設備管理&維修Plant Maintenance Engineering1999年 第9期 No.9 1999利用振動分析對直流電機及其控制系統(tǒng)故障診魏厚培章中波直流電機及其控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它們的振動信號通常具有一些規(guī)律，表1列出了幾種典型故障圖譜(與正常狀態(tài)圖譜對照)。1.無明顯故障的直流電機的正常圖譜正常圖譜是指對一臺無故障正常運轉的直流電機進行振動測試得出的振動圖譜。例如，由可控硅供電的直流電機，其正常圖譜如表1中A圖所示，它的可控硅頻率峰值為1.27mm/s，這種振動速度值很典型，但它在實踐中所對應的電機功率范圍在20600kW之間。當然，不同的軸承類型和運行速度均將影響這種“報警”值。最好的做法是在某廠針對特定的某一電機進行多次測試后，計算它的平均值和標準偏差，然后以這個平均值+3去設置“報警1”水平。而“報警2”水平應該設置在“報警1”水平值的50%附近。當然，把功率、尺寸、速度、安裝條件及負荷相類似的直流電機分成組，構成一個小“家族”也是可取的。即便如此，在計算標準偏差的時候，理應將過高和過低的振幅值消掉，否則，將會導致計算結果的錯誤。圖1無明顯故障的6相SCR線路中的SCR頻率中的SCR頻率振幅圖譜(電機外殼的水平方向)表1直流電機及其控制系統(tǒng)均處于正常狀態(tài)的圖譜電樞繞組損壞，接地故障或者SCR觸發(fā)不可靠故障觸發(fā)脈沖板故障或者主回路保險絲燒斷可控硅故障，控制插件板故障，接線松動和(或)保險絲燒斷比較電路插件板(速度調節(jié)器)故障電流經過直流電機軸承通道后接地注：FL為交流電源線路頻率，取50Hz；FSCR為可控硅電源頻率，全波整流FSCR=6FL=300Hz，半波整流FSCR=3FL=150Hz；For為軸承外圈旋轉頻率關于“報警1”和“報警2”的分類，包含窄帶包絡報警和計算報警值一樣，均要超過正常報警水平。當然，對于SCR頻率的理想振幅得不到精確測量，而在FL=的SCR頻率振幅圖譜(電機外殼的水平方向)50Hz的地區(qū)，關于6SCR全波整流電路的頻率是6FL(650=300Hz)，一個半波整流3SCR電路的頻率=3FL=150Hz。圖1是典型的全波整流(6SCR)電源供電的直流電機的振動圖譜，圖中示出的SCR脈沖頻率在300Hz處的振幅僅有0.2mm/s。2SCR頻率(對3SCR的電路是300Hz，而對于6SCR電路是600Hz)也出現(xiàn)了振動。但其振幅非常低(典型值小于0.250.50mm/s)。通常這個峰值出現(xiàn)在2SCR頻率處時，就能預示有某問題存在。任何1倍和2倍的RPM處的峰值出現(xiàn)時，其結果是機械原因。正常場合的振幅值大小，取決于電機的應用場合(被驅動的機器)，而不是取決于任何SCR電路和直流電機本身。除非電樞線圈受損的情況下，發(fā)生變形而導致不平衡。2.電樞繞組燒壞、接地問題或觸發(fā)不可靠等故障表1中B圖所示的圖譜是電樞繞組燒壞、接地問題或觸發(fā)不可靠故障所出現(xiàn)的典型圖譜。注意，觸發(fā)不可靠將導致SCR脈沖有時丟失而引起整流波形間斷性掉相。(例如，對一個6SCR全波電路，相位差有些將會大于60，而對一個3SCR半波電路，相位差有些將大于120。)運行系統(tǒng)故障通?？梢酝ㄟ^簡單地調節(jié)觸發(fā)電路的放大倍數(shù)而得到改善。再者，振幅在1倍SCR頻率處大約超過2.54mm/s，通?？梢哉J定有故障。并且，振幅在1倍SCR頻率處超過3.81mm/s時，常常表現(xiàn)得足夠劇烈，需要去校正。注意，所給出的振幅，諸如2.54mm/s和3.81mm/s僅僅是作為狀態(tài)開始變壞的一個指導性數(shù)據(jù)(報警應該把在第1節(jié)中所講的那些數(shù)據(jù)進行分類，然后再設置檔次)，實際上SCR頻率由于SCR電路的質量不同，且電機的重量，軸承的型號也不同，而振幅也大幅度變化。因而最好是通過對機器家族的狀態(tài)分析來測定該機器家族的可用水平值。如果調節(jié)門驅動器的增益仍沒有改善運行狀況，那么勵磁繞組燒壞或者電路接地故障以及類似于這類問題就必然存在。需要強調的是，這些問題的產生即可以由SCR電路產生，也可以由電機故障產生，為了減少不必要的勞務浪費，動手維修之前必需確認無誤。圖2和圖3所示為100kW直流電機的3相SCR和6相SCR電路中的調節(jié)系統(tǒng)故障的FFT圖譜，兩種場合下的振動速度峰值均超出了2.54mm/s，如果通過整流直流系統(tǒng)的調節(jié)觸發(fā)功率，它們的峰值仍不能降到警告值以下，那就不得不去檢查電機繞組或者接地故障等問題。在某些情況下，SCR電路本身的不良濾波也可以引起固有的SCR頻率處的較高振動。圖2存在觸發(fā)不可靠故障的半波FFT圖譜圖3存在觸發(fā)不可靠故障的全波整流直流系統(tǒng)的FFT圖譜3.觸發(fā)脈沖板的故障或者保險燒斷當SCR觸發(fā)脈沖板失靈或者保險燒斷和(或者)連接不良，交流主回路觸頭腐蝕拉弧和線路松動，引起觸發(fā)期間丟失了1/3的電源，結果導致在1/3SCR、2/3SCR頻率處電機出現(xiàn)高的振動幅值。如表1中C圖所示。圖4a和圖4b分別為一臺全波整流直流電機脈沖板連接不良維修前后的圖譜。在這些圖譜中，SCR脈沖速率是300Hz，振動峰值在2FL(100Hz)和4FL(200Hz)處，問題被顯示出來，而良好的直流電機及其系統(tǒng)是不會有這種情況的(觸發(fā)頻率對于6SCR全波整流直流電機)而言，2FL對應于1/3SCR、4FL對應于2/3SCR)。如果有一個3SCR電路，1/3SCR和2/3SCR頻率將分別在50Hz和120Hz處。注意圖4b，在觸發(fā)板進行維修以后，1/3SCR和2/3SCR兩處的振幅消失，即每個周期中丟失一個相脈沖引起1/3SCR和2/3SCR兩處振動超出標準的現(xiàn)象，在直流電機正常情況下的圖譜中都不會出現(xiàn)。圖4(待續(xù))作者通聯(lián)：武鋼集團公司電氣公司武漢市青山區(qū)紅鋼城七街坊體育館430083斷(續(xù))魏厚培章中波4.SCR、控制板、連接松動和保險絲燒斷的故障在表1中D圖所示的是關于SCR、控制板短路和(或)保險燒斷故障的特征圖譜。圖中，可控硅頻率和線路頻率的諧波處出現(xiàn)了峰值(這些FL的倍次頻率處通常僅有一個或兩個峰值高于正常值)，正常情況下峰值在FL、2FL、4FL、5FL不應該出現(xiàn)。無論是半波或全波整流的電路設計，在直流電機的圖譜中不應該有任何明顯地峰值。在這些頻率下的正常譜圖可能僅在0.12mm/s就相應設立了“報警1”水平，對于 FL和5FL，其值在0.254mm/s或0.50mm/s(注意3FL僅是對應于半波SCR電路)，用一個示波器能確認這種問題以及其它的SCR電路問題。在某些場合下，保險絲有可能未被燒斷，而是由觸頭磨損、腐蝕，保險附件燒損或松動等引起的故障。圖5a和圖5b為一臺受6SCR控制的直流電機保險燒壞和控制板問題在維修前后的FFT圖譜。從圖中可看出，維修前高峰值在50Hz(FL )和250Hz處，其峰值分別是1.80mm/s和1.85mm/s。但維修以后在FL到5 FL處的峰值均降低了。5.比較器插件板(速度調節(jié)器)的故障比較器插件板的主要功能是對直流電機的速度起控制作用，它是通過不斷監(jiān)測安裝在電機上的測速計和恒定的電壓電位計之間的電壓區(qū)別來實現(xiàn)的。比較器插件板有故障時，將會產生旋轉頻率方面的問題，如速度波動或“沖擊”。表1中E圖所示的狀況是典型的，在緊依SCR頻率峰值附近出現(xiàn)諸多邊波，且邊波對稱，它需要用高分辨率的頻譜儀才能檢測出來。這些邊波的峰值可以等于旋轉頻率的波動值，并且它可能是由磁場的重復產生而引起。當然，從SCR散發(fā)脈沖頻率的有效時間觀測，應與1RPM峰值波動測定一樣。建議用3200線FFT儀去搜集安裝在直流電機軸承上的信號，并且用一監(jiān)控程序去顯示這些包圍在SCR頻率周圍的邊波頻率。應注意，靠近測速計的磁場狀況(如安裝在磁鐵上的加速度計)也能引起電機速度的巨大變化，它是由測速計的磁場干擾所致，因此，測速計應該隔磁。圖5圖6a和6b所示為在3SCR半波整流電路中，比較器插件板故障維修前后的對比圖譜。圖6a中所有間隔為0.62Hz的邊波都包圍在SCR頻率附近，它表明了一個間隔為0.62Hz的速度波動，這非常接近地對應于電機旋轉頻率的實際波動。當比較器插件板更換以后，包圍SCR頻率附近所有間隔邊波都消失了(圖6b)。建議用3200線以上的高分辨率的FFT圖譜儀(能夠捕捉到的頻率大約在400Hz)進行探測(最好在每臺電機軸承的水平方向上都裝一個)。對這類比較電路插件板問題的探測，如僅僅用常規(guī)的400線或800線圖譜儀，幾乎是不可能達到目的的，而在任何成功的狀態(tài)監(jiān)測程序中，合適的監(jiān)測方案是必不可少的第一步。圖6比較電路插件板更換以后，在150Hz SCR頻率邊上的邊波存在，但峰值消失，電機沒有沖擊，且轉速穩(wěn)定。6.電流經過了直流電機的軸承通道電氣原因引起的凹槽(例如，軸承圈上皺紋的出現(xiàn))尤其對裝有滾子軸承的直流電機干擾較大。凹槽的產生是由于電樞與軸之間通過軸承接地而產生輕微放電所致。持續(xù)放電的結果是導致軸承損壞。這些損壞缺陷將會使振動在軸承外圈缺陷頻率For附近出現(xiàn)邊波，邊波中心的頻率范圍在16662500Hz之間，如表1的F圖所示。也就是說，在周期性振動期間，一系列的頻率將出現(xiàn)在高頻區(qū)域，從某個頻率到下一個頻率將等于軸承的外圈缺陷頻率。圖7、8為兩種不同類型的直流電機滾子軸承的故障檢測圖譜，圖7是速度圖譜，它表明了軸承外圈的故障頻率是在16662500Hz頻率范圍之內，應注意圖7中未出現(xiàn)1For、2For、3For等等頻率。圖8是一個同樣的軸承故障的峰值能量(g/s)圖譜，更清晰地示出了軸承外圈故障頻率。然而，峰值能量圖譜顯示的軸承外圈故障頻率出現(xiàn)在較低頻率范圍，它們能夠被推算出來。圖7裝有已產生電傷凹槽的滾子軸承的電機振動速度圖譜圖8裝有已產生電傷凹槽的滾子軸承的電機振動能量圖譜如果電傷引起的凹槽現(xiàn)象嚴重，就應該用一個狀態(tài)監(jiān)測程序去監(jiān)測它，高頻數(shù)據(jù)至少應到3000Hz，對于每臺直流電機的軸承外圈和內圈發(fā)生的振動，其高頻數(shù)據(jù)不會小于3000Hz，在這種頻率范圍內，為了能保證軸承頻率的邊波被檢測到，建議至少要采用800線的FFT儀器才能收到效果。(記住，沒有這類故障的電機不應該有這種軸承故障頻率的邊波出現(xiàn))在軸承和軸承座之間，通過安裝絕緣套筒把軸承絕緣起來，或者通過在軸上安裝接地電刷防止或者延遲這種類型的軸承損壞，當然，由于電刷的嚴重磨損，這樣的方法需要嚴密的監(jiān)護(絕緣套筒經常被認為僅僅是一種輔助手段)。7.尚未嚴格證實但可考慮的幾種故障診斷分析方法(1)由于電樞端部無支承或綁扎不嚴，導致電樞端部變形，引起動不平衡，在1PRM頻率處振動。(2)出現(xiàn)一個振動頻率值等于電樞槽數(shù)RPM的值即“槽通過頻率”，這多數(shù)是由于磁極松動。由于多數(shù)直流電機的磁極是用螺釘緊固在支架上的，在長期的運行中，這些螺釘可能由于拉伸而松動，且強度發(fā)生改變等等。(3)電刷嚴重不均勻磨損，可能影響1RPM頻率處和換向片數(shù)RPM處(可稱為換向片通過頻率)的較大振動。(4)SCR電路由于觸發(fā)板故障，也很可能導致振動，曾經有過雜志報道，一臺6相SCR電路作為電源的直流電機，由于電路中有2個SCR觸發(fā)板故障，結果產生了電機的60Hz振動(國外電源線路頻率為60Hz)，振幅比正常狀態(tài)增大了10倍，達到25.14mm/s，當這2個觸發(fā)板的問題得到糾正后，振動立即恢復到正常水平，僅有0.02mm/s)。(5)帶有直流電勵磁的交流同步機，近年來由于很多同步機的直流電源由SCR供給，它發(fā)生的振動往往與直流電機的分析手段、方法很接近，與SCR脈沖頻率有緊密的聯(lián)系。(6)直流電機的電流圖譜也能反應出電機的振動及其控制系統(tǒng)問題。在直流電機及其控制系統(tǒng)故障的分析中，電機準確運行速度的輸入至關重要，因此，在聚集振動信號時，保持恒速并記載RPM的準確值。電機改變轉速時，振動頻率發(fā)生變化，那么應判定為機械性故障，當振動頻率穩(wěn)定時，那么電氣與機械的原因均不能排除。這時可通過觀察速度改變后的振動圖譜來鑒別振因是機械還是電氣的原因。例如一臺直流5kW電機，由6SCR全波整流供電，振動信號取自電機的蓋座，從表1中的D圖查得，可能是控制板短路或保險燒斷等問題。這種狀態(tài)從電氣上來講與電源線路頻率50Hz有關，從機械上來講，與軸承的外圈故障頻率For有關。該