用于诊断电机运行故障的振动频谱技术探讨

张鹏

摘 要：随着我国生产规模的不断扩大，对电气机械设备的依赖程度也越来越大，采用机械设备进行生产活动是提高产量的保证。电气机械设备的电机在运行过程中会随着运作强度的增大而出现故障，有些故障通过常规的方法就能诊断出来，但有些故障则难以通过常规方法诊断出来。文章主要介绍了振动频谱技术在电机运行故障诊断中的应用。

关键词：电机运行；振动频谱；故障诊断

1 振动频谱技术的应用范围

1.1 振动频谱在电气故障诊断中的应用

振动频谱在电气故障中的应用主要是体现在：在对电气的电机设备进行常规的检查和故障诊断时，对电机设备的振动数据进行采集和分析，并定义设置一定的频谱宽度，通过观察振动频谱图象就可以对电机转速故障、各项机械零件的故障表现和发生的频率进行分析。振动频谱诊断技术可以有效提高对电气电机设备诊断的精密度，并而能够帮助很好的对故障问题进行分析和处理解决。

1.2 振动频谱在机械故障诊断中的应用

振动频谱在机械故障中的诊断应用主要常规谱图频率分辨，在振动频谱分辨率比较低的情况下，通过利用频谱细化措施可以对电机设备出现的故障进行分析并合理细化和分析振动频谱。在进行频谱细化的时候要合理采用数幅值，避免出现环绕丢失情况。此外，在确保能提升电机机械稳定性的前提下进一步提升振动频谱在机械故障中的应用效果。

2 电机运行故障诊断技术分析

2.1 频谱细化识别技术

一般情况下，在对电气设备和机械设备进行例行故障检查和诊断的时候，在收集设备振动数据之前需要按照采集定义设置频谱的频带宽，一般是在两千HZ，只需要八百条谱线就够。如果只是了解电机转动频率的半倍频、单倍频、双倍频或是多倍频以及滚动轴承机械故障的特征频率时，就能在上面设置的常规频谱图上反映出来了。但是，由于大部分的电气电机出现故障时，它们所反映出来的频率主要是集中在2倍频上，也即是100HZ，而大多数的电机额定转数是在2970r/Min左右，它的转数2倍频和电源的2倍频很接近，所以要从常规频谱上分辨出是转数2倍频还是电源2倍频有一定難度。所以，需要通过频谱细化技术来解决频谱分辨率低的问题，对电源频率、转子条数、转速频率谐波频率或基频做细化的分析，而且需要采用对数幅值，防止环绕在1X转速频率和电源频率、2X电源频率尖峰两侧的极通过频率边带的丢失。

2.2 常规谱和细化谱的比较分析

比如，对一台机泵进行检查，发现机泵运行声响和振动值都比较大。通过分析，可以发现频谱的能量主要位于101HZ处，3.26mm/s，同时呈现出1倍频、3倍频、多倍频等频率分量，转速2975r/min，转频49.58Hz，2倍频99.17Hz，电源2倍频100Hz。如果把该频谱能量转为2倍频能量来考虑的话，初步判断振源应该是来自于联轴器对中不好或是电机轴承安装偏心等。如果把该频谱能量作为2倍频能量来考虑，则振源可能来自转子、定子偏心或气隙不均匀等故障。所以，要准确的判断到底故障发生在哪个位置，就需要知道这个频率是转速2倍频还是电源2倍频。所以，为了能够准确找出电机故障发生的位置就必须要比较分析常规谱和细化谱，重新修改采集定义频带宽。

2.3 电机振动信号分析

振动是电机运行过程各种运行状态的重要载体，它是判断电机运行状态的重要信息来源，振动特征反映了电机运行状态的特征。电机无论是在运行状态还是故障状态下都会发生振动，不同运行状态下的振动形式各不相同，发生振动的所在位置也不一样，所以可以通过检测电机振动的情况来判断电机发生故障的位置和类型。具体诊断操作方法如下：采用试验模态分析方法对电机的模态进行测试，然后将测试得到的模态参数跟该型号电机的振动特征数据库进行比照，就可以找出故障的类型和部位。其中，振动特征数据库的建立非常重要，需要在电机正常运转的状态下对其振动各阶的频率和振型进行测试，而且也要模拟电机发生故障，在模拟故障状态下进行模态测试，测试在模拟故障状态下的各阶模态参数，最终把这两者汇总起来建立一个简易的数据库，当故障真正发生时通过测试表现出来的各阶的参数就可以诊断出故障。

3 电机故障类型振动频谱分析

电机发生故障的类型多种多样，不同位置发生故障后所显示出来的振动频谱图也不一样，所以需要了解掌握不同电机故障类型的振动频谱特征，以便判别故障类型。

3.1 轴承故障类型

轴承会由于经受高负荷运行、缺乏润滑、异物进入等因素的影响造成轴承磨损、剥落、腐蚀、碎裂等故障现象，一旦出现故障就会产生异样的电机振动。另外，电动机转子质量分布不均匀或是拖动过程中造成装置的轴心偏离对中位置，重心偏移，偏移会引起转子在转动时产生单边离心力和不对称的电磁拉力，只是转子的支撑力出现变化，最终导致机械振动异常，故障也因此而产生。轴承发生故障会表现独特的频率谱图，通过判断故障频谱的峰值大小就可以判断出轴承内圈、外圈、滚动体的故障。

3.2 转子偏心故障类型

当转子发生偏心故障时，它会产生旋转可变的气隙，引起脉冲振动，一般情况下是在2FL与转速的谐波频率之间，所以需要从细化谱中分离出2FL与转速谐波频率以及2FL两侧的FP，FP的正常值在0.3Hz到2Hz之间。静态偏心的振动频谱特征是：电磁振动频率是电源频率FL的2倍；转子偏心的程度越严重，电磁振动就越大；动态偏心振动频谱的特征是：转子旋转频率和旋转磁场同步转速频率的电磁振动会同时出现；电磁振动的脉动周期一般为1/2sFL，并随着电动机负载的增大，脉动的节奏也会加快；电动机会发出和脉动节奏一样的电磁噪声。

3.3 定子绕组故障类型

定子偏心或是铁芯发生短路和松动故障等情况都会产生2FL振动，如果将电源切断，2FL频率下的振动也会消失。当定子铁芯和定子线圈发生松动时，定子所发出来的电磁振动和电磁噪声也会变大，这时候表现在振动频谱图中的会有2FL基本成分，同时还会有4FL/6FL/8FL等谐波成分。定子发生异常振动时的表现是：振动频率高于电源频率双倍；电源一切断，电磁振动也会消失。

3.4 转子导条断裂或松动故障类型

转子条和末端处发生断裂或是接触不良以及转子的铁芯发生短路时都会产生单倍转速频率的振动及其两侧的极通过频率边带，同时也会产生转频的二、三、四、五阶谐波两侧的极通过频率边带。如果转子条通过频率和其谐波频率两侧的2FL边带则说明转子条存在松动或开脱的情况，在这种情况转子条松动与端环间的电弧会显示出高幅值的2RBPF，但震动幅度不会变大。转子由于受热过度会发生弯曲，弯曲的转子会和定子发生摩擦，导致电磁力越来越大、不平衡力越来越严重，热量也会越聚越多，导致转子的弯曲度越严重，振动幅度值受定子电流影响会很明显。

4 结束语

电气设备和机械设备的电机在运行过程中，由于各种因素的影响，总是会发生各种各样的故障问题，某些比较明显的故障通过简单的方法就可以查出来，而有些比较隐蔽的故障则需要通过特殊的方法才可以检测出来。振动频谱技术在诊断一些特殊故障的时候，有着它的独特性，能发挥有效的检测作用，所以要充分的挖掘这种诊断技术的潜力，有效的应用到特殊故障的电机故障诊断当中。

参考文献

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