振動頻譜分析在核級電機故障診斷中的應用

葉輝

摘要：在中國的核電工程中，其對電機的穩定性和線圈有著特殊的要求，因此大都采用核級電機，而在核級電機的運行過程中，存在一些故障問題，嚴重影響了其安全運行，這對于核電工程來說具有十分重要的不利影響，因此需要加強對核級電機故障的診斷，并采取有效的解決措施。本文就是在此基礎之上，對振動頻譜分析技術在核級電機故障診斷中的應用進行了分析，內容僅供參考。

關鍵字：振動頻譜分析；核級電機；故障診斷；應用

前言

在核級電機故障診斷的過程中，應用頻譜分析技術，能夠實現對電動機的狀態監測與故障診斷，從而實現電動機安全運行，有效降低檢修費用，避免非計劃停車，為開展狀態維修提供技術支持。而本文對振動頻譜分析在核級電機故障診斷中的應用分析，具有一定的研究價值和意義。

1頻譜分析法概述

頻譜分析指利用傅里葉變換的方法對振動的信號進行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數，進而在頻率域中對信號進行研究和處理的一種過程。頻譜分析技術多應用于通信工程和自動控制過程等領域。

振動頻譜分析指的是在電機運行過程中，通過對其振動信號的收集，采用頻譜分析技術，從而實現對其故障的診斷。而在實際的診斷過程中，一般是由以下幾方面的步驟進行：第一，將裝有微型加速計的測頭接觸傳送帶上運送的電機；第二，檢測電機的振動信號，并通過放大器放大后再輸入FFT分析儀中；第三，將檢測得到的振動頻譜與預先在分析儀中設定的判別譜進行比較；第四，進行合格與否判斷，并輸出判斷信號。

2電機故障的振動頻譜分析機理

利用振動法對電動機進行故障診斷，主要應用頻譜分析方法，振動和頻譜分析技術在電機的故障診斷中是相輔相成的，共同運作之下才能夠保證故障診斷的準確性，進而達到故障診斷的目的。頻譜分析法法的核心原理為：

頻譜分析法的主要作用是求解電機各部件的特征頻率，并根據特征頻率將各部件的振動區分開來，從而對電機的故障進行定位分析與診斷。而有關人員在核級電機的各種運行情況下，通過對電機進行試驗，采集大量信號并進行相應的處理與分析，總結得到各種故障引起的振動特征頻率，如表1。

注：z為滾珠或滾柱數目；n為電動機轉速；d為滾珠直徑；D為滾珠分布直徑；β為軸承壓力角；f1為定子外加電源頻率；fr為轉子旋轉頻率；k=6，7，…，12；R為轉子導條數；p為電機的極對數；s為轉差率；靜態偏心時，nd=0；動態偏心時，nd=1；nw=2，4，6…。

通過上表的機理公式，有關人員通過對有關數據信息的收集和分析，通過計算就可以得出出現故障的準確位置，從而幫助維修人員快速解決電機故障問題，提高電機運行效率，進而促進生產效益的提高。

3電機故障的振動頻譜特征

3.1定子偏心、鐵芯片短路及鐵芯松動故障

定子故障產生2倍電源頻率2FL振動，但未必產生極并通過頻率邊帶，因為其振動源在定子內部，所以它們被轉速頻率或者滑差頻率調制。可通過以下三種方式區分是機械松動或不對中引起的機械故障激振頻率或電氣故障激振頻率：（1）時間同步平均譜；（2）細化譜分析；（3）斷電試驗。

3.2轉子偏心

轉子偏心指的是電動機定子和轉子之間氣隙變化引起的故障，偏心的轉子與定子之間產生旋轉的可變氣隙，引起脈沖振動，通常在電源頻率的2倍2FL與最靠近的轉速頻率的諧波頻率之間，常需要采用細化譜分離2FL與轉速頻率的諧波頻率。

3.3轉子條松動故障

電機轉子條松動故障常產生1倍轉速頻率的大振動及其兩側極通過頻率（FP）的邊帶，此外，轉子故障常產生轉速頻率的第二、第三、第四和第五階諧波頻率兩側的FP邊帶。轉子條通過頻率的二次諧波頻率（2RBPF）幅值增大十分明顯，而1RBPF并不會很大，同時其2倍電源頻率的邊帶幅值也明顯增大。

3.4電動機相位故障（接頭松動）

產生兩倍電源頻率2FL的過大的振動幅值，并且兩側伴有1/3電源頻率的邊帶。

4應用頻譜分析法的診斷分析

4.1電動機軸承故障

在某廠電機進行檢查時，發現其在運行的過程中，存在以下故障問題：第一，負載側軸承水平速度的時域波形圖中有表面損傷的特征波形，這說明內、外滾道或者滾柱的滾動面有損傷，負載側時域波形如圖1所示；第二，負載側軸承水平徑向速度的頻譜圖中低頻段中45～150Hz范圍內“新生”了很多譜線，如圖2所示。

通過對以上頻譜圖進行分析，我們可以得出這樣的結論：負載側軸承異常頻譜的出現是由于滾動體及內圈故障引起，應立即停機整頓。

針對上述故障，有關人員需要將該機下線解體并進行檢查，重點檢查負載側軸承圓柱滾子是否出現卡死、內滾道是否出現剝落。一經發現對其進行維修處理或者是更換新的零部件。

4.2不對中故障

在核級電機的運行過程中，對其穩定性具有較高的要求，一旦發現電機在實際運行過程中存在振動不當的情況，就需要對其進行故障診斷。利用頻譜分析法對電機和減速器等進行運行數據的收集與分析，從而制定出頻譜圖，需要注意的是，在數據收集的過程中，需要確定測點。一般情況下，測點分為4個，主要分布在電機的兩端，和減速器的兩端。由于4個測點位置的速度不同，我們就可以對測點速度的差值對故障進行診斷。一般情況下，主要是電機負載側軸向振動和其他測點之間差距過大，那么就可以得出電機存在不對中故障。

經過有關人員檢查，發現電機存在柱銷聯軸器軸心徑向位移不達標的現象。為此，可以重新對其進行調整，從而使得電機運行回復正常。

結束語

綜上所述，本文主要從頻譜分析法的概念入手，并在電機故障的振動頻譜分析機理基礎之上，對電機故障的振動頻譜特征：定子偏心、鐵芯片短路及鐵芯松動故障、轉子偏心、轉子條松動故障、電動機相位故障（接頭松動）進行了探討，最后詳細分析了應用頻譜分析儀對電動機軸承故障和不對中故障的判斷，這對于提高電機運行故障判斷效率，促進電機穩定運行具有十分重要的作用。

參考文獻：

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