基于振动频谱分析的电动机故障诊断
生产线设备的运行状况越来越受到重视，而电动机作为各种设备的动力源，其连续、稳定运行对生产起着非常重要的作用。因为在连续生产系统中，如果某台关键设备因故障停机，则会影响全厂的生产及销售计划，发生恶性连锁反应，从而造成严重的经济损失。因此，对公司内大量处于关键部位且位置分散的电动机进行状态监测与故障诊断工作是非常必要的。而要及时、准确判断电动机，是否发生故障、故障部位以及故障程度，则需要故障分析人员在充分熟悉被监测设备的基础上，掌握扎实的振动理论知识和一定的频谱分析能力。频谱分析的特点振动信号是由一系列简谐振动分量、其他分量和随机噪声叠加而成。频谱分析的目的，是将信号中所有这些成分都分解开来，变成各种振幅、频率和相位的简谐振动，振动信号中原有的简谐振动分量，经过分解自然还是简谐振动，振动信号中的其他成分，也可以分解为简谐振动分量的组合。
常用的频谱是幅值谱，幅值谱表示对应于各频率的简谐振动分量所具有的振幅。对于转子来说，振动信号中的很多频率分量都与转子转速关系密切，往往是转速频率的整数或分数倍，应用振幅谱更直观。振幅谱上谱线的高度就是转子振动中该频谱分量的振幅大小。
在转子振动频谱上，不同的频率分布往往对应着不同的振动原因。如果知道了振动信号中所包含的频率分量，就比较容易找到引起振动的原因。例如，转子不平衡会产生转速频率的振动分量，对中不良易导致2倍频的振动分量等。一般来说，频率分量与振动原因之间的关系是很复杂的，仅靠振幅谱有时还难以确诊，还要综合考虑其他因素，如机器负载变化情况、历史故障情况等，不能机械地套用别人的试验或现场结论。但将幅值谱分析清楚，却是对故障进行诊断的必要条件。
应用频谱分析法的诊断案例1、电动机轴承故障
查看巡检数据时发现某线材三厂粗轧4电动机（型号：Z560-2B）负载侧轴承幅频谱异常，存有如下故障特征。
· 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，说明内、外滚道或者滚柱的滚动面有损伤。如图1所示。
图1 负载侧水平径向速度的时域波形图
· 负载侧轴承水平径向速度的频谱图中（图2），低频段中45~150Hz范围内“新生”了很多谱线。该机负载轴承型号为：FAGNU240E/MC3，电动机当时的运行速度为660r/min。利用滚动轴承故障特征频率计算公式得出：轴承外圈的故障特征频率为85Hz，内圈的故障频率为113Hz，滚柱的故障特征频率为38Hz。频谱中110Hz处峰值最大，且接近内圈的故障特征频率，说明轴承内圈存在故障。
图2 负载侧水平径向速度的频谱图
· 峭度指标由原来的2.2上升为4.6。
根据以上情况诊断结论为：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。
将该机下线解体检查，发现负载侧轴承三颗圆柱棍子卡死，内滚道出现剥落。因处理果断及时，避免了故障进一步恶化导致电动机扫膛事故的发生。
2、不对中故障
2008年6月11日检查某球团厂两润磨电动机时，发现该机负载侧轴向振动达10.6mm/s，严重超标。于是使用HY106B和PMS设备巡检系统对电动机和减速器进行数据采集和振动频谱分析。测点布置见图3。
图3 振动测点布置图
该轴系各测点轴向振动速度值，如下：
表1 该轴系各测点轴向振动速度值
从以上振动数据可以看出电动机负载侧轴向振动远大于其他测点，频谱图中存在较大的2倍频分量（见图4），且达到基频的3.2倍，说明联轴器存在严重的不对中故障。
图4 测点2振动速度频谱图
停机检测发现该柱销联轴器轴心径向位移达0.4mm，远远超过标准规定的0.05mm。重新调整同心度后电动机轴向振动降至4.9mms，运行恢复正常。因处理及时，避免了长期严重不对中产生的剪应力导致电动机轴断事故的发生。
总结以上诊断实例还有很多，实施设备状态监测和故障诊断技术，提高了对设备状态、劣化趋势的认知和控制能力，可针对故障原因使抢修做到有的放矢，有效避免了重大故障的发生，提高了设备的作业率，延长了设备的使用寿命，降低了设备全寿命周期费用。
来源：优感设备诊断中心微信公众号，文章整理自《冶金动力》作者：吕志远。
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案例1中的滚动体故障是怎么得出的？
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