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船舶感應電機軸承故障診斷方法的幾點研究

2012-10-10

作者：鄭海志
（黑龍江省航道局）

　　摘　要：對于船舶電機軸承故障診斷的方法選擇上，首先，通過對目前感應電機的故障診斷方法進行比較及回顧，分析哪種方法更適合于船舶感應電機軸承故障的診斷。船舶感應電機常見故障分為：軸承故障、定子故障、轉子故障、氣隙偏心故障等等；感應電機的故障診斷早在20世紀70年代開始就已經有研究文章面世，在其后的40多年里，有關感應電機的故障診斷技術及方法層出不窮，下面就對這些方法進行簡要的探討。
　　關鍵詞：船舶；電機；軸承；故障；診斷；方法
　　0　引言
　　感應電動機因其可靠性高、結構簡單、成本低，故而在船舶上得到了廣泛的應用。據統計，電機常見故障中軸承故障的發生幾率高達41%，一旦電機發生故障，就可能導致動力系統和電力系統的服務中止，從而威脅船舶航行的安全。其中軸承故障是電機故障中發生概率Z高的，因此本文針對船舶感應電動機軸承故障的診斷方法展開研究。
　　1　溫度診斷方法
　　通過安裝在繞組里，或嵌入在絕緣層里的傳感器，來測量溫度的變化來實現對電機的故障診斷。如果電機的通風狀況良好，同時考慮環境溫度對電機的影響，溫度的測量可以采用基于熱模式或者定子電阻的模式?；诳臻g靜電荷的建立現象，利用熱梯度（ThermalstePMethod，TsM）來監視定子繞組絕緣的老化現象，同時測量反映能量級別的熱激勵泄放電流（Thermally stimulated Discharg currents TSDO)，通過將TSM和TSDC結合在一起，可以預報定子繞組的絕緣壽命。對于低壓感應電機，通過采用非破壞性的診斷設備如塑料光纖（PlasticOPticalFiber，PoF）來評測絕緣層的老化，該方法是通過對兩個不同的紅外波長上的反射吸光率變化來進行評測的。
　　2　振動診斷方法
　　電機定子的振動是定子繞組匝間短路、單向運行、欠壓運行等的函數，在電磁力矩和定子之間的諧振是引起電機噪聲的主要原因。
　　2.1 定子異常產生的電磁振動
　　電機運行時，轉子在定子內腔旋轉，由于定、轉子磁場的相互作用，定子機座將受到一個旋轉力波的作用，而發生周期性的變形并產生振動。定子電磁振動的特征振動頻率為電源頻率的2倍。
　　2.2 氣隙偏心引起的電磁振動
　　氣隙偏心有兩種情況，一種靜態偏心，另一種是動態偏心。靜態偏心是由于電動機定子中心與轉子軸心不重合造成的。而氣隙偏心是由轉軸撓曲或轉子鐵心不圓造成的。這兩種偏心都能引起電磁振動，但是振動的特征并不完全相同。靜態氣隙偏心的電磁振動頻率是電源頻率的2倍，而動態氣隙偏心的振動頻率在轉子轉速頻率和旋轉磁場同步轉速頻率都可能出現。
　　2.3 轉子導體異常引起的電磁振動
　　鼠籠型感應電機因籠條斷裂，將產生不平衡的電磁力，其性質和轉子動態偏心的情況相同，它引起的電磁振動也和轉子動態偏心相似，較難辨識。
　　2.4 轉子不平衡產生的機械振動
　　電機轉子質量分布不均勻時，產生了重心位移，不平衡質量在旋轉時將產生單邊離心力，引起了變化的支承力，電機運行變得不穩定了。由轉子不平衡造成的機械性振動頻率和轉速頻率相等。
　　2.5 軸承異常產生的機械振動
　　由于電機滾動軸承損壞、設計制造中誤差，在運行中將會出現機械振動，每種規格的滾動軸承，都有其一定的特征頻率。而滑動軸承的振動特征頻率略低于轉子回轉頻率的一半，通常為0.42-0.48。
　　3　基于參數辨識的方法
　　該方法通過對定子電壓u，以及定子、轉子電流X進行測量，然后再基于擴展卡爾曼濾波估計轉子的電阻及轉子電流的變化，來檢測故障的原因。
　　在線估計電機的轉子電阻以及轉子電流的奇變，從而實現轉子故障的檢測，但應用在不同類型的電機時，需要對電磁參數矩陣進行修改。
　　4　瞬時功率分析法
　　由于感應電動機額定運行時轉差率比較小，在輕載和空載狀態時更小，使故障特征難以突出，特別是轉子斷條在基頻成分周圍的邊頻容易被基波淹沒。為提出了基于瞬時功率信號頻譜分析的診斷方法。
　　瞬時功率包含一恒值分量及頻率為Zsf的波動分量，恒值功率和電機負載和電機損耗有關。由功率表達式明顯可以看出，故障特征分量Zsf包含了電流信號中（1士Zs）f兩個分量的作用。因此，氣隙功率中Zsf特征分量包含了由于電機轉子故障引起的不對稱以及速度波動的影響，把該特征分量的幅值與恒值功率的比作為分析電機轉子故障嚴重程度的指標更為合理。
　　由于電網電壓不受電機運行狀態的影響，瞬時功率中故障特征分量形式上與基于Hilbert變換的定子電流解調信號中相同，但實際上瞬時功率中既包含了電流的作用，又包含了電壓電流間的相位差φ的影響，其與負載大小、勵磁電流等有關，相對于定子電流的解調信號包含了更多的信息成分，也就是說，功率譜對負載變化的響應要比電流強。
　　另外，要濾除功率譜中恒值分量來凸現2sf故障特征信號也要比分析電流信號簡單一些。但要想判斷出電機轉子故障并得出其嚴重程度同樣需要合適的處理算法。
　　上面的介紹的這幾種故障診斷方法中，溫度診斷方法屬于侵入式設計，振動診斷方法本來是一個故障特征比較明顯的方法，同時還具有反映故障信息量大特點，但是在船舶這一特殊領域，由于船舶本身的共振，各種輔助機械的運轉產生的振動，導致振動信號所攜帶的故障特征量中有嚴重的噪聲，甚至特征量其他振動信號所淹沒；基于參數辨識的方法因為需要電機的一些機械及電磁參數，因而不利于故障診斷系統的通用性；瞬時功率分析法和氣隙轉矩分析法均需要船舶感應電機軸承故障診斷系統的研究時采集定子電壓和電流，因此測試電路相對復雜，對電壓電流信號的相位要求嚴格，采樣時必須保證各路數據的同步采樣，因而增加了故障診斷系統的組建難度，無法使故障診斷方式得到普及。對于實際工作中遇到的情況，應考慮不同狀況進行分析應用何種方法。

來源：《民營科技》 2011年第6期

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