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船舶感應(yīng)電機(jī)軸承故障診斷方法的幾點(diǎn)研究

2012-10-10

作者：鄭海志
（黑龍江省航道局）
　　摘　要：對(duì)于船舶電機(jī)軸承故障診斷的方法選擇上，首先，通過(guò)對(duì)目前感應(yīng)電機(jī)的故障診斷方法進(jìn)行比較及回顧，分析哪種方法更適合于船舶感應(yīng)電機(jī)軸承故障的診斷。船舶感應(yīng)電機(jī)常見(jiàn)故障分為：軸承故障、定子故障、轉(zhuǎn)子故障、氣隙偏心故障等等；感應(yīng)電機(jī)的故障診斷早在20世紀(jì)70年代開始就已經(jīng)有研究文章面世，在其后的40多年里，有關(guān)感應(yīng)電機(jī)的故障診斷技術(shù)及方法層出不窮，下面就對(duì)這些方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的探討。
　　關(guān)鍵詞：船舶；電機(jī)；軸承；故障；診斷；方法
　　0　引言
　　感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，故而在船舶上得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電機(jī)常見(jiàn)故障中軸承故障的發(fā)生幾率高達(dá)41%，一旦電機(jī)發(fā)生故障，就可能導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的服務(wù)中止，從而威脅船舶航行的安全。其中軸承故障是電機(jī)故障中發(fā)生概率Z高的，因此本文針對(duì)船舶感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軸承故障的診斷方法展開研究。
　　1　溫度診斷方法
　　通過(guò)安裝在繞組里，或嵌入在絕緣層里的傳感器，來(lái)測(cè)量溫度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的故障診斷。如果電機(jī)的通風(fēng)狀況良好，同時(shí)考慮環(huán)境溫度對(duì)電機(jī)的影響，溫度的測(cè)量可以采用基于熱模式或者定子電阻的模式。基于空間靜電荷的建立現(xiàn)象，利用熱梯度（ThermalstePMethod，TsM）來(lái)監(jiān)視定子繞組絕緣的老化現(xiàn)象，同時(shí)測(cè)量反映能量級(jí)別的熱激勵(lì)泄放電流（Thermally stimulated Discharg currents TSDO)，通過(guò)將TSM和TSDC結(jié)合在一起，可以預(yù)報(bào)定子繞組的絕緣壽命。對(duì)于低壓感應(yīng)電機(jī)，通過(guò)采用非破壞性的診斷設(shè)備如塑料光纖（PlasticOPticalFiber，PoF）來(lái)評(píng)測(cè)絕緣層的老化，該方法是通過(guò)對(duì)兩個(gè)不同的紅外波長(zhǎng)上的反射吸光率變化來(lái)進(jìn)行評(píng)測(cè)的。
　　2　振動(dòng)診斷方法
　　電機(jī)定子的振動(dòng)是定子繞組匝間短路、單向運(yùn)行、欠壓運(yùn)行等的函數(shù)，在電磁力矩和定子之間的諧振是引起電機(jī)噪聲的主要原因。
　　2.1 定子異常產(chǎn)生的電磁振動(dòng)
　　電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)，由于定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，定子機(jī)座將受到一個(gè)旋轉(zhuǎn)力波的作用，而發(fā)生周期性的變形并產(chǎn)生振動(dòng)。定子電磁振動(dòng)的特征振動(dòng)頻率為電源頻率的2倍。
　　2.2 氣隙偏心引起的電磁振動(dòng)
　　氣隙偏心有兩種情況，一種靜態(tài)偏心，另一種是動(dòng)態(tài)偏心。靜態(tài)偏心是由于電動(dòng)機(jī)定子中心與轉(zhuǎn)子軸心不重合造成的。而氣隙偏心是由轉(zhuǎn)軸撓曲或轉(zhuǎn)子鐵心不圓造成的。這兩種偏心都能引起電磁振動(dòng)，但是振動(dòng)的特征并不完全相同。靜態(tài)氣隙偏心的電磁振動(dòng)頻率是電源頻率的2倍，而動(dòng)態(tài)氣隙偏心的振動(dòng)頻率在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速頻率都可能出現(xiàn)。
　　2.3 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常引起的電磁振動(dòng)
　　鼠籠型感應(yīng)電機(jī)因籠條斷裂，將產(chǎn)生不平衡的電磁力，其性質(zhì)和轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心的情況相同，它引起的電磁振動(dòng)也和轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心相似，較難辨識(shí)。
　　2.4 轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)
　　電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻時(shí)，產(chǎn)生了重心位移，不平衡質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生單邊離心力，引起了變化的支承力，電機(jī)運(yùn)行變得不穩(wěn)定了。由轉(zhuǎn)子不平衡造成的機(jī)械性振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速頻率相等。
　　2.5 軸承異常產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)
　　由于電機(jī)滾動(dòng)軸承損壞、設(shè)計(jì)制造中誤差，在運(yùn)行中將會(huì)出現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)，每種規(guī)格的滾動(dòng)軸承，都有其一定的特征頻率。而滑動(dòng)軸承的振動(dòng)特征頻率略低于轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率的一半，通常為0.42-0.48。
　　3　基于參數(shù)辨識(shí)的方法
　　該方法通過(guò)對(duì)定子電壓u，以及定子、轉(zhuǎn)子電流X進(jìn)行測(cè)量，然后再基于擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)轉(zhuǎn)子的電阻及轉(zhuǎn)子電流的變化，來(lái)檢測(cè)故障的原因。
　　在線估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻以及轉(zhuǎn)子電流的奇變，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子故障的檢測(cè)，但應(yīng)用在不同類型的電機(jī)時(shí)，需要對(duì)電磁參數(shù)矩陣進(jìn)行修改。
　　4　瞬時(shí)功率分析法
　　由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率比較小，在輕載和空載狀態(tài)時(shí)更小，使故障特征難以突出，特別是轉(zhuǎn)子斷條在基頻成分周圍的邊頻容易被基波淹沒(méi)。為提出了基于瞬時(shí)功率信號(hào)頻譜分析的診斷方法。
　　瞬時(shí)功率包含一恒值分量及頻率為Zsf的波動(dòng)分量，恒值功率和電機(jī)負(fù)載和電機(jī)損耗有關(guān)。由功率表達(dá)式明顯可以看出，故障特征分量Zsf包含了電流信號(hào)中（1士Zs）f兩個(gè)分量的作用。因此，氣隙功率中Zsf特征分量包含了由于電機(jī)轉(zhuǎn)子故障引起的不對(duì)稱以及速度波動(dòng)的影響，把該特征分量的幅值與恒值功率的比作為分析電機(jī)轉(zhuǎn)子故障嚴(yán)重程度的指標(biāo)更為合理。
　　由于電網(wǎng)電壓不受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，瞬時(shí)功率中故障特征分量形式上與基于Hilbert變換的定子電流解調(diào)信號(hào)中相同，但實(shí)際上瞬時(shí)功率中既包含了電流的作用，又包含了電壓電流間的相位差φ的影響，其與負(fù)載大小、勵(lì)磁電流等有關(guān)，相對(duì)于定子電流的解調(diào)信號(hào)包含了更多的信息成分，也就是說(shuō)，功率譜對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)要比電流強(qiáng)。
　　另外，要濾除功率譜中恒值分量來(lái)凸現(xiàn)2sf故障特征信號(hào)也要比分析電流信號(hào)簡(jiǎn)單一些。但要想判斷出電機(jī)轉(zhuǎn)子故障并得出其嚴(yán)重程度同樣需要合適的處理算法。
　　上面的介紹的這幾種故障診斷方法中，溫度診斷方法屬于侵入式設(shè)計(jì)，振動(dòng)診斷方法本來(lái)是一個(gè)故障特征比較明顯的方法，同時(shí)還具有反映故障信息量大特點(diǎn)，但是在船舶這一特殊領(lǐng)域，由于船舶本身的共振，各種輔助機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)，導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)所攜帶的故障特征量中有嚴(yán)重的噪聲，甚至特征量其他振動(dòng)信號(hào)所淹沒(méi)；基于參數(shù)辨識(shí)的方法因?yàn)樾枰姍C(jī)的一些機(jī)械及電磁參數(shù)，因而不利于故障診斷系統(tǒng)的通用性；瞬時(shí)功率分析法和氣隙轉(zhuǎn)矩分析法均需要船舶感應(yīng)電機(jī)軸承故障診斷系統(tǒng)的研究時(shí)采集定子電壓和電流，因此測(cè)試電路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)電壓電流信號(hào)的相位要求嚴(yán)格，采樣時(shí)必須保證各路數(shù)據(jù)的同步采樣，因而增加了故障診斷系統(tǒng)的組建難度，無(wú)法使故障診斷方式得到普及。對(duì)于實(shí)際工作中遇到的情況，應(yīng)考慮不同狀況進(jìn)行分析應(yīng)用何種方法。
來(lái)源：《民營(yíng)科技》 2011年第6期