基于紅外測溫的異步電機軸承故障診斷

孫斌， 王艷武， 楊立

(1．武漢理工大學能源與動力學院，湖北武漢 430063;2.92601部隊，廣東湛江 524005;3．海軍工程大學船舶與動力學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

中小型感應電動機以其結構簡單、運行可靠、效率較高、制造容易、成本較低等優點在工農業生產中廣泛應用。特別是在海軍艦船上，各類泵、風機、錨機等設備均采用異步電機作為原動機，因此電機運行狀態直接關系到艦船戰斗力，對電機運行狀態進行實時監測就具有重要的軍事意義。而對艦船上各類電機而言，運行實踐表明異步電機軸承故障是電機的主要故障之一，約占電機總故障的30% ～40%［1］，因此為保證設備安全可靠運行和艦船戰斗力，對異步電機軸承故障進行早期監測與診斷，具有重要的軍事和經濟價值。

目前對電機軸承的診斷，應用較多的有定子電流檢測法［2－5］和振動檢測法［6－10］。但是這兩種檢測方法對于海軍艦船，特別是執行遠航任務的艦船來說，進行艦員級的實時監測存在較大困難。而紅外監測由于儀器操作簡便，結果顯示直觀，使用最為熟練和頻繁，但是對電機軸承狀態的判斷缺乏相應的理論依據。針對這一問題，本文在綜合分析電機軸承滾珠破損、保持架斷裂、潤滑不良、滑油失效等常見故障的熱特征后發現，當電機軸承出現故障后，其表現出來的一個重要特征就是軸承安裝部位溫度升高。但是目前對船用中小型異步電機溫度場的研究相對較少，哈爾濱理工大學靳廷船［11］、海軍工程大學王艷武［12］等人分別對感應電機定子和轉子溫度場及轉子熱應力場的分布規律進行了研究，但是對于電機軸承運行性能不同時電機轉子溫度場的變化情況則缺乏相應的研究。本文根據艦船電機實際特點，分別對異步電機轉子溫度場開展理論和實驗研究，進一步獲取電機軸承故障時的溫度場特征，為電機軸承早期故障的紅外診斷提供理論支持。

1 電機軸承故障時轉子溫度場仿真研究

1.1 電機轉子三維模型建立

本文研究以Y100L－2型電機為對象。根據研究的目的，取轉子、電機軸承、端蓋為整個求解區域，端蓋外部風扇在實際應用中被風扇罩蓋住，所以建立模型不考慮風扇，而是直接利用軸取代，圖1為在ANSYS下建立的電機輸出端軸承故障時轉子三維幾何模型;圖2為模型中間部位橫截面示意圖。

根據結構的對稱性和電機導熱特點，作如下假設:

1)電機轉子端部兩側的空腔中空氣溫度均勻;

2)軸承產生的熱量均勻分布在整個軸承體，取軸承為相對靜止;

3)軸承、轉軸和軸承座過盈配合，接觸良好;

4)電機在圓周方向的冷卻條件相同;

5)在一定工況下，電機軸承的摩擦損耗，即模型軸承部分的內熱源越大，表示軸承狀態越差，故障程度越嚴重。

圖1 轉子三維模型圖Fig．1 3D model of rotor

圖2 轉子模型橫截面示意圖Fig．2 Cross section of model

根據以上假設，針對計算區域建立三維穩態傳熱數學模型［13］為

式中:kx、ky、kz、kn分別為導熱介質在x、y、z和邊界法線方向的導熱系數;qv為單位介質體積發熱率;α為對流換熱系數;Ω為計算區域;?Ω為計算區域邊界;T為模型計算區域溫度;Tf為冷卻介質溫度。

1.2 邊界條件

電機本身是一個有熱源的傳熱體，其熱量傳遞過程，主要是熱傳導和對流換熱過程，即導熱和對流換熱的綜合過程。由傳熱學基礎知識可知，上述過程與介質的導熱系數和表面對流換熱系數直接有關，本文對這些系數的確定主要是依據相關經驗公式結合實驗測量獲得［14－15］。對于模型內熱源的確定，主要是利用試驗測量結合研究電機型號查閱相關資料獲得。對于中小型異步電機，其軸承基本上是滾動軸承，滾動軸承的摩擦損耗可用經驗公式進行計算［15］，即

式中:n為電機轉速，r/min;mb為摩擦力矩，N·m。

式中:Gr為轉子重量，kg;Dsh為轉軸直徑，m。

1.3 溫度場仿真分析

根據假設及邊界條件，對電機在空載運行，電機軸承發生故障時的三維溫度場進行仿真研究。在電機正常運行時，電機軸承的損耗可以按式(2)和式(3)進行計算;當輸出端軸承出現故障時，隨著故障嚴重程度的增加，軸承損耗也增加。根據故障程度的不同，假設軸承損耗是電機額定輸出功率的0.5%和1%，并以此為故障軸承內熱源進行計算。圖3～圖5分別為電機正常運行、電機輸出端軸承損耗為電機額定輸出功率的0.5%、輸出端軸承損耗為電機額定輸出功率的1%時轉子三維溫度場分布云圖。

圖3 正常運行轉子三維溫度場分布云圖Fig．3 3D thermal field of rotor without fault

圖4 輸出端軸承損耗為額定輸出功率0.5%轉子三維溫度場分布云圖Fig．4 3D thermal field of rotor with 0.5%rated load losses in bearing

圖5 輸出端軸承損耗為額定輸出功率1%轉子三維溫度場分布云圖Fig．5 3D thermal field of rotor with 1%rated load losses in bearing

從仿真計算結果來看，隨著軸承狀態的惡化，軸承產生熱量增加，導致軸承部位溫度升高，但是對整個轉子部分的溫升影響不大。在軸承損耗為電機額定輸出功率的0.5%時，整個模型溫度最高值比正常時最高溫度升高約0.4℃;當軸承損耗為額定輸出功率的1%時，最高溫度比正常時高出約1.8℃;而軸承在三種狀態下，轉子部分最低溫度變化基本上可以忽略，因此從溫度值的變化來看，整個轉子部分溫升并不很明顯。但是隨著軸承狀態的惡化，其損耗的增加，轉子部分最高溫度的位置發生了變化，在正常運行時，整個模型最高溫度點出現在轉子鐵心部分，而隨著軸承狀態的惡化，其損耗的進一步加大，模型最高溫度點則出現在故障軸承處。同時隨著輸出端軸承的惡化，輸出軸溫度整體升高，但是風扇端轉軸溫度變化不大，而整個模型的最低溫度位置也沒有發生改變，仍然出現在風扇端端蓋。

圖6～圖8為軸承狀態改變時，輸出端端蓋表面溫度場分布云圖。從計算結果來分析，端蓋表面溫度從中心沿徑向向外逐步降低。隨著軸承狀態的惡化，端蓋表面溫度整體升高，端蓋部分的溫差加大，這也說明軸承狀態的好壞對端蓋表面的溫度場影響較大，可以通過監測端蓋表面溫度場的變化，獲取軸承狀態信息。

圖6 正常運行輸出端端蓋溫度場分布云圖Fig．6 Surface thermal field of motor cover without fault

圖7 軸承損耗為額定輸出功率0.5%端蓋溫度場分布云圖Fig．7 Surface thermal field of motor cover with 0.5%rated load losses in bearing

圖8 軸承損耗為額定輸出功率1%端蓋溫度場分布云圖Fig．8 Surface thermal field of motor cover with 1%rated load losses in bearing

圖9所示為空載時電機輸出端端蓋外表面從內到外沿徑向的溫度分布曲線。圖中顯示，當軸承損耗為額定輸出功率的1%時，端蓋外表面溫度最高，而當損耗為0.5%時次之，軸承正常時溫度最低。3種狀態下，均是端蓋靠軸承安裝位置的部分溫度最高，沿徑向逐步降低。隨著軸承狀態的惡化，端蓋表面溫升增加的同時，溫差也進一步加大。3種狀態下，端蓋部分最高溫度分別為 42.35、47.85和53.74℃，溫升分別為13.18、18.68和24.57℃，即當軸承損耗達電機額定輸出功率的1%時，端蓋部分最大溫升幾乎是正常時的2倍，即使損耗為額定輸出功率的0.5%，最大溫升也幾乎是正常時的1.5倍，這說明軸承狀態的變化，直接影響到端蓋部分的溫升，因此通過端蓋部分溫度的變化，即可判斷軸承狀態的變化。而3種狀態下，端蓋部分的最大溫差分別為1.78、4.04和6.46℃，即隨著軸承狀態的惡化，損耗的增加，電機端蓋溫升增加的同時，端蓋部分溫差也增加。

圖9 輸出端端蓋外表面徑向溫度分布曲線Fig．9 Temperature curves of motor cover in radial

2 電機軸承故障實驗測量結果分析

實驗以Y100L－2型電機為研究對象，輸出端軸承故障。圖10為潤滑良好，無故障軸承。圖11為保持架及滾珠被破壞的軸承。實驗時首先利用紅外熱像儀測量電機空載狀態下軸承工作正常時輸出端端蓋的溫度分布，如圖12所示;圖13為輸出端軸承保持架和滾珠損壞時，電機空載時的輸出端端蓋紅外熱圖。

圖10 完好軸承Fig．10 Bearing without faults

圖11 故障軸承Fig．11 Bearing with faults

圖12 軸承正常時輸出端端蓋紅外熱圖Fig．12 Infrared image of cover without faults

圖13 軸承故障時輸出端端蓋紅外熱圖Fig．13 Infrared image of cover with bearing faults

分析兩種狀態下測量的軸承紅外熱圖，發現在軸承故障時，端蓋中心部位軸承安裝位置溫度與周圍邊界輪廓清楚，而軸承正常時則相對模糊些，說明軸承故障時對端蓋溫度場分布還是存在一定影響的。在實驗測量時，環境溫度基本一致，但是端蓋表面最高溫度發生變化。測量區域中最高溫度由軸承良好時的42.0℃升高到軸承故障時的46.4℃，說明軸承故障對端蓋溫度最高溫升有影響，這一點與理論仿真結果相同。

圖14為實驗測量的在軸承正常和故障狀態下的端蓋表面徑向溫度分布曲線。從溫度分布曲線來看，與圖9中理論仿真的端蓋表面溫度分布曲線的分布規律基本一致，即端蓋表面從中心向邊緣沿徑向溫度是逐步降低的。從測量結果來看，軸承正常時最高溫度為39.5℃，溫升僅僅為10℃左右，端蓋表面溫差為3.9℃;軸承故障時端蓋表面最高溫度為43.4℃，比環境溫度高14℃，此時端蓋溫度明顯高于軸承正常時的溫度;軸承故障時端蓋表面溫差為6.8℃，比軸承正常時高出近3℃，說明軸承故障時導致端蓋溫升增加的同時也導致端蓋表面溫差的增加，這一結論與理論仿真結論也一致。同時從實驗測量的熱圖和數據來看，端蓋表面中心位置，即軸承座位置，端蓋表面溫度明顯高于周圍，其沿徑向向外溫度變化緩慢，這一點理論計算溫度分布曲線也得到體現。但是繼續沿徑向向外，端蓋表面溫度則降低很快，說明端蓋表面溫度分布受軸承的影響很大，因此可以通過對端蓋表面溫度分布規律結合溫差來對軸承狀態進行判斷。

圖14 空載實驗測量端蓋表面徑向溫度分布曲線Fig．14 Temperature curves of cover in radial by experiment measured on unloaded motor

圖15、圖16為另一臺軸承外圈存在故障電機在負荷發生變化時測量的電機端蓋表面紅外熱圖。從測量的結果來分析，當軸承故障程度不發生變化，電機負荷發生變化時，電機端蓋表面溫度分布規律幾乎沒有變化。這說明電機負荷的變化，對端蓋溫度場的分布規律影響不大，僅僅是溫升增加。圖17為兩種負荷下測量的端蓋表面徑向溫度分布曲線。從測量結果來看，在電流為4.75 A時，端蓋表面溫差為2.4℃，而負載增加，電流為6.2 A時，溫差為2.7℃。即電機負荷增加時，端蓋表面溫升和溫差均增加，但是端蓋表面溫度分布規律基本不變。

圖15 電壓350 V電流4．75 A端蓋熱圖Fig．15 Infrared image of cover when U=350 V and I=4．75 A

圖16 電壓350 V電流6．2 A端蓋熱圖Fig．16 Infrared image of cover when U=350 V and I=6．2 A

圖17 負載實驗測量端蓋表面徑向溫度分布曲線Fig．17 Temperature curves of cover in radial by experiment measured on loaded motor

3 結語

通過對軸承處于不同故障程度的電機轉子三維溫度場的仿真研究及電機軸承故障的實驗分析，發現電機端蓋溫度分布，不論軸承是否有故障，均是沿徑向從內到外溫度逐步降低，在端蓋軸承座正對部位，溫度變化緩慢，但是從軸承外徑繼續向外，端蓋溫度下降迅速;負荷條件相同時，軸承損壞越嚴重，端蓋表面溫升越大，因此通過同一種負荷條件下端蓋表面溫升的變化可以對軸承狀態進行初步判斷;電機端蓋表面的絕對溫升隨負荷增加而升高，因此不能僅僅憑借端蓋表面溫升來對相應軸承狀態進行判斷;電機負荷的變化雖然對端蓋溫升影響很大，但是對端蓋溫度場的分布規律影響卻很小，基本可以忽略;利用紅外熱像儀測量電機端蓋表面溫度場分布規律，可以對電機軸承狀態進行實時判斷。為了進一步對電機軸承故障進行紅外診斷，需要對電機軸承各類故障的發熱機理進行研究。

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