机器振动特征分析(5)电动机

指示定子故障问题的细化谱
注意: 在2FL处较高振动3.40mm/s 频率分辩率足够，将2FL与
转速的谐波频率分离
电气故障检测应注意的问题
注意，当两个靠得很近的谱峰差值等于频率分辩率×FFT窗口系数 （汉宁窗为1.5）所得的值，这两个谱峰才能得以显示出来。
例如，最大分析频率范围为200Hz，使用400条谱线，选用汉宁窗， 频率分辩率虽然为0.5Hz，此时，你不能将两个间距为0.5Hz的谱 峰区分显示出来。这是因为，此时你所具有的分辩能力是 0.5Hz×1.5＝0.75Hz。如果你把谱线数提高到3200条，此时你所 具有的频率分辩能力为0.0625Hz×1.5＝0.094Hz。可以将任何两 个频率间距大于0.094Hz的两个峰值区分开来。
200RPM时，拍频就已不成为问题。
电动机故障分析
用振动特征信号分析，不仅能检测机械问题，也能检测 电动机有关问题这是因为，电动机内的磁场产生磁通量， 磁通量产生电磁力，同时电动机中还有机械上产生的力， 而电动机的轴承必须支承这些电气和机械上产生的所有 的力。因此，在轴承座上设置力传感器可以直接测量这 些力，或者间接地用诸如加速度计，速度传感器或者电 涡流式位移传感器等振动传感器间接测量这些力到底是 由电气引起的还是由机械问题引起的。
拍振的影响
拍频本身未必成为问题。 它使动平衡非常困难，尤其是用频闪灯测相位时。频闪的
虚象将连续以拍频旋转，测量不到相位。 两台单独运转的机器，可能都满足振动标准。当两者一起
运转时，结果两台机器都超过报警限。 解决方法：
改变其中一台机器的转速，或者改变两台机器的转速。 在机器之一或两者下面放置隔振材料，保持彼此振动不影响。 为了防止拍振，强迫振动频率至少离开％，频率差超过150-
振动分析可检测的转子的故障
1. 转子条或短路环断裂 2. 转子条与短路环之间坏的高阻接点 3. 转子铁芯片短路 4. 转子条松动或脱开，与端环未良好接触
转子故障的振动特征
1. 对于转子条断裂的研究的关键区域是在1X转速频率两侧存在极通过 频率边带
英格索兰CENTAC电动机2H点500Hz频谱
1X转速频率附近细化
首先修正这些机械故障问题(不平衡，不对中，轴弯曲等)。然后， 重新进行电动机电流分析和振动分析，评定电动机的电气状态。
感应电动机振动分析
1. 定子偏心，短路的铁芯片和松动的铁芯； 2. 转子偏心(可变的气隙)； 3. 转子故障(断条或短路环开裂，转子铁芯短路，转子条松动等)； 4. 转子局部受热造成的热弯曲； 5. 连接松动的或断开造成的电气相平衡问题； 6. 扭转脉冲故障。
电气故障检测应注意的问题
各种极数的同步转速(RPM)
极数 2 4 6 8 10 12
同步转速 3000 1500 1000 750 600 500
RBPF (转子条通过频率) = 转子条数 X 转速 气隙：转子与定子之间的间隙 磁中心：转子磁场和定子磁场相平衡及转子被驱动的点
定子故障
3. 定子偏心，在转子与定子之间产生一个静止的不均匀的 气隙，产生非常定向的振动，与最大气隙差有关，在转 子与定子的最小气隙处出现最大电磁力。因此，电磁力 本身每转一转从最小到最大产生电源频率两倍的振动。
定子故障
4. 对于交流感应电动机，气隙差不应该超过5％；对于同步电动机，不 超过10％。如果2FL处振动额外增大，可在定子和转子上分别作一个 点标记，检查电动机(如果可以检查的话)。在定子与转子的作点标 记对准的情况下，测量气隙，每转动转子45度，测量定子作点标记 处的气隙。如果气隙变化超过的5％，则气隙差是由于偏心的转子造 成的。下一步是再每转动转子45度，测量转子作点标记处的气隙， 如果这个气隙变化超过5％，说明是偏心的定子。
例如，一台3580 RPM的电动机 存在转子偏心故障，它引起 7200 CPM大的振动，其转速频 率的两倍为7160 CPM，将与 7200 CPM的2X电源频率形成 拍振，产生40 CPM的拍频。
拍振的产生
两个时域波形，频率略有差别， 其尖峰，周期地彼此同相位进入， 在这一点处，它们有效地彼此相 加，形成最大幅值；在另外一些 时刻，这两个时域波形相位差 180度，彼此有效地抵消，幅值 几乎为零。这就解释了人们会感 觉到和听到波动的噪声和振动。 合成的时域波形，是这两个频率 产生的拍振。拍频就是这两个频 率的差值(F1－F2)。
如果在2FL频率及其边带的振动幅值在若干次监测中保持稳定， 则该电动机可能不会进一步损坏，即使在2FL处振动幅值高达 4.445mm/s。
这些情况下，虽然继续作趋势分析是满意的。然而，电动机 本身的寿命可能会缩短。
转子偏心的振动特征
5. 有偏心的转子的电动机，当温度升高时，往往会经历越来 越大的振动。
大部分电气故障，在2X工频(100Hz)处振动值高
电气故障检测应注意的问题
为什么是两倍工频? 而不是电源工频?
在定子磁场3000rpm的一转过程中，朝向最 靠近的极的磁拉力，从零上升到最大在偏心 转子中发生两次。磁场以3000rpm旋转，磁 拉力在每分种内达到最大6000次(或 6000rpm)。
电气故障检测应注意的问题
电动机振动频谱线性坐标，注意 没有充分显示出极通过频率边频 带。
电动机振动频谱对数坐标刻度，可 以清楚看到在1X~4X转频周围的极 通过频率边频带。（由此发现了该 电机转子存在4根断条问题）
电气故障检测应注意的问题
电动机振动频谱对数坐标幅值刻度和局部细化，可以清楚看到在 1X转频周围的极通过频率边频带。
在分析电动机电气问题时，要采用对数坐标刻度，而不是使用线 性坐标刻度。这主要是为了能识别出在转频及其谐频周围是否存 在电机的极通过频率成份，在通常情况下其幅值是很低的。
电气故障检测应注意的问题
电动机振动频谱的频率范围为 200Hz，注意2X转频和2FL混合 在一起。
电动机振动频谱在200Hz局部 细化并采对数坐标刻度，可以 清楚地区分出每个峰值。
最初，30000cpm宽带谱没有给出严重故障指示，似乎表示机械松动。 因为特征是存在若干转速频率的谐波频率。然而，细化分析发现在1X， 2X和3X转速频率的两侧分别存在一系列很清楚的极通过频率的边带， 这是转子条断裂，短路环故障或者转子铁芯片短路故障指示。
由于短路的铁芯片导致局部发 热，引起转子弯曲、变形、失 园、转子偏心。径向跳动的转 子可以引起偏心。
转子偏心的振动特征
1. 偏心的转子在二倍电源频率2FL处产生大的振动，并且 伴有极通过频率 (Fp=极数*滑差频率) 的边带。
细化谱在7200cpm频率处振动4.22mm/s 并指示转子偏心故障的极通过频率边带
转子偏心的振动特征
4. 在预测维修程序中，发现在两倍电源频率(2FL)两侧存在 极通过频率边带时，这说明转子存在偏心问题，以后的 定期监测中，应该仔细进行趋势分析。
例如： 2FL振动超过2.54mm/s时，则应在监测中仔细进行趋势分析，
如果2FL振动幅值明显增大，并且边带幅值也明显增大，尤其是出 现更多边带时，则应给予更密切的注意。
拍振举例
NO．1拉丝框架的主传动
齿轮箱的输出是一根长传动轴。
从电动机输入到齿轮箱的转速为 1477rpm，到传动轴的输出转速 为1393rpm，输入与输出转速差 仅为84rpm.
在较宽频率刻度下看时，这两个 单独的尖峰合并成一个，振动幅 值显示出它们较大的波动。拍频 为84rpm
拍振举例
拍振，传动轴和电动机转速频率差
转子偏心的振动特征
2. 报警标准：对于新的或修理过的电动机，两倍电源频率 振动超过1.27mm/s，或者在用的通用型电动机两倍电源 频率处振动超过2.54mm/s。如果用于精密机床心轴，则 两倍电源频率(2FL)处允许振动仅为O.635mm/s。（适用 于50-1000马力的多数交流感应电动机）
3. 为了在整个圆周上，转子与定子之间的气隙都在公差范 围内，偏心的转子可能需要调整轴承座本身或者机加工 转子轴颈。
电动机故障分析
MCSA电流特征分析是振动分析的强有力的支持技术 确定故障存在，评价故障的严重程度 振动分析和电流分析技术组合诊断故障原因 有效的专家诊断软件
纯机械故障“呈现”为有明显的电气故障问题(例如，严重不对中 的轴可在电流分析中产生转子与定子之间变化的气隙的效果)。因 此在把电动机送出去之前，应进行详细的振动分析，检查是否存在 机械故障，以免不必要的电气修理。
机器振动特征分析（5）
拍振问题 交流感应电动机故障 同步电动机故障 直流电动机故障
拍振问题
当有两个频率彼此很靠近的振动，或者一个频率的振动幅 值和频率连续不断变化时，可能出现拍振。
在定子或转子有故障的交流感应电动机旁，常常听到声学 拍频。这是由于转子转速频率的谐频常发生在靠近电源频 率两倍的频率处，引起拍振。
定子故障
5. 松动的铁芯是由于定子支承刚性局部减弱或者松动造 成的。
6. 短路的定子铁芯片可引起不均匀的局部发热，使定子 畸变，引起定子偏心故障。这就产生热弯曲，热弯曲 可随着运转时间延长明显增大，有时会引起定子与转 子相接触，这是灾难性的。
转子偏心
转子偏心在转子与定子之间产 生不均匀的气隙，这个不均匀 的气隙与转子一起旋转(与定子 偏心静止的气隙正相反)
定子偏心故障实例
7200CPM（2FL）处出现5.79mm/s高的幅值，2X转速处幅 值仅0.11mm/s
在2X电源频率附近没有任何极通过频率边带，这说明是 定子故障。检查后，发现是定子偏心故障。
定子故障
2. 新 电 动 机 或 维 修 过 的 电 动 机 ， 2FL(100Hz) 振 动 超 过 1.27mm/s的，使用中的电动机达到2.54mm/s，作为需要 进 行 分 析报 警 限 。 ( 这 个 准 则适 用 于 50-1000HP 或 37746KW电动机)。如果电动机直接驱动精密机床的轴，则 2FL的幅值必须更小，应该在0.63mm/s或更小。
转子的靠近侧首先北极吸引，然后被南极吸 引，力将以2X磁场频率变化。因此，当转子 与定子不同心时(由于偏心转子或偏心定子)， 它总是将影响6000rpm的振动。
电气故障检测应注意的问题
静态偏心 在同一角向位置保持 的静止的气隙
动态偏心 由偏心转子引起的旋 转的气隙问题
电气故障检测应注意的问题
要提高频谱分析的频率分辩率，以便能区分开电气与机械方面的问题。 为此，必须增加FFT的谱线数，在 6000CPM 附近作”细化谱“，或 者减小最大频率范围。如下图所示，以便把 2FL 与转速频率的谐波2X、 4X…分离开来。
例如： 当电动机启动时，振动可能仅为2.54mm/s，运转10分钟后，振动
可能增加到例如3.56mm/s，20分钟后，振动可能继续增大到4.57mm/s， 30分钟后，振动可能达6.35mm/s或更大。
这可能是转子上不均匀的发热引起的。如果不修正，转子弯曲足 以使之与定子相摩擦，从而可能导致灾难性破坏。
振动分析可检测的定子故障 1. 定子偏心 (静止的不变气隙) 2. 铁芯片短路 (铁芯片层的绝缘问题，它可以引起局 部发热) 3. 铁芯松动 (定子中任何松动或弱点)
定子故障的振动特征 1. 产生2X电源频率的异常振动。然而，未必不产生极 通过频率边带，因为振源在定子，不会被转速或滑 差频率调制。
交流感应电动机定子、转子、转子条、气隙和磁场
感应电动机振动分析
包括转子条、 短路环和转子 铁芯片的转子
电气故障检测应注意的问题
如果怀疑电气故障，应该在电动机满负荷下进行测试 电磁力与定子电流的平方成正比。 有电气故障的电动机，往往在“单独”运转(与被驱 的机器断开)，或者机器处于空载运转时，不产生故 障的振动特征信号。机器带负荷时尤其在接近100％ 负荷时，便出现明确的症兆。
（由此发现了该电机转子存在4根断条问题）
电气故障检测应注意的问题
若干关键术语： FL = 电源频率 (FL=50赫兹) Ns = 120 * FL／P Fs = Ns - RPM Fp = P * Fs
式中： Ns = 同步转速(转／分) P = 极数 Fs = 滑差频率(转／分) Fp = 极通过频率: 电气故障的一个关键频率