振动频谱分析在核级电机故障诊断中的应用

叶辉

摘要：在中国的核电工程中，其对电机的稳定性和线圈有着特殊的要求，因此大都采用核级电机，而在核级电机的运行过程中，存在一些故障问题，严重影响了其安全运行，这对于核电工程来说具有十分重要的不利影响，因此需要加强对核级电机故障的诊断，并采取有效的解决措施。本文就是在此基础之上，对振动频谱分析技术在核级电机故障诊断中的应用进行了分析，内容仅供参考。

关键字：振动频谱分析；核级电机；故障诊断；应用

前言

在核级电机故障诊断的过程中，应用频谱分析技术，能够实现对电动机的状态监测与故障诊断，从而实现电动机安全运行，有效降低检修费用，避免非计划停车，为开展状态维修提供技术支持。而本文对振动频谱分析在核级电机故障诊断中的应用分析，具有一定的研究价值和意义。

1頻谱分析法概述

频谱分析指利用傅里叶变换的方法对振动的信号进行分解，并按频率顺序展开，使其成为频率的函数，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程。频谱分析技术多应用于通信工程和自动控制过程等领域。

振动频谱分析指的是在电机运行过程中，通过对其振动信号的收集，采用频谱分析技术，从而实现对其故障的诊断。而在实际的诊断过程中，一般是由以下几方面的步骤进行：第一，将装有微型加速计的测头接触传送带上运送的电机；第二，检测电机的振动信号，并通过放大器放大后再输入FFT分析仪中；第三，将检测得到的振动频谱与预先在分析仪中设定的判别谱进行比较；第四，进行合格与否判断，并输出判断信号。

2电机故障的振动频谱分析机理

利用振动法对电动机进行故障诊断，主要应用频谱分析方法，振动和频谱分析技术在电机的故障诊断中是相辅相成的，共同运作之下才能够保证故障诊断的准确性，进而达到故障诊断的目的。频谱分析法法的核心原理为：

频谱分析法的主要作用是求解电机各部件的特征频率，并根据特征频率将各部件的振动区分开来，从而对电机的故障进行定位分析与诊断。而有关人员在核级电机的各种运行情况下，通过对电机进行试验，采集大量信号并进行相应的处理与分析，总结得到各种故障引起的振动特征频率，如表1。

注：z为滚珠或滚柱数目；n为电动机转速；d为滚珠直径；D为滚珠分布直径；β为轴承压力角；f1为定子外加电源频率；fr为转子旋转频率；k=6，7，…，12；R为转子导条数；p为电机的极对数；s为转差率；静态偏心时，nd=0；动态偏心时，nd=1；nw=2，4，6…。

通过上表的机理公式，有关人员通过对有关数据信息的收集和分析，通过计算就可以得出出现故障的准确位置，从而帮助维修人员快速解决电机故障问题，提高电机运行效率，进而促进生产效益的提高。

3电机故障的振动频谱特征

3.1定子偏心、铁芯片短路及铁芯松动故障

定子故障产生2倍电源频率2FL振动，但未必产生极并通过频率边带，因为其振动源在定子内部，所以它们被转速频率或者滑差频率调制。可通过以下三种方式区分是机械松动或不对中引起的机械故障激振频率或电气故障激振频率：（1）时间同步平均谱；（2）细化谱分析；（3）断电试验。

3.2转子偏心

转子偏心指的是电动机定子和转子之间气隙变化引起的故障，偏心的转子与定子之间产生旋转的可变气隙，引起脉冲振动，通常在电源频率的2倍2FL与最靠近的转速频率的谐波频率之间，常需要采用细化谱分离2FL与转速频率的谐波频率。

3.3转子条松动故障

电机转子条松动故障常产生1倍转速频率的大振动及其两侧极通过频率（FP）的边带，此外，转子故障常产生转速频率的第二、第三、第四和第五阶谐波频率两侧的FP边带。转子条通过频率的二次谐波频率（2RBPF）幅值增大十分明显，而1RBPF并不会很大，同时其2倍电源频率的边带幅值也明显增大。

3.4电动机相位故障（接头松动）

产生两倍电源频率2FL的过大的振动幅值，并且两侧伴有1/3电源频率的边带。

4应用频谱分析法的诊断分析

4.1电动机轴承故障

在某厂电机进行检查时，发现其在运行的过程中，存在以下故障问题：第一，负载侧轴承水平速度的时域波形图中有表面损伤的特征波形，这说明内、外滚道或者滚柱的滚动面有损伤，负载侧时域波形如图1所示；第二，负载侧轴承水平径向速度的频谱图中低频段中45～150Hz范围内“新生”了很多谱线，如图2所示。

通过对以上频谱图进行分析，我们可以得出这样的结论：负载侧轴承异常频谱的出现是由于滚动体及内圈故障引起，应立即停机整顿。

针对上述故障，有关人员需要将该机下线解体并进行检查，重点检查负载侧轴承圆柱滚子是否出现卡死、内滚道是否出现剥落。一经发现对其进行维修处理或者是更换新的零部件。

4.2不对中故障

在核级电机的运行过程中，对其稳定性具有较高的要求，一旦发现电机在实际运行过程中存在振动不当的情况，就需要对其进行故障诊断。利用频谱分析法对电机和减速器等进行运行数据的收集与分析，从而制定出频谱图，需要注意的是，在数据收集的过程中，需要确定测点。一般情况下，测点分为4个，主要分布在电机的两端，和减速器的两端。由于4个测点位置的速度不同，我们就可以对测点速度的差值对故障进行诊断。一般情况下，主要是电机负载侧轴向振动和其他测点之间差距过大，那么就可以得出电机存在不对中故障。

经过有关人员检查，发现电机存在柱销联轴器轴心径向位移不达标的现象。为此，可以重新对其进行调整，从而使得电机运行回复正常。

结束语

综上所述，本文主要从频谱分析法的概念入手，并在电机故障的振动频谱分析机理基础之上，对电机故障的振动频谱特征：定子偏心、铁芯片短路及铁芯松动故障、转子偏心、转子条松动故障、电动机相位故障（接头松动）进行了探讨，最后详细分析了应用频谱分析仪对电动机轴承故障和不对中故障的判断，这对于提高电机运行故障判断效率，促进电机稳定运行具有十分重要的作用。

参考文献：

[1]张丰.频谱分析技术在电动机故障诊断中的应用[J].中国设备工程，2012，（05）：61-62.

[2]吕志远.基于振动频谱分析的电动机故障诊断[J].冶金动力，2008，（05）：17-19.endprint