機器振動特征分析（4）

1、機器振動特征分析（4）,交流感應電動機故障,電動機故障,MCSA電動機電流分析，是振動分析的強有力的支持技術(shù)。 不僅可證實存在故障，還可評定故障的嚴重程度。 振動分析和電流分析技術(shù)組合起來還可指出故障的原因。 有效的專家診斷軟件。 在電流分析或振動分析評定電動機故障時，純的機械故障可能使電動機“呈現(xiàn)”為有明顯的電氣故障問題(例如，嚴重不對中的軸可在電流分析中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子與定子之間變化的氣隙的效果)。因此，這些試驗指出存在電氣

2、故障問題時，在把電動機送出去之前，應該首先進行詳細的振動分析，檢查是否存在機械故障問題，以免本來不必要的電氣修理。 首先應修正這些機械故障問題(不平衡，不對中，軸彎曲等)。然后，重新進行電動機電流分析和振動分析，評定在解決了機械問題后電動機的電氣狀態(tài)。,感應電動機振動分析,用振動分析可以檢測的某些故障問題包括： 1．定子偏心，短路的鐵芯片和松動的鐵芯； 2．轉(zhuǎn)子偏心(可變的氣隙)； 3．轉(zhuǎn)子故障(斷的或裂的轉(zhuǎn)

3、子條或短路環(huán)，短路的轉(zhuǎn)子鐵芯片，松動的轉(zhuǎn)子條等)； 4．轉(zhuǎn)子的不均勻的局部受熱造成的轉(zhuǎn)子熱彎曲； 5．由于松動的或斷開的接頭造成的電氣相位問題； 6．同步電機的故障； 7．直流電動機的故障； 8．扭轉(zhuǎn)脈沖故障。,,交流感應電動機及其定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子條、氣隙和磁場示意圖,感應電動機振動分析,包括轉(zhuǎn)子條、短路環(huán)和轉(zhuǎn)子鐵芯片的轉(zhuǎn)子立體圖,,,電氣故障檢測的一些問題,如果懷疑電氣故障，應該在電動機滿負荷下

4、進行測試 電磁力與定子電流的平方成正比 有電氣故障的電動機，往往在‘單獨”運轉(zhuǎn)(與被驅(qū)的機器不連接)，或者機器處于空載運轉(zhuǎn)時，不產(chǎn)生故障的振動特征信號。機器承載時，便出現(xiàn)明確的癥兆，尤其處在或接近100％負荷時 大部分電氣故障在2X工頻(同步頻率)處振動值高100Hz,,,電氣故障檢測的一些問題,轉(zhuǎn)子與定子之間不均勻的氣隙,,,,為什么是兩倍工頻? 而不是電源工頻?在定子磁場3000rpm一轉(zhuǎn)過程中，朝向最靠近的極的磁

5、拉力，從零上升到最大在偏心轉(zhuǎn)子中發(fā)生兩次。磁場以3000rpm旋轉(zhuǎn)，磁拉力在每分種內(nèi)達到最大6000次(或6000rpm)。,另一種解釋是：轉(zhuǎn)子的靠近側(cè)首先北極吸引，然后被南極吸引，力將以2X磁場相對于偏心的頻率變化。因此，當轉(zhuǎn)子與定子不同心時(或者由于偏心的轉(zhuǎn)子或者由于偏心的定子)，它總是將影響6000rpm的振動。,電氣故障檢測的一些問題,靜止的和旋轉(zhuǎn)的氣隙的變化,,,,,圖表示間隙本身保持在同一角向位置的靜止的氣隙問題與由偏心轉(zhuǎn)子

6、引起的旋轉(zhuǎn)的氣隙問題之間的差別。,電氣故障檢測的一些問題,,,,FL=電源頻率(FL=50赫茲)Ns=120FL／P 式中：Ns=無滑差的同步轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)／分) P=極的數(shù)目Fs=Ns-RPM 式中：Fs=滑差頻率(轉(zhuǎn)／分)Fp=極數(shù) * 滑差頻率 式中：Fp=極通過頻率 :存在電氣故障問題的一個關(guān)鍵邊帶頻率,電氣故障檢測的一些問題,,,,各

7、種極數(shù)的同步轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)／分) 極數(shù) 同步轉(zhuǎn)速 2 3000 4 1500 6 1000 8 750 10 600 12 500RBPF = 轉(zhuǎn)子條數(shù) X 轉(zhuǎn)速 RBPF(轉(zhuǎn)子條通過頻率)氣隙 = 轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙磁中心 = 轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場相平衡及轉(zhuǎn)子被驅(qū)動的點,電氣故障檢測的一些問題,,,,,注意:

8、 在2FL處的較高振動3.40mm/s。 必須采用非常高的頻率分辯率，以將2FL與電動機轉(zhuǎn)速頻率的諧波頻率分離開來 對于所選擇的大多數(shù)頻率范圍，在2X轉(zhuǎn)速頻率和2FL頻率處，分析儀將不顯示兩個單獨的頻率；而在6000cpm處只顯示一個頻率(取決于所選擇的最高頻率)。這些情況下，必須增加FFT的譜線數(shù)，或在6000cpm附近作”細化譜“。,指示定子故障問題的細化譜,定子故障,,,,,振動分析可檢測的定子故障： 1．定子偏心(

9、偏心的定子在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生一個靜止的不動氣隙)； 2．短路的鐵芯片(鐵芯片層的絕緣問題，它可以引起局部發(fā)熱)； 3．松動的鐵芯(定子中任何松動或弱點)；這些故障問題呈現(xiàn)如下特征：1．所有這些定子故障都產(chǎn)生2X電源頻率的大振動。然而，它們不產(chǎn)生極通過頻率邊帶，因為它的振源在定子，不被轉(zhuǎn)速頻率或者滑差頻率調(diào)制。,定子故障,,,,,圖中細化譜指示一種嚴重的電氣故障。注意，(2FL)頻率處出現(xiàn)5.79mm/s高的幅值，而在2X

10、轉(zhuǎn)速頻率處的幅值僅為0.11mm/s。在2X電源頻率附近沒有任何極通過頻率邊帶，這指示是定子故障。檢查后，發(fā)現(xiàn)確實是定子偏心故障。,定子故障,,,,2．應該對2X電源頻率處振動超過1.27mm/s的新電動機或修過的電動機，在用的定子故障振動峰值達到2.54mm/s的電動機進行分析。(這個準則適用于50馬力到1000馬力的電動機)。如果電動機直接驅(qū)動精密機床的軸，則2FL的幅值必須更小，應該在0.63mm/s或更小。注：1HP=745.

11、7W3．定子偏心，在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生一個靜止的不均勻的氣隙，產(chǎn)生非常定向的振動，在轉(zhuǎn)子與定子的最小氣隙處出現(xiàn)最大電磁力。電磁力本身每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)從最小到最大產(chǎn)生電源頻率兩倍的振動。,,定子故障,,,,4．對于交流感應電動機，氣隙差不應該超過5％；對于同步電動機，不超過10％。 如果兩倍電源頻率(2FL)處振動額外增大，則應在定子和轉(zhuǎn)子上分別作一個點標記，檢查電動機(如果物理上可以檢查的話)。然后，在定子與轉(zhuǎn)子的作點標記對準的情況

12、下，測量氣隙，每轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子45度，測量定子作點標記處的氣隙。如果氣隙變化超過的5％，則氣隙差是由于偏心的轉(zhuǎn)子造成的。下一步是再每轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子45度，測量轉(zhuǎn)子作點標記處的氣隙，如果這個氣隙變化超過5％，則說明是偏心的定子。,,,定子故障,,,,5．松動的鐵芯是由于定子支承剛性局部減弱或者松動造成的。 6．短路的定子鐵芯片可引起不均勻的，局部發(fā)熱，它實際上使定子畸變，引起定子偏心故障。這就產(chǎn)生熱彎曲，熱彎曲可隨著運轉(zhuǎn)時間延長明顯增大，有時會引

13、起定子與轉(zhuǎn)子相接觸，這是災難性的。,,,轉(zhuǎn)子偏心,,,,偏心的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生不均勻的氣隙，這個不均勻的氣隙與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)(與偏心的定子情況中靜止的氣隙正相反) 短路的鐵芯片導致局部發(fā)熱，引起轉(zhuǎn)子彎曲或者簡單的徑向跳動的轉(zhuǎn)子可以引起偏心。,,,轉(zhuǎn)子偏心的特征,,,,1．偏心的轉(zhuǎn)子往往在電源頻率兩倍(2FL)處產(chǎn)生大的振動，并且伴有極通過頻率(Fp=極數(shù)B*滑差頻率)的邊帶。 下圖細化譜表示在7200cpm頻率處

14、4.22mm/s振動，以及指示偏心轉(zhuǎn)子故障的極通過頻率邊帶。,,,,,轉(zhuǎn)子偏心的特征,,,2．對于新的或修理過的電動機，兩倍電源頻率振動超過1.27mm/s，或者在用的通用型電動機兩倍電源頻率處振動超過2.54mm/s。如果用于精密機床心軸，則兩倍電源頻率(2FL)處允許振動僅為O.635mm/s。 適用于50-1000馬力的多數(shù)交流感應電動機。 3．為了在整個圓周上，轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙都在公差范圍內(nèi)，偏心的轉(zhuǎn)子可能

15、需要調(diào)整軸承座本身或者機加工轉(zhuǎn)子軸頸。,,,,轉(zhuǎn)子偏心的特征,,,,4．在兩倍電源頻率(2FL)兩側(cè)極通過頻率邊帶表明偏心轉(zhuǎn)子時，以后的定期監(jiān)測中，應該仔細進行趨勢分析。 例如，兩倍電源頻率(2FL)振動超過2.54mm/s時，則應在以后的監(jiān)測中仔細進行趨勢分析，如果兩倍電源頻率(2FL)振動幅值明顯增大，并且邊帶幅值也明顯增大，尤其是出現(xiàn)更多邊帶時，則應給予更密切的注意。如果在6000cpm頻率及其邊帶的振動幅值在若干次監(jiān)測中

16、保持穩(wěn)定，則該電動機可能不會進一步損壞，即使在6000cpm處振動幅值高達4.445mm/s。 這些情況下，雖然繼續(xù)作趨勢分析是滿意的。然而，電動機本身的壽命可能會縮短。 5．偏心轉(zhuǎn)子當溫度升高時，往往會經(jīng)歷愈來愈大的振動。 例如，當電動機第一次啟動時，振動可能僅為2.54mm/s，運轉(zhuǎn)10分鐘后，振動可能增加到例如3.56mm/s，20分鐘后，振動可能繼續(xù)增大到4.57mm/s，30分鐘后，振動可能達6.35m

17、m/s或更大。 這可能是轉(zhuǎn)子上一側(cè)相對于另一側(cè)不均勻的發(fā)熱引起的。如果不修正，轉(zhuǎn)子彎曲足以使之與定子相摩擦，從而可能導致災難性破壞。,,,,,轉(zhuǎn)子故障,,,,振動分析可檢測的轉(zhuǎn)子的故障 1．斷的或裂的轉(zhuǎn)子條或短路環(huán)； 2．轉(zhuǎn)子條與短路環(huán)之間壞的高阻接點； 3．短路的轉(zhuǎn)子鐵芯片； 4．松動的或脫開的，與端環(huán)未良好接觸的轉(zhuǎn)子條。以上這些轉(zhuǎn)子故障呈現(xiàn)如下特征 1.對于斷、或裂的轉(zhuǎn)子條的研究的

18、關(guān)鍵區(qū)域是在1X轉(zhuǎn)速頻率兩側(cè)存在極通過頻率邊帶。 下面4個圖：有嚴重的轉(zhuǎn)子故障的兩極電動機的典型頻譜。最初，30000cpm寬帶譜沒有給出嚴重故障指示，似乎表示機械松動。因為特征是存在若干轉(zhuǎn)速頻率的諧波頻率。然而，細化分析在1X，2X和3X轉(zhuǎn)速頻率的兩側(cè)分別存在一系列很清楚的極通過頻率的邊帶。這是斷、或裂的轉(zhuǎn)子條，短路環(huán)故障或者短路的轉(zhuǎn)子鐵芯片故障。,,,,,轉(zhuǎn)子故障,,,,英格索蘭公司CENTAC電動機2H點的30000cpm

19、頻譜,,,,,,,多個極通過頻率邊帶的1X轉(zhuǎn)速頻率附近細化(指示斷的或裂的轉(zhuǎn)子條或短路環(huán)故障),轉(zhuǎn)子故障,,,,2X轉(zhuǎn)速頻率附近細化譜(這里也有極通過頻率邊帶),,,,,,,為3X轉(zhuǎn)速頻率附近的細化譜(這里還有極通過頻率邊帶),,,轉(zhuǎn)子故障,,,,2. 轉(zhuǎn)速頻率多次諧波頻率的兩側(cè)產(chǎn)生極通過頻率的邊帶情況下，往往發(fā)現(xiàn)一個以上的轉(zhuǎn)子斷條，因為每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)存在一個以上脈沖。,,,,,,,圖中表示在1X到4X轉(zhuǎn)速頻率兩側(cè)極通過頻率邊帶的對數(shù)幅值細化

20、譜(在電動機上發(fā)現(xiàn)4根斷裂的轉(zhuǎn)子條),,,,轉(zhuǎn)子故障,,,3．研究松動或脫開的轉(zhuǎn)子條的關(guān)鍵頻率區(qū)域是，在轉(zhuǎn)子條通過頻率RBPF(RBPF=轉(zhuǎn)子條數(shù)目X轉(zhuǎn)速)及其諧波頻率等較高頻率處的振動。 振動幅值在轉(zhuǎn)子條通過頻率(RBPF)或較高諧波頻率(2RBPF或3RBPF)處超過約1.53mm/s，應予以注意。 在轉(zhuǎn)子條通過頻率(RPBF)及其諧波頻率兩側(cè)的邊帶間隔將是精確的兩倍電源頻率(2FL)。 轉(zhuǎn)子條通過頻率(R

21、BPF)本身的幅值可能是可接受的，如果把頻率范圍擴展到包括2XRBPF，則可能發(fā)現(xiàn)幅值是轉(zhuǎn)子條通過頻率(RBPF)基頻處幅值的數(shù)倍。,,,,,,,,,轉(zhuǎn)子故障,,,以2X轉(zhuǎn)子條通過頻率檢測到的嚴重的轉(zhuǎn)子斷條故障,,,,,,,,轉(zhuǎn)子故障,證實有兩條或更多條轉(zhuǎn)子條脫開的一臺電動機的頻譜圖。這臺電動機有57根轉(zhuǎn)子條，轉(zhuǎn)速為1793rpm，RBPF的基頻約為102200cpm。在RBPF處的幅值僅0.20mm/s。然而，在2XRBPF情況完全不

22、同。 細化譜表明，在204380cpm或者2XRBPF頻率處過大的8.64mm/s振動(超過RBPF處幅值的28倍)。如果最高頻率只能采集RPBF基頻，則故障可能完全丟失掉。 關(guān)鍵的指示是：在2XRBPF頻率處的過大的振動幅值，并且還伴隨著精確的(2FL)邊帶。,,,轉(zhuǎn)子故障,5．在狀態(tài)監(jiān)測中，建議每臺電動機的監(jiān)測路徑中規(guī)定兩個特殊測點來檢測電動機故障。 a．電動機低頻監(jiān)測點：Fmax=12000cpm；3200

23、條譜線；2次平均。這可分離2FL和電動機轉(zhuǎn)速諧波頻率處的真實的幅值。 b．電動機的高頻監(jiān)測點：Fmax=360000cpm；1600條譜線；8次平均。(對于兩極以上的電動機，F(xiàn)max=240000cpm可以獲取1X RBPF和2XRBPF頻率)。這個高頻測量可讓您檢測轉(zhuǎn)子條通過頻率RBPF及其諧波頻率的潛在故障。尋找精確的2FL間隔的差頻，即使不知道轉(zhuǎn)子條的數(shù)目。 如果必須采集兩極電動機較高頻率，就應仔細固定傳感器，并且

24、采用超過6000Hz的有效的頻率響應。 這些測量最好在水平方向上進行。,,,轉(zhuǎn)子不均勻的局部受熱引起的軸彎曲,如果鄰近的若干轉(zhuǎn)子的鐵芯片短路，轉(zhuǎn)子會發(fā)生嚴重的不均勻局部受熱。短路的鐵芯片中電渦流和滯后損失會產(chǎn)生這種熱量。同樣，轉(zhuǎn)子斷條可產(chǎn)生導致轉(zhuǎn)子這種局部受熱的大的熱量。 這種局部受熱可使轉(zhuǎn)子彎曲，轉(zhuǎn)子彎曲甚至可與定子相接觸。熱彎曲的故障之一是它可趨向于"以自己為能源"。即，一旦開始，軸開始微彎。軸

25、彎曲時，生成愈來愈大的電磁力和不平衡力，這些力生成更多的熱量。然后，這些熱量使轉(zhuǎn)子更彎曲，轉(zhuǎn)子再發(fā)出更多的熱量，這樣惡性循環(huán)。因此，這種故障可能是災難性的。,,,,轉(zhuǎn)子不均勻的局部受熱引起的軸彎曲,特征指示： 1．轉(zhuǎn)子中出現(xiàn)熱彎曲時，啟動機器后，1X轉(zhuǎn)速頻率的振動幅值將隨時間增大，因為熱彎曲本身在增大。它的頻譜類似于不平衡的頻譜。然而，簡單的動平衡是沒有效果的。 2．熱彎曲增大時，振動頻譜有時指示轉(zhuǎn)子偏心，2FL頻率振動