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对三相异步电机拍频振动处理的探讨 |
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摘要：拍频振动在三相异步电机（下称电机）诊断中常碰到，不是一种剧烈的振动，但处理不当会造成设备故障。本文将结合实例，对怎样处理电机拍频振动进行探讨。
关键词：拍频振动；精密诊断；简易诊断；极压润滑油膜；窄缝谐波振动
1简述
电机拍频振动是一种特殊的振动，在电机振动诊断中常碰到，其现象表现为拍频振动激起空气的声音明显地一会儿高，一会儿低。由故障初期或偶然因素引起的电机拍频振动，过一段时间会自动消失，因此易于疏忽（尤其对偶然因素引起的电机拍频振动），不去认真找原因，这样很容易导致设备寿命缩短，甚至发生故障。
拍频振动典型的情况是，当两个振幅相同（A1=A2=A0），初相角也相同（φ1=φ2=φ0），而频率ω1与ω2相差很少的两个简谐振动叠加时，就产生非简谐振动，如图1所示。其运动可表示为：
图1
Y=A1sin(ω1t+φ1)+A2sin(ω2t+φ2)
=Asin{［(ω1+ω2)/2］t+φ}
式中：A=2A0cos{［(ω2-ω1)/2］t}。图中的虚线代表振幅的包络线，它按照拍频而振动。拍频fb等于两个振动频率差
fb=1/Tb=｜ω1-ω2｜/(4π)
合成后振动频率是两个分振动频率的平均值，即
f=1/T=(ω1+ω2)/(4π)
振动的最大振幅与最小振幅分别等于两个振动振幅之和与差
Amax=A1+A2=2A0；Amin=｜A1-A2｜=0
由上可见，若电机的工作频率为50Hz，而电机（或机组）某一部分结构给一振动频率接近50Hz的调制信号时，电机则产生拍频振动。
在谱图中，拍频振动的特征以边带谱反映出来。如图2［1］、图3［1］所示，这两个图是当电机（187.5kW，1800r/min）转子出现断条而引起拍频振动时，将电机负载从零增加到100%而得的三维谱图，从图中可以看出，它们都有边带谱的存在，边带是引起拍频振动的原因。转子正常的谱图如图4［1］、图5［1］所示。 
图2电流法谱图 图3振动法谱图
 
图4电流法谱图 图5振动法谱图
2诊断的方法
设备诊断的方法一般分为精密诊断和简易诊断。精密诊断法主要是指用谱分析仪对信号进行数据处理、分析，将结果在荧屏上显示出来，且可以多种形式显示出来，很直观，故能从多个角度对同一问题进行分析，从而获得较准确的判断结论。用结果进行判断的方法：一是将结果与理论推断的结果进行比较；二是将结果与设备正常运转时进行比较。通过对比去确定故障的部位，判断故障轻重和预测故障发展的趋势。
精密诊断所用的仪器，主要用以微机为中心的诊断系统，随着低功率大规模集成电路的研制成功，出现了大容量的便携式数据采集和分析一体化仪器，该仪器体积小，既可进行现场数据的采集、分析、处理，也可将数据带回实验室与微机联机处理，而且可与一些不同的传感器、专用软件包等组成不同的专家系统，为现场的设备诊断提供强有力的工具。例如，美国IRD公司生产的IRD—890数据采集/分析仪，当与电流传感器、信号适调器、专用软件包可构成电机诊断的专家系统；与光电转速传感器、通道选择和专用软件包可组成现场动平衡检测的专家系统。
简易诊断是相对精密诊断而言，其使用的仪器简单，如数显式测振仪、测温仪等，这些仪器不能对采集的数据进行分析、处理，但是，仪器价格便宜，又能满足对一般设备诊断的需要，同时，涉及的知识及经验易于掌握，因此，简易诊断法在设备的现场诊断中应用很广，尤其适用于我国目前的设备现场管理。而从经验这个角度来说，简易诊断又不易，人的因素（如知识、方法、责任心等）显得很重要。
3几个实例
（1）电机轴承原因引起的拍频振动
故障发生的设备为从日本进口的鼓风机组，简图如图6所示，电机型号是TYPE TKKH；FORM FCKW8（30kW，2900r/min）；鼓风机型号是C-90×40-5LM4BOB，转速为2900r/min。轴承座A处为外球面轴承，轴承座B处为外球面轴承和角接触轴承的组合，联轴器为齿圈式联轴器，机组自由地放在减振胶块上，监测点设A、B及机座6点（在6块减振块上，如图7所示）。 
图6 图7
故障的现象为设备起动后，电机有明显的拍频振动现象，有较大的一会儿高，一会儿低的噪声，此噪声在电机运行十几分钟后便消失，但电机噪声稍大，随着使用日期的增加，一会儿高，一会儿低的噪声加剧且时间延长。根据这种现象发展的单向性，我们判断这是机械零件损坏引起的，且损坏的零件是电机轴承。因为电机轴承的旋转精度影响电机转子气隙的均匀性，影响整机的振动情况。电机转子气隙内某一点的运动轨迹可如图8所示。电机轴承旋转精度越低，δ值越大，气隙的均匀性越差，由于气隙均匀性差，使得气隙中产生谐波磁通量，其结果是：
图8
①它在定子线圈中产生电流，从而对电源频率进行调制；②定子铁芯产生所谓径向交变激振力，因而引起定子铁芯振动；③引起磁力（N.I）的变化，因而引起扭矩和速度的变化，使转子和轴产生振动。另一方而面，电机的主要振动源是磁场旋转时产生的窄缝谐波振动，而决定这种窄缝谐波振动的产生和强弱的主要因素之一就是电机气隙的均匀性。由于导线是嵌在磁性材料窄缝中的，存在着凸起和缝隙部分，所以定子与转子间的磁通密度线是不均匀的，当磁场旋转时，气隙中的磁力线变化如同多个窄齿的变化，必然引起电磁力的高频谐波，这种高频谐波就引起振动，该振动就是窄缝谐波振动。由此分析可知，电机轴承旋转精度越低，δ值越大，磁振动就越大，轴承振动就加剧，轴承旋转精度就进一步降低，这一反馈过程为恶性循环。轴承振动是一个调制信号，当其减弱时，磁振减弱，拍频现象消失和噪声降低。
从轴承润滑机理分析，轴承的精度低，影响其润滑效果，电机停机时，润滑轴承的极压润滑油膜在较大的程度上受到破坏，而电机起动时建立极压润滑油膜的时间也将要长，这就导致开始运转时振动较大，当极压润滑油膜建立后，润滑状况改善，振动减弱，其调制作用也随之减弱。
根据上述分析，决定更换电机轴承，更换电机承轴时认真检查轴承，发现两个轴承滚珠有环状磨痕。为了保证精度，用油将轴承加温到110℃左右进行安装。更换轴承后，拍频振动消失，电机噪声降低。更换轴承前后状态监测值分别如表1、表2所示。检测仪器是日本产的1322型数显式测振仪。表1
 表2
 （2）润滑保养不当引起的拍频振动
润滑保养不当，会引起电机的拍频振动。在对日本产的TYPETKHH；FORMFOKW8（23kW，2900r/min）型电机的润滑保养时就发生过此现象。产生的原因为选用大号润滑脂（即说明书推荐用1#脂，可用2#脂，此时选用2#脂）并多加润滑脂。拍频振动是在加脂后不久便出现，两个多小时后自动消失。这是因为加脂不当造成前期轴承润滑效果不好所至。润滑效果是由极压润滑油膜的耐负荷性决定。极压润滑油膜是润滑脂在摩擦副产生边界润滑时，发生摩擦化学反应而形成。摩擦化学反应是由边界润滑条件下摩擦发热及摩擦面材料应力变形、结晶格子紊乱、电子外逸而活化、摩擦表面催化等综合作用完成，外逸电子在摩擦化学反应中起重要的作用，因为外逸电子具有约83.68kJ/mol能量［2］，这种能量给予吸附在金属表面上物质的分子时，则致阴离子活化，而促进摩擦化学反应。而外逸电子是在润滑过程中，固体直接接触摩擦损伤或严重歪变的条件下才能发射，此过程产生大量的热（摩擦点在10-1～10μm的小面积，10-4～10-3s的短时间则可达1000K），导致润滑脂升温，当生成化学反应极压润滑油膜后，提高润滑效果，干摩擦减少，从而摩擦产生的热量减少，避免润滑脂温度过高或处在高温时间过长，而引起润滑脂性能下降或失效的情况发生。有些产品说明书中有说明，指出加润滑脂后一段时间轴承升温，随后下降，前面例子中的鼓风机产品使用说明书中就有说明。由上分析可见，当选大号脂且加脂量大时，前期的润滑效果不好（与小号脂相比），是因为散热效果差，造成润滑脂温度过高，使得极压润滑脂润滑油膜耐负荷性能有所下降，轴承的振动增加，致使电机出现拍频振动，当运行一段时间后，多余的润滑脂被甩出，改善润滑环境，使极压润滑油膜耐负荷性能得到提高，减少轴承振动，电机的拍频振动便消失。当出现拍频振动后，用日本产的1322型数显式测振仪对电机及相关的设备进行振动值的检测，没发现异常。根据上述分析，减少润滑脂的量，拍频振动就没有出现过。所以在选择润滑脂号和加润滑脂的量应注意，其可引起电机产生拍频振动。
（3）轴对中精度不够引起拍频振动
轴对中不良，会使系统出现受迫振动。因为轴对中不良，作用在转子上除转矩外，还有一个力，这个力激励转子振动。在前例鼓风机组进行轴对中时，用塞规和百分表进行，联轴器轴向间隙检测值为0.03mm，百分表值为0.06mm，符合说明书要求，在几次的对中中，起动效果有时好，有时不理想（噪声较大且有拍频振动现象）。这种情况是因为这种方法含有较大的人为因素在内。后来改用轴激光对中仪进行对中，联轴器和电机各脚的检测值如表3、表4所示，此后运转正常。表3 单位：mm
 表4 单位：mm
 4小结
(1)解决拍频振动的问题，就是将引起拍频振动的调制信号去掉。
（2）调制信号的产生原因可分为二种：一为外部因素引起，如润滑保养、机架、工况等，另一种为电机本身部件引起，如轴承、轴承座孔增大、转子断条等。
（3）诊断方法的选择。对大型电机（噪声大）的诊断宜选用精密诊断法，因为电机产生弱的拍频振动时（即故障的初期），有时会因辨别不清而不能将故障消灭在萌芽状态，影响设备寿命或造成大故障；对中小型电机，噪声较低，易于辨别，且不易产生大故障，同时，简易诊断法成本低，仪器易掌握，基本能满足现场管理的需要，故选用简易诊断法为宜。
从工况角度考虑，对于负荷较大而且工况不稳定或起动频繁的电机，宜选用精密诊断法，因为其引起电流增大（产生过热）的频率增大和离心力作用，突发性故障多。
（4）监测条件。日常的状态监测和分析，最好在电机实际工作状态下进行；为了更好地暴露隐藏的故障，最好定期地在满负荷状态下进行监测和分析。
李平（湛江佳能复印材料有限公司，524022）
参考文献
［1］袁宏义，牛明忠，叶慧秀，王保华编著．设备振动诊断技术基础。国防工业出版社，1991年7月第一版
［2］欧风，李晓著．应用摩擦化学的节能技术．中国标准出版社，1991年12月第一版(end)
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(1/8/2007) |
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