大游隙轴承电机故障诊断方法研究

姚东红，苏俊博

（91370 部队，福建福州 350014）

0 引言

轴承的游隙对轴承的动态性能（噪声、振动和摩擦）和旋转精度，使用寿命（磨损与疲劳）及承载能力都有很大影响。我国国家标准规定的轴承的游隙值分为小游隙组（C1、C2 组）、基本组（0 组）和大游隙组（C3、C4、C5 组）。大游隙组适用于轴承与轴和外壳采用过盈配合、轴承内外圈温差较大，深沟球轴承需要承受较大轴向负荷或需改善调心性能，以及要求提高极限转速和降低轴承摩擦力矩等场合。大游隙轴承电机在船舶上具有一定的应用，如某型船舶舵机电机应用了一种大游隙轴承电机。在使用MCA（电机静态监测）技术对该电机进行技术状态监测时，监测结果显示多艘该型船舶舵机电机阻抗和电感均处于不平衡状态，不平衡量达到了规定的预警值。通常同型电机同时发生相同故障的概率较小。除电机故障外，电机设计缺陷以及监测方法的不适用均可能导致这样的监测结果，因此，研究该型电机阻抗和电感不平衡的原因以及适用的监测方法，对该型电机的故障诊断具有重要意义。

1 MCA 监测及分析

MCA 分析技术在20 世纪80 年代中期产生于西方工业发达国家，通过测量记录电机绕组的电阻、阻抗、电感、相角、I/F 倍频值以及绝缘阻值等参数并做进一步的处理分析，从而使维修管理人员能够预测和判别电机的故障情况，以减小可能的危害损失。表1 是利用电机故障检测仪对该型船舶舵机电机进行检测得到的结果，表2 是在IEEE 标准中电机三相平衡评判标准。

从IEEE 电机三相平衡评判标准可知，标准没有将电阻平衡量作为评判标准，是因为某些大电机绕组阻值非常低，初期匝间短路导致电阻值的变化较小，以至于使用电阻测量无法精确地检测故障，但由此产生的电感失效可通过阻抗和电感测量真实地反映出来[1]。对比标准可知，阻抗的不平衡量＞5%，处于故障状态，电感的不平衡量＞10%，处于缺陷状态。综合以上结果，可以判断该电机处于故障状态。而相角和倍频测试结果无异常，可进一步定位该电机存在的故障为转子故障。在监测过程中发现，多艘同型船舶舵机电机的监测结果均显示转子故障，这样的结果显然是不正常的。

表1 MCA 监测结果

表2 电机三相平衡评判标准

2 振动测试分析

MCA 监测显示该电机转子故障，尤其指向转子偏心引起的气隙不均问题。电机气隙不均问题会在电机振动上有所体现，为排除电机转子存在偏心问题，对该电机进一步进行振动测试。舵机电机轴伸端振动测试结果见表3。从振动数据可以看出，该电机振动非常小，基本可以排除转子偏心故障。

3 ESA 测试及分析

为对分析结论进行进一步验证，对该型电机进行ESA（Electrical Signal Analysis，电子信号分析）测试。ESA 是一种电机动态监测技术，能够通过在线测试，及时准确地发现电机故障，又由于该技术需要的电压、电流信号容易取得，因此该技术在工业领域得到了广泛的应用。

表3 振动测试结果

3.1 ESA 测试的气隙指示

电机气隙问题根本上是由电机转子的偏心引起的，在电流、电压频谱上反映在频谱的高频段。当电机转子在定子的中心旋转，不存在偏心；当转子绕着与定子中心平行但偏离定子中心的轴旋转时，产生静态偏心；当转子的旋转轴随着转子的旋转而变化时，产生动态偏心。理论上静态偏心将导致谱峰：

动态偏心区别于静态偏心，是在静态偏心的峰周围存在转速频率边带，动态偏心频谱峰为：

其中，RS 是转子转频，RB 是转子条数，FL 是电源频率，N是奇数，M 是任意整数。

3.2 ESA 测试结果及分析

采用Areva NP，Inc.公司的EMPATH2000 电机故障诊断仪，对上述舵机电机进行动态测试，采集电压、电流信号得到的电压电流信号频谱如图1 和图2 所示。

图1 电压信号频谱

图2 电流信号频谱

一般情况下，转子条数或定子槽数很少知道，这样就不可能计算RS×RB，但是EMPATH 中的算法可确定转子条数，因此，偏心引起的谱峰就可以在频谱的高频谱峰中查找。EMPATH 测试结果中显示转子条数为56，转子转频为24.991 Hz，RS×RB＝1399.5 Hz。从图1、图2 中可以发现电压和电流频谱中均存在1399.5 Hz 频率谱峰及边带，但并不能说明电机一定存在偏心问题，因为电机实际工作状态下，完美的不偏心状态并不存在，因此电压和电流频谱中均存在RS×RB 频率谱峰及其边带。观察1399.5 Hz 频率谱峰及其附近边带，可以发现其幅值均在-65 dB（EMPATH 软件设定阈值）以下，由此可以判定该电机在偏心问题上没有表现出明显异常。EMPATH 软件的自动诊断结果也验证了这一结论，EMPATH 软件的自动诊断结果如图3 所示。从图3 中可以看出，该电机除因空载状态下测量导致的负载太低外，并未显示其他故障，其气隙项“Air gap”显示“OK”，表明该电机不存在气隙不均问题。

经与该电机厂家维修人员沟通得知，该型舵机电机采用了C3 大游隙轴承，由此MCA 监测结果可以得到合理的解释。静态下电机转子轴心位置显然低于轴承中心位置，造成轻微的气隙不均，一般情况下，这种轻微的气隙不均不会对阻抗和电感的测量产生明显影响，但大游隙轴承电机加剧了电机气隙不均现象，对阻抗和电感的测量产生了明显的影响，最终使监测结果指向电机转子故障。综上所述，MCA 技术不适用大游隙轴承电机的状态监测和故障诊断。电机处于工作状态时，转子的转动可以显著减少这种由轴承大间隙带来的转子偏心问题，因此ESA 技术可以克服上述影响，准确地对大游隙轴承电机进行技术状态监测和故障诊断。

图3 EMPATH 自动诊断结果

4 结论

针对采用MCA 技术对大游隙轴承电机进行技术状态监测时出现的阻抗和电感不平衡的问题，对该型电机进一步做振动测试分析和ESA 测试分析，得出以下结论：MCA 静态测试技术不适用于大游隙轴承电机的技术状态监测和故障诊断，而电机处于工作状态时，转子的转动可以显著减少这种由轴承大间隙带来的转子偏心问题，因此使用ESA 动态测试技术能够准确地对大游隙轴承电机进行技术状态监测和故障诊断。