（电力电子与电力传动专业论文）船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究.pdf

英文摘要 r e s e a r c ho nb e a r i n gf a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rm a r i n ei n d u c t i o n m o t o r a b s tr a c t a tp r e s e n t , t h ei n d u c t i o nm o t o rh a sb e e na p p l i e dw i d e l yo i lv e s s e l ，o w i n gt oi t s k g hr e l i a b i l i t y , s i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t o n c em o t o rh a sf a u l t s ，p r o p e l l i n gs y s t e m a n dp o w e rs y s t e ms t o pp o s s i b l y t h e ni tw i l lt h r e a tt h es e c u r i t yo fm a r i n en a v i g a t i o n 。 b e a r i n gf a u l th a st h eh i g h e s tp r o b a b i l i t yi na l lf a u l t so fm o t o r s ot h i sp a p e rr e s e a r c h e s t h eb e a r i n gf a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rm a r i n ei n d u c t i o nm o t o r t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri sc o n f i r m i n gt h ed i a g n o s t i cm e t h o do f b e a r i n gf a u l t , r e s e a r c h i n gh o w t op i e ku pt h ec h a r a c t e ro fb e a r i n gf a u l ta n dm a k i n gu po ft h eo n - l i n e d i a g n o s i ss y s t e mo f b e a r i n gf a u l tf o rm a r i n ei n d u c t i o nm o t o r t h r o u g ha n a l y z i n ge x i s t i n gm e t h o do ff a u l td i a g n o s i s ，a n dc o n s i d e r i n gt h ee s p e c i a l o p e r a t i o nc o n d i t i o no i l v e s s e la n dt h ec h a r a c t e ro f b e a r i n gf a u l tf o ri n d u c t i o nm o t o r , t h i s p a p e rc h o o s e sm o t o rc u r r e n ts i g n a t u r ea n a l y s i s ( m c s a ) t od i a g n o s eb e a r i n gf a u l tf o r m a r i n ei n d u c t i o nm o t o r m o t o rc h m e n ts i g n a t u r ea n a l y s i se s t a b l i s h e sf u n c t i o nb e t w e e n t h ec h a r a c t e ro fb e a r i n gf a u l tw i t ht h ee i g e n f r e q u e n c yo fm o t o rc u r r e n t a sl o n ga s p i c k i n gu pt h ec h a r a c t e ro fb e a r i n gf a u l ti nm o t o rc u r r e n t , t h eb e a r i n gf a u l tf o rm a r i n e i n d u c t i o nm o t o rc a nb ed i a g n o s e d t h ec h a r a c t e ro fb e a r i n gf a u l tf o rm a r i n ei n d u c t i o nm o t o ri se x t r a c t e dd i f f i e n l f l y , b e c a u s ei ti sv e r yw e a ka n dp o l l u t e db yn o i s e c o m p a r i n gf f rw i t hp o w e rs p e c t r u m e s t i m a t i o n , t h i sp a p e rc h o o s e si m p r o v e dp e r i o d o g r a m ( w e l c h ) t op i c ku pt h ec h a r a c t e r o fb e a r i n gf a u l tf o ri n d u c t i o nm o t o r f o rt h eb e t t e re f f e c t ，i td o e ss o m es i m u l a t i o n a n a l y s i st oc h o o s ew i n d o wf u n c t i o n ，s u b s e c t i o nn u m b e ra n ds a m p l i n gn u m b e r t h i sp a p e rc h o o s e sh a l ld e m e n tt om e a s 琳em o t o rc u r r e n ti nt h ed i a g n o s i ss y s t e m 。 d 婷t a ls i g n a l p r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e dt o p r o c e s s i n gs i g n a l p r o f i b u s d ps l a v es t a t i o nc o n s t i t u t e sd i s t r i b u t e df a u l td i a g n o s i ss y s t e m t h i sp a p e rm a k e sa dc o n v e r s i o nf o rt h es i g n a la n dd e s i g n st h ep r o g r a mo f i m p r o v e dp e r i o d o g r a m ( w e l c h ) i nt h ed i a g n o s i ss y s t e m 。a l s ot h i sp a p e rc o m p l e t e st h e 荚文摘要 s o f t w a r ed e s i g no fp r o f i b u s d ps l a v es t a t i o n , c o m p i l e sg s d o fs l a v es t a t i o na n d b u i l d st h ef i e l db u sn e t w o r ko fp r o f i b u s k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ；m o t o rc u r r e n ts i g n a t u r ea n a l y s i s ；w e l c h ；f i e l d b u s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士顾士学位论文= ：趋趣蹙廛电扭毡丞趑瞳趁匦丕统的硒窥： 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：涨未牲邢 谚年弓月三垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 论文作者签名。日期：口；霉芎亏轳 日期：口r 年 月怕 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 第1 章绪论 船舶上，三相感应电动机因其可靠性高、结构简单、成本低，故而得到了广 泛的应用。普通的远洋船舶上，平均每条船舶有1 5 0 多台感应电机拖动着为动力 系统和电力系统服务的各种泵浦；而海洋作业平台以及工程船舶上，感应电机的 数量更是远远超过这一数目。一旦电机发生故障，不仅可能导致动力系统和电力 系统的服务中止，从而威胁船舶运行的安全；而且会带来较大的经济损失，因此 三相感应电动机的故障诊断显得尤其重要。 船舶感应电机常见故障分为【i 卅：轴承故障、定子故障、转子故障、气隙偏心 故障等。根据统计可知，船舶感应电机的各类故障的出现几率为【5 】：轴承故障的发 生概率为4 1 ，定子故障的发生概率为3 7 ，转子故障的发生概率为1 0 ，气隙 偏心及其它故障的发生概率为1 2 ，这其中轴承故障的故障发生概率最大，因此， 对感应电机的轴承故障进行研究有着非常重要的现实意义。 1 1 课题的意义 在船舶上，三相感应电机的日常维护管理一般依靠专门的管理人员定期的检 查和维护。数量众多的电机逐一检查下来需要很长的时问，在一定程度上增加了 管理人员的工作强度。 而定期维护就代表在电机运转一定的时间后，不管它是否出现问题都将对它 进行维护。根据电机类型和生产厂家的不同，不同的电机的维护周期也是不同的， 而船舶上的电机的维护只能全部按照最短的维护周期来实行。 船舶感应电机轴承故障在线诊断系统可以实现轴承故障的在线诊断，通过这 个系统可以大大减少管理人员的劳动强度，管理人员只要通过计算机就可以实现 对所有感应电机的监测，判断是否存在轴承故障，而不必在恶劣的环境下对电机 进行检查，而且只需要对出现故障的电机进行维修，不需要船舶定期对每台电机 都进行维护。 第1 章绪论 2 轴承故障诊断的现状 故障诊断技术是2 0 世纪6 0 年代以后随着传感器技术、计算机科学的发展才 逐步发展起来的，轴承的故障诊断是故障诊断的一部分。在国外，欧美曰等国在 故障诊断方面的研究和应用处于领先地位。 美国是最早开展机械故障诊断技术的国家。1 9 6 7 年在美国宇航局( n a s a ) 和海军研究所( o n r ) 的倡导和组织下成立了美国机械故障预防小组( m f p g ) ， 开始有组织、有计划地对诊断技术分专题进行研究。19 7 0 年m f p g 正式划归美国 国家标准局领导。此后2 0 多年很多学术机构、政府部门以及一些高等院校和企业 都参与或进行了与本行业有关的诊断技术的研究，取得了大量的研究成果。与此 同时还出现了一些专业性的诊断仪器和检测系统制造厂商。璺前美国的机械故障 诊断技术在航空、航天、军事、核能等尖端部门仍处于世界领先的地位。 英国于七十年代初成立7 机械保健中心( m 丑涯c ) ，它在发展与推广机械故 障诊断技术方面取得了很好的成效。豳前英国在摩擦磨损、汽车、飞机发动检测 和诊断方面仍有领先的地位。欧洲其它一些国家的机械故障诊断技术发展各有特 色。如瑞典s p m 公司的轴承监测技术，a g w m a 公司的红外热象技术，丹麦b & k 公司的振动、噪声监测技术，挪威的船舶诊断技术等都各有于秋。 日本的诊断技术也在七十年代中期开始起步并快速发展，其特点是在民用工 业如钢铁、化工、铁路等部门占有较大的优势。 我国自8 0 年代中期开始设备故障诊断技术的研究。从整体看，尚属于跟随性 发震研究，健在一些领域也取褥了丰硕翡成果，并已形成高校、研究新及工厂静 梯队式研究、开发和应用层次。 轴承主要分为滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承与滑动轴承相比较有许多 优点，所以滚动轴承的应用时间虽晚于滑动轴承，但是绝大多数感应电机采用的 却都是滚动轴承，以下文章里的轴承帮代表滚动轴承。圈圭。薹是滚动轴承的结橡 示意图【6 】。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。 内鼷与井圈之闻装有若干滚动体，通过保持架使滚动体保持一定阆隔，进行嚣滑 的滚动。使用时，内网装在轴径上，外圈装在轴承孔内，通常是内圈随轴转动， 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 外圈固定。滚动体是滚动轴承的核一t l , 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，它起着降低接触力和限制滚 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。 图1 1 滚动轴承结构示意图 f i g 1 1t h e s t r u c t u r ev i e wo fr o l l i n gb e a r i n g 轴承起着承受载荷和传递载荷的作用，其运行状态是否正常往往直接影响到 电机的整体性能。另外，轴承有一个很大的特点就是它的寿命离散性很大，即有 的轴承己大大超过设计寿命而依然完好地工作，而有的轴承远未达到设计寿命就 出现各种故障。因此，改变原有的定期维修方式为在线诊断方式，可以减少或杜 绝事故的发生，最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支。 电机轴承故障的产生往往和电机安装过程中的措施不当有关，导致轴承损坏 的原因主要有：异物进入、润滑不良、内外环倾斜、保持架受载、异常推力载荷、 装配不良以及电蚀等原因。轴承故障一般分为内圈故障、外圈故障、滚动体故障 和保持架故障四种。 滚动轴承故障诊断技术的发展，经历了以下四个阶段1 7 j ： 第一阶段：利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代中期，由于 快速傅立叶变换( f f t ) 技术的出现和发展，振动信号的频谱分析得到了很大的发展。 鼹潍藉滋鬻鹚_ 耩鬻誓。 一辫爨爨褫鬣黼蒸鬻一一 一 第l 章绪论 入们根据对滚动轴承元件有损伤时产生的振动信号特征频率的话算和采用频谱分 析仪实际分析得到的结果进行比较来判断滚动轴承是否有故障。 第二阶段：利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。在6 0 年代末期，首先由瑞典s p m 仪器公司开发出冲击脉冲计，根据冲蠢脉冲的最大幅值来诊断轴承故障。这种方 法能比较有效的检测到轴承的早期损伤类故障。 第三阶段：利用共振解调技术诊断轴承故障。1 9 7 4 年，美国波音公司的 d r h a r t i n g 发明了一项硝傲“共振解调分析系统的专利。共振解调技术与冲击 脉冲技术相比，对轴承早期损伤类故障更有效。共振髂调技术不但能诊断出轴承 是否有故障，而且可以判断出故障发生在那个轴承元件上以及故障发生的大致严 重程度。 第四阶段：开发以微视为中心的滚动轴承监视与故障诊断系统。2 0 世纪9 0 年 代以来，随蔫微机技术迅猛发展，开发以微机为中心的滚动轴承故障诊断系统弓l 起了国内外研究者的重视。微机信号分析和故障诊断系统不但具有灵活性高，适 应性强，易于维护和升级的特点，而且易于推广和应用。 因此，开发以微机即p c 机为中心的电机轴承故障在线诊断系统适应了技术发 展的潮流，是时代发展的要求，代表着新时代的新技术。 1 3 本论文所作的主要工作 本文首先欲感应电祝的几种故障诊断方法的分析出发，讨论了噼种诊断方法 更适合于轴承故障的诊断，然后研究了轴承故障特征如何提取出来。在此基础上， 设计了船熊感应电枕轴承故障在线诊断系统，最后介缨了系统的硬件、软件及 p r o f i b u s 总线网络的实现。 确定诊断轴承故障的方法，研究如何提取轴承故障特征以及组建整个船舶感 应电机轴承故障在线诊断系统是本文研究的主要内容，论文主要分为以下几个部 分： ( 1 ) 确定轴承故障的诊断方法：对常用感应电机故障诊断方法进行分析，确 定用何种方法诊断轴承是否存在故障，选择能够反映轴承工作状态的信号。 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 ( 2 ) 轴承故障特征的提取：从测量的信号中提取出能够反映轴承工作状态的 有用信息。 ( 3 ) 诊断系统的硬件部分：设计定子电流采集电路，选取信号处理器件，组 建p r o f i b u s d p 从站。 ( 4 ) 诊断系统的软件部分：对信号进行a d 转换，设计w e l c h 周期图法的实 现程序，完成p r o f i b u s d p 从站的软件设计，并编写从站的g s d 文件，最后将 上位p c 机与d p 从站等组到p r o f i b u s 总线网络上。 第2 章船舶感应奄视轴承故障的诊断方法 第2 章船舶感应电机轴承故障的诊断方法 本章主要是解决选取俺种方法来诊断船舶感应电桃轴承故障，并在实验室环 境下人为设置轴承故障，计算出基于m c s a 方法的电机轴承故障特征频率。 2 1 轴承故障诊断方法的选择 首先，通过对嚣前感应电视的故障诊断方法进行比较及回顾，分析哪种方法 更适合于船舶感应电机轴承故障的诊断。 船舶感应电机常见故障分为：轴承故障、定子故障、转子故障、气陈偏心故 障等等i 感应电机的故障诊断早在7 0 年代开始就已经有研究文章面世，在其后的 多年里，有关感应电机的故障诊断技术及方法层出不穷，目前研究褥较多的方 法有以下几种：温度诊断方法、振动诊断方法、基于参数辨识的方法、瞬时功率 分析法、气隙转矩分析法、基于多传感器的数据融合方法、p a r k 空闻矢量方法 以及m c s a 定子电流特征分析方法。这几种方法各有各的特点。 ( 1 ) 温度诊断方法 通过安装在绕组里，或嵌入在绝缘层里的传感器，来测量温度的变化来实现 对电机的故障诊断f 8 】。如果电机的通风状凝良好，闭时考虑环境温度对电机的影响， 温度的测量可以采用基于热模式或者定子电阻的模式【9 】。基于空间静电荷的建立现 象，利用热梯度法( t h e r m a ls t o pm e t h o d ，t s m ) 来监视定子绕组绝缘的老纯现象， 同时测量反映能量级别的热激励泄放电流( t h e r m a l l ys t i m u l a t e dd i s c h a r g e c u r r e n t s ，t s d c ) ，避过将t s m 和t s d c 结合在一起，可以预报定子绕组的绝缘 寿命f 1 0 1 。对于低压感应电机，通过采用非破坏性的诊断设备如塑料光纤( p l a s t i c o p t i c a lf i b e r ，p o f ) 来评测绝缘层的老化，该方法是通过对两个不丽的红终波长 上的反射吸光率变化来进行评测的【l l 】。 ( 2 ) 振动诊断方法， 电机定子的振动是定子绕组匝间短路、单向运行、欠压运行等的函数【8 】，在电 磁力矩和定予之间的谐振是弓l 起电机噪声的主要原因弦潮。 1 ) 定子异常产生的电磁振动【1 5 j 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 电机运行时，转子在定子内腔旋转，由于定、转子磁场的相互作用，定子机 座将受到一个旋转力波的作用，而发生周期性的变形并产生振动。定子电磁振动 的特征振动频率为电源频率的2 倍。 2 ) 气隙偏心引起的电磁振动 气隙偏心有两种情况，一种静态偏心，另种是动态偏心。静态偏心是由于 电动机定子中心与转子轴心不重合造成的。而气隙偏心是由转轴挠曲或转子铁心 不圆造成的。这两种偏心都能引起电磁振动，但是振动的特征并不完全相同。静 态气隙偏心的电磁振动频率是电源频率的2 倍，而动态气隙偏心的振动频率在转子 转速频率和旋转磁场同步转速频率都可能出现。 3 ) 转子导体异常引起的电磁振动 鼠笼型感应电机因笼条断裂，将产生不平衡的电磁力，其性质和转子动态偏 心的情况相同，它引起的电磁振动也和转子动态偏心相似，较难辨识。 4 ) 转子不平衡产生的机械振动 电机转子质量分布不均匀时，产生了重心位移，不平衡质量在旋转时将产生 单边离心力，引起了变化的支承力，电机运行变得不稳定了。由转子不平衡造成 的机械性振动频率和转速频率相等。 5 ) 轴承异常产生的机械振动 由于电机滚动轴承损坏、设计制造中误差，在运行中将会出现机械振动，每 种规格的滚动轴承，都有其一定的特征频率。而滑动轴承的振动特征频率略低于 转子回转频率的一半，通常为0 4 2 0 4 8 ，：。 ( 3 ) 基于参数辨识的方法 文献【1 6 】是较早介绍基于电机模型，同时结合系统参数辨识的方法来检测出电 机运行期间的故障异常特征的。该方法通过对定子电压“，以及定子、转子电流x 进行测量，然后再基于扩展卡尔曼滤波估计转子的电阻及转子电流的变化，来检 测故障的原因。 戈，l 。= f 殳口。一b 口u 刀( 2 1 ) 一7 一 第2 章船熬惑应魄撬辘承藏障瓣诊嚣寿法 上式孛歹秀雅哥融矩簿，君隽邀磁参数雉阵。按爨该递蠡公式，萄虢褥趱毛。 的最小二桊估计值。e 然瑟按照下述的2 。2 至2 。6 式进括修正。 只+ l 矩揣f 雌p 牲l 以f ? 十g 球q 张g ； ( 2 2 ) e 槲= y 州一只t l 耜g 曩q 栉g ： ( 2 3 ) 露痰嚣= 嚣露薛只l l 箨h 靠t 蕤+ 震嚣 2 。4 ) 屉押+ l = 尸撑+ ll 村h ：。r 磊1 ( 2 5 ) 量+ l l 。l 娑曼霸+ 抖k 撵。1 e 嚣莉 i 2 ) 上式中，只l 撵楚滤波器的协方差矩阵；只粤鞋掸是预搬的协方蓑矩阵；台嚣积疋 避卡尔曼增益序列；以上递烟公式可阕于在线锸计电机的转子电阻以及转子电流 的裔变，从愿实现转予故障的检溅，但应用在不燕类型的电机时，需要对瞧磁参 数矩阵进行修改。 文献【1 7 】奔缮7 = 燕电枧数学模型鲍基础上，利羼解豁擐余来完成故障诊瓯，其 串残差的获褥是基予定子电流，和基于p a r k 剃并结合转速测量的电流预计值之 差，最后，利用小波方法对残差进行分析，从蔼盎戎故障螅定位，文献f l 端燹l j 是利 鲻符棒模型来完成参数的估计。文献f 1 9 】则是利用动态循环神经阏络结合转速测量 僵来完成计算电流的预计值，献焉形成残差，爨基通过对凡神常见故障熊实际应 用诞明了该方法豹讨行性。文献 2 0 - 2 2 1 方法各弹，最后都是通过对残差进行分析 褥获褥故障定位。基予参数辨识的方法誊一个共同的特点是需要瞧规的桃械或毫 磁参数，测燕的数据一般包括定子电聪、电流以及转速。 ( 4 ) 瞬时功率分撬法一 由于感成电动机额定运行时转差率比较小，在轻载鞠空载状态时更小，使故 障特征难以突墨，特嬲是转予凝条在基频成分髑嚣熬边频容易被基波淹没。失嚣， 文献【2 3 】提出了基予瞬时功率信号频谱分析的诊断方法。 令嚣毒嚣2c o s 细t 彬，b 、c 麴与煮耀分裂耀差：f 2 3 a - 。激褥嚣定 子端输入功率： 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 = p = u a i a + 矽u s + i s ，+ u c i c 3 v ic o sc o s ( 2 s c o t + 矽+ 口，) + ，c 。s ( 2 s c o t 一矽一a r 夕】( 2 7 ) = 矽+ ，+ 矽+ 口，) + ，c o s 一矽一 夕】 、厶 上式表明，瞬时功率包含一恒值分量及频率为2 s f 的波动分量，恒值功率和电 机负载和电机损耗有关。由功率表达式明显可以看出，故障特征分量2 矿包含了电 流信号中( 1 + 2 s ) f 两个分量的作用。因此，气隙功率中2 s f 特征分量包含了由于电 机转子故障引起的不对称以及速度波动的影响，把该特征分量的幅值与恒值功率 的比作为分析电机转子故障严重程度的指标更为合理f 2 4 之。 由于电网电压不受电机运行状态的影响，瞬时功率中故障特征分量形式上与 基于h i l b e r t 变换的定予电流解调信号中相同，但实际上瞬时功率中既包含了电流 的作用，又包含了电压电流间的相位差矽的影响，其与负载大小、励磁电流等有关， 相对于定子电流的解调信号包含了更多的信息成分，也就是说，功率谱对负载变 化的响应要比电流强【2 7 1 。 、 另外，要滤除功率谱中恒值分量来凸现2 s f 故障特征信号也要比分析电流信号 简单一些。但要想判断出电机转子故障并得出其严重程度同样需要合适的处理算 法一该方法不足之处在于：1 ) 功率计算需要测试电流电压信号，。因此测试电路 相对复杂；2 ) 电机功率是由电压电流乘积得到，其对电压电流信号的相位要求极 为严格，采样时必须保证各路数据的同步采样；3 ) 测试时误差的影响加上乘积运 算，将会使功率谱复杂化，可能会给故障特征的提取带来不便瞄1 。 ( 5 ) 气隙转矩分析法 感应电动机转子出现断条等不对称故障时，转子旋转磁场将被分解为正、负 序两个分量，正序分量与电机定子磁场相互作用形成一恒定转矩，而负序分量和 定子磁场作用将会形成2 矿分量谐波转矩2 9 1 ，气隙转矩中2 矿分量可以作为转子故 障特征信号。 z 潮= p 似a 一 c ，芦屯) ( 2 8 ) 其中：缈n 乒= j 0 一r i a p 膨。 一9 一 第2 章豁靛感应电机辘承故障兹诊骞葫该 电视稳态运行潜，忽略定子铁心损耗，剃气隙转矩与定子端输入功率成角速 度倍数关系。其包含了瞬时功率分析法的优点，即转子故障信息量大，但转矩计 算包含积分运算，懑予测试装置带来的误差，采集到麴电机电压、电流中含有徽 弱的波动成分，通常情况下，电机磁链数值都很小，这些波动成分对磁链数值的 影响很大，结果会使气豫转矩中含有憾值、工频、二倍工频分量，造戒电机转矩 强烈的波动，相对予功率分析法，基于气隙转矩的分析方法似乎没有优越性【2 钔。 ( 6 ) 基于多传感器於数据融合方法 多传感器数据融合的概念最早出现予上世纪7 0 年代的军事领域，经过近几十 年的研究和发展，西前已经在包括遥感、机器入、医学和工业等很多非军事领域 得到重视和研究，并且也有许多实际应用。应用多传感器数据融会方法的主要露 标是通过对多个传感器的数据融合得捌比单个数据条件下更精确、更确定甚至无 法得到的系统信息。 文献f 3 0 】较早地介绍了通过将电流和振动传感器进行数据融合从而完成故障 诊叛目的的方法。文献【3 l 】则具体介绍了将该方法应用子定子绕组甄闻短路故障鲍 诊断。该方法通过对电机振动信号和电流信号分别进行分析与处理，初步得到反 映电机定子故障的一些特征信息，然籍将这些信息进行融合处理，褥到准确表征 定予故障的故障特征。根据电机振动特性及电流信号谱分析特点，故障特征融合 具体分析算式必： 尺秽如) = eb ( 胛+ m 涉( 刀) 】 ( 2 9 ) 式孛：鬻为扳动信号解调预处理意的信号謦捌； y 为电流信号预处理后的信母序列； 爻信号茹与罗翡耀关序列； 箩为序列y 的共轭# 遁毫表示期望算子。 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 融合算法表达两种信号的相似性，当振动谱与电流谱具有相同的谐波分量时， 在其特征频率处其幅值增强，反之减弱。利用这一特性，能准确提取表征定子线 圈故障的故障特征分量，有助于定子故障的可靠诊断。 文献【3 l 】通过在电机的定子绕组线圈之间接入可调短路电阻，对该方法进行了 模拟仿真，模拟线圈绝缘下降造成的非金属性短路。通过仿真结果可看出：在2 s f 即1 0 0 h z 处，电机故障时与正常时相比，其幅值有显著增加，约为电机无故障时 的3 倍，而在其他频率分量处，由于其对故障的表征不具有致性，即不相关， 幅值减弱。与单纯利用电流分析法相比，特征更为明显，有利于故障的可靠识别。 ( 7 ) p a r k 空间矢量方法 a j m c a r d o s o 和e s s a r a i v a 在8 0 年代就开始研究利用基于定子电流的 p a r k 矢量方法应用在感应电机的故障诊断中【3 2 ，3 3 1 ，并利用p a r k 矢量方法先后就电 机的几种常见故障进行了方法的研究【3 4 3 5l ：单向运行、气隙偏t l , 、转子断条、转子 端环损伤、定子绕组匝间短路。 该方法早期的研究主要集中应用在由变频器供电的电机诊断中【3 8 1 ，随后的 研究证明该方法不仅适用于感应电机，而且对直流电机1 3 9 舯1 以及同步电机【4 1 】均适 用。 该方法的基本思想是把电机定子三相电流变换到d 、q 坐标系下f 4 2l ，即： f 2 1 1 o2 、_ l a 一万b 一万l 1 1 ! 一2 万6 一万l ( 2 1 0 ) 电机在三角形或没有中点的星形接线时，有屯= 一( f 6 + 之) ，电机正常运行时， 定子电流三相对称，上式可以简化为： f 。：j g - ，c o s d 2 丁瞄- i ：亚jc 。s g2 下c o s 二 ( 国r 一争) ( 2 1 1 ) 第2 牵船舷感应窀辊辘承赦蹲戆诊断方法 岛，岛形成的矢量的轨迹构成了_ 个中心在原点，半径为居的圆。电机转予 绕组发生故障露，忽略因速度波动孳l 入熬右边频分量辫】，爵褥： f 葶：虫pc 髓o + z ；e o s 娶一譬如f 一娃。b 卜季卜( 一扎c o s 0 山- - i , , 1 i ”) “。一量扩挖卜 。，；+ ，孑m 寻 歹2 十，尹+ 2 幸，幸，c 。s 2 冀mt + 口，) ( 2 1 3 ) 0 ，毛形戒的矢量酶孰迹构成一个椭莲，2 s c o t + a t 襄万分剐梵樵鎏长短轴。 显然，故障严重程度可用椭圆率来表永。该方法突破了传统的信号谱分析法，给 电梳故障诊断提出t 薪麓愚路。电撬爨现不同贻故薄时，椭圆0 9 长短轴鞫镳转方 向将会不同，因此该方法用于多种故障的识别比较有效。但是其也存在一些问题， 鲡椭圆率的度量，糕瑟奉与截障严重糕度具体靛露应关系，电抵敲漳徽弱时撼瑟 度很小以至很难检测到电机故障等。 比较图2 。l 嚣踅2 。2 可爨看出，转予断条凝数较少时，椭强度摄小，矢量匿藕 有变化，加上噪声的影响，直接很难判断出电机故障与否，必须附加有精确的椭 l o 。8 o 6 o 4 o 。2 0 亨o 2 0 4 国6 壤。鬈 1 t d a 瘸2 。l 电视正掌对豹定予电滚p a r k 矢爨圈 f i g 2 1p a r kv e c t o rg r a p ho f s t a t o rc u r r e n tw h e nm o t o ri sn o m a l 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 图2 2 转子两根断条时的定子电流p a r k 矢量图 f i g 2 2p a r kv e c t o r g r a p ho f s m t o rc u r r e n tw h e nr o t o rh a st w ob r o k e nb a r s ( 8 ) m c s a 定子电流特征分析法 从8 0 年代中后期开始，一种基于定子电流的特征分析( m o t o rc u r r e n ts i g n a t u r e a n a l y s i s ，简称m c s a ) 的方法得到了比较广泛的关注，从理论上讲，它可以解决 感应电动机除绝缘故障之外的其他大多数故障诊断【2 , 4 3 1 。由于m c s a 监测方法的 定子电流信号容易取得，可制成非侵入式，因此它是目前研究电机故障诊断最为 常用的方法。 m c s a 定子电流特征分析法将感应电机的常见故障与定子电流的频率之间建 立了函数关系，不同故障对应不同的函数关系，由于本文研究的是感应电机轴承 故障的诊断，因此这里只介绍m c s a 定子电流特征分析法如何提取轴承故障特征。 船舶感应电机轴承故障分为外滚道损伤、内滚道损伤、滚珠损伤、保持架损 伤四种。这些故障发生时引起电机转轴振动，转轴振动又引起电动机内膛气隙振 动，使气隙磁通受到调制，调制的磁通又在定子绕组中感生出相应的谐波电流， 因此，可以通过定子电流的波形分析，也即频谱分析，提取与振动水平相对应的 谐波分量，从而实现轴承故障的检测。文献【4 4 】分别针对轴承的具体部位的损伤给 出了轴承故障引起的转子振动频率： 对于外滚道损伤： 工= 耕一半 汜 第2 章艚麴感应鬯崴辘承故障蕊诊颧方法 对予瓣滚道损伤： 对于滚珠损伤： 五= 剐+ 掣 。 绲鳓 = 计( 掣 2 泡 对于保持架损伤； 兀= 甜一删 豫m 式2 薹4 至2 堇? 中：z 势转子概械麓速度； n 为滚珠数； 为滚珠壹径； d 。为滚动轴承带霭直径； 声为滚珠和滚道之间的角度； 在文献辨鬟中s c h o e n 贪缨了轴承的振动频率反映刭定子电流中酶特征频率毙； 无喈= i m y vf ( 2 1 8 ) 式孛：蠢秀供电电源频率； t z 为轴承的振动频率； 瓣= | ，2 ，3 ； 上面的介绍的这八种故障诊断方法中，温度诊断方法属于侵入式设计；振动 诊断方法本来是一个敲障特征毖较器量鳇方法，同肄还其有反映故障信息量大熬 特点，但是在船舶这特殊领域，由予船舶本身的共振，各种辅助机械的运转时 产生懿振动，导致振动信号掰携带缒故障特薤量孛! 有严重静噪声，甚至特征量被 其他振动信号所淹没；基于参数辨识的方法因为需要电机的一些机械及电磁参数， 因藤不利予靛障诊断系统的逶用性；瞬时功率分祈法和气隙转矩分析法均霈要弱 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 时采集定子电压和电流，因此测试电路相对复杂，对电压电流信号的相位要求严 格，采样时必须保证各路数据的同步采样，因而增加了故障诊断系统的组建难度， 无法使故障诊断方式得到普及；基于多传感器的数据融合方法是近一两年刚刚发 展起来的新方法，但是应用在船舶电机故障诊断这一领域，需要找到除定子电流 外的一种或多种携带丰富的故障特征量信息的物理量，同时在故障特征融合算法 方面，需要进一步的研究，该方法应该是将来的研究趋势；p a r k 矢量方法是目前 研究得较多的方法，同时也包含了大量故障信息，但是它需要两相定子电流信号， 需要的传感器数量较多，且椭圆率的度量方法仍不完善，因而适合应用于离线故 障诊断当中。而m c s a 定子电流特征分析法可以解决感应电动机除绝缘故障之外 的其他大多数故障诊断，它在电机的常见故障与定子电流的频率之间建立了函数 关系，因此只要能正确提取定子电流中的轴承故障特征，就可以实现船舶感应电 机轴承故障的在线诊断；除此之外，定子电流的测量电路是非侵入式，测试电路 简单。 所以本文采用m c s a 定子电流特征分析法提取船舶感应电机轴承故障的故障 特征。 2 2 基于m c s a 方法的轴承故障特征频率 现在选择一款电机，并在实验室环境下进行人为轴承故障的设置并进行定子 电流的采集，数据作为后面的轴承故障特征的分析依据，电机参数为：三相感应 电机，功率为3 0 k w ；额定电压为3 8 0 v ，频率为5 0 h z ，额定电流为5 7 a ；额定 转速为1 4 5 0 r r a i n ；极对数为2 ；轴承型号为6 2 0 6 。 利用m c s a 定子电流特征分析理论的公式( 式2 1 4 至2 1 7 ) 计算该电机的 轴承故障特征频率范围。其中轴承6 2 0 6 的部分参数为：滚动轴承节圆直径 勿= 4 6 r a m ；接触角= 0 。；滚珠直径= 9 6m m ；滚珠数= 9 。计算后的结果 如表2 1 所示。 第2 章船熊感应电视轴承敖障的诊断方法 表2 。1 骧承故障瓣熬特征频率表 t a b 2 ie i g e n f r e q u e n c yt a b l eo f b e a r i n gf a u l t 势滚邋损伤肉滚遵揍揍滚璩按臻傈持架损伤 3 98 66 51 9 7 m - - 1 1 4 21 8 31 6 63 0 6 1 2 82 2 21 7 94 4 4 m = 2 2 3 43 1 62 8 25 6 2 2 1 73 5 82 9 36 9 l m - - 3 3 2 7 4 4 9 碡0 s8 | 8 3 0 64 9 43 9 89 3 8 m = 4 4 1 95 8 25 1 41 0 7 4 3 9 56 3 05 2 31 1 8 5 雕 5 l l7 1 5 6 3 01 3 3 0 m c s a 定子电流分析法将电机的轴承故障与定子电流的频率特征量之间建立 了函数关系，但是，在裁用定子电流频率特征进行具体的轴承故障诊断时，震要 面临的问题是如何应对信号巾的强噪声，在强噪声环境下将轴承的故障特征提取 出来就威力下一个要解决的溺题。 - 1 6 船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究 第3 章轴承故障特征的提取方法研究 这部分主要研究如何在强噪声环境下提取轴承的故障特征，从而判断轴承故 障是否存在。 目前最常用的提取信号频谱特征的方法是计算信号的幅值谱或功率谱密度 ( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y ，p s d ) 函数，以此识别故障和诊断。f f t 计算的是信号 的幅值谱。 3 1 傅立叶变换 傅立叶( f o u r i e r ) 分析包括傅立叶级数( f o u r i e rs e r i e s ) 与傅立叶变换( f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ，r r ) ，是由法国科学家j ，bj o s e p hf o u r i e r 茗e 1 9 世纪初创立并发展 起来的- i , - j 学科，是理论分析与工程应用领域的一种重要工具。 傅立叶变换被广泛用于信号的分析和处理，是进行频谱分析的强有力的信号 处理工具。它既可以分析平稳的周期性信号，也可以分析暂态的非周期性信号， 其本质是将被分析信号用一系列谐波的叠加来表示。平稳的周期性信号的傅立叶 变换是离散的频谱，而暂态的非周期性信号的傅立叶变换的频谱则是连续的。在 实际应用中，对暂态的非周期性信号的采样相当于给该信号加了一个矩形窗，且 总是假定在矩形窗之外的信号是所加窗后的信号的周期性重复。 因此，对获取的一段非周期性信号的傅立叶变换也可以将该非周期性信号分 解成一系列的单频率谐波的叠加。与小波变换相比较，f o u r i e r 变换的最大特点是 它在时域中的分辨率为零，而在频域内却具有最高的分辨率。也就是说，对一个 被分析的信号，其傅立叶变换结果只是说明该信号中含有哪些频率成分，但却不 能说明这些频率分量各自在何时出现或何时消失湖。 3 1 1 傅立叶级数与傅立叶变换“1 令三2 ( o ，2 万) 表示( o ，2 万) 内的所有可测且满足f 。i 厂o ) l d t 0 是定值( 这里所说的最优是用测不准原理描述的) ，即 是我们常说的g a b o r 变换。s 1 r i 叮和g a b o r 变换的区别在于它的窗函数不局限于g a u s s 函数，g a b o r 变换只是s 1 r i 叮的一种特例而己。 g a b o r 变换或者s t f r 是把一维时域信号映射到了二维时频域，即由f 专c o , t ) ， 精确分解f ( t ) 的傅立叶变换，以便给出它的局部谱信息。s t f t 给出了信号时域表 示与频域表示之间的一种折衷，提供了在某一时刻某一频率发生的信息。这正是 很多应用场合所要求的特性。当然，这种局部信息的提供只能是一种近似方法， 它的精度取决于窗函数的大小。 窗函数的时频特性须从概率意义上理解，它的时窗与频窗中心定义为： 第3 章轴承故障特征的提取方法研究 o ) 1 2d r 恬删； 0 ) 1 2 d 刮嘲眨 3 6 其时窗和频窗半径( 窗宽) 分别为 r = 吼- t o ) 2 i g o ) 1 2 彬龇蹦2 h = 飞y l a ( 6 0 ) i 2 如蜘时2 7 窗函数g ( f ) 在时域和频域上的能量集中在k 一4 ，f o + 4 】i o ) 0 4 ，+ 4 j 范 围内，。和i 的大小表征着窗函数在时域和频域上局部化性质的好坏。另外， h e i s 锄e r g 测不准原理限定了g _ 1 2 ，即加窗f o 嘶e r 变换的g 和i 是固定不 变的，构成“刚性 窗，且当窗口函数为g a u s s i a n 函数时窗口取到最小面积1 1 2 ， 因此我们通常把加窗g a u s s i a n 函数称为“最优 时频窗。 s t f t z e - - 定程度上克服了兀 不具有局部分析能力的缺陷，但也存在着自身的 缺陷，即当窗函数确定后，时频平面上的矩形窗口的形状就确定了，我们只能改 变窗1 2 1 在相平面上的位置，而不能改变窗口的形状。可以说s t f t 实质上是单一分 辨率分析，若要改变分辨率，则必须重新选择窗函数。 3 1 3 快速傅立叶变换 快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 是离散傅立叶变换( d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 的一种快速算法。 为了将时域信号转换到频域中去分析