基于軸承分析的電機早期故障診斷方法及其應用

寧效偉（廣東省粵電集團韶關發電廠,廣東　韶關　512132）

基于軸承分析的電機早期故障診斷方法及其應用

寧效偉
（廣東省粵電集團韶關發電廠,廣東韶關512132）

電機是發電廠中極其重要的旋轉設備，電機運行的穩定性與可靠性主要依賴于軸承，所以，對電機軸承早期的、輕微故障進行及時與有效的判斷，變得越來越重要。本文以電機軸承各部位的輕微故障為重點，闡述了電機軸承的失效形式、失效原因以及故障的研究方法，總結出了滾動軸承故障時的振動頻率與故障的對應部位，結合利用紅外熱像儀測得的電機端蓋表面溫度場的分布規律，得出了一種用于電機軸承早期故障的有效診斷方法，以防止電機故障的發生與提高設備檢修的消缺效率。

電機；軸承故障；振動頻率；故障診斷

1　電機軸承與故障

電機是發電廠中極其重要的旋轉機械設備，其運行的穩定性與可靠性，直接關系到整臺發電機組的功率出力與安全運行，因此，對處于的運行狀態下電機故障的正確診斷，不但可以防止電機事故的發生，而且可以事先確定設備的修理方案與準備好相應的備品備件，以縮短設備的檢修時間與提高設備的消缺效率。

排除電機電源以及電機所聯接的機械方面帶來的故障現象，電動機常見的故障主要有：定子繞組故障（繞斷路、接地、繞短路、接錯嵌反等）；轉子故障（鼠籠式轉子的斷條、轉子軸彎曲、軸頸磨損、鍵槽損壞等）；電機軸承故障（缺油或少油導致的發熱、軸承損壞等）；電機本體故障（機座松動、端蓋止口磨損、本體部分變形破裂等）。

在上述原因中，電機軸承是電機最易損壞的部件之一。據相關統計，因滾動軸承故障導致的電機故障約占電機總故障的40%，定子線圈及附件的故障占38%，轉子繞組及附件的故障占10%，其他類型的故障12%[1]。因此，電機軸承的運行狀態直接影響到整臺電機的工作性能。發電廠中電機眾多，絕大部分軸承為滾動軸承，本文以滾動軸承的電機為研究對象。

2　電機軸承故障的研究方法

電機軸承故障檢測的方法主要有以下三種：

（1）以振動信號為基礎的故障診斷：根據現場所采集的振動參數來進行分析的方法，是目前應用范圍最廣、最簡便也是最有效的一種方法。利用振動測試儀器或者傳感器，從電機對應部位測量到相應的軸承振動參數，例如振幅、振速、頻率等等，然后從這些參數中提取所需的故障特征信息進行故障檢測與判斷，由于滾動軸承各部位以及故障的嚴重程度，均可以從這些振動信號上反映出來，因此這種手段的準備率比較高，得到了廣泛的使用；

（2）根據軸承的溫度幅值與趨勢來進行故障診斷：軸承溫度的變化主要取決于軸承正常運行中摩擦所產生的熱量以及軸承的本身和外加附件的散熱能力的強弱。當軸承某個部件發生故障時，故障部件與完好的部件之間的摩擦會加劇，產生的熱量也會急劇增加，于是溫度便會升高，因此可以通過對軸承溫度絕對值與溫升速率的比較來進行故障判斷，但是該方法容易受軸承散熱系統與環境溫度的影響，并且對軸承早期的、輕微的故障不靈敏，也不能反映出存在較嚴重故障的軸承的具體部位；

（3）通過采集軸承油樣進行故障診斷：主要是對采集到的潤滑油本身以及油中存在的微小顆粒進行的物理與化學分析，若軸承存在故障，則必然會導致油中存在微小的金屬顆粒，但是油樣分析，嚴重依賴于采樣者的個人經驗、采樣部位，同時化學分析需要高度的專業性，一般適合于定期進行檢測。

此外，還有利用軸承在運行中因滾動體沖擊會產生一些寬帶高頻沖擊脈沖振動的基于沖擊脈沖信號故障診斷[2]，利用軸承在運行中滾動體引起接觸面的彈性沖擊而產生聲發射信號的聲發射故障診斷[3]，利用金屬與潤滑油導電性能不同的特性、以及油膜電阻與油膜厚度所固有的關系而開發出來的軸承油膜電阻診斷法[4]，等等，均存在一定的局限性。

3　電機滾動軸承的失效形式與失效原因

滾動軸承的失效形式主要有：（1）磨損失效，（2）疲勞剝落（點蝕），（3）腐蝕失效，（4）斷裂失效，（5）壓痕失效，（6）膠合失效，（7）保持架損壞。

電機軸承故障的主要來源于幾個方面：

（1）制造、設計與材質：設計不合理，特性不良，運行時發生自激振動或者強迫振動；軸承結構不合理、部件應力集中；材質不當，強度剛度不夠等；

（2）組裝工藝：組裝不當；與機械的軸系校中不準；機械與電機的參數調整不當；轉子微弱彎曲或長期放置不當，改變了動平衡精度等；

（3）電機運行工況：軸承潤滑不良或散熱系統故障；啟動、升降速過程中操作不當等；電機長期超轉速或過低轉速運行，改變了電機的工作特性；

（4）電機老化：軸承與端蓋的止口磨損、點蝕或腐蝕；上下端蓋等配合面存在應力并磨損，產生過盈或松動；運行時間超過年限，鐵芯硅鋼片松動從而導致主軸擾度增大等。

4　電機振動的特性與頻率

當電機軸承運行時，軸承內圈會有帶著一定的負載、并具有相應的運轉速度，必然會對整個軸系系統產生激勵，從而導致軸承系統的振動。在使用中，滾動體因要承受所帶的機械負載，其表面的凹凸形狀是未知的，也沒有規律可循，因此在承受沖擊力時所產生的沖擊信號也是難以預測的，所以這個時候所測到振動信號就是由各種頻率的振動信號隨機組合而成的。當軸承發生故障時，軸承的轉動速度、內外圈和滾動體表面的凹凸形態共同構成了軸承沖擊力的頻譜與振動系統的傳遞性。因此，故障時候的振動頻率，是由軸承的外圈、內圈和滾動體三者的振動頻率共同決定的。一般情況下，軸承的故障程度越嚴重、旋轉的速度越高，振動的幅值就會越大。軸承的尺寸決定了滾動軸承的固有頻率，因此，因軸承各部位故障所導致的振動，對于滾動軸承的固有頻率是沒有影響的[5]。當軸承故障時，所獲得的振動信號，是多種頻率的振動信號混合在一起，需要區別開來，因而基于振動信號的故障判斷，就是根據滾動軸承的轉動速度和不同的故障頻率進行的，所以需要分析軸承各個部位的故障頻率和提取相應的故障特征。

4.1電機特征頻率

電機主轉動軸上的部件主要包括轉軸、轉子本體、以及軸承等，在較低的轉速下，電機的特征頻率就是主軸的轉頻：?=N/60，N為主軸轉速。主軸的振動能量是整臺電機振動能量的主要部分，其振動頻率處于電機各部位振動頻率中的最低頻段。這種振動對應的主要故障：軸承不平衡、軸承對中不良、軸承存在裂紋或腐蝕等，故障時的頻率特性：易出現轉頻的整數倍次諧波分量，且較多。

4.2減速箱特征頻率[6]

故障主要有：磨損、偏心、不平衡、齒輪軸對中不良、點蝕等，各故障的特性如下：

（1）齒輪表面的磨損：隨著齒輪表面的磨損程度的加劇，各次諧波的幅值增加較快，而且二次諧波的幅值會大于嚙合頻率的幅值；

（2）齒輪的不平衡、對中不良：在振動信號中表現為邊帶，主要出現在與旋轉頻率有關的各次諧波頻率。

（3）齒輪的局部故障和點蝕：在各次諧波頻率和嚙合頻率的兩邊產生一系列的邊頻帶，且含有一系列的變頻成分，但是兩者是不同的，點蝕時幅值比較大、過頻成份少但集中，局部故障時幅值比較小、邊頻數量較多且分散均勻。

4.3滾動軸承特征頻率[7]

軸承內圈旋轉頻率m個滾動體（或保持架）經過軸承內圈上一點的頻率m保持支架旋轉頻率m個滾動體（或保持架）經過軸承外圈上一點的頻率m滾動體上一點通過軸承內圈或軸承外圈頻率

4.4滾動軸承故障時的振動特性

　故障類型　特征頻率　故障類型　　　　　特征頻率　故障類型　　　 特征頻率裝配不正或軸承存在變形z±滾動體大小不一致?m ±（m=1,2,3…）滾動體橢圓度m ?m潤滑不良(m=1,2,3…）內外圈橢圓度　2軸承偏心　(m=1,2,3…）(m=1,2,3…）內圓上有點蝕　(有徑向間隙時) m±mz2mz(m=1,2,3…）外圓出現點蝕(m=1,2,3…）滾動體出現點蝕　(無徑向間隙時) (m=1,2,3…）內圓上有點蝕　(無徑向間隙時) mz2mz±(m=1,2,3…）滾動體出現點蝕　(有徑向間隙時) (m=1,2,3…）

5　電機軸承故障的溫度場分布

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的溫度升高，隨著軸承故障的惡化，軸承產生的熱量會超過軸承的散熱能力，導致軸承部位的溫度快速升高。通過試驗發現[8]：發現電機軸承的端蓋溫度分布，不論故障軸承還是正常軸承，溫度都是沿徑向從內到外逐步降低，并且在端蓋軸承座的正對部位，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；在同負荷條件下，軸承故障越嚴重，其端蓋的表面溫升越大，因此可以通過相似或同樣負載條件下的端蓋表面溫升的變化，對軸承狀態進行初步判斷，但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（軸承有故障時，軸承安裝位置附近的端蓋位置的溫度與周圍的溫度邊界輪廓清晰，而正常軸承卻模糊），基本可以忽略。紅外熱成像儀操作簡便、顯示直觀，能直接在不影響設備的運行狀態下顯示各端蓋的溫度分布，盡管對電機軸承狀態的判斷缺乏相應的理論依據，但可以利用測得的電機端蓋表面溫度場分布規律，對電機軸承狀態進行實時初步判斷。

6　電機軸承早期故障的診斷方法

電機故障的原因很多，但大體上可分為電機本體原因和外部原因，電機故障的外部原因比較容易發現與排除，本體原因比較復雜，其中電機軸承故障是電機安全運行的薄弱環節，尤其是電機軸承是否有早期的、輕微的故障（振動幅值、軸承溫升、電流等參數均不明顯），以及軸承的故障部位的確定是軸承判斷的難點，因此，積極與有效的對運行中的電機軸承狀態進行判斷與評估，及時將電機解體大修，可以有效防止電機故障的發生。可以利用本文中的方法，得到一個有效的電機軸承故障診斷方法：一方面利用紅外熱成像儀，測得的相關工況下電機端蓋表面溫度場的分布規律，進行對照比較，從而對電機軸承的狀態進行初步判斷；另一方面從現場測得電機軸承的振動頻率，查得該電機的軸承參數，計算出軸承的特征頻率；當兩種方式都確定電機軸承存在故障時，則可安排電機進行解體大修，并對照上述中的頻率與故障類型，結合實際運行參數，查找并確定電機軸承的故障部位，做好預處理方案與備品備件的準備，提高設備檢修的消缺針對性與消缺效率。

[1]POPA L M，JENSEN B B，RITCHIE E，et al. Condition monitoring of wind generators. Industry Applications Conference，2003，3:1839-1846.

[2]婁源元.基于沖擊脈沖法的滾動軸承故障診斷方法研究[D].華北電力大學碩士學位論文,2008(02).

[3]郝如江，盧文秀,褚福磊.聲發射檢測技術用于滾動軸承故障診斷的研究綜述[J].振動與沖擊,2008,27(03):71-89.

[4]崔焱,秦穎.滑動軸承潤滑油膜厚度測量方法分析[J].機械管理開發,2009,24(04):15-36.

[5]湯寶平,蔣永華,張詳春.基于形態奇異值分解和經驗模態分解的滾動軸承故障特征提取方法[J].機械工程學報,2010,46(05):37-48.

[6]陳長征,胡立新著.設備振動分析與故障診斷技術[M].北京:科學出版社,2007:36-86.

[7]王官軍.基于小波分析的提升設備智能化故障診斷研究[D].山東科技大學碩士學位論文,2001:24-39.

[8]王艷武，楊立，陳翾等.異步電機轉子三維溫度場及熱應力場研究[J].電機與控制學報,2010,14(06):27-32.

寧效偉（1979—），男，湖南邵陽人，研究生，工程碩士，主要從事：發電廠電氣一次設備的檢修與技術研究工作。