异步电动机滚动轴承外滚道故障诊断新方法.pdf

异步电动机滚动轴承外滚道故障诊断新方法屈乐伟(大庆炼化公司电仪运行中心黑龙江大庆)摘 要 针对现有电机电流信号()诊断技术不能有效地对外滚道进行识别且在电机空、轻载工况下仍面临着难以有效识别的难题现拟研究一种利用多个转频脉宽调制成分对外滚道进行识别的新方法 并与其它以 为基础的诊断方法进行对比得出结论此方案关注的是故障对转频调制成分的影响不仅能对微小的外滚道故障进行诊断还能在感应电机的空载或轻载工况下发挥作用 关键词 异步电动机电机电流信号分析定子电流转频多调制分量:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()()().引言电动机具有结构简单工作可靠使用寿命长等特点在农业、商业和工业中得到了广泛的应用 其中轴承故障占感应电动机故障的 左右是电动机故障中最多的一种 因此如何对电动机的初次出现的轴承故障进行诊断就显得非常关键 目前轴承的故障诊断已成为世界范围内的热门课题其核心问题是如何在时间域、频率域、时频域、深度学习相结合的基础上实现对轴承的故障诊断 振动信号的频谱分析是一种准确可靠的外滚道故障检测手段但其缺点是需设置传感器价格昂贵易损坏且在一些场合设置传感器难度较大从而制约了其广泛应用 定子电流是一种无创的检测手段近年来利用定子电流检测技术对轴承进行故障诊断已成为一种新的研究方向利用电机振动信号中存在的特征频谱分量利用 (移动信号分析)理论建立一种新的电机振动信号检测技术 通用 算法一般包括以下几个步骤:()在电动机处于平稳状态下对电动机单相电流进行采集()用快速傅里叶变换法在频率域上对电机的定子电流信号进行了研究()根据故障的特征频谱分量对其进行了判断 但是由于定子电流信号在电动机的实际操作中含有多种类型的复合噪声其成因主要有:基频谱泄露、电机三相不平衡、供电电压波动、负载波动、转子内在的气隙偏心等加之轴承故障所造成的定子电流变化非常弱从而造成了信噪比极低 如何对轴承工作状态的信号特征进行高效提取以改善其信噪比是 技术研究的重点和难点针对故障的特征频率成分及其调制信号进行的在轴承小故障、电机空载和轻载等工况下都不适用 针对异步电机的特点提出了一种利用多个转频调制成分对感应电机轴承进行故障诊断的新方法 首先利用改进的 函数对多个频率调制成分进行振幅分析再利用故障指标来判别轴承的故障 由于转频调制成分与基础成分在频率上存在很大差异所以无需对基础成分进行过滤只需对基础成分做一个精细的 变换即可实现故障的诊断 其基本思想是采用齿槽谐波()探测方法估算出电动机的转角频率获取多种转角频率调制成分所对应的频率利用傅里叶函数得到各成分在该范围内的频谱从而得到轴承的失效指标从而判定轴承的失效与否这种方法具有较低的计算量能对微小的轴承故障进行辨识对感应电机的空载和轻载都能起到很好的效果 轴承故障时的振动及定子电流特征分析 在异步电机中滚动轴承具有不可抗拒的优点 滚子轴承主要包括外滚道内滚道在轴承中外滚道故障是最常见的一种故障形式.故障轴承振动信号的特征频率在轴承出现压痕、点蚀、剥落等局部破坏型故障时在轴承旋转过程中由于滚动体穿过轴承破坏点将会在支座上形成一种冲击脉冲这种冲击脉冲将会在支座上形成一种宽频带的冲击脉冲这种冲击脉冲必然会影响支座的频率从而产生谐振从而使支架发生碰撞震动 用滚动轴承的匀速转动这种冲击具有一定的周期特性并且在振动信号的频谱上在故障频谱上有一系列的峰值部分损坏类型的故障多见于外滚道、内滚道而感应电机用的轴承由于滚道处于静止状态内滚道处于转动状态外滚道的损伤要大于内滚道所以外滚道经常会首先发生失效 外滚道故障的固有频率是()()式中 滚动物体的个数三相感应电机的旋转频率也就是转子旋转速度/用/表示滚子的直径滚子的接触角度.故障轴承定子电流信号的特征频率由于在轴承外部滚动条的特征频率 下所发生的转动偏心率使得电动机的电感会发生周期的改变从而使定子的电流中出现成分的频率为 ()式中电源的频率实际情况是在感应电机外滚道故障的情况下定子电流中会产生一组频率调制成分 此转换调频成分频率 ()另外还可以利用感应电机定子电流的频率特性对感应电机外滚道的故障进行识别 下面将说明关于转频率调制成分的产生.齿槽谐波检测由式()可以看出为了求出所述滚动轴承外滚道的所述转动频率调制成分的所述频率必须预先知道所述转动频率 而所述转动频率可以用所述齿槽的谐波检测来实现在电动机的工作状态下转子齿槽的谐波和基础频率的气隙之间存在着相互影响从而导致了转子齿槽的产生 以频率、电机极对数 与转子槽数 为依据可确定电机转差率 和转频 ()()()多个转频信号成分进行轴承外滚道故障诊断的方法 电机定子外滚道出现异常时其异常现象与电机转子静态、动态及混合偏心率等多种类型的异常现象密切相关但其异常现象的形成机制尚不明确由于电动机本身都会带有一定程度的内在偏心所以如果出现了外部滚道的问题那么这个问题就会进一步地扩展反映到定子的电流中就是多个频率的调变成分的能量扩展.因外滚道缺陷引起的不均匀度假设在外滚道角处在 的地方有一个凹陷或形成一个槽口 如图()所示在滚动体不与外滚道故障位置相接触时不考虑电动机的设计误差使转子处于完全对中状态因此空气间隙长度 可为常量 如图()所示在滚动块接触到外滚道失效位置时因滚动块接触到外滚道失效位置转子发生了径向运动造成了空气间隙的不对称 这时空气间隙的长度可以用()来大致表达其中 是外滚道失效所造成的相对不对称因此空气间隙的长度为()()()a()b图 轴承外滚道缺陷引起径向转子移动当转子周期旋转时滚珠体也会周期地通过外滚道这时轴承的气隙会随时间变化而变化气隙的大小会随时间而变化 在外滚道失效的条件下通过狄拉克函数的引进可以得到空气间隙的大致表达式()()式中 为球通过外滚道失效位置的数量.转频调制分量通过式()中可以看出当滚动主体与外滚道失效位置相接触时转子出现了静不对称 另外新研制的电动机因为生产技术等因素都有不同程度的动、静偏心其总体偏心率一般都在以下 另外从已有的资料来看随着静偏心率的增大动偏心率的增大也可看作是静偏心率的副产物 因而当感应电机外滚道出现故障时将出现不同程度的混频偏心现象且随外滚道故障的恶化而加剧在低频层面上只有混合偏心程度的增大可以引起定子电流中的混合偏心也就是如果发生了某种程度的混合偏心就会在定子电流中产生转频调制成分 ()以一台 极电动机为试验对象发现当电动机有混合偏心故障(.的站立偏心和 的动态偏心)时在定子电流的频谱图中会有 和的转频调制部分 当发动机的混合偏心故障程度增大(静态偏心为.动态偏心为.)时在定子电流的频谱图中会有、和的转频调整成份、频率成份的幅值也会增大为此本项目拟利用三相感应电机的定子磁通和多个频率的多个调变成分建立一种新型的三相电机的外滚道故障识别算法.基于转频多调制分量的滚动轴承外滚道故障诊断方法此方法的具体内容包括以下五个方面:数据采集、转频调制频率计算、频谱分析、故障指数计算和故障判定如图 所示?/n1 2.2ini=1/n2ini=1图 故障诊断流程图其中的重要措施是:()对电机的定子流进行采集()用沟道的谐波探测法估算电动机目前的速度计算出转角频率 ()从转换频率获得转换频率的转换频率()()用精细的 分析法测定各调制成分的幅度 这里:是每个已调成分在目前条件下的振幅 是指轴承在常规条件下的各个调变成分的幅度 是调节成分的数量()对滚动支承进行了故障指标的判定并对其进行了诊断在对敏感性和可靠性进行平衡的时候在设定故障临界点的时候可以参考继电保护中可靠系数的理念所以在设定故障临界点时本文将故障临界点设定在.实验及结果分析.实验接线和数据采集三相异步马达的机型是 其规格是规格是 规格是.极对数是 并使用了 的滚子轴承它的外径为 内径为 滚动轴承节径 滚子数量 滚子的尺寸为 接触角 试验线路如图 所示图 实验接线图在图 中我们可以看到一个有缺陷的轴承它是用一台线切割机床在滚动轴承的外滚道上加工出一个.深、一个.深、一个 宽的沟槽以作为对滚动轴承外滚道的破坏它的严重程度可以分为“轻微”和“严重”两个等级（?）?a（?）?b图 故障轴承在同样的一台异步电动机上对轴承正常和上述两种条件下的轴承进行了测试并将异步电动机的负载状况设定为满载、半载、空载对其进行了转差率分别为 .、.、.并对其进行了采集对所测量到的数据展开了频谱分析 本文所提方法不但可以诊断出轻微的外滚道故障而且在异步电动机空载或轻载运行条件下仍然奏效 结语本文针对感应电机外滚道出现的一种新的故障现象即定子电流中存在的一种频率调制成分对其成因进行了研究并将其应用到感应电机外滚道的故障诊断中()在外滚道故障下转子磁通会产生周期混杂从而使转子磁通中产生一组频率变换成分基于 调制成分的故障检测方法可用于 对及以上的电机而 对极时电机的 调制成分与基波(谐波)十分相近其频谱特征会被基波(谐波)所掩盖()与常规的 法相比该方法不仅能对微小(外滚道有.深度 沟槽)的外滚道外滚道进行诊断还能对感应电机在无负载和轻负载工况下进行有效的检测()对其它形式的滚动轴承故障进行诊断也具有一定的借鉴意义()在电机没有出现转子偏心的条件下提出了一种基于感应电机的故障诊断算法 感应电机转子离心区故障时如何判断其外滚道故障仍需深入探讨参考文献 宋向金王卓胡静涛等.解调制方法诊断异步电机轴承故障.电工技术学报():.侯新国刘开培卜乐平.感应电动机轴承故障检测的相关分析方法.电气传动():.作者简介:屈乐伟 男 年生毕业于中国农业大学电气工程及其自动化专业现从事电气工作.收稿日期:(上接 页)方式的对转永磁电机气隙磁场性能研究.四川大学学报(工 程 科 学 版)():./.贾金信杨向宇曹江华.基于田口法的内嵌式永磁电动机的优化设计.微电机():.作者简介:杨松 男 年生毕业于哈尔滨工业大学电机与电器专业现从事核级泵阀设计工作.收稿日期: