船舶感應電機軸承故障診斷方法的幾點研究

摘要:對于船舶電機軸承故障診斷的方法選擇上，首先，通過對目前感應電機的故障診斷方法進行比較及回顧，分析哪種方法更適合于船舶感應電機軸承故障的診斷。船舶感應電機常見故障分為:軸承故障、定子故障、轉(zhuǎn)子故障、氣隙偏心故障等等;感應電機的故障診斷早在70年代開始就已經(jīng)有研究文章面世，在其后的40多年里，有關感應電機的故障診斷技術(shù)及方法層出不窮，下面就對這些方法進行簡要的探討。

關鍵詞:船舶 電機 軸承 故障 診斷 方法

0 引言

感應電動機因其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，故而在船舶上得到了廣泛的應用。據(jù)統(tǒng)計，電機常見故障中軸承故障的發(fā)生幾率高達41%，一旦電機發(fā)生故障，就可能導致動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的服務中止，從而威脅船舶航行的安全。其中軸承故障是電機故障中發(fā)生概率最高的，因此本文針對船舶感應電動機軸承故障的診斷方法展開研究。

1 溫度診斷方法

通過安裝在繞組里，或嵌入在絕緣層里的傳感器，來測量溫度的變化來實現(xiàn)對電機的故障診斷。如果電機的通風狀況良好，同時考慮環(huán)境溫度對電機的影響，溫度的測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)來監(jiān)視定子繞組絕緣的老化現(xiàn)象，同時測量反映能量級別的熱激勵泄放電流(Thermally stimulated Discharg currents TSDO)，通過將TSM和TSDC結(jié)合在一起，可以預報定子繞組的絕緣壽命。對于低壓感應電機，通過采用非破壞性的診斷設備如塑料光纖(PlasticOPticalFiber，PoF)來評測絕緣層的老化，該方法是通過對兩個不同的紅外波長上的反射吸光率變化來進行評測的。

2 振動診斷方法

電機定子的振動是定子繞組匝間短路、單向運行、欠壓運行等的函數(shù)，在電磁力矩和定子之間的諧振是引起電機噪聲的主要原因。

2.1 定子異常產(chǎn)生的電磁振動 電機運行時，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)，由于定、轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，定子機座將受到一個旋轉(zhuǎn)力波的作用，而發(fā)生周期性的變形并產(chǎn)生振動。定子電磁振動的特征振動頻率為電源頻率的2倍。

2.2 氣隙偏心引起的電磁振動 氣隙偏心有兩種情況，一種靜態(tài)偏心，另一種是動態(tài)偏心。靜態(tài)偏心是由于電動機定子中心與轉(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，但是振動的特征并不完全相同。靜態(tài)氣隙偏心的電磁振動頻率是電源頻率的2倍，而動態(tài)氣隙偏心的振動頻率在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速頻率都可能出現(xiàn)。

2.3 轉(zhuǎn)子導體異常引起的電磁振動 鼠籠型感應電機因籠條斷裂，將產(chǎn)生不平衡的電磁力，其性質(zhì)和轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心的情況相同，它引起的電磁振動也和轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心相似，較難辨識。

2.4 轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的機械振動 電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻時，產(chǎn)生了重心位移，不平衡質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生單邊離心力，引起了變化的支承力，電機運行變得不穩(wěn)定了。由轉(zhuǎn)子不平衡造成的機械性振動頻率和轉(zhuǎn)速頻率相等。

2.5 軸承異常產(chǎn)生的機械振動 由于電機滾動軸承損壞、設計制造中誤差，在運行中將會出現(xiàn)機械振動，每種規(guī)格的滾動軸承，都有其一定的特征頻率。而滑動軸承的振動特征頻率略低于轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率的一半，通常為0.42-0.48。

3 基于參數(shù)辨識的方法

該方法通過對定子電壓u，以及定子、轉(zhuǎn)子電流X進行測量，然后再基于擴展卡爾曼濾波估計轉(zhuǎn)子的電阻及轉(zhuǎn)子電流的變化，來檢測故障的原因。

上式中F為雅可比矩陣，B為電磁參數(shù)矩陣。按照該遞歸公式，可以得出 的最小二乘估計值 。然后按照下述的1至5式進行修正。

上式中是濾波器的協(xié)方差矩陣; 是預報的協(xié)方差矩陣;是卡爾曼增益序列;以上遞歸公式可用于在線估計電機的轉(zhuǎn)子電阻以及轉(zhuǎn)子電流的奇變，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子故障的檢測，但應用在不同類型的電機時，需要對電磁參數(shù)矩陣進行修改。

4 瞬時功率分析法

由于感應電動機額定運行時轉(zhuǎn)差率比較小，在輕載和空載狀態(tài)時更小，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。為提出了基于瞬時功率信號頻譜分析的診斷方法。

令 。B、C相與A相分別相差。可以得到定子端輸入功率:

上式表明，瞬時功率包含一恒值分量及頻率為Zsf的波動分量，恒值功率和電機負載和電機損耗有關。由功率表達式明顯可以看出，故障特征分量Zsf包含了電流信號中(l士Zs)f兩個分量的作用。因此，氣隙功率中Zsf特征分量包含了由于電機轉(zhuǎn)子故障引起的不對稱以及速度波動的影響，把該特征分量的幅值與恒值功率的比作為分析電機轉(zhuǎn)子故障嚴重程度的指標更為合理。

由于電網(wǎng)電壓不受電機運行狀態(tài)的影響，瞬時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)信號中相同，但實際上瞬時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，其與負載大小、勵磁電流等有關，相對于定子電流的解調(diào)信號包含了更多的信息成分，也就是說，功率譜對負載變化的響應要比電流強。

另外，要濾除功率譜中恒值分量來凸現(xiàn)2sf故障特征信號也要比分析電流信號簡單一些。但要想判斷出電機轉(zhuǎn)子故障并得出其嚴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計，振動診斷方法本來是一個故障特征比較明顯的方法，同時還具有反映故障信息量大特點，但是在船舶這一特殊領域，由于船舶本身的共振，各種輔助機械的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動，導致振動信號所攜帶的故障特征量中有嚴重的噪聲，甚至特征量其他振動信號所淹沒;基于參數(shù)辨識的方法因為需要電機的一些機械及電磁參數(shù)，因而不利于故障診斷系統(tǒng)的通用性;瞬時功率分析法和氣隙轉(zhuǎn)矩分析法均需要船舶感應電機軸承故障診斷系統(tǒng)的研究時采集定子電壓和電流，因此測試電路相對復雜，對電壓電流信號的相位要求嚴格，采樣時必須保證各路數(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，無法使故障診斷方式得到普及。對于實際工作中遇到的情況，應考慮不同狀況進行分析應用何種方法。