基于在線狀態監測的電機冷卻風扇斷裂分析

水 龍，秦少鋒

（1.西安寄云科技有限公司，陜西西安 710077；2.杭州安脈盛智能技術有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

雙螺桿壓縮機因其可靠的運轉性能、易損件少、效率高等特點，在石油化工行業得到了廣泛應用，在生產裝置中屬于重點設備，設備的完好率直接影響到整個生產的穩定性、流暢性、安全性。而電機是其動力源，電機的健康程度直接影響著整個機組能否正常連續運轉，在線狀態監測技術對電機的故障診斷起到了越來越重要的作用[1]。

傳統的電機監測方式主要采用的是巡檢的模式，巡檢人員利用聽、摸、看的方式，對設備的健康狀態進行評估，人員的經驗在其中占據絕對主導地位，因人不同設備狀態的評估結果可能會出現完全相反的結果。引入在線狀態監測系統，可以避免因主觀因素可能導致不同的結果，通過采集設備的振動、溫度、電流等參數，將其數字化、可視化，綜合分析判斷設備狀態，實現設備故障早發現、早預警、早介入，延長設備使用壽命，減小故障帶來的危害，避免意外停機[2]。

1 背景介紹

2021 年2 月3 日22：03 左右，某化工企業凈化空氣風機電機機組整體速度值突然升高，尤其是電機驅動端，由3.1 mm/s左右上升到12.2 mm/s 左右，系統隨機報警，且APP 推送設備振動異常報警?，F場人員經過確認后，機組于4 日凌晨3：23 左右停機，8:00 左右開始檢查維修。

2 電機振動故障診斷方法

電機在線狀態監測故障診斷，是利用設備的狀態監測與診斷等手段，掌握設備狀態的變化趨勢，提前發現設備的故障征兆，根據實際情況對設備狀態做出合理的判斷，并采取最合理的預防性維修措施，從而延緩設備故障發展趨勢，實現設備預防性維修的目標。

電機因類型不同，組成部分略有差異，主要由定子、轉子、殼體、軸承、冷卻風扇等部件組成，因其結構的特殊性，故障特征表現又有所不同，三相異步電機常見的故障有定子偏心、轉子偏心、轉子條斷裂或故障、軸承故障、冷卻風扇不平衡等故障，以上故障都可通過在線狀態監測采集的振動數據，利用時域、頻率、幅值等方法對故障進行分析定位[3]。

通過處理傳感器采集的振動信號，可實現對設備故障的準確診斷的目標。日常使用的診斷分析工具有頻譜分析、加速度包絡分析、時域分析、趨勢分析等，而電機冷卻風扇不平衡的分析，主要是利用趨勢分析、頻譜分析、時域分析等，通過以上診斷工具的綜合使用及分析，準確判斷出電機冷卻風扇的不平衡故障[4]。

轉子不平衡的產生，是因轉子的質量不平衡所產生的離心力始終作用在轉子上，轉子每旋轉一周，就在轉子或軸承的某一測點處產生一次振動響應，因此其振動頻率就是轉子的轉速頻率，即工頻[5-6]。

3 凈化空氣風機機組參數及測點布置

以某化工企業為例，凈化空氣風機采用的是電機驅動雙螺桿壓縮機，實現對空氣的壓縮。其中，電機型號為HXR 450LF2，功率250 kW，轉速為2979 r/min，由ABB 生產，電機兩端軸承為6317M/C3；雙螺桿壓縮機的入口溫度即環境溫度，入口流量為6384 m3/h，出口壓力0.2 MPa，軸承型號分別為SKF23120、NU2322 和NU220。

設備的故障在不同的方向反映的故障嚴重程度往往不同，振動數據采集點一般選擇水平、垂直、軸向3 個方向。根據機組的特點、結合實際情況，對該機組布置的振動傳感器分別為電機驅動端、風機驅動端垂直、風機驅動端水平、風機非驅動端水平、風機非驅動端垂直（圖1）[7-8]。

圖1 凈化空氣風機的振動傳感器測點布置

根據設備情況，選用壓電式加速度傳感器，采用膠粘底座的方式將其安裝在設備殼體上（表1）。

表1 振動傳感器參數

4 振動數據分析

在線監測系統在采集到設備振動速度值突然升高后，同時在系統和手機端發送設備報警信息。在調取設備的振動數據后發現，電機驅動端振動速度值在突然上升后趨勢趨于穩定，壓縮機端振動速度值雖然也有所上升，但是上升幅度不及電機端幅度大（圖2、圖3）。

圖2 電機驅動端速度趨勢圖

圖3 風機驅動端水平速度趨勢圖

通過查看電機驅動端水平方向速度頻譜和時域波形譜，分析發現速度頻譜中主要為電機的工頻，且幅值較高（圖4）；時域波形近似正弦波，在波峰波谷處存在輕微的碰磨跡象（圖5）。

圖4 電機驅動端速度頻譜圖

圖5 電機驅動端速度時域波形圖

根據機組的趨勢變化，結合電機驅動端的速度頻譜及時域波形的分析，判斷機組的故障源為電機端，電機存在不平衡故障，且為電機的某一部件損傷脫落。診斷出這一設備故障后，及時通知現場人員，經過現場人員的確認反饋，發現電機非驅動端振動速度值更高，初步判斷為電機冷卻風扇存在掉落風險，現場及時停機。對設備拆機進行檢修的發現，電機冷卻風扇一個扇葉斷裂且另外兩個扇葉也已撕裂，存在隨時斷裂的可能（圖6）。

圖6 電機非驅動端拆解現場

5 結論

此設備發生故障的時間處于接近凌晨，如果未及時發現并處理，很可能導致冷卻風扇扇葉全斷裂，致使電機散熱不佳造成電機更大的損傷。

隨著在線狀態監測系統的使用，一旦設備狀態發生異常就可在第一時間發現并進行處理，通過相關人員的診斷分析，可發現設備的故障類型及故障點，及時采取相應的措施，預防設備事故發生，實現設備健康安全運行，保障企業的安全生產，使企業效益最大化。