能在理论分析中发挥作用，不能直接用于计算机计算，而离散傅立叶算法的总运算次数又会随着N的增加而急剧增加，使得计算量过于庞大而花费很长时间。直到一种离散的傅立叶变换的快速算法的提出（即FFT），才使得计算速度大大提高。

傅立叶变换的快速算法用矩阵表示为：

N=2m，于是可将[W]分解成m个矩阵的连乘，即[W]=

m]。其中每个矩阵的各行元[W1] [W2] •• [W

N具有周素都包含有两个非零项。又根据旋转因子W

kN =W(nk)mod(N)，因此可以使总的计算次数期性w2

从N量级减少到NlogN量级，从而可以大大提高计算速度。

电机无论是轴承、转子或其它有关部位，其振动波形一般来说不是纯粹的正弦波，很可能是各种频率成分的合成波形，在这一合成波形中，除了频率等于转速的基频成分外，可能还含频率为2x，3x，4x等倍频成分；频率接近于1/2x、1/3x的亚倍频成分；频率等于某阶临界转速的成分；具有一定带宽的随机振动成分等，复杂振动波形可以按傅立叶分析原理分解为一系列组成它的谐波分量，每一谐波又有其幅值和相位，各谐波分量以频率为横坐标的谱图称为频谱。电机的振动信号可在频域内经

978-1-4244-9162-9/10/$26.00 ©2010 IEEE PEITS2010

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过多种处理方式获得识别故障特征信息所必需的几类频谱。

异步电动机轴承故障发生的概率约为40%，在异步电动机的各种故障中的比例是最大的。因此，用频谱分析法检测异步电动机轴承故障具有重要意义。异步电动机轴承故障的振动信号分析方法适用于各种类型、各种工况的轴承，信号测试与处理简单、直观，检测结果准确率高，已成为目前应用最广泛的轴承检测方法 [1] 。

α 接触角，向心滚动轴承α=0， d/D 滚动体直径/轴承节圆直径 4．故障分析

某超大型油轮用150kw的主机滑油泵配TAIYO生产的TIV315S型异步三相感应电动机，在一次航行中，发现其中一台发生振动突然增大，其相关参数如下：

额定电压/流 440V/232A， 额定转速Nm=1770转/分， 船用电源频率f1=60Hz， 极对数P=4,

转速频率fM= 59.8 ，

同步转速ns=120f1/P=1800转/分 滑差频率fs=（ns-nm）/60=0.5Hz 极通过频率fP=0.99Hz.

通过查阅电机资料，我们了解到电机测量点1处采用向心圆柱滚子轴承，而测量点2处的采用的是铁姆肯深沟球轴承，d=40mm，D=100mm，z=12，根据上表我们可计算出深沟型球轴承的

f 轴的回转频率 z 滚动体个数 n 自然数

c

3.滚动轴承故障频率成分分析

滚动轴承振动的频率成分非常丰富，包括由制造误差(如轴承内环、外环的不圆度与波纹度)引起的振动分量，由于安装不当(如轴承座不同心)引起的振动分量，轴承在运转过程中的损伤(如裂纹胶合等)引起的振动分量，以及轴承元件的固有频率的振动分量等等。

轴承损伤也能引起较大的振动。滚动轴承在运转过程中可能由于种种原因而引起磨损、压痕、裂纹、表面剥落、胶合等缺陷，这种缺陷必然引起冲击振动，该脉冲力是一个宽带信号，覆盖轴承系统的高频固有振动频率。另外由于滚动轴承的匀速运转，使冲击具有周期性，对发生在不同部位的损伤，冲击具有不同的频率，称之为特征频率，故障的特征频率一般在1kHz以下，滚动轴承不同元件损伤故障的特征频率计算公式如Table 1：

f

0

b

=

转速*极对数60=112.1Hz，

c

f

1

=78.47Hz，

f=33.63Hz，f=117.705Hz。

为了测量电机的振动，将传感器分别布置在电机的后轴承和前轴承处，测量点设为1和2，为了分析泵对电机振动的影响，在泵的输入端轴承出布置了测量点3。如Figure 1所示：

Table 1. typical rolling bearing defects and frequency

表1 滚动轴承典型故障频率表 故障频率 缺陷 轴承有偏心 内圈故障 外圈故障 保持架故障 成因 内环磨损严重 内环有裂纹、压痕外环有剥落、裂纹滚动体压痕、磨损nf1

0nzf±f nzf 2nf±f 0cbc1fb=2×f2⎛⎞ ⎟⎞D⎜⎛d×⎜1−⎜COSα⎟⎟0d⎜⎟D⎠⎝⎝⎠

Figure 1 position of the sensors 图1 传感器位置布置图

f 1c21f1=2=ff⎛⎜1−0⎝⎛⎜1+0⎝d⎞cosα⎟ D⎠d⎞cosα⎟ D⎠

在电机运转的过程中，我们对以上三点振动的

轴向、水平径向和垂直方向的振动作了观察和记录，结果见Table 2（单位：mm/s）:

其中

f/f 内/外环上某点与滚动体接触的频率 f1 滚动环某点与内环或外环接触的频率

0

b

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Table 2 observation figures from sensors

表2 各测试点观察值

测试点1 测试点2 测试点3

水平 垂直 轴向 水平 垂直轴向 水平 垂直轴向4.2

2.1

1.8

3.3

3.6

9.8

4.2

4.1

1.7

根据现场的实际情况和上表的测试数据可得出如下结论：

首先对电机的三相电流进行测量，三相电流正常，误差在允许范围内，可见不是由于电流原因引起的。

其次，电机和泵通过底座刚性连接在稳定支架上，在电机高速运转时候仔细检查支架，没有发现明显振动，而且底座连接螺栓用液压扳手检测过，其预紧力达到规定值，可见振动故障不是由于电机机座原因引起的。

再次，泵的轴向振动仅为1.7mm/s, 比测量点2电机前轴承处的轴向振动强度9.8mm/s小很多，表明电机前轴承处的振动不是由于泵输入端的轴向振动引起的，振源很可能来自联轴节或者电机一侧。

最后，由于测试点1和测试点2的三个方向的振动都比较大，而且现场在高速状态下无法测量联轴节的对中情况，所以只能借助频谱分析来确定具体故障原因[2]。

高倍频周围的谐波很多，边频现象严重，说明可能存在轴承故障。另外，从省略的时域分析图还可以发现，时域波形的冲击较大，峭度指标比较明显，也说明了轴承发生了一定的故障导致撞击，从而引发了振动。

到底是测量点1还是测量点2的轴承出故障了呢？通过对轴承特性的了解，我们发现测量点1处的向心圆柱滚子轴承的轴向活动性比较大，而测量点2处的深沟球轴承，它的内外环都是固定的，所以轴向游动的距离很有限；而频域图上最高峰值却差不多同样大小；另外，关闭现场其它噪音源我们还发现，测点1处的声音正常，而测点2处轴承内有轻微的异响，所以我们判定是测试点2处的轴承，也就是电机的前轴承出现故障[3]。

在找到了振动故障之后，我们对电机滚动轴承进行了拆解，发现电机前轴承保护架松动，轴承滚子有三处磨损，外圈有一定磨损，由于此类滚动轴承比较常见，而且价格也比较适中，在确定了轴承故障之后，我们对电机轴承进行了换新。结果表明，电机故障明显减小，测试点1的频谱显示波形正常，但测试点2的频谱却显示如下：

Figure 2. spectrum diagram from sensor 1

图2 传感器1处的频谱图

Figure 4. simple spectrum diagram from sensor 2

图4 传感器2处的简略频谱图

从Figure 4我们可以得出如下结论：

1. 该电机在低频阶段有明显的频率分量，说明故障并没有完全解决，只是振动幅值减少而已，如果不能完全解决故障，机器以后有可能从新出现剧烈振动，从而影响身体。由于已经换新，而且频谱途中也没有产生相对应的高频震动，只在低频阶段有明显分量，说明这些分量不再是由滚动轴承故障

引起，而是有可能由联轴器的对中不好，或者由于电气方面的故障引起的。

2. 频谱反映的能量主要集中在122Hz处，达到4.11mm/s，同时还有一倍频、三倍频、多倍频等频率分量。该电机的转速为1770转/分，转频为59.8Hz，转速的2倍频是119.6Hz，而电源的2倍频是120Hz。如果用简略的频谱分析，它的频率分辨率只

Figure 3. spectrum diagram from sensor 2

图3 传感器2处的频谱图

以上两图分别是测试点1和测试点2的轴承轴向振动频率图，2500Hz以前的峰值水平不超过5mm/s，为较平均的地毯波。高的峰值主要集中在3000Hz以后的高频范围内，其中最高峰值都约为13.21mm/s，

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有150转/条谱线数，我们无法分辨出120Hz的能量成分中119.6和120Hz的频率分量各占多少，所以无法分辨到底是由于联轴节故障还是电机故障引起的。

为此，我们将振动频率进行细化分析[2]，将该电机的采集定义修改为频带宽为100Hz和3200条频谱线，这就使细化谱的频率分辨率达到100×60/3200=7.503转／条谱线数[4]。结果发现，Figure 5中总能量分布和Figure 4的常规图谱是一References (参考文献)

[1] Salimon AV，Egorovand GI and Tsiklin EA．Problems of vibration adjustment of gas-turbine power units．Thermal Engineering，2006，53(7)：526-530

[2] Grossman A．Wavelet transform and edge detection．Stchastic Processes in physics and Engineering，1986．

[3] Cardoso A. J. M., Crus S. M. A., Carvalho J.F.S.,Saraiva E. S., \" Rotor cage fault diagnosis inthree phase induction motors, by Park's vector approach\

[4] Kliman G. B. , Stein J. Endicott R. D.,Madden M. W.,\" Non-invasive detection of broken rotor bars in operating induction motors\IEEE Trans. Energy Conversion , Vol. EC-3,No. 4, pp. 873-879, Dec 致的，但可以从细化谱图中可以得到常规谱图中不1998.

能得到的频谱边带。从Figure 5我们可以发现，2倍转速频率(2*59.8=119.6Hz)分量为主要能量，而2倍电源频率(120Hz)分量的振动能量却不占主要部分，而且边带部分的频率分量也表明激振力可能来自于机械部分，从而可以判别该处振动过大的电机故障不是由于电气方面的原因引起的，而是由于机械方面的原因引起的。

Figure 5. detailed spectrum diagram from sensor 2

图5 传感器2处的细化频谱图

鉴于以上分析，我们断定联轴节对中不良，并采取了如下的修理措施。首先对联轴节进行了解体，并在泵侧将泵的转动轴固定，将两个微分表的机座分别固定在泵侧法兰上，微分表指针分别表示电机侧法兰的轴向和径向跳动值，并通过电机机座加以调整，保证联轴节在同一轴线上，且贴合平整。

修理结束后，启动电动机并进行测试，发现电机运转平稳，工作正常，表明整个检修过程是合理和有效的。

5．结论

本文通过对电机振动故障中故障信号显示不同原理的分析，并结合工作中实际应用，阐明了频域方法是一种有效的，准确的判断电机故障的方法。

基金资助：上海市优秀青年教师专项基金(Sdj-09111)

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