大游隙軸承電機故障診斷方法研究

姚東紅，蘇俊博

（91370 部隊，福建福州 350014）

0 引言

軸承的游隙對軸承的動態性能（噪聲、振動和摩擦）和旋轉精度，使用壽命（磨損與疲勞）及承載能力都有很大影響。我國國家標準規定的軸承的游隙值分為小游隙組（C1、C2 組）、基本組（0 組）和大游隙組（C3、C4、C5 組）。大游隙組適用于軸承與軸和外殼采用過盈配合、軸承內外圈溫差較大，深溝球軸承需要承受較大軸向負荷或需改善調心性能，以及要求提高極限轉速和降低軸承摩擦力矩等場合。大游隙軸承電機在船舶上具有一定的應用，如某型船舶舵機電機應用了一種大游隙軸承電機。在使用MCA（電機靜態監測）技術對該電機進行技術狀態監測時，監測結果顯示多艘該型船舶舵機電機阻抗和電感均處于不平衡狀態，不平衡量達到了規定的預警值。通常同型電機同時發生相同故障的概率較小。除電機故障外，電機設計缺陷以及監測方法的不適用均可能導致這樣的監測結果，因此，研究該型電機阻抗和電感不平衡的原因以及適用的監測方法，對該型電機的故障診斷具有重要意義。

1 MCA 監測及分析

MCA 分析技術在20 世紀80 年代中期產生于西方工業發達國家，通過測量記錄電機繞組的電阻、阻抗、電感、相角、I/F 倍頻值以及絕緣阻值等參數并做進一步的處理分析，從而使維修管理人員能夠預測和判別電機的故障情況，以減小可能的危害損失。表1 是利用電機故障檢測儀對該型船舶舵機電機進行檢測得到的結果，表2 是在IEEE 標準中電機三相平衡評判標準。

從IEEE 電機三相平衡評判標準可知，標準沒有將電阻平衡量作為評判標準，是因為某些大電機繞組阻值非常低，初期匝間短路導致電阻值的變化較小，以至于使用電阻測量無法精確地檢測故障，但由此產生的電感失效可通過阻抗和電感測量真實地反映出來[1]。對比標準可知，阻抗的不平衡量＞5%，處于故障狀態，電感的不平衡量＞10%，處于缺陷狀態。綜合以上結果，可以判斷該電機處于故障狀態。而相角和倍頻測試結果無異常，可進一步定位該電機存在的故障為轉子故障。在監測過程中發現，多艘同型船舶舵機電機的監測結果均顯示轉子故障，這樣的結果顯然是不正常的。

表1 MCA 監測結果

表2 電機三相平衡評判標準

2 振動測試分析

MCA 監測顯示該電機轉子故障，尤其指向轉子偏心引起的氣隙不均問題。電機氣隙不均問題會在電機振動上有所體現，為排除電機轉子存在偏心問題，對該電機進一步進行振動測試。舵機電機軸伸端振動測試結果見表3。從振動數據可以看出，該電機振動非常小，基本可以排除轉子偏心故障。

3 ESA 測試及分析

為對分析結論進行進一步驗證，對該型電機進行ESA（Electrical Signal Analysis，電子信號分析）測試。ESA 是一種電機動態監測技術，能夠通過在線測試，及時準確地發現電機故障，又由于該技術需要的電壓、電流信號容易取得，因此該技術在工業領域得到了廣泛的應用。

表3 振動測試結果

3.1 ESA 測試的氣隙指示

電機氣隙問題根本上是由電機轉子的偏心引起的，在電流、電壓頻譜上反映在頻譜的高頻段。當電機轉子在定子的中心旋轉，不存在偏心；當轉子繞著與定子中心平行但偏離定子中心的軸旋轉時，產生靜態偏心；當轉子的旋轉軸隨著轉子的旋轉而變化時，產生動態偏心。理論上靜態偏心將導致譜峰：

動態偏心區別于靜態偏心，是在靜態偏心的峰周圍存在轉速頻率邊帶，動態偏心頻譜峰為：

其中，RS 是轉子轉頻，RB 是轉子條數，FL 是電源頻率，N是奇數，M 是任意整數。

3.2 ESA 測試結果及分析

采用Areva NP，Inc.公司的EMPATH2000 電機故障診斷儀，對上述舵機電機進行動態測試，采集電壓、電流信號得到的電壓電流信號頻譜如圖1 和圖2 所示。

圖1 電壓信號頻譜

圖2 電流信號頻譜

一般情況下，轉子條數或定子槽數很少知道，這樣就不可能計算RS×RB，但是EMPATH 中的算法可確定轉子條數，因此，偏心引起的譜峰就可以在頻譜的高頻譜峰中查找。EMPATH 測試結果中顯示轉子條數為56，轉子轉頻為24.991 Hz，RS×RB＝1399.5 Hz。從圖1、圖2 中可以發現電壓和電流頻譜中均存在1399.5 Hz 頻率譜峰及邊帶，但并不能說明電機一定存在偏心問題，因為電機實際工作狀態下，完美的不偏心狀態并不存在，因此電壓和電流頻譜中均存在RS×RB 頻率譜峰及其邊帶。觀察1399.5 Hz 頻率譜峰及其附近邊帶，可以發現其幅值均在-65 dB（EMPATH 軟件設定閾值）以下，由此可以判定該電機在偏心問題上沒有表現出明顯異常。EMPATH 軟件的自動診斷結果也驗證了這一結論，EMPATH 軟件的自動診斷結果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，該電機除因空載狀態下測量導致的負載太低外，并未顯示其他故障，其氣隙項“Air gap”顯示“OK”，表明該電機不存在氣隙不均問題。

經與該電機廠家維修人員溝通得知，該型舵機電機采用了C3 大游隙軸承，由此MCA 監測結果可以得到合理的解釋。靜態下電機轉子軸心位置顯然低于軸承中心位置，造成輕微的氣隙不均，一般情況下，這種輕微的氣隙不均不會對阻抗和電感的測量產生明顯影響，但大游隙軸承電機加劇了電機氣隙不均現象，對阻抗和電感的測量產生了明顯的影響，最終使監測結果指向電機轉子故障。綜上所述，MCA 技術不適用大游隙軸承電機的狀態監測和故障診斷。電機處于工作狀態時，轉子的轉動可以顯著減少這種由軸承大間隙帶來的轉子偏心問題，因此ESA 技術可以克服上述影響，準確地對大游隙軸承電機進行技術狀態監測和故障診斷。

圖3 EMPATH 自動診斷結果

4 結論

針對采用MCA 技術對大游隙軸承電機進行技術狀態監測時出現的阻抗和電感不平衡的問題，對該型電機進一步做振動測試分析和ESA 測試分析，得出以下結論：MCA 靜態測試技術不適用于大游隙軸承電機的技術狀態監測和故障診斷，而電機處于工作狀態時，轉子的轉動可以顯著減少這種由軸承大間隙帶來的轉子偏心問題，因此使用ESA 動態測試技術能夠準確地對大游隙軸承電機進行技術狀態監測和故障診斷。