（电气工程专业论文）电机振动故障巡检系统的研究与开发.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 异步电机典型故障包括转子断条、定子绕组匝间短路和轴承故障等，而轴承 故障约占异步电动机故障总数的3 8 ，同时也是引起电机振动的主要原因，因此 研究电机轴承故障机理，并在此基础上开发电机振动故障巡检系统具有很大的实 际意义。本文首先概述了电机典型故障机理及检测方法，详细介绍了基于振动信 号分析的电机轴承故障诊断方法；然后开发研制了电机振动故障巡检系统，由 振动加速度传感器、便携式数据采集器、采集器设置与数据通讯软件、振动信号 分析软件四部分组成。振动信号分析软件采用l a b v l e w 7 1 语言编制，功能包括 电机轴承参数的数据库管理、特征频率计算模块、振动信号时域分析模块、 振动信号滤波模块、振动信号共振解调分析模块、振动信号冲击脉冲分析模 块、使用帮助模块等。最后经过现场实际应用，证明该系统能有效提取电机 振动故障特征，并达到电机振动故障巡检的目的。 关键词：电机，振动，滚动轴承，故障诊断，巡检 a b s t r a c t t y p i c a lf a i l u r e so fa s y n c h r o n o u sm o t o ri n c l u d er o t o rb r o k e nb a r s ，s t a t o r w i n d i n gs h o r t c i r c u i ta n db e a r i n g sf a i l u r e ，a n db e a r i n g sf a i l u r ea c c o u n ta b o u t38 ， i ti so n ec a u s eo fm o t o rv i b r a t i n g s oi ti sn e c e s s a r yt od i a g n o s eb e a r i n gf a i l u r ea n d d e v e l o pt h ev i b r a t i o nf a u l td e t e c t i o ns y s t e mf o rm o t o r f i r s tt h i sp a p e rd e s c r i b e s t y p i c a lf a i l u r e so fa s y n c h r o n o u sm o t o ra n dd i a g n o s i sm e t h o db a s e do nv i b r a t i o n s i g n a l a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ，f a u l td e t e c t i o ns y s t e mf o rm o t o rv i b r a t i o ni s d e s i g n e d i t i s c o m p o s e db ya c c e l e r o m e t e r , p o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o n ，c o l l e c t o r s e t t i n ga n dd a t ac o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e a n dr o l l i n gb e a r i n gf a u l t d i a g n o s i s s o f t w a r e r o l l i n gb e a r i n gf a u l td i a g n o s i ss o f t w a r ei sc o m p i l e db yl a b v i e w 7 1 ， i n c l u d i n gd a t a b a s em a n a g e m e n tm o d u l e ，c h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yc a l c u l a t i n gm o d u l e ， v i b r a t i o ns i g n a la n a l y z i n gm o d u l ei nt i m ed o m a i n , v i b r a t i o ns i g n a lf i l t e r i n gm o d u l e ， e n v e l o p ed e m o d u l a t i o nm o d u l e ，s h o c kp u l s ea n a l y z i n gm o d u l e ，a n dt h eh e l pm o d u l e a f t e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h es y s t e mc a ne x t r a c tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n d d i a g n o s e t h ef a u l to ft h er o l l i n gb e a r i n ge f f e c t i v e l y , a n dc o m p l e t ev i b r a t i o nf a u l td e t e c t i o nf o r m o t o r c h a n gj i n w a n g ( e l e c t i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ih e m i n g k e y w o r d s ：m o t o r ，v i b r a t i o n ，r o l l i n gb e a r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，p a t r o l 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 异步电机典型故障包括转子断条、定子绕组匝间短路和轴承故障等，而轴承 故障约占异步电动机故障总数的3 8 ，同时也是引起电机振动的主要原因，因此 研究电机轴承故障机理，并在此基础上开发电机振动故障巡检系统具有很大的实 际意义。本文首先概述了电机典型故障机理及检测方法，详细介绍了基于振动信 号分析的电机轴承故障诊断方法；然后开发研制了电机振动故障巡检系统，由 振动加速度传感器、便携式数据采集器、采集器设置与数据通讯软件、振动信号 分析软件四部分组成。振动信号分析软件采用l a b v i e w 7 1 语言编制，功能包括 电机轴承参数的数据库管理、特征频率计算模块、振动信号时域分析模块、 振动信号滤波模块、振动信号共振解调分析模块、振动信号冲击脉冲分析模 块、使用帮助模块等。最后经过现场实际应用，证明该系统能有效提取电机 振动故障特征，并达到电机振动故障巡检的目的。 关键词：电机，振动，滚动轴承，故障诊断，巡检 a b s t r a c t t y p i c a lf a i l u r e so fa s y n c h r o n o u sm o t o ri n c l u d er o t o rb r o k e nb a r s ，s t a t o r w i n d i n gs h o r t c i r c u i ta n db e a r i n g sf a i l u r e ，a n db e a r i n g sf a i l u r ea c c o u n ta b o u t38 ， i ti so n ec a u s eo fm o t o rv i b r a t i n g s oi ti sn e c e s s a r yt od i a g n o s eb e a r i n gf a i l u r ea n d d e v e l o pt h ev i b r a t i o nf a u l td e t e c t i o ns y s t e mf o rm o t o r f i r s tt h i sp a p e rd e s c r i b e s t y p i c a lf a i l u r e so fa s y n c h r o n o u sm o t o ra n dd i a g n o s i sm e t h o db a s e do nv i b r a t i o n s i g n a l a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ，f a u l td e t e c t i o ns y s t e mf o rm o t o rv i b r a t i o ni s d e s i g n e d i ti sc o m p o s e db ya c c e l e r o m e t e r ，p o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o n ，c o l l e c t o r s e t t i n ga n dd a t ac o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e a n dr o l l i n g b e a r i n gf a u l td i a g n o s i s s o f t w a r e r o l l i n gb e a r i n gf a u l td i a g n o s i ss o f t w a r ei sc o m p i l e db yl a b v i e w 7 1 ， i n c l u d i n gd a t a b a s em a n a g e m e n tm o d u l e ，c h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yc a l c u l a t i n gm o d u l e ， v i b r a t i o ns i g n a la n a l y z i n gm o d u l ei nt i m ed o m a i n , v i b r a t i o ns i g n a lf i l t e r i n gm o d u l e ， e n v e l o p ed e m o d u l a t i o nm o d u l e ，s h o c kp u l s ea n a l y z i n gm o d u l e ，a n dt h eh e l pm o d u l e a f t e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h es y s t e mc a ne x t r a c tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i a g n o s e t h ef a u l to ft h er o l l i n gb e a r i n ge f f e c t i v e l y , a n dc o m p l e t ev i b r a t i o nf a u l td e t e c t i o nf o r m o t o r c h a n gj i n w a n g ( e l e c t i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ih e m i n g k e y w o r d s ：m o t o r ，v i b r a t i o n ，r o l l i n gb e a r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，p a t r o l 7 士：n明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电机振动故障巡检系统的研究 与开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名： 日期： 南k 一 ， 2 ， 7 们夕： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 异步电动机因其结构简单、坚固耐用、控制简单、使用方便以及能适应于各种 复杂的工作环境而广泛应用于人类社会的生产和生活中，是一种用量最大、覆盖面 最广的电机。在电力系统的各类发电厂中，除了作为系统核心的少数几台发电机 外，其余的辅助动力设备几乎全部由电动机组成，如送粉机、磨煤机、给水泵、风 机等。很多其它工业领域中，绝大多数的生产设备也是依靠电动机驱动的，如钢厂 的轧钢机是由电动机驱动的，矿井提升机是依靠电动机升降的等等。人类社会的生 产和生活已经离不开电动机，它服务并影响着人们生活的各个方面口1 。 异步电动机典型故障包括转子断条、定子绕组匝间短路和轴承故障。统计结果 表明，这三类故障约占异步电动机故障总数的8 0 ：转子断条故障的发生概率达1 0 左右，定子绕组匝间短路及其相关故障的发生概率约为3 0 o 咱3 ，而轴承故障约占 3 8 h 】。运行经验表明，轴承故障将使电动机振动增加，局部过热，冲击性负荷会 激发扭转振荡，使轴系疲劳甚至断裂。大量实验证明，滚动轴承的疲劳寿命是非常 离散。在相同的实验条件下，结构设计、材质、加工方法相同的同一批轴承，其最 长与最短的寿命可能相差数十倍甚至上百倍。由于轴承的这个特点，在实际使用中 就出现这样一种情况，即有的轴承己大大超过设计寿命而依然完好地工作，有的轴 承还远未到设计寿命就出现各种故障，导致轴承无法正常工作。所以如果按照设计 寿命对轴承进行定期维修，则必然会出现以下情形：一方面，把达到设计寿命而依 然正常工作的轴承拆下来报废处理，造成浪费；另一方面，对未达到设计寿命就出 现故障的轴承未及时维修报废，使得机器工作精度下降，甚至发生严重故障，造成 重大经济损失。因此滚动轴承故障诊断技术是机械设备故障诊断技术的重要组成部 分，分析研究滚动轴承故障诊断技术具有重大的科学意义和实际意义【4 1 。 1 2 国内外研究现状 1 电机轴承结构 图l l 是滚动轴承的结构示意图，从图上可见：滚动轴承由内圈、外圈、滚动 体和保持架四种元件组成。内圈与外圈之间装有若干滚动体，通过保持架使滚动体 保持定间隔，进行圆滑的滚动。使用时，内圈装在轴颈上，外圈装在轴承孔内， 通常是内圈随轴转动，外圈固定。滚动体是滚动轴承的核心元件，当内、外圈相对 转动时，滚动体在内、外圈的滚道间运动。内、外圈上的滚道多为凹槽形，它起着 华北电力大学工程硕士学位论文 降低接触应力和限制滚动体轴向移动的作用。保持架将滚动体均匀地隔开，以避免 滚动体之间直接接触，减少发热和磨损。 滚动轴承广泛应用于发电厂的电动机中，是发电厂巡检员日常巡检工作中重点 巡检的对象。在平衡负载和良好对中的正常工作条件下，疲劳失效从位于滚道和滚 动体表面下的微小裂纹开始，逐渐扩展到整个表面，从而引起可检测出的振动，增 加噪声水平，继续引起材料碎片脱落的局部疲劳现象。这种失效最终使轴承产生不 平稳运转。 ： i i 1 一外圈2 一滚动体3 内圈 4 一保持架 图卜l 滚动轴承结构 2 电机轴承故障常用的检测方法 早期的电动机轴承故障检测与诊断主要是依靠人体的感官和人的经验，或者借 助于某些简单的工具来进行。例如，有经验的工人常利用听棒来判断滚动轴承及转 子的状态。随着科技的不断发展，工业化程度的不断提高，机械设备的精密程度、 复杂程度和自动化程度等越来越高，早期那种依靠人体感官和简单工具进行机械设 备监测与诊断的方法己经远远不适用了，人们需要更准确更高效的诊断方法。滚动 轴承作为机械设备的一个组成部分，其故障诊断也是如此。到目前为止，人们已经 研究了多种现代化的诊断方法。当前根据诊断所采用的状态量来分类，滚动轴承故 障诊断方法主要可分为温度检测法、油液分析法、油膜厚度分析法、振动分析法、 声学法以及定子电流信号分析法等等。阴1 幻 温度检测法是通过检测轴承的温度或温升来判断轴承工作是否正常的，是一种 很早就被采用的轴承故障诊断方法，具有简单、成熟、易于实现的优点。温度检测 对轴承载荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其对润滑不良而引起的轴承 过热现象比较有效。但是，对于表面剥落、点蚀等局部损伤类故障，温度检测法几 乎不可能检测出。只有当故障达到一定的严重程度时，才能用这种方法发现故障。 所以温度检测法不适用于早期故障诊断。 2 华北电力大学工程硕学位论文 油液分析技术包括理化分析和光、铁谱分析。理化分析通过轴承所使用的润滑 油、脂本身的理化性能来判断润滑剂的工作状态，用于防止因润滑不良而产生故障。 光、铁谱分析通过收集和分析润滑油中金属颗粒的大小、形状和浓度，来判别轴承 的工作状态。这种方法可以用于轴承的早期诊断，但存在取样不便、实时性差、大 颗粒分析困难等缺点。另外，这种方法还受其它非轴承损坏掉下的颗粒的影响。所 以，这种方法有很大的局限性。 油膜厚度分析( 接触电阻法) 是通过测量轴承接触表面间的接触电阻来判断润滑 状态的。接触电阻值随轴承内的油膜厚度而变化。正常的轴承，油膜厚度至少是表 面粗糙度的4 倍，而当轴承零件出现剥落、腐蚀、裂纹或磨损时，油膜破坏，接触 电阻下降。这种方法对磨损、腐蚀类故障比较敏感，而对表面剥落、裂纹、压痕等 故障的检测能力较弱，且不适用于低速、同一轴上有多个轴承和旋转轴不外露等情 况，实际应用比较少。 振动法是通过安装在轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴承振动信号， 并对此信号进行分析与处理来判断轴承状态与故障的。振动信号携带了大量的状态 信息，不仅能检测运转中轴承的异常，还具有反映轴承早期故障的能力，因而在轴 承监测、诊断中应用较多。此外，还因为振动信号拾取方便，传感器价格相对低廉， 信号处理方法多样，人们对滚动轴承的振动特性掌握得比较多，诊断技术发展比较 成熟等原因，目前国内外开发生产的各种滚动轴承监测与诊断仪器和系统中大都是 根据振动法的原理研制成的，有关轴承监测与诊断方面的文献8 0 以上讨论的都是 振动法。从适用、实用、有效的观点看，目前没有比振动法更好的滚动轴承监视与 诊断方法了。 声学诊断方法中研究和应用较多的主要是声音( 噪声) 方法。本质上，声音和振 动一样是反映轴承工作状态的重要信息来源或信号媒介，声学诊断的信号分析方法 也和振动诊断基本一致，只是信号获取的途径有所不同。声学方法具有携带信息丰 富和非接触测量的特点，可对移动目标进行在线监测。但是传感器价格相对较高， 且易受各种杂音干扰，信噪比较低，技术难度较高，应用不及振动方法广泛。【1 3 1 刀 定子电流信号分析法采集定子电流信号并作进一步处理，相对轴承振动信号分 析法而言，该方法更加简捷、实用，是今后的发展趋势。轴承故障引起转轴振动， 转轴振动又引起电动机内膛气隙变化，使气隙磁通受到调制，调制的磁通又在定子 绕组中感应相应的谐波电流，因此，可以通过定子电流的波形分析，即频谱分析， 提取与振动相对应的谐波分量，从而实现轴承故障检测。文献【18 】中论证了定子电 流谐波与振动谐波之间确实存在着良好的线性关系，并将大多数电动机轴承故障振 动特征频率简化为下式表示： 华北电力大学工程硕士学位论文 正d = 0 4 ，? 乙；品= 0 6 摊_ ， ( 1 1 ) 式中：扇、分别j , j 轴承内圈、外圈故障的振动特征频率，一为电动机转频， 为轴承滚珠数目。这对于粗略确定轴承故障振动特征频率无疑是有好处的。但由于 定子电流中轴承故障特征频率分量幅值一般很小，因此，其用于轴承故障检测的准 确性仍有待于进一步的研究。 科学技术的不断发展，使越来越多新的检测技术和诊断方法不断出现并应用于 滚动轴承工况监视与诊断中，例如光纤技术。但是由于种种原因和局限性，这些技 术还未能真正普及应用于实际的滚动轴承诊断中。 在滚动轴承的劣化过程中，早期故障主要是由疲劳、腐蚀、异物等原因导致的 轴承元件滚动面局部损伤及保持架故障。带有早期故障的轴承在载荷的作用下继续 运行，故障会逐渐扩大，最终导致轴承发热甚至烧毁。早期故障使得轴承在运行过 程中产生异常的振动，基于振动的检测和诊断技术能够实现滚动轴承的早期诊断， 是当前研究和应用最广的诊断方法，本文提出故障诊断方法也是一种基于振动的诊 断方法。 1 3 课题研究内容 本文以异步电机的滚动轴承作为应用研究对象，通过对异步电机轴承故障问题 背景的讨论，以及对现有轴承故障诊断方法、环节的研究和异步电机轴承故障诊断 现状的分析，紧密结合现场实际需求，开发研制电动机轴承故障巡检系统。主要工 作如下： 1 针对滚动轴承缺陷信号的特点，研究基于振动信号分析的电动机轴承故障 诊断方法，包括振动分析诊断的基本原理、轴承故障诊断的主要环节、振动信号的 时域分析方法、振动信号的共振解调分析方法。 2 根据现场实际情况，开发研制电动机轴承故障巡检系统，包括振动加速度 传感器、便携式数据采集器、采集器设置与数据通讯软件、振动信号分析软件四部 分组成。其中振动信号分析软件，采用l a b v i e w 7 1 语言编制，功能包括电机轴承 参数的数据库管理、特征频率计算模块、振动信号时域分析模块、振动信号滤波模 块、振动信号共振解调分析模块、振动信号冲击脉冲分析模块、使用帮助模块等。 3 将开发的巡检系统进行现场运行试验，通过对系统功能的测试与完善，最 终建立起实用、有效的电动机轴承故障巡检系统。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电机典型故障机理及检测方法 电动机包括异步电动机和同步电动机，其中异步电动机供电简单、维护方便和 价格便宜，广泛运用于生产和生活中。异步电动机工作原理采用由一个三相交流电 产生其定子旋转磁场，该磁场和电源频率同步，其转子为一个短路的绕组，当定子 旋转磁场切割转子导体时，转子产生感应电动势和感生电流，从而建立转子磁场。 由于定转子磁场相互作用产生电磁转矩，因而异步电动机输出机械转矩。因此，异 步电动机故障诊断的方法，转子侧故障测量部分仅能采用间接测量的特点。通常情 况下，需要通过对电机定子电流频谱分析，获取和估计转子侧的故障趋势和故障原 因。 2 1 异步电机常见故障形式 异步电动机发生故障的类型取决于电机的结构以及电机工作的环境，不论哪种 故障，都会按一定的模式或机制发展，即从最初的缺陷发展成为部分故障，或者最 终导致完全损坏。这一发展过程所需时间各不相同，因具体情况不同而存在差别。 然而，最重要的是不论哪种故障都会有其早期征兆。通过监测可以从中找出一些基 本故障的发展过程，从而识别这些故障的早期征兆。 1 9 - 2 2 1 1 定子铁心短路 由于异步电动机气隙小，装配不当，容易造成定、转子相擦，使定子铁心局部 绝缘破损，至使涡流损耗增大而局部过热，甚至危及定子绕组。 2 定子铁心松动 异步电动机由于装配工艺中，铁心压装不紧或电机长期运行定子铁心紧固件松 动、脱落发生定子铁心松动，至使电机运行噪音加大，长期运行危及电机绝缘。 3 电机轴承故障 异步电动机长期运行，由于维护不当造成电机轴承故障，至使电机运行噪音加 大，长期运行造成转子绝缘破损，引发电机故障。 4 定子绕组绝缘磨损 异步电动机长期运行后绝缘性能趋于劣化，会引发定子绕组绝缘故障。由于绝 缘涂层受温度变化后与电机制造材料热冷膨胀、收缩率不同，容易造成定子绕组绝 缘磨损，以及冲击电磁力作用下，使定子绕组与槽壁产生磨损，最终造成定子绕组 绝缘磨损。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 5 定子绕组绝缘破损 通常是由于电机定期检查时，定子线圈受到碰撞，或转子高速旋转部件脱落造 成定子绕组绝缘破损。 6 定子绕组匝问短路 通常由于制造过程中，绕组间含有杂质和线圈压型操作不当，造成定子绕组匝 问短路。 7 鼠笼式转子断条和端环开裂 鼠笼式异步电动机在起制动过程中，导条承受较大交变电磁力和端环还需承受 较大离心力，容易造成转子断条和端环开裂。 8 绕线式转子绕组击穿、开焊和匝间短路 由于绕线式电机制造工艺以及其机械特性，在拖动大负载起动过程中，容易出 现转子绕组击穿、开焊和匝问短路的故障。 9 转子故障 转子是电动机输出机械功率的部件，运行时承受许多复杂的应力容易出现各种 故障。转子在长期运行过程中，附着环境杂质以及出现零件脱落造成转子动平衡失 效，导致电动机转子转轴弯曲、轴颈椭圆等，使电动机振动加大。同时，由于拖动 负载在冲击载荷下，引发扭转振荡，使转子结构部件和转轴疲劳。 1 0 底座螺丝松动 在电动机运行时，由于电机作为能量输出装置，承受了负载的反作用力，现场 容易出现电动机底座螺丝松动的故障，导致电动机转子偏心、电机振动和噪音升高 等故障，严重时出现电机跳动。 11 电源故障 由于电动机起动电流较大，在继电器控制回路中，由于接触器触点接触不良， 容易产生电网三相不平衡，造成电机定子三相磁场不平衡，引发电机电磁振动。 1 2 通风设备故障 由于电动机风扇和通风道运行不良，如风扇碰磨机壳、转子表面积垢堵塞通风 道，会引起电动机承受空气动力学的力，导致电机振动。 通过上述分析和总结，结合现有实验设备，对于不同的故障原因必须采用不同 的故障分析方法。下面针对电动机典型故障，总结出相应的故障诊断方法。n 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 电机故障诊断技术 各类电动机具有相同的基本原理，但每类电机的结构、电压等级、绝缘系统等 存在一定的区别，因此进行电机诊断时，应根据具体情况采用不同的诊断方法。一 般地说，用于异步电动机故障诊断的技术方法有： 1 电流分析法 通过对电机定子电流幅值和波形的检测和频谱分析，可诊断电机的故障程度和 原因。用这种方法可以诊断电机气隙偏心、转子断条、定子绕组故障和转子不平衡 等故障。 当存在气隙偏心时，气隙磁导沿圆周方向出现不均匀，并在定子电流中感应出 谐波分量。当转子齿数较大时，特征谐波频率较高。当转子绕组出现不对称故障时， 定子电流会出现基频周围的边频带。通过提取定子电流中( 卜2 s ) fv 为电源频率) 边频频率分量来判断是否存在笼条断裂故障的方法应用最为广泛。但由于( 1 - 2 s ) f 分量的绝对幅值很小，用快速傅里叶变换( f f t ) 作频谱分析时，分量的泄漏会淹没 ( 1 - 2 s ) 厂分量，从而使( 1 - 2 s ) f 分量的检测变得困难。有人采用连续细化分析的傅立 叶变换方法，借助异步电动机定子电压过零时刻提取电路，提出了准确抵消定子电 流中厂分量的方法，从根本上解决了在用f f t 进行频谱分析时厂分量的泄漏会淹没 ( 1 - 2 s ) 厂分量的问题，从而实现了转子导条断裂特征分量( 卜2 s ) f 分量的准确检测， 进一步对异步电动机转子是否断条作出正确判断。 2 振动诊断法 各种电机在稳定运行时，振动都有一种典型特性和允许限值，当电机出现不同 的异常或故障时，其振动的幅值、形式和频谱都会发生变化。不同的缺陷或故障会 产生不同频率的振动。几乎电机的所有故障都会通过振动体现出来。因此振动能客 观地反映电机的运行状态，通过对传感器获得的振动信号进行处理，精确分析各种 振动信息和参数，与已知的故障特征相比较，可以诊断故障产生的原因和部位，并 制定诊断方案。 3 绝缘诊断方法 利用各种电气试验和特殊诊断技术，对电机的绝缘结构、工作性能和是否存在 缺陷作出结论，而且可以对电机剩余寿命作出预测。 定子绕组的绝缘系统是电动机中最为薄弱的环节，大中型电动机的定子常出现 的绝缘故障有匝间短路、相问短路、单相接地和局部放电等绝缘故障。其中匝间短 路和相间短路是最常见和最危险的故障之一。局部放电监测法是一种有效的绝缘诊 7 华北电力大学工程硕士学位论文 断方法，主要应用于大型发电机的局部放电监测。监测方法有两种：一种是将传感 器( 如儒可夫斯基线圈) 连至定子中性点与接地电阻之间，由其感应并获取放电信 号，经过放大、检波和采样后进行显示与识别；第二中方法是用耦合电容做传感器， 并将其连接在定子绕组的接线端，用于拾取放电脉冲，经过处理后进行识别。这种 方法对绝缘的早期劣化监测非常有效。将每台电机正常状态下的放电量作为参考阅 值，将电机运行过程中的监测值与阈值比较，判断电机的绝缘状态。 4 轴电压和轴向漏磁通监测方法 由于正常情况下的电机不存在严格意义上的对称和完全一致的材料性能，因此 存在一定的轴电压和轴向漏磁通。故障出现时，轴电压和轴向漏磁通增大。因此通 过监测轴电压和轴向漏磁通，可以发现某些故障。对于轴电压监测而言，需要将电 压信号通过电刷和滑环引出，这种接触会引起电压降落，可能使微弱的信号发生畸 变，难于用做在线监测。轴向漏磁通监测方法可以用来监测定子匝间短路、气隙偏 心、转子断条、缺相运行等多种故障。这种方法的不足之处在于，需要在端部绕组 侧安装多个探测线圈，而且同心度要求较高。 5 工况性能监测法 这种方法主要监测常规的工况量，包括电机的电压、电流、输出功率、温度等。 电机在一定的负载下，这些工况量都有一定的数值或在一定的范围内。电机性能劣 化时，工况量的波动范围超过正常值，结合其他手段提供的信息和检修中积累的经 验进行综合分析，可以给出电机劣化的可能原因。这种诊断方法尽管成本低，可靠 性高，但缺少其他辅助测量方法时，只能作为大致估计，难以定位故障，也就难于 发现早期征兆。 6 p a r k 矢量法的故障监测 正常电机的矢量轨迹接近于圆，但电机出现各种故障时，矢量轨迹变成椭圆。 椭圆的长短轴的长度和偏转方向发生变化，与电机故障类型和程度有一定的关系。 这种方法原理简单，可以对气隙偏心、定子绕组匝间短路和转子绕组故障进行监测。 但只有故障发展到一定程度，矢量轨迹的变化才能达到检测故障的需要，所以这种 方法用来预测早期故障比较困难。 7 基于参数识别的故障监测方法 这种方法是通过建立电机的数学模型，利用可测量信号与适当的方法对表征系 统状态的不可测参数进行估计，监测内部状态变量和内部参数的变化，再根据它们 与故障的对应关系进行故障分析与定位。这种方法实现故障的分离与定位的精确度 取决于数学模型的准确程度和恰当地选择模型参数。此外，有学者从时域着手，寻 g 华北电力大学工程硕士学位论文 找出新的判断定子绕组故障的特征参量，即三相电流之间的相位差，其仿真和试验 结果表明，转子绕组故障或电动机偏心故障及三相电压不对称时，基本上不会影响 三相电流之间的对称关系，从而证明了选取三相电流之间的相位差作为特征参量， 来判别定子绕组故障是可行的，而且具有与故障状态相关性大、反映灵敏的特点。 用于定子绕组故障检测的其他方法还有电流分解法和定子电流重建法等。 2 3 本章小结 本章介绍了异步电动机监测与故障诊断的状况，研究了异步电动机故障形式， 并对了电动机故障诊断技术作了较详尽的介绍。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章基于振动信号分析的电机轴承故障诊断方法 3 1 振动分析诊断的基本原理 滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架四种元件组成的。一般情况下，滚 动轴承在工作时其外圈与轴承座或机壳相连接，固定或相对固定；内圈与机械的传 动轴相连，随轴起转动。在机械运转时，滚动轴承的振动主要源自两个方面，一 方面是诸如轴承本身的机构特点、加工装配误差和运行过程中出现的故障等内部因 素，另一方面来自传动轴上其它零部件的运动和力的作用。当传动轴在一定的载荷 下，以一定的转速运行时，对轴承和轴承座壳体组成的振动系统产生激励，在多 种因素的作用下使该系统产生振动响应。 在引起滚动轴承振动的诸多因素中，由轴承结构特点引起的振动，在轴承一定 的转速下，具有确定的性质，频率较低。由轴承制造和装配误差引起的振动在理论 上大都具有周期性，例如由于各元件表面波纹引起的激励近似正弦，但是在实际情 况中，由于各因素关系十分复杂，使得振动呈现出较强的随机性，且含有多种频率 成分。由轴承内部缺陷或故障引起的振动往往是冲击性振动，这种振动信号的特点 是每个冲击的作用时间很短，却具有很宽的频率范围，时域能量不大，频谱却很丰 富，而且具有明显的周期性。由外部激励引起的振动一般在轴承总的振动能量中所 占的比例不大，且以低频周期成分为主。 由上述分析可以知道，通过安装在轴承座上的传感器拾取到的振动信号，是由 各种内外因素共同作用而成的。它除了反映有关轴承本身工作情况的信息外，还包 含了很多来自设备或机组中其它运动部件和结构的信息。对轴承故障诊断来讲，这 些信息多属无用的噪声信息，称为背景噪声。一般情况下，在轴承现场诊断中都有 较大的背景噪声，而滚动轴承早期故障引起的振动相对来说要弱得多，所以往往会 淹没在背景噪声中而不易提取出来。因此，采用何种振动监测和信号处理技术来抑 制背景噪声，提高信噪比，突出故障信息，从而有效地进行诊断，是滚动轴承故障 诊断研究工作的重点所在。【8 一 3 2 轴承故障诊断的主要环节 概括地说，轴承故障诊断技术是以轴承故障机理为基础，通过准确采集和检测 反映轴承状态的各种信号，并利用现代信号处理技术将现场采集的各种信号经过相 应变换，提取反映轴承状态的特征信息，然后根据己掌握的故障特征信息和状态参 数判断故障及原因，并预测故障的发展和设备的寿命。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 一个完整的轴承故障诊断系统应包含以下五个环节： ( 1 ) 信号测取：根据轴承的工作环境和性质，选择并测量能够反映轴承工作 情况或状态的信号。 ( 2 ) 特征抽取：从测量的信号中以一定的信号分析与处理方法抽取出能够反 映轴承状态的有用信息。 ( 3 ) 状态识别：根据征兆，以一定的状态识别方法识别轴承的状态，即简单 判断轴承工作是否正常或者说有无故障。 ( 4 ) 诊断分析：根据征兆，进一步分析有关状态的情况及其发展趋势；当轴 承有故障时，详细分析故障的类型、性质、部位、产生原因与趋势等。 ( 5 ) 决策干预：根据状态及发展趋势，做出决策，如调整、维修或监视等。 3 3 振动信号的时域分析方法 轴承振动信号时域分析主要任务是计算振动信号的时域统计特征参数，再通过 和参照值的对比来确定轴承的状态。常用的特征参数可分为有量纲参数和无量纲参 数，下面分别叙述他们的各自定义与意义。【2 3 1 3 3 1 有量纲参数指标 特征参数包括峰值、均值、最大值、最小值、峰峰值、均方根值，若轴承信号 x ( f ) 采样后的时域数字序列为x 0 ) ，则有： 1 ) 峰一峰值：波形上最高点和最低点的差，计算公式如下： x ，一，= m a x x ( t ) 一r a i n x ( t ) ) ( 3 - 1 ) 2 ) 峰值：指波形上与零线的最大偏离量，计算公式如下： x ，= l x ( 叫一 ( 3 2 ) 它对瞬时现象也可得出正确的指示值。特别对早期轴承表面损伤，非常容易由 峰值的变化检测出来。但它对滚动体和保持架的冲击及突发性外界干扰等原因引起 的瞬时振动比较敏感。比起均方根值来，峰值的变化可能很大。测量滚动轴承振动 峰值的实际意义在于它表示轴承振动某一时刻的最大值。当检查一个轴承的好坏 时，表面损伤类故障与峰值大小有直接的关系。 3 ) 均方根值：均方根值即为信号的有效值，其计算公式如下： 厂一 = l i m ! f r x2(幻idtt掣t,jo 2 l i m 二i ，( 幻 ( 3 3 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 用均方根值度量滚动轴承的振动量是一种有效的方法。因为它既考虑到振动时 间变化的经历过程，同时又表示机械振动能量的大小，如速度有效值与动能有关， 加速度有效值的大小，将直接关系到惯性力的大小。国内主要轴承振动测量仪都是 以有效值为测量值。由于均方根值是对时间的平均，所以对具有表面裂纹无规则振 动波形的异常，可对其测量值作为恰当的评价。但是对于表面剥落或伤痕等具有瞬 时冲击振动的异常是不适用的。这是由于冲击波峰的振幅大，但持续时间短，如作 时间平均，则有无峰值的差异几乎表现不出来。对于这种形态的异常，可用峰值进 行判断。 3 3 2 无量纲参数指标 无量纲幅值参数只受概率密度函数的影响，不受轴承的结构参数和运转速度影 响，这些优点使之可以较好地完成轴承的疲劳诊断。 由此可知，无量纲量参数应该是由两个具有相同量纲的量的比值组成，对轴承 振动信号进行幅值域处理最常用的有量纲指标有均方根值、峰值、均值等。而无量 纲指标由信号的幅值参数演化而来。在滚动轴承故障诊断中，最常用的无量纲参数 指标有： 1 ) 峰值因子c ( c r e s tf a c t o r ) ：峰值因子定义为峰值与均方根值之比，表示 波形是否有冲击的指标，其表达式为： 仁 嬲0 - 4 ) 从理论上可知，正常轴承振动信号的峰值因子大约为2 5 - 3 5 ，而损伤类轴承 的峰值因子大于3 5 ，一般来说，高于3 5 的峰值因子即预示着损伤。但在失效之 前，有时可记录到高达7 左右的峰值因子，所以峰值因子只是在信号有明显的脉动 性时才可靠。 由于波峰的值不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，所以正常异常的判断可非常 单纯地进行。此外，峰值因子不受振动信号的绝对水平所左右，所以传感器或放大 器的灵敏度即使变动，也不会出现测量误差。通过对波峰因数值随时间变化趋势的 监测，可以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。 2 ) 峭度k ( k u r t o s i s ) 峭度是概率密度分布尖峭程度的度量，表示振动波形 中是否有冲击或尖峭程度的值。定义如下： t 4 k = 生! m 膦4 ( 3 - 5 、) 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 利用有量纲指标可以通过趋势分析简单直接地反映振动信号的幅值和能量变 化情况，判断故障。但是，这些特征值对于故障早期情况反映不敏感，因为引发的 附加振动呈轻微冲击特点，信号振幅和能量增加不明显，只有当故障发展到一定程 度，对振动产生一定程度影响才有效果。相比之下用信号的高阶偶次矩构成的特征 量对于信号中存在的微小冲击成分比较敏感，峭度指标是信号的四次矩，反映信号 概率密度函数的不对称程度和陡峭程度，反映振动信号中大幅值成分的影响。 振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度值约为3 。随着故障的出现和发 展，峭度值具有与波峰因子类似的变化趋势。此方法的优点在于与轴承的转速、尺 寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断。峭度是不够敏感的低阶矩与较敏感 的高阶矩之间的一个折中特征量，如果轴承圈出现裂纹，滚动体或轴承边缘剥裂等 在时域波形中都可能引起相当大的脉冲度，用峭度作为故障诊断特征量是有效的。 3 ) 脉冲因子i ( i m p u l s ef a c t o r ) ：脉冲因子定义为峰值与绝对平均值之比。 脉冲因子的表达式为： l ， i = “蹦 ( 3 6 ) ，。 当脉冲因子值较大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而其值过小时，则有可能发 生了磨损。 4 ) 裕度因子l ( c l e a r a n c ef a c t o r ) ：裕度因子定义为为峰值与均根方值之比， 其表达式为： v， l = “蹦 ( 3 7 ) 4r 裕度指标和峭度指标对于冲击脉冲类故障比较敏感，特别是故障早期时，它们 有明显的增加；但上升到一定程度后，随着故障的逐渐发展，反而会下降，表明它 们对早期故障有较高的敏感性，但稳定性不好。 5 ) 波形因子s ( s h a p ef a c t o r )波形因子定义为均方根值与绝对平均值之比。 该值也是用于滚动轴承简易诊断的有效指标之一，其表达式为： 一x 呲。 一 7 x 。 ( 3 8 ) 表3 1 是无量纲参数指标的比较。用无量纲参数指标判断滚动轴承故障基本上 不受轴承型号、转速和载荷等因素的影响，无需考虑相对标准值或与以前的数据进 行比较；另外，它们不受信号绝对水平的影响，所以即使测点较以往的地方略有变 动，也不至于对诊断产生太大的影响。 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 表3 1 无量纲参数指标的比较 序号幅域参数敏感度稳定性 1 波形因子s差好 2峰值因子c一般一般 3 脉冲因子i较好一般 4 裕度因子l好一般 5峭度指标k 好好 6 均方根值较差较好 3 4 振动信号的冲击脉冲分析 3 4 1 冲击脉冲的基本原理 两个物体相互碰撞会产生一定能量的震动，这种震动不是连续的，而是以压力 波的形式传递并呈脉冲状态，这种由于接触面上的物体发生碰撞面产生的震动称为 冲击脉冲。当滚动轴承存在缺陷时，在运行中因受滚动体冲击而产生宽带高频冲击 脉冲震动，冲击脉冲产生的高频压缩包在金属内部传递给轴承座，被放置在那里的 传感器所接收，经处理显示轴承的冲击脉冲值，据此即可判断轴承状态。 轴承的冲击震动激起其固有频率的减幅振荡，经轴承座传播到加速度传感器 上，这个震动的幅度与轴承故障的严重程度成正比。对此加速度信号进行采集，经 过带通滤波器，滤除轴承附近的中低频的机械干扰，只让反映冲击脉冲振动的高频 成分通过，其高频信号经过可调衰减器和放大器，再经包络检波得到解调后的信号， 对此信号进行分析处理，最终显示出冲击脉冲值来确定轴承的运行状态。采用冲击 脉冲诊断滚动轴承，只能判明其总体的状态，不可确定其中哪个元件损坏，这在生 产现场设备中已经足够，因为对于滚动轴承来