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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1Y=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8①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 （图片）表2 （图片）表3 单位：mm （图片）表4 单位：mm （图片） | |
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