農機異步電機故障檢測系統研究與設計

田 睿

（新疆理工學院，新疆 阿克蘇 843100）

隨著科技的飛速發展，異步電機憑借其內部結構簡單、便宜耐用和傳動效率高等諸多優點在農業機械上得到了廣泛應用，比如，應用于風機、泵以及農業生產中的脫粒機、粉碎機等。由于農機的工作環境和工作條件的影響，一旦異步電機發生故障，將對農業生產產生較大的影響。為此，筆者通過對農機異步電機的故障診斷進行研究，設計了一套針對農機異步電機進行故障檢測的故障檢測系統。

1 農機異步電機故障分析

農機異步電機根據其故障類型，基本上可以分為機械故障和電氣故障兩大類。

1.1 機械故障

機械故障是農機異步電機最常見的故障類型，機械故障主要包括電機軸承故障、電機振動異常、電機內部溫度過高、電機噪聲過大等[1-3]。在這些機械故障中，出現故障頻率最高的為電機軸承故障和電機振動異常。

1.1.1 電機軸承故障

電機軸承故障的主要表現形式為電機軸承溫度較高或者升溫較快，導致軸承過熱。出現該故障的原因可能有多個，比如，電機軸承不匹配、潤滑用油脂過多或者過少，還可能是因為電機長時間高負荷運轉，導致電機軸承磨損較大。針對這一類電機軸承故障的檢測來說，可以在農機異步電機運行過程中實時采集軸承溫度和潤滑用油脂的含量等，通過采集到的軸承溫度和潤滑用油脂的含量來判斷電機軸承的故障情況，從而實現電機軸承的故障檢測。

1.1.2 電機振動異常

電機振動異常的主要表現形式為電機在運行過程中振動幅度或者振動頻率超過正常值。出現該故障的原因一般為異步電機內的旋轉部件出現異常。對于農機電機振動異常的故障檢測，可以通過振動傳感器等采集異步電機的振動數據，比如可以采集振動頻率或者振動頻譜等。然后對采集到的數據進行分析，從而得到振動頻率與異步電機當前轉速之間的關系，基于振動頻率和轉速之間的關系來判斷電機振動異常的故障原因。故障原因有多種，當異步電機當前的振動頻率為基頻振動時，故障原因就可能為轉子平衡問題導致電機振動異常，當異步電機當前的振動頻率為高頻或倍頻振動時，故障原因就可能為異步電機內部的軸承滾道或者滾子等部件損壞。另外，異步電機在運行過程中，共振往往也會導致異步電機產生高頻振動，為了更加精準地檢測異步電機振動異常的故障原因，還可以對農機異步電機進行振動仿真分析，基于振動仿真結果對電機的結構尺寸進行調整，從而避免出現共振的情況。

1.2 電氣故障

1.2.1 繞組擊穿故障

繞組擊穿故障的故障類型可以有多種，主要包括異步電機內部短路故障和擊穿故障，短路故障可能為異步電機內部線圈匝間短路，而擊穿故障包括異步電機內部相間擊穿和對比擊穿等。在農機異步電機上，繞組擊穿故障通常出現在電機啟動階段，對于繞組擊穿故障的檢測可以檢測電機的輸出或者內部電壓等情況，從而判斷出繞組擊穿故障的故障類型。

1.2.2 鼠籠型轉子斷條故障

轉子斷條故障也是農機異步電機比較常見的電氣故障，農機異步電機的轉子導條的材質通常為鑄鋁或銅條這兩種。在異步電機啟動時，對轉子導條會產生一定的沖擊，當沖擊達到一定載荷時，就會導致轉子導條發生斷裂，從而出現轉子斷條故障，此時，異步電機的啟動轉矩就會大大降低，而且啟動時間也會變長，甚至無法正常啟動，另外，還會出現電流不穩定、轉速降低和電機內部溫度升高等諸多異常現象。因此，可以通過檢測異步電機的轉矩、電流、轉速和電機溫度等方式來判斷轉子斷條故障。

1.3 常用故障檢測方法

農機異步電機常見的故障檢測方法主要包括兩大類，一類是定性分析采集的數據檢測出故障，另一類是定量分析方法。定性分析方法包括基于解析模型的方法、基于信號處理的方法和基于機器學習的方法，定量分析方法主要包括基于專家系統的方法、基于定量仿真的方法和基于凸輪的方法。對于一般的農機異步電機來說，重點可以采用專家系統或者時頻信號診斷的方法進行故障檢測。

2 農機異步電機故障檢測系統硬件設計

2.1 總體設計

農機異步電機故障檢測系統根據功能可以分為四個模塊，分別為數據采集模塊、檢測模塊、交互模塊和維修模塊等，如圖1 所示。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊用于采集農機異步電機的各個檢測參數，同時，還可以采集農機上的一些運行數據，數據采集模塊主要包括各種數據傳感器、用于數據傳輸的通信裝置和存儲數據的數據庫等。農機異步電機在運行過程中，通過傳感器實時或者定時采集運行中的檢測數據，這些檢測數據可以是異步電機轉速、振動頻率、電流、電壓、功率、輸出轉矩、軸承溫度、潤滑油脂含量等。將采集的數據通過通信裝置傳輸至數據庫進行存儲和更新，還可以將采集到的數據進行轉換，轉換為檢測模塊可以識別和應用的數據格式[4-5]。

2.3 檢測模塊

檢測模塊用于對數據采集模塊采集到的數據進行定量或定性分析，從而檢測出農機異步電機存在的故障。檢測模塊主要包括兩個方面的檢測，一個是當農機異步電機存在故障時，基于采集的數據直接分析農機異步電機的故障類型和原因；另一個是通過采集的數據實時檢測出農機異步電機的性能，通過分析性能變化，檢出農機異步電機當前存在的故障類型和原因[5-6]。第一類檢測方式可以直接對采集的數據進行分析，從而準確地判斷故障類型和原因，針對這一類檢測方式可以采用各種智能檢測方式進行分析，比如，可以采用神經網絡或者其他AI 檢測算法進行分析，從而減少人工分析產生的誤差，還可以提升檢測速度。第二類檢測方式重點在于對農機異步電機的性能進行分析和判斷，可以基于性能對應的異步電機的不同部分進行準確檢測，從而準確地判斷出發生故障的部位，并基于該部位對應的實時數據，確定該故障發生的原因。

2.4 交互模塊

交互模塊主要用于在終端通過頁面交互的信息，與用戶或者管理員進行信息交互，交互模塊包括查詢子模塊、展示子模塊和維護子模塊。查詢子模塊用于查詢農機異步電機在運行過程中出現的故障及故障原因等信息，展示子模塊用于實時展示檢測出的農機異步電機的故障類型和原因等信息，維護子模塊用于對農機異步電機故障檢測系統內信息或數據進行維護，比如刪減或增加部分數據，輸入和輸出部分數據等等。

2.5 維修模塊

維修模塊用于輸出或展示故障對應的維修方案和維修資料等，維修模塊包括維修方案展示子模塊和維修資料展示子模塊，維修方案展示子模塊用于展示當前故障對應的維修視頻和工藝，維修資料展示子模塊用于展示當前故障需要用到的維修圖紙，比如異步電機內部結構圖、線路圖或者其他圖紙。

3 軟件功能與界面設計

對于農機異步電機故障檢測的應用場景進行分析，在農機異步電機故障診斷過程中，故障檢測系統需要獲取農機異步電機當前的運行信息，再基于當前運行信息進行故障檢測，可以為人工檢測，也可以為系統根據檢測算法自檢，檢測出故障類型和原因[6-8]之后，便可以生成異步電機故障檢測日志。然后，根據異步電機故障檢測日志，在預設維修信息中篩選出當前故障類型對應的維修方案和資料，并輸出或展示該維修方案和資料。因此，農機異步電機故障檢測系統主要功能包括信息采集和管理功能、電機狀態監測和故障診斷功能和電機維修輔助功能。

針對以上功能，在農機異步電機故障檢測系統中的界面設計主要包括故障展示界面、故障查詢界面、故障檢測界面和故障統計界面[9-10]。

3.1 故障信息展示界面

故障信息展示界面如圖2 所示，用戶在登錄農機異步電機故障檢測系統之后，觸發當前故障控件，就可以顯示故障信息展示頁面，該故障信息展示頁面主要包括農機異步電機在運行過程中檢測出故障的故障編號、故障詳情以及針對該故障的故障分類，故障分類包括多種，比如可以為外部故障、內部故障和設備故障等等。還可以對檢測出的故障進行操作，比如，當檢測出的故障為誤檢測的故障時，就可以將該故障進行刪除，另外，還可以對檢測出的故障進行鎖定操作和編輯操作，編輯操作主要用于在該故障中編輯故障信息等，然后將編輯后的故障信息發送至農機操作系統進行故障提示等。

圖2 故障信息展示界面

3.2 故障查詢界面

故障查詢界面如圖3 所示，用戶或管理員在故障信息展示頁面中觸發查詢控件，然后，通過輸入查詢信息，就可以展示故障查詢界面。當故障的數量較多或者檢測周期較長時，就可以設定特點的查詢條件，從而在歷史故障信息中查詢出想要查詢的故障，然后，在故障查詢界面展示查詢出的目標故障及其信息等。

圖3 故障查詢界面

3.3 故障檢測界面

故障檢測界面如圖4 所示，故障檢測界面用于顯示檢測出的故障的原因和檢測信息等，故障檢測界面主要有當前檢測出的故障類型、針對該故障進行故障分析后得到的故障原因、檢測時間等信息。故障檢測界面還具有查詢控件和檢測控件，當用戶觸發查詢控件時，就可以輸入查詢信息，進而展示故障查詢界面；當用戶觸發檢測控件時，可以實時對農機異步電機進行故障檢測，這里的故障檢測包括運行狀態下的檢測和靜止狀態下的檢測。

圖4 故障檢測界面

3.4 故障統計界面

故障統計界面如圖5 所示，故障統計界面用于統計在一個或多個檢測周期內，農機異步電機出現的故障類型、故障原因和檢測時間等信息。通過故障統計界面統計出的檢測周期內的故障詳情，就可以準確判斷出該農機異步電機在這個檢測周期的實時狀態，進而對農機異步電機進行正確的維護和保養。

圖5 故障統計界面

4 結語

筆者針對農機異步電機的故障檢測進行研究，設計了面向農機異步電機的故障檢測系統。在農機異步電機故障檢測系統的研究與設計過程中，首先分析了農機異步電機常見的機械故障、電氣故障，以及常用的故障診斷方法；其次對于農機異步電機故障檢測系統的硬件設計，采用了數據采集模塊、檢測模塊、交互模塊和維修模塊等多模塊設計；最后對農機異步電機故障檢測系統進行軟件功能與界面設計，從而實現了遠程監測異步電機運行狀態和故障診斷的功能，大大提升了農機異步電機故障檢測效率。