多技術融合的電機軸承故障診斷方法

邢增金，石 鑫，崔鳳翔，郝鴻鑫

（青島特殊鋼鐵有限公司裝備部，山東青島 266400）

0 引言

設備狀態監測與故障診斷在現代化設備管理與維修中占有重要的地位，也是預防維修的必要條件，其主要技術手段包括振動頻譜分析、光譜分析、熱成像、聲發射、電氣信號分析等。為了滿足設備精細化管理需求，防止設備突發故障，提高設備運行可靠性，真正實現由預防性維護向預測性維護轉型，最終實現設備故障根源性分析研究的管理模式，設備狀態監測與故障診斷技術出現從單一技術分析向多技術融合的趨勢發展。多技術融合的診斷方法對復雜故障診斷提供了多視角的診斷分析，各診斷技術之間形成了相輔相成、互為補充的格局，從而實現降低設備故障率，提高設備綜合經濟效益的目的。

1 振動頻譜分析及電信號分析技術

1.1 振動頻譜分析技術

振動頻譜分析技術主要是現場采集設備振動信息，利用相關軟件對振動信息進行數字變換，提取與設備狀態有關的特征參數，從而對設備運行狀態做出判斷。利用頻域分析技術和包絡解調技術實現對設備的故障診斷。

（1）頻域分析技術。頻域分析就是對采集的振動時域信號進行快速傅里葉變換，把信號時域轉換為頻域，從而得到信號的頻率成分。頻域分析方法可以確定頻率的變化范圍，各頻率成分幅值的大小和能量大小，還可以依照設備的工頻，實現故障的判別。頻域分析方法是目前最成熟、最有效的故障診斷方法。快速傅里葉變換就是離散型傅里葉變換的快速算法。快速傅里葉變換的基本思想是把原始的N點離散序列，依次分解成一系列的短序列。充分利用離散型傅里葉變換計算式中指數因子所具有的對稱性質和周期性質，進而求出這些短序列相應的離散型傅里葉變換并進行適當組合，達到刪除重復計算、減少乘法運算和簡化結構的目的。

1.2 電機電信號分析技術（ESA）

一般來說，大多數應用于電力系統的故障檢測技術都是基于時域分析。例如過電流、過電壓、接地故障、阻抗繼電器等等故障都是基于時域來進行檢測的。在電機故障檢測領域，得益于近年來數字信號處理器的不斷發展，利用定子線電流精確的進行電機故障診斷已可以實現。基于頻域的電機檢測技術，特別是基于快速傅里葉變換技術的電機診斷技術非常成熟。除定子故障外，大多數的電機故障都可以使用頻譜分析技術進行故障診斷分析。但當電機處于速度和負荷頻繁波動的工況中時，傳統的快速傅里葉變換算法已不能滿足故障檢測的需求，取而代之的是短時傅氏變換和其他使用小波和維格納-尤利（Wigner-Ville）變換的時域分析法。通常，電機的電流、磁通量、機械振動、轉矩和轉速等信號，都是在頻域進行分析。

有時，導致電機故障的原因并不僅僅局限于電機自身，其外部供電系統的故障也可導致電機運行異常。在理想狀況，外部供電電源應有完全平衡的電壓和電流正弦波，而事實上卻很難實現。這也就導致了電機因外部電源問題產生故障的可能。因此利用定子電流進行頻域分析的同時，也可利用同一時刻的電壓信號，使用時域和高階頻譜檢測技術，來評價外部供電電源的品質。隨著時代的發展，單純的電流頻域分析或電壓時域分析已經不能滿足對電機檢測技術的需要，為此結合上述兩者的技術優勢引申出新的電機電信號分析技術。即采集電機負載時的電流、電壓信號，利用時域和頻域對電機狀態進行綜合的分析和診斷。

2 現場案例

以某公司石灰窯主變頻電機（型號YHP560-6，315 kW，1000 r/min）為監測對象，電機驅動端軸承型號6324（FAG）。頻譜數據采集點：①振動信號采集點為電機兩端軸承處，主要采集其水平、垂直與軸向的振動速度和加速度信號，采樣頻率為1000 Hz，線數為3200線。②電流、電壓信號采集點為該電機進線端，主要采集單位時間內的電流和電壓信號。

2.1 振動數據分析

圖1為電機軸伸端垂直方向振動加速度時域圖，圖譜較雜亂，無明顯沖擊存在。將圖1加速度信號通過積分并進行快速傅里葉變換得到速度頻譜圖（圖2）。根據圖2可以清晰的看到時域圖中各個周期頻率及其幅值，圖中標注部分頻率為24.61 Hz及其諧波，該頻率為電機軸承外圈故障頻率。圖3為非軸伸端水平方向加速度包絡頻譜圖，圖中標注頻率為24.61 Hz及其倍頻。根據以上分析，電機兩端頻譜圖有明顯軸承外圈故障頻率，懷疑電機兩端軸承均存在嚴重的軸承外圈故障，可能軸承外圈表面已存在缺陷。

圖1 電機軸伸端垂直方向加速度時域圖

圖2 電機軸伸端垂直方向速度頻譜圖

圖3 電機非軸伸端水平方向加速度包絡圖

2.2 電機電信號分析

圖4為2017年10月25日采集的該電機運行時的進線端L1的相電壓在一個周期內的時域波形圖。在理想狀況下，電壓波形應是周期性標準正弦波，但由于電力系統中存在變頻器等非線性阻抗特性的供用電設備，這些設備向公用電網注入諧波電流或在公用電網中產生諧波電壓，造成實際的電壓波形偏離正弦波，這種現象稱為電壓正弦波形畸變。從圖4中可以看出該電壓波形在此周期已經發生了嚴重的畸變。

圖5為同時采集到的電機進線端L1相電壓諧波成分，壓總諧波畸變率已達到26.7%，已遠遠超出《中華人民共和國國家標準GB/T 14549—1993電能質量 公用電網諧波》發布的“380 V電網標稱電壓總諧波畸變率應不超過5%”的規定。

圖4 電壓時域圖

圖5 電壓諧波成分圖

由現場得知，該電機為大功率變頻電機，采用變頻電源供電，電源三相輸出電壓的矢量和不為零，變頻器中的應用功率開關器件的高速開關動作使得電壓和電流在短時間內發生跳變，導致電壓、電流波形中含有大量的諧波成分，輸出的電壓具有陡上升沿和下降沿脈沖，使PWM逆變器不可避免地會產生共模電壓，并與電機中存在寄生電容作用產生軸電壓，特別是電機與變頻器間的電纜較長時（變頻器到電機的輸出電纜長度達到100 m），軸電壓會加倍作用于電機內部，造成電機內部軸電壓極易擊穿潤滑油膜而放電，產生軸電流[3-4]，又因該電機軸端未安裝接地碳刷，無法將軸電流引出電機，造成機械部位持續電蝕損傷。

結合振動頻譜分析和電氣信號分析推斷，變頻電機內部可能因較大的電壓諧波產生軸電流，對電機兩端軸承外圈持續電蝕，造成電機軸承外圈出現大量凹坑。

3 軸承拆檢故障確認

圖6為2017年11月5日拆檢該電機驅動端軸承故障圖片。從圖中可以看出，軸承外圈內表面跑道上發現間斷的光亮線條形灼傷痕跡，這是軸電流對滾動軸承破壞的典型特征。

4 處理方案及結果驗證

4.1 處理方案

（1）變頻器輸出側加裝輸出電抗器，從根本上抵消部分由變頻器產生的諧波。

（2）在電機轉軸處安裝接地碳刷，碳刷與轉軸可靠接觸，將軸電流從電機內部引出，避免軸電流在電機軸承處持續放電。

（3）電機兩端軸承更換為絕緣軸承，杜絕電源諧波經過軸承內部，避免軸承的點蝕。

4.2 結果驗證

通過上述措施改造，兩個月后于2018年1月6日進行電機運行數據采集，此次數據與2017年10月25日采集數據對比發現，電壓諧波畸變率下降至2.3%；速度頻譜圖及加速度包絡圖均未發現軸承故障頻率，表明電機軸承狀態良好。

圖6 電機驅動端軸承外圈

5 結語

利用振動頻譜分析和電氣信號分析技術相結合，準確判斷電機軸承故障及故障原因。根據軸承故障機理制定相應改進方案，從根本上解決電機故障，提高電機使用壽命。

振動頻譜分析與電氣信號分析技術相結合的故障診斷方法，可有效診斷復雜設備故障與故障等級及故障原因，從而降低設備維護費用，提升設備綜合經濟效益。