論拍頻振動和噪聲在電動機質(zhì)量診斷中的應(yīng)用

趙小龍，章力源

(1 駐哈爾濱地區(qū)艦船配套軍事代表室，黑龍江哈爾濱150040;2 佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

電機中主磁通大致上沿徑向進入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，引起切向振動和軸向振動。當(dāng)電機存在某些質(zhì)量問題時，會引起與電機相連的部件共振，產(chǎn)生輻射噪聲。如電機轉(zhuǎn)子動偏心、鼠籠型轉(zhuǎn)子斷條時，就會產(chǎn)生很低的二倍轉(zhuǎn)差頻率的拍頻振動和噪聲。通過分析產(chǎn)生振動和噪聲的力波，弄清其產(chǎn)生的機理，就可以判斷出電機的質(zhì)量缺陷所在。繼而在設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)中作適當(dāng)?shù)母倪M以大幅提高電機的質(zhì)量。本文介紹了通過分析和研究籠型異步電機存在的與轉(zhuǎn)差有關(guān)的拍頻振動和噪聲來判定質(zhì)量缺陷的方法。

1 與轉(zhuǎn)差有關(guān)的拍頻振動和噪聲產(chǎn)生的原因

電機轉(zhuǎn)子動偏心會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)差有關(guān)的低頻振動和噪聲。當(dāng)兩個頻率很接近的振動相互疊加后，會產(chǎn)生與原來的兩個振動頻率近似相等，而振幅不固定的振動，即所謂的拍頻振動及由此引起的噪聲。在數(shù)學(xué)上，拍頻振動可以看成兩個正弦函數(shù)的疊加。設(shè)兩個振動分量頻率分別為ω+Δ?，ω-Δ?，其中Δ?很小，因此兩個頻率非常接近。振幅為Y1和Y2，它們相互疊加的結(jié)果如式(1)。

等號右側(cè)的第一項和第二項都是拍頻振動，如圖1 所示。

圖1 異步電機拍頻波形圖

這兩個頻率的力波疊加將產(chǎn)生振動階數(shù)為1的拍頻振動和噪聲。拍頻頻率如表1 所示。

表1 力波總結(jié)表

根據(jù)試驗和分析可知，在旋轉(zhuǎn)電機中有無拍頻振動和噪聲現(xiàn)象出現(xiàn)，主要取決于定子磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度?1和?2之間的大小關(guān)系。當(dāng)?1=?2時，不會出現(xiàn)拍頻振動和噪聲。因此，同步電機和直流電機就不會有這種現(xiàn)象發(fā)生。而在異步電機中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度?2與定子磁場旋轉(zhuǎn)的角速度?1是異步的，有一較小的差異存在。這一差異與電機的轉(zhuǎn)差有關(guān)，所以異步電機中，總是存在與轉(zhuǎn)差s 有關(guān)的拍頻振動和噪聲，而且負載越大，拍頻振動和噪聲越明顯。

2 質(zhì)量缺陷與拍頻振動和噪聲的關(guān)系

2.1 動偏心時引起的拍頻振動和噪聲

電機轉(zhuǎn)子加工偏心、轉(zhuǎn)軸彎曲、軸承座松動、轉(zhuǎn)子不平衡和軸承松動將使電機動偏心，產(chǎn)生階數(shù)的二倍轉(zhuǎn)差率的拍頻振動和噪聲。由表1 可知，這種動偏心產(chǎn)生的振動和噪聲中有兩個最主要的分量即

式中，n—階次;f—拍頻頻率;f1—基頻;s—轉(zhuǎn)差率;p—極對數(shù)。

2.2 籠型轉(zhuǎn)子斷條時引起的拍頻振動和噪聲

當(dāng)鼠籠轉(zhuǎn)子斷條時，如圖2 所示。由疊加原理，可以把有一根鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷條的電機分成(b)和(c)兩種情況的疊加。由于斷條的影響，產(chǎn)生了一附加磁勢疊加在主磁勢上，使氣隙磁密的分布有所改變，即在斷條的一邊為助磁，另一邊為去磁(如圖2(a)所示)，以至磁密不平衡，產(chǎn)生一磁拉力。產(chǎn)生附加磁勢的定子槽總是與轉(zhuǎn)子斷條聯(lián)系在一起的，因此它總是以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)著。這個旋轉(zhuǎn)磁拉力迫使轉(zhuǎn)子呈弓型旋轉(zhuǎn)，致使定子變形，從而產(chǎn)生振動和噪聲。轉(zhuǎn)子弓形旋轉(zhuǎn)又將引起磁拉力的增大，使振動和噪聲增大。經(jīng)研究當(dāng)鼠籠轉(zhuǎn)子有一根斷條產(chǎn)生時，也將產(chǎn)生拍頻振動和噪聲。拍頻頻率為

由此可見，轉(zhuǎn)子斷條時，將產(chǎn)生二倍轉(zhuǎn)差頻率的振動和噪聲以及與轉(zhuǎn)差率有關(guān)的低頻振動和噪聲。此結(jié)論對多于一根斷條的情況同樣適用。需要指出的是，對類似的鼠籠型轉(zhuǎn)子斷環(huán)對噪聲和振動的影響很小，無法通過分析產(chǎn)生振動和噪聲的力波的方式確定故障。

圖2 氣隙磁密的分布圖

3 利用拍頻診斷電機故障的實例

3.1 利用拍頻振動診斷電機軸承故障

故障發(fā)生的電機型號是HY-200L1(30kW，2 900r/min)。故障的現(xiàn)象為設(shè)備起動后，電機有明顯的拍頻振動現(xiàn)象，會產(chǎn)生忽高忽低的噪聲。此噪聲在電機運行十幾分鐘后便消失，但電機噪聲稍大，隨著使用時間的延長，噪聲會越來越大，同時發(fā)出噪聲的時間也更長。從電機機身水平及垂直方向拾取的振動數(shù)據(jù)分析，“嗡-嗡”噪聲的振動頻率為1Hz(見圖3)，其振動是由于電機的電磁力矩頻率(99.9Hz)與電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的二倍頻(98.9Hz)形成的一種拍頻現(xiàn)象。若切斷電機電源，則在斷電瞬間，1Hz 振動消失，故可斷定振動是由機械振動引起的，且損壞的零件是電機軸承。因為電機軸承的旋轉(zhuǎn)精度影響電機轉(zhuǎn)子氣隙的均勻性，電機轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)某一點的運動軌跡如圖4 所示。電機軸承旋轉(zhuǎn)精度越低，δ 值越大，氣隙的均勻性越差。由于氣隙均勻性差，使得氣隙中產(chǎn)生諧波磁通量，其結(jié)果是:①它在定子線圈中產(chǎn)生電流，從而對電源頻率進行調(diào)制;②定子鐵心產(chǎn)生所謂徑向交變激振力，因而引起定子鐵心振動;③引起磁力(N.I)的變化，因而引起扭矩和速度的變化，使轉(zhuǎn)子和軸產(chǎn)生振動。根據(jù)上述分析，決定更換電機軸承。更換軸承后，拍頻振動消失，電機噪聲降低。

圖3 頻域波形

3.2 利用拍頻振動診斷電機斷條故障

故障發(fā)生的電機型號是YB-200L1(30kW，1 460r/min)。故障的現(xiàn)象為設(shè)備起動后，電機有明顯的拍頻振動現(xiàn)象，隨著電機負載的增大，電機的振動加大。從電機機身水平及垂直方向拾取的振動數(shù)據(jù)的頻域波形(見圖4)可見。在4Hz 存在一個較大的振動幅值。而電機的基頻f1=50Hz，轉(zhuǎn)差率s=0.04，則2sf1=2×50×0.04=4Hz。因此該臺電機的振動是電機旋轉(zhuǎn)頻率與基頻產(chǎn)生拍頻引起的，由于拍頻的頻率等于2sf1(二倍轉(zhuǎn)差頻率)，由于上述電機運行時產(chǎn)生了較大的二倍轉(zhuǎn)差頻率的振動和噪聲，所以可以斷定電機存在斷條故障。

圖4 頻域波形

5 結(jié)語

綜上所述，與轉(zhuǎn)差有關(guān)的振動和噪聲，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子動偏心、鼠籠型轉(zhuǎn)子斷條時變?yōu)轭l率很低的二倍轉(zhuǎn)差頻率的拍頻振動。因為它屬于低頻振動和噪聲，將主要影響異步電動機的振動大小，而低頻噪聲聽起來將是一種時高時低的“嗡-嗡”聲。對這種與轉(zhuǎn)差有關(guān)的振動和噪聲進行可以有效地診斷電機的質(zhì)量問題，避免電機故障的發(fā)生。